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提升移动设备扬声器音频品质的多种方法
作者:飞兆半导体公司 Bill Llewellyn
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音频器件/扬声器展厅
音频功率放大器, 语音芯片, 喇叭, 扬声器, 蜂鸣器, ...
就在过去十年左右的时间里,带有微型扬声器的移动设备呈现爆炸性增长--手机、MP3、GPS系统、膝上型电脑和笔记本电脑、平板电脑、游戏机、玩具等等。由于消费者品位提升,对这些设备的更高品质声音播放的需求也在增长,这就给产品制造商带来了更多的挑战:使得小型、轻量、廉价的扬声器发出更悦耳、更高品质的声音,本文将探讨便携电子产品制造商所采用的达到这些目标的一些方法。

均衡电路

理想的扬声器(任何尺寸)应该具有"平坦"的频率响应--也就是说,扬声器能够在从20Hz~20kHz的频率范围内以相同的音量水平向周围空间传送声音,在幅度方面不会出现峰值或低谷。在实践中,没有扬声器能够做到这一点,并且越是努力以使扬声器的响应变得平坦,所涉及的成本和复杂性就越高。由于便携设备所使用扬声器的成本低且结构简单,无法包含达到真正的平坦响应所需的复杂结构,因而在音频频带内出现非常明显的输出水平变化--在频率低于数百赫兹(Hz)的情况下最为显著。

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图1:手机扬声器频率响应图表

为了补偿不均衡性,可以测量扬声器的频谱响应并找出其特性,然后通过使用均衡或滤波电路来加以补偿,这些电路的频率响应可以弥补扬声器响应的不均衡性。也就是,在扬声器削弱音频信号的某些频段,均衡电路能够成比例地增强信号。相应地,在扬声器响应的声音峰值区域,均衡电路能够使信号平坦化。其结果是扬声器可感知的输出获得较高平坦度。

实现均衡至少有两个缺点,首先,增加了系统的复杂性,扬声器响应越不均衡,所涉及的均衡方案就越多。DSP能够有效地用于实现均衡曲线,但是至少会在硅片面积和功耗方面带来某些成本。第二,在整个音频频谱中,即使增加了均衡电路,扬声器的物理限制也会阻止实现平坦度。单一元件换能器如手机扬声器,其有效的驱动单元直径通常为1英寸或更小,无法在整个音频频段上提供有用的或可辩的音频能量(这就是2路和3路扬声器普遍用于家庭和汽车立体声装置以及公共广播系统的原因),这一点在低频区域尤其突出。这样小的膜片无法有效地将低频能量传送到空中,试图通过增大低频信号的幅度来进行补偿,将会导致扬声器超出其物理和散热限制。因此,即便有了均衡电路,便携电子设备中的低频或低音响应在也是普遍不足的。

合成低音增强

如上所述,手持式设备中的微型扬声器,传送低频信号的能力不足,因此音频节目资料中的低音部分会遭受损失。目前的做法只是在声音中综合引入元素,使得低频部分看起来存在,这种方法通过从小型扬声器无法发出的低音频率中产生泛音(泛音存在于扬声器确实能够提供的范围内),并将其插入音频流中以便达到欺骗人类听觉系统的效果。至少有两种人类听觉原理使之成为可能,一种被称作"基频缺失"或"残留音调",另一种被称作"差音(difference tone)"。

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图2:Fo丢失但由2Fo和3Fo“暗示”。

至于差音,通过把高于目的音符一个八度的音调,与高于那个八度音调的5th音调进行混合来模拟低音音符(参见图2)。例如,如果需要合成一个比中音C低3个八度的C调,可以将一个比中音C低2个八度的C调,与仅高于后一个C调的G调进行混合。这项使用差音的实践已纳入管乐器和电子琴许多年,以避免需要很长的管乐器或很大的扬声器系统。至于基频缺失,从乐器音符中自然产生的一系列泛音能够对人耳"暗示"基音,即使基音丢失(参见图3)。

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图3. Fo丢失但由其谐波信号暗示

此两种方法中的任一种都可用于在小型扬声器的通频带内产生音调,可以暗示或合成低于扬声器实际能够传输的频率范围的音符,因而增强表面的低频响应。为了达到这个目标,低端的音频频谱要分离在主信号通道之外,并且应用非线性处理来产生上述的泛音。所产生的合成低音被重新引入信号通道,馈送回扬声器。此方法的缺点包括不可预知的结果或可听见的人工合成迹象,来源于复杂节目资料或高动态音源(如脉冲声)的非线性处理。

压缩电路


如今便携电子产品使用的微型扬声器不仅受限于频率范围,也受限于绝对响度(loudness)。响度的限制性不仅涉及到将能量耦合发送到空中的振动元件的小尺寸,也包括元件可允许的最大移动或偏离程度;其不能突破物理极限或损坏悬吊装置。提升声音的平均感知响度而不过分扩展或损坏扬声器的方法之一是使用压缩技术,压缩电路持续监控音频信号的瞬间响度,增加静音通道的增益,同时或多或少地保留响度较高的音频资料。这些处理在非常快速的基础上完成,根据节目源响度包络,使其带有相当平滑的压缩特性。

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图4. 动态范围压缩。(输入、输出、压缩输出、未压缩输出、拐点、最大提升量)

图4显示在平滑通道的响度被提升了很多,而最大输出则保持不变 (压缩和被压缩曲线交点),防止系统可能发生的过度驱动。压缩后的平均表面响度实质上高于未压缩信号。拐点之上的压缩比率大概为2:1(即输入信号中的2dB变化仅带来压缩后输出信号中的1dB变动)。低于拐点部分的压缩比率为1:1,并且设置了最大提升量,因此减小了压缩电路的整体增益要求,同时对于较平坦的信号仍然给予相当大的"提升"。

听觉增强(高谐波增强)

几十年前,高效的录音室设备可以"刺激"音乐的听觉效果,目标是仅通过增加高端频率的增益(放大高音)来为声音特征增色。正如合成低音增强部分的讨论,原始资料某种失真可能使人类听力系统在现实中感知愉悦,这种现象用于提升音调。特别地,我们可以导入非常柔和的偶次谐波,即在放大的音乐声音中加入了许多的"温暖(warmth)"。在这方面电子管的作用众所周知。

至于听觉增强,仅有音频频谱的高端(如1kHz及以上)从信号通道分离,生成偶次谐波并包括在受控的总音量中,由此产生的修正信号以可调节音量的方式再次合并入音频流。此效应给许多令人愉悦的声音增加了"咝咝"或"水晶"特征,这取决于所收听的资料。并且因为此效应出现在中端至高端频率范围,在这个范围中人耳更为敏感,音乐节目也似乎变的更响了。

柔性削音

许多便携音频设备包含可以防止音频放大器过驱动或允许饱和削音的技术,过驱动或饱和有可能损坏扬声器并且至少会产生令人厌恶的破裂声。即使有此保护,然而,仍然会发生音频水平超过放大器输出范围的情况。一种缓减声音饱和后果的方法是使用柔性削音,该技术能在放大器的输出电压接近其极限时(在限值上下)予以感知,修剪波形以防止尖峰严重击穿限值。此项技术降低了可能由平顶或急剧裁切的输出波形所产生的高频能量,减弱了令人讨厌的爆裂声效果并减少了可能传输至扬声器的过量的高频能量。

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图5. 柔性削音

扬声器保护

人们做出种种努力以期最大限度地提高便携设备扬声器发出的感知响度,必须小心避免扬声器本身的损坏。这些小型换能器仅能承受这么大的有限音量。现有两个主要的扬声器保护方面--最大薄膜偏移和最高音圈温度。

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图6. 扬声器剖面图

图6所示为典型的扬声器剖面图,可以清楚看到薄膜运动的物理极限,尤其是向下方向。音频信号不允许过强,否则会导致振动元件接触到固定盆架组件,或导致悬架材料(环形圈或弹架)过度拉紧。此外,音频信号的RMS值不允许太大,否则会导致音圈过热。音圈过热会使线圈管的圆形变形,引起与磁体或磁极片边缘的摩擦。而且,音圈中的高温也会导致其电气绝缘性能劣化,最后致使音圈的线匝短路,从而降低音圈阻抗而使放大器过载。音圈温度过高也会使永磁体受热,可能导致其退磁。

用于防止扬声器损坏的技术包括:针对输入信号幅度和/或电源电压进行自动增益控制(AGC),动态范围压缩(如前所述),硬限幅,柔性削音,以及放大器输出过流感测。这些技术的缺点在于它们都是前馈式方法,无法感测实际的扬声器音盆偏移、音圈温度、或扬声器阻抗(其随温度按比例改变)。热反馈等更复杂的保护机制有望在未来实现,但目前的常规方法是上述提及的一种或多种保护机制。
文章内容仅供参考 (投稿) (8/2/2011)
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