低頻濾波器在揚聲器中的科學運用探析

肖俊　沈鉆楊

摘 要：濾波器隨著科技的發展，在電子技術領域的作用愈發凸顯，尤其是在揚聲器設計中更是有著巨大的作用。實驗證明，低頻濾波器和揚聲器中低音單元會相互作用，影響到揚聲器的實際效果。加強對二者關系的研究，能使低頻濾波器在揚聲器設計中發揮更大的作用。

關鍵詞：低頻濾波器；揚聲器；低音單元

濾波器簡而言之就是一種處理信號的器件或電路，其主要功能在于讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。隨著科技的發展，濾波器的作用也越來越大，尤其在電子技術領域更是不可或缺的重要部件。美國和德國科學家于1917年分別發明了濾波器，1918年美國第一個多路復用系統出現，向世界展示了濾波器的重要作用，濾波器的研究逐漸步入了各國專家、學者的視野。二十世紀五十年代無源濾波器日趨成熟，并且隨著計算機技術、集成工藝和材料工業的發展，濾波器研究上了一個新臺階，朝著低功耗、高精度、小體積、多功能、穩定可靠和價格低廉的方向前進。隨后有源濾波器、數字濾波器、開關電容濾波器和電荷轉移器等各種濾波器迎來來百花齊放的春天。自二十世紀九十年代開始，濾波器的研究重點轉向于將各類濾波器應用于各類產品的開發和研制，實現其經濟價值。

一、濾波器的分類

濾波器按照不同的劃分標準可以分為不同的種類。以處理信號的類型為依據，可以分為模擬濾波器和數字濾波器。以使用元件的不同，可以分為無源濾波器和有源濾波器。以處理頻率為依據，可以分為高頻濾波器和低頻濾波器。模擬濾波器與數字濾波器雖然功能相似，但處理技術和方法卻有較大的差距。數字濾波器利用計算機，按事先設計好的程序，將一組輸入的數字序列通過一定的數值運算后轉變為另一組輸出的數字序列，從而改變信號的形式和內容，達到對信號加工或濾波以符合技術指標的要求，這與模擬濾波器相比，精確度更高，能夠避免模擬濾波器不能克服的電壓漂移等問題；有源濾波器，顧名思義該裝置需要提供電源，其應用可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點，實現動態跟蹤補償。無源濾波器無源是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，具有結構簡單、成本低廉、運行費用較低等優點；高頻、低頻濾波器以處理頻率的高低位劃分依據，處理頻率比較低的濾波器皆可以稱之為低頻濾波器，本文將著重對低頻濾波器運用于揚聲器進行探討。

二、低頻濾波器和揚聲器中低音單元的相互影響

揚聲器是音響設備中的基礎器件，對音響效果有決定性作用。揚聲器種類多樣，按換能機理和結構可以將其分為：圈式、電容式、壓電式、電磁式、電離子式和氣動式揚聲器；按工作頻率分低音、中音、高音。筆者將對低頻濾波器與低音單元的相互作用進行較為詳細的論述。在揚聲器的制作中，我們常常會多次遇到過這樣的情況：當把低頻濾波器與裝置內的低音單元相接時會導致低音重放明顯惡化。重放聲的變化與接入濾波器有關，這種變化具有減弱最低頻的特征，突出了80～150 Hz頻帶內的信號分量并且出現了隆隆聲，也就是說表現出了瞬態過程的振蕩特性。這種現象在倒相式的低音單元的三、四分頻系統中表現得最清晰，在接入濾波器后變化倒相箱的調諧頻率在大多數情況下都不會給出希望的結果。問題只能通過利用在放大器輸入端確保低頻和中頻分離的電子分頻器來解決。由此，我們必須要清晰地明白低頻濾波器與電動式揚聲器單元相互影響，這樣才能找到解決的措施。

將交流電流的電能轉換為紙盆的機械振動，從而提供聲音信號的輻射，這是電動式揚聲器單元的基本用途。電動式揚聲器單元可作為傳聲器工作，把作用在紙盆上的聲能轉換為電信號，也就是說電動式揚聲器單元是可逆的能量變換器。這種可逆性，為低頻濾波器和揚聲器中低音單元的相互影響提供了可能性。研究的首要目的在于解決實際問題，因此我們要盡肯地去解決由于低頻濾波器和揚聲器中低音單元相互影響而產生的問題。根據電氣測量的結果，我們可以判斷在把電動式揚聲器單元置于箱體中的條件下共振頻率發生的變化。俄羅斯學者С.Д.Бать研究指出，當把含有電抗元件的電路與電動式揚聲器連接后，可以發現電動式揚聲器共振峰向更低頻區域偏移了。由此可見，在設計揚聲器系統用的分頻器時，必須考慮低頻濾波器和低音單元等效電抗的相互作用。

三、降低低頻濾波器和揚聲器中低音單元相互作用的措施

當揚聲器系統中分頻頻率為2200 Hz，共振峰頻率為 80 Hz，頻率比值為27.5時，低頻濾波器和揚聲器中低音單元相互作用也不會產生不良效果。我們可以將分頻頻率與共振峰的比值作為判定產生不希望相互作用的準則。當頻率比值小于15，那么低頻濾波器和揚聲器中低音單元的相互影響較大，不想出現的效果也就隨之產生，我們可以通過降低濾波器負載的電抗分量，來減弱低頻濾波器和揚聲器中低音單元的相互影響。我們可以通過串聯 8.2Ω電阻，200 mH電感和 400μF的電容器得以實現。由此，低頻濾波器和揚聲器中低音單元的相互作用便不會對低頻重放質量產生大的影響。這種方案對電容和電感的要求較高，我們還可以考慮另外一種降低負載電抗的方法，即把電阻與電動式揚聲器單元并聯接入，這樣便可達到較為理想的狀態。

參考文獻：

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[2]俞錦元.低頻濾波器和低音單元的相互作用[J].電聲技術，2012（1）：19-25.

[3]С.Д.Бать. ЛЮБИТЕЛЬСКИЕ ГРОМКО- ГОВОРИ-ТЕЛИ-3[M].Москва：ТЕХНОСФЕРА，2008：33.

作者簡介：肖俊（1990-），男，四川達州人，西華師范大學電子信息工程學院2014級碩士研究生，研究方向：無線電研究。

沈鉆楊（1990-），男，四川成都人，西華師范大學電子信息與工程學院2014級碩士研究生，研究方向：無線電研究。