关于分频音箱问题的非专业理想解决方案

先说说分频音箱的问题吧。分频音箱原本应该是个无奈的选择，因为最早的音箱都是单喇叭的，不存在分频的问题，反正音源的频响也不太宽，一只喇叭足够覆盖音源的频响范围。但是，随着音源的频响范围越来越宽，甚至已经远远超越了人耳的听力范围（比如10Hz-100kHz），单只扬声器的频响范围很难满足这么宽频响范围的音频的重放了，于是，用不同频响范围的扬声器的组合就是最合理的解决方案了，但是多只扬声器的组合使用就必然带来了分频的问题，其实，低频扬声器还好说，主要是高频扬声器的结构导致其不能承受大功率的低频的冲击，因此，最早的所谓分频器就是一只无极性的电容，串接在高频扬声器上，起到通高频阻低频的作用，与其说是分频，不如说是为了保护高频扬声器不被大功率低频信号损坏。随着音响技术的不断发展，分频器由一只电容，逐渐升级为具有电容，电感，电阻众多元器件搭建的复杂网络的真正的分频器了，而且随着重放频率的进一步拓宽，音箱也从两分频扩展为三分频甚至四分频，使得不同频段的扬声器各司其职。分频音箱，尤其以二分频与三分频音箱逐渐成为音箱的主流。而在这个逐渐发展迭代的过程中，分频器在给音箱设计带来分频功能的同时，其带来的副作用也一直在困扰着音箱的设计者们。事实上，一个具有多只电容，电感，电阻外加多只（至少两到三只）扬声器自身的感抗，容抗和阻抗组合而成的复杂网络，对于从20Hz到20kHz这么宽的音频信号的传输特性的影响是很难驾驭的。基于简单的感抗与容抗的计算公式，是很难准确计算与取值的，好在一些专业的仪器（比如网络分析仪）可以定量的分析这个复杂网络的传输特性与反射特性，因此，业余条件下是很难设计调试出理想的分频网络的。即便是设计出比较理想的分频网络，使各频段扬声器能够工作在各自的频段上，由于分频器一般最多也就是二阶到四阶，不可避免的导致在分频点附近，扬声器会有交叠工作区，如图所示：

以两分频音箱为例，假设分频点为2500Hz，所谓交叠工作区就是在2500Hz附近的频率既由高频扬声器发出，同时也由低频扬声器发出。虽然可以在频响上做到平直，但是，一段频率不得不由两只不同参数的扬声器发出来，而且这两只扬声器不但物理参数相差巨大，而且物理位置也不同，这导致这个频段内的声音的音染就非常大，而且相位失真也很难控制，此处的相位失真来自于分频网络的电抗元件与扬声器单元的物理结构与方位。而对于二分频音箱来说，这段不理想的传输特性又恰好发生在人耳听觉最敏感的频段，而三分频音箱可以由中频扬声器覆盖这一敏感频段，因此，理论上讲，三分频音箱具有优于二分频音箱的先天条件。但是，三分频音箱虽然能够在相对不敏感的区域交叠，但是，它会有两个交叠区，因此，尽量将这两个交叠区往高低两端推，成了三分频音箱的努力方向，我曾看到极端的设计，将低端的分频点设在125Hz，高端分频点设在12kHz，其目的就是尽量保证人耳听觉敏感区域的声音重放质量，当然，这对负责主要频段的中音扬声器（实际上是全频段扬声器）的要求也是非常高的，有人说扬声器频响做到125Hz到12KHz并不困难，这不是很容易实现吗？事实上，由于分频器不能锐截止，也就是在交叠区还是要正常发声的。因此，要求扬声器多覆盖一个倍频程应该是合理的要求，因此这个扬声器的实际工作频响要求就成了62.5Hz到24KHz了。这个频率覆盖范围就由单只扬声器覆盖就非常困难了。另外，对于纸盆比较大的全频带扬声器来说，其高频的声音输出会导致扬声器纸盆的分割震动，从而会造成更多的失真。这里先简单介绍一下产生分割震动的原因，大家知道，理想扬声器纸盆（虽然纸盆材料不局限于纸张，但我们还是称其为纸盆）应该是不可形变的刚体，这样的话，在音圈驱动纸盆的时候，由于纸盆不会产生形变，因此会产生理想的活塞运动，如图所示：

但是，由于现实世界中纸盆并非理想刚体，而且在纸盆面积比较大的情况下，在中心的音圈被高频驱动的时候，贴近音圈的部分被先驱动起来，并随着纸盆向边缘扩散，整个纸盆像是被抖起来的，而这个抖起来的震动，扩散到喇叭边缘的时候，部分能量还会被反射回来，与原驱动波产生驻波，看起来扬声器纸盆就像是被分割成一块一块的，这就是分割震动。下图为原理性示意图：

下图为扬声器纸盆高频分割震动的3D仿真图：

产生分割震动的原因主要还是纸盆的尺寸远大于所发出的音频频率，外加上纸盆不够坚硬造成的。因此，减少分割震动最好不要让扬声器发出波长远小于纸盆自身物理尺寸的频率，也就是说，低频喇叭就发低频，高频喇叭就发高频，这样相对会好些。因此，让一个所谓的全频带扬声器覆盖太广阔的频响范围的声音，由于不可避免分割震动，对声音的低失真重放非常不利，这也是三分频音箱很难做到像125Hz到12kHz两个分频点这么极致拉远的原因。

好了，分频音箱的问题我相信已经阐述清楚了，那么有没有相对完美的解决方案呢？我认为是有的，作为物理老师，我认为物理定律仍然是我们现实世界的指导定律，只要符合物理定律，就可以实现，只不过我设想的这种解决方案，目前还没有看到有人实践过，而我自己暂时没有设备条件做实验，因此，就在此将我设想的方案提出来，有专业人士看到，或批驳，或尝试，都是我所欢迎的…下面我就阐述一下我的非专业解决方案，供大家讨论。

如上文所述，频率交叠区的音频由不同材质，不同方位的不同扬声器同时发声，是导致整体音响效果劣化的主要原因，那么是否可以消除交叠区呢？如下图所示：

如果分频滤波器可以做成如上图所示的话，那么就可以由两分频音箱的高、低音喇叭（或三分频音箱的高、中、低频喇叭）分别发出各自的声音，而中间又没有交叠区，这样就会真正的让每个扬声器各司其职，达到相对完美的工作状态，那么如何能实现这种理想的分频器呢？看来无源分频器是不可能做到这种效果了，而普通的有源（或电子）分频器即便做到高阶滤波器也很难做到这种效果，这就让我想到数字滤波器，我在使用Adobe Audition软件编辑音乐的时候看到里面有FFT数字滤波器选项，其幅频特性可以做到理想滤波器的形态，也就是如上图所示的直角的状态，实际使用效果也的确是达到了这种滤波效果，因此，我就设想，如果有源音箱先将输入的音频信号数字化，然后使用DSP数字滤波器将频率在分频点一分为二（三分频就是一分为三），然后再经过相位矫正，用来纠正各个扬声器物理安装位置带来的相位偏差，然后再经过各自的功放输出到各自的扬声器，这样就可以实现如上图所示的理想分频效果，这样，每只扬声器只工作在自己的频段上，不会与其他扬声器交叠发声，也就避免了由此带来的一切恶劣影响，从而使音箱的音响效果达到一个质的飞跃。由于音箱内的信号已经数字化，因此，如果配合外置拾音器的环境修正系统并对整体的频响与延时进行进一步依据环境参数的修正，就可以获得更理想的听音效果。我相信，以现在的数字技术，制作这样的有源音箱是不难实现的，不过业余条件还是很难做这个实验…期待专业音箱能尽早推出此类产品，相信会有不俗的表现的。

再次声明，本人是物理老师，非音箱专业中人，虽然可以使用物理知识深挖其工作原理，但是，毕竟没有设计音箱的实践经验，希望有音箱设计专业知识的网友不吝赐教，大家通过交流不但可以获得知识，同时也获得更多的乐趣！谢谢大家！