平板電視聲性能改進(jìn)的方法探究

曹玉雯，張 坡，姜 波

（1.國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

平板電視聲性能改進(jìn)的方法探究

曹玉雯1，張 坡1，姜 波2

（1.國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

目前平板電視追求薄型化、窄邊框設(shè)計(jì)，而聲特性的效果卻并非越來越佳。針對電視機(jī)揚(yáng)聲器受制于電視機(jī)外形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題，介紹了通過揚(yáng)聲器單元、采用聲學(xué)設(shè)計(jì)、與音頻系統(tǒng)配合以及與外部聲系統(tǒng)配合等4種提高聲性能的方法，以實(shí)現(xiàn)電視系統(tǒng)視覺和聽覺的高質(zhì)量還原，其中給出了部分方法的測試頻響曲線，并探討了在實(shí)際應(yīng)用中可能存在的問題。

平板電視；聲性能；頻響

一直以來，平板電視因?yàn)樽非蟊⌒徒Y(jié)構(gòu)，受制于有限的自身體積，缺少揚(yáng)聲器聲性能提高所需的聲學(xué)空間，所以現(xiàn)今的液晶電視機(jī)尤其是超薄型平板電視雖然畫質(zhì)得到了很大提高，但聲音效果與CRT/背投時(shí)代的產(chǎn)品相比非常羸弱，甚至出現(xiàn)了性能的下降，其音質(zhì)一直被人詬病[1]。

在顯示效果和智能體驗(yàn)取得突飛猛進(jìn)發(fā)展之后，市場上高端平板電視機(jī)為了提高聲性能，采用了一些方法來適應(yīng)發(fā)展的要求。大概可以分為以下四類：一是提高揚(yáng)聲器單元的聲性能；二是通過改變揚(yáng)聲器輻射方向，采用聲學(xué)箱體，以及采用分頻器等設(shè)計(jì)手段提高聲性能；三是通過音頻技術(shù)提高聲性能；四是采用有線連接或無線協(xié)議方式與外接揚(yáng)聲器系統(tǒng)配合提高聲性能。由于以上四種方法單獨(dú)使用有局限性，所以通常平板電視聲性能的提高采用以上方式的互相配合來提高聲性能。

1 提高平板電視聲性能的方法

1.1 通過揚(yáng)聲器單元提高聲性能

典型電動(dòng)揚(yáng)聲器的原理如圖1所示，傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的聲性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低；缺點(diǎn)是相對尺寸較大，隨著平板電視機(jī)尺寸變薄，無法適用于現(xiàn)在的平板電視機(jī)。為了將揚(yáng)聲器變薄，主要從幾個(gè)方面進(jìn)行了提升，有一些已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但一些技術(shù)還需要一個(gè)發(fā)展的過程才能真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

圖1 典型電動(dòng)揚(yáng)聲器原理圖

1）采用釹鐵硼材料，提高磁場強(qiáng)度，減小磁體的厚度。釹鐵硼是目前所有磁體中單位體積蘊(yùn)含磁力最大的一種永磁體，產(chǎn)生相同強(qiáng)度的磁場時(shí)，其厚度比鐵氧體的厚度大大變?。徊捎孟嗤穸鹊拇朋w能夠提高揚(yáng)聲器的靈敏度，配合電視機(jī)能輸出更大的聲音。

2）采用磁流體，減少懸置系統(tǒng)，提高靈敏度。磁流體是由美國國家航空航天局很早以前就開發(fā)的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)就是在電動(dòng)式揚(yáng)聲器的磁路氣隙中注入一種液態(tài)磁性材料——磁流體，構(gòu)成磁流體揚(yáng)聲器，如圖2所示。磁隙的強(qiáng)磁場使磁流體定位，并與音圈、夾板及磁芯保持密切接觸，使音圈的導(dǎo)線部分浸潤在磁流體中。當(dāng)音圈運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘性的磁流體在磁隙中緊隨著音圈在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而加強(qiáng)了對音圈的熱傳導(dǎo)，提供適當(dāng)?shù)淖枘岷蛯σ羧\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)定心作用，從而改善了揚(yáng)聲器的電聲性能，提高承受功率，可以讓小體積揚(yáng)聲器工作效率更高。磁流體技術(shù)此前多用于高音揚(yáng)聲器單元，由于音圈行程過大時(shí)磁流體可能濺出，應(yīng)用于較低頻率的揚(yáng)聲器單元時(shí)應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。磁流體材料的有效時(shí)間也存在一定問題。

圖2 普通揚(yáng)聲器與磁流體揚(yáng)聲器比較（照片）

最近某品牌推出的高端產(chǎn)品中利用其專利技術(shù)，解決了磁流體揚(yáng)聲器的壽命難題，實(shí)現(xiàn)了突破，因此才得以實(shí)現(xiàn)最終的商品化。某旗艦產(chǎn)品的聲性能（如圖3所示）提高明顯，以滿足與顯示性能配合，該產(chǎn)品采用磁流體揚(yáng)聲器，在屏幕兩側(cè)采用聲學(xué)箱體結(jié)構(gòu)，配合其他聲學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)配合音頻芯片的調(diào)整，最終得到滿意的聲學(xué)體驗(yàn)。

3）NXT平板揚(yáng)聲器是一種通過振膜表面無規(guī)振動(dòng)來發(fā)聲的。NXT是將獨(dú)特設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器裝置在能夠受磁性感應(yīng)的平面振膜上，以便讓整片振膜以波動(dòng)的方式發(fā)出聲音。傳統(tǒng)平板揚(yáng)聲器的振動(dòng)方式如圖4所示。當(dāng)信號輸入時(shí)，振膜的發(fā)聲點(diǎn)就會(huì)如同物體擲入水面般擴(kuò)散開來，但圖4中的NXT平面振膜的振動(dòng)波面非常濃密，這是由于當(dāng)音頻信號進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器之后，磁性感應(yīng)的作用使整個(gè)蜂巢組織架構(gòu)的振膜非常規(guī)律地制造出復(fù)雜波動(dòng)，即“分布模式原理”（Distributed Mode Theory）[2]。

圖3 某65 in（1 in=2.54 cm）平板電視機(jī)

圖4 平板揚(yáng)聲器

4）碳納米管材料由于熱聲效應(yīng)，在電流導(dǎo)通時(shí)會(huì)發(fā)熱膨脹，在電流斷路時(shí)冷卻收縮，按照此原理制成的揚(yáng)聲器，稱為碳納米管揚(yáng)聲器。碳納米管揚(yáng)聲器沒有磁體或者可移動(dòng)的部件，這種揚(yáng)聲器只需在PET膜上涂抹含有CNT導(dǎo)電性的涂料，對其施加一定電壓的直流電壓，當(dāng)電流高速反復(fù)導(dǎo)通和斷開時(shí)，可根據(jù)其頻率發(fā)出聲音。圖5為清華大學(xué)姜開利研究員與范守善教授開發(fā)的碳納米管揚(yáng)聲器，首先在4 in的硅基上生長直徑10 nm的碳納米管，然后將它們轉(zhuǎn)化成寬10 cm、長60 cm的連續(xù)薄膜，隨后制作成寬10 cm、長20 cm的薄膜，并將兩個(gè)電極附在薄膜上，通過施加電壓，碳納米管揚(yáng)聲器就會(huì)由于熱聲效應(yīng)（Thermoacoustic Effect）而發(fā)出聲音。目前該中材料的頻率響應(yīng)和功率暫時(shí)無法滿足現(xiàn)有平板電視的需要，隨著研究的深入，應(yīng)該會(huì)有所提高。

圖5 碳納米管揚(yáng)聲器外觀和頻響特性

1.2 采用聲學(xué)設(shè)計(jì)來提高聲性能

平板電視機(jī)的聲性能除了揚(yáng)聲器單元性能之外，影響最大的是聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如揚(yáng)聲器輻射方向、箱體設(shè)計(jì)[3]、分頻設(shè)計(jì)等，如果設(shè)計(jì)不合理，揚(yáng)聲器單元的性能不能很好地發(fā)揮出來。

1）聲學(xué)設(shè)計(jì)中最簡單方式是揚(yáng)聲器輻射方向選擇直接朝向收聽者。在平板電視設(shè)計(jì)中由于采用窄邊框設(shè)計(jì)，早期設(shè)計(jì)方式將揚(yáng)聲器安裝在平板電視機(jī)的下邊框，揚(yáng)聲器輻射方向向下，希望通過臺(tái)面反射來輻射聲音，但消費(fèi)者體驗(yàn)后普遍反映該種輻射方式效果不理想，高頻衰減非常明顯，這主要是由于揚(yáng)聲器的指向性所致。由于揚(yáng)聲器軸向方向的聲性能最理想，所以后來發(fā)展為有一定角度向下前方輻射，但依然不是非常理想。后期有采用聲波導(dǎo)管向前輻射的方案，揚(yáng)聲器導(dǎo)管結(jié)構(gòu)如圖6所示，但如果設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致某些頻率失真較大。

圖6 揚(yáng)聲器導(dǎo)管結(jié)構(gòu)（照片）

為了比較揚(yáng)聲器向前和向下兩種輻射方式對頻響的影響，采用薄型揚(yáng)聲器音箱模擬電視機(jī)的聲性能測試狀態(tài)（傳聲器距離揚(yáng)聲器上表面40 cm，距離揚(yáng)聲器前表面50 cm，揚(yáng)聲器軸中心偏離傳聲器軸中心30 cm），分別進(jìn)行了輻射方向向下和向前的頻率響應(yīng)測試，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 某薄型揚(yáng)聲器及其聲頻率響應(yīng)曲線

從圖7可以看出，由于揚(yáng)聲器本身的指向性問題，揚(yáng)聲器輻射方向向下的頻響曲線相比較輻射方向向前的頻響曲線，在高頻部分有10 dB左右的衰減。因此即使聲頻響較好的揚(yáng)聲器，如果采用了不直接的輻射方式，也將大大削弱揚(yáng)聲器單元自身呈現(xiàn)的效果。

2）采用倒相式揚(yáng)聲器箱體提高低頻性能。揚(yáng)聲器單元安裝到箱體后，通過箱體、倒相管設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)一步擴(kuò)展音箱的低頻下限，并減少其下限處聲波的非線性失真。

在音響系統(tǒng)中，低音效果是靠容積保證的，而絕大多數(shù)電視機(jī)難以提供足夠的空間放置音箱，由此電視機(jī)難以獲得美妙的低音。當(dāng)然也有公司在改善平板電視低頻性能方面做出了努力，如某品牌公司設(shè)計(jì)的低頻反射揚(yáng)聲器，如圖8所示，其從結(jié)構(gòu)上來說，就是在一只密閉的音箱上加上一只倒相孔，即采用倒相式揚(yáng)聲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖8 平板電視中的倒相式音箱和對應(yīng)的頻響曲線

3）為了更高要求的聲性能實(shí)現(xiàn)，采用單只揚(yáng)聲器無法滿足聲性能的需要，所以可以采用分頻方式，使不同揚(yáng)聲器負(fù)責(zé)不同頻率的重放，來提升整個(gè)聲音頻段的效果。由于平板電視四周邊框的尺寸限制，低音揚(yáng)聲器沒有足夠的空間，但由于低頻聲信號的指向性不明顯，所以設(shè)計(jì)時(shí)可以將其安裝在平板電視機(jī)的背部，通過繞射完成低頻的輻射，但后期需要與音頻系統(tǒng)配合，進(jìn)行檢測和調(diào)整。圖9為采用分頻方式的平板電視機(jī)，采用低音背部輻射時(shí)，由于沒有進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致在分頻點(diǎn)附近出現(xiàn)深谷、失真過大等問題[4]。

1.3 與音頻系統(tǒng)配合，提高聲性能

由于平板電視的揚(yáng)聲器單元口徑通常都較小，諧振頻率較高，因此輻射出低于其諧振頻率的信號分量比較困難，導(dǎo)致低頻不足。虛擬低音的原理就是取出揚(yáng)聲器不能輻射的信號中低于其諧振頻率的那部分低頻信號分量，再制造它們的諧波，讓這些諧波進(jìn)入揚(yáng)聲器可以重放的頻率范圍，在聽感上就會(huì)讓人覺得低音分量更足了，有效彌補(bǔ)了平板電視小口徑揚(yáng)聲器重放低頻不足的問題。雖然虛擬低音不是十分新穎的技術(shù)，只是不同公司叫法不一，例如WAVE的Maxxbass、SRS的Trubass，都是利用人的心理聲學(xué)特性來改善低音聽感的，但在客觀測量結(jié)果中不易體現(xiàn)和考量。而且不同的技術(shù)，或者不同廠家的應(yīng)用效果是不一樣的。

圖9 平板電視機(jī)分頻方式和對應(yīng)的頻響曲線

除了低頻效果之外，中高頻聲音可以通過調(diào)整音頻輸出的均衡來對聲音進(jìn)行補(bǔ)償和抑制，調(diào)整過程見圖10所示。但音頻補(bǔ)償也是一把雙刃劍，由于聲學(xué)結(jié)構(gòu)的問題導(dǎo)致的頻響曲線波動(dòng)，在均衡調(diào)整中如果調(diào)整過大，會(huì)導(dǎo)致明顯的失真，過猶不及，對聲音品質(zhì)造成很壞的影響[4]。

1.4 通過外部聲系統(tǒng)配合，解決平板電視機(jī)空間局限

圖10 聲音補(bǔ)償流程

由于平板電視機(jī)客觀空間的限制，在有限的空間里實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的聲性能比較困難，出現(xiàn)了很多配合平板電視機(jī)工作的外部聲系統(tǒng)（如圖11所示），通過有線連接或者無線協(xié)議傳遞聲音信號，并實(shí)現(xiàn)多聲道環(huán)繞聲。例如平板電視機(jī)企業(yè)聯(lián)合有源音箱企業(yè)推出了一系列的聲系統(tǒng)底座、音柱等，在一定程度上提高了聲性能。為了提供真正的多聲道環(huán)繞聲的聲波輻射，需要配合多聲道揚(yáng)聲器系統(tǒng)。除了傳統(tǒng)有線系統(tǒng)外，有分析認(rèn)為蘋果推出的電視對聲性能要求極其嚴(yán)格，推測其可能會(huì)推出專用的無線音箱設(shè)備，支持AirPlay功能和5.1環(huán)繞立體聲效果，如圖12所示。

圖11 電視機(jī)外接揚(yáng)聲器系統(tǒng)示意圖

圖12 線揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)想圖

除了電視和揚(yáng)聲器企業(yè)，其他行業(yè)也在考慮解決消費(fèi)者對聲系統(tǒng)的高要求，宜家推出平板電視產(chǎn)品后，認(rèn)為現(xiàn)有電視聲性能無法滿足消費(fèi)者的需要，采用現(xiàn)有外部音響系統(tǒng)，連接布線復(fù)雜且不美觀。為了解決外部音箱系統(tǒng)連線復(fù)雜的困難，推出了UPPLEVA系列產(chǎn)品（見圖13），提供了一套視聽家具解決方案，將音響系統(tǒng)與家具整合在一起，簡潔美觀，并且大幅提高消費(fèi)者的觀影感受，滿足了消費(fèi)者視聽需要。

圖13 宜家UPPLEVA系統(tǒng)

2 結(jié)語

綜上所述，聲音作為人類獲取信息的重要方式，隨著顯示技術(shù)和智能化應(yīng)用的日益強(qiáng)大，平板電視機(jī)對聲性能的要求也會(huì)越來越高，未來將有更多的提高聲性能的技術(shù)出現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)電視系統(tǒng)視覺和聽覺的高質(zhì)量還原。

[1] 張百良.平板時(shí)代的揚(yáng)聲器技術(shù)[J].家庭影院技術(shù)，2008（5）：62-63.

[2] 陳克安，鐘維彬，曾向陽.平面揚(yáng)聲器及其聲學(xué)特性[J].電聲技術(shù)，2003，27（9）：21-23.

[3] 李元.電視機(jī)聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)[J].電聲技術(shù)，2003，27（2）：59-60.

[4] 大久保聰，林詠.平板電視陷入困境揚(yáng)聲器系統(tǒng)致力創(chuàng)新[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2008（12）：16-28.

Inquiry into M ethods of Improving Sound Performance for Flat Panel TV

CAO Yuwen1，ZHANG Po1，JIANG Bo2
（1.National Testing and Inspection Center for Radio and TV,Beijing 100015,China; 2.The Third Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Beijing 100015，China）

Currently the companies of flat panel TV pursue ultra-slim and narrow frame design,but the sound quality is not better.Aiming at these problems,four methods that include improving speaker unit,acoustic design,assorting with audio system and external sound system are discussed for meliorating the TV sound performance and achieving high quality video and audio.Some frequency response curves and possible problems in the practical applications are given.

flat panel TV；sound performance；frequency response

TN949

A

??京

2014-02-24

【本文獻(xiàn)信息】曹玉雯，張坡，姜波.平板電視聲性能改進(jìn)的方法探究[J].電視技術(shù)，2014，38（16）.