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因为扬声器对电能的利用效率比较低,大部分进入扬声器的电能都转换成了热能,只有大约1%的能量可以被听到。
因此,放大是至关重要的。
如今,有了晶体管,放大变成了一件很简单的事情,主要挑战变成了确保每个频率被放大到一个适当的程度。
考虑到听觉系统的非线性属性,如果要保持输出声音音高不变,就必须对不同的频率进行不同程度的放大。
谨慎地选择放大倍数非常重要。
除了会对听力产生有害影响,扬声器也很容易被损坏,尤其是人为制造的声音,因为这种声音可能会在一个极短的时间内快速变大。
此外,如果麦克风发送到扬声器的声音又反过来被麦克风接收到了,就会建立一个正反馈回路,导致一种我们非常熟悉的呼啸音产生。
扬声器是音乐生产链中最不高保真(hi-fi)的环节。
虽然原理简单,但它们的设计会面临许多实际的挑战。
扬声器必须保证当信号降至零时,音圈能精确地回到它的起始位置,而且在任何情况下都不会发生振**,但是又必须处在可以自由移动的状态。
锥体必须在振动时保持其形状不变,必须非常轻,但又足够坚硬,以免在重力作用下下垂。
与此同时,它必须大到在低频时也能移动大量空气(足够强大的声波才能被听到),但又小到足以在高频时每秒来回移动超过10000次。
此外,其外壳不能与任何频率产生共振。
实际上,分组使用扬声器要容易得多。
这些扬声器通常都会组成一个单元,包括一个频率在2000赫兹以上的小型高音喇叭,一个较大的中频扬声器(50~5000赫兹)和一个低音扬声器(30~800赫兹)。
对于那些喜欢低音的人,可能还会加一个低音炮(20~200赫兹)。
低音炮通常是有源扬声器,也就意味着它们有自己的放大器(因此需要配供一个电源)。
其他大多数的扬声器都是无源的,由外在的信号进行驱动,这些信号常常通过高保真(或其他)系统中的放大器进行了增强。
一个没有外壳的扬声器几乎是无声的,原因很简单,扬声器前方产生的高压脉冲会悄无声息地溜到后方,填充刚刚在那里形成的低压区。
因此,可以把扬声器放在一个密闭的盒子里。
然而,如果盒子很小,当隔膜向外运动时,盒子里的空气很难被压缩。
还有一种解决办法是将隔膜放在一个称为挡板的环的中心。
挡板必须足够大,这样当压力脉冲跑到隔膜后面的时候,那里的低压区就已经消失了(换句话说,声波走的距离比最长波波长的14要长)。
亥姆霍兹谐振可以用来扩展扬声器在低频声方面的表现性能。
在安装扬声器的盒子前面开一个孔,腔体就会与低频声音产生共振。
如果盒子的共振频率低于扬声器的共振频率,当扬声器的膜片向初始位置移动(反射回波)时就会产生压力脉冲,脉冲在盒子中运动直到出现在盒子开口处,在那里它将与一个隔膜前方刚刚产生的新脉冲处于同相位。
这两个同相脉冲会相互加强。
这适用于一切脉冲,只要这些脉冲产生的声波频率在膜片和盒子的共振频率之间。
这样做的缺点是有时可以听到从端口吹来的气流,另一个缺点是声音不会那么清脆,因为每个信号后面都有一个短的衰减共振“尾巴”
。
此外,形成频率低于该端口频率的声波的脉冲会被来自膜片的后续波抵消。
超过这两个共振频率的声波既不被增强也不被减弱。
我们的大脑非常善于填补声音的空白,我们可以利用这一点来改善基频非常有限的扬声器。
在自然界中,一组200赫兹、300赫兹、400赫兹和500赫兹的音调几乎总是基频为100赫兹的谐波(泛音)。
因为大脑的听觉中枢(见图16)“知道”
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