由于自身的非線性失真,超低頻揚聲器的性能表現很難被預估,尤其是處在大功率情況下。CODA傳感器控制超低頻揚聲器被設計出來并克服這一問題。
CODA傳感器控制超低頻揚聲器中的換能器(圖7)包含了一個集成速率感應器(integrated velocity sensor)用于測量低頻(LF)振膜的實時運動,并將它與輸入音頻信號進行比對。這一獨有的傳感器控制技術是一個自動優化的封閉反饋回路,它能精準地計算并確定驅動單元回放輸入音頻信號所需要的功率大小。任何由驅動單元或是整個箱體產生的失真會被立即糾正。
其結果是音頻系統的設計師可以輕松駕馭CODA高保真大功率超低頻揚聲器,處理輸入音頻信號中低頻信號的增強擴大,與其它頻段一樣,表現出聲音中的細節,復雜性與自信。
圖7. CODA傳感器控制低頻組件
歷史
盡管現代專業音頻領域(ProAudio)的超低頻揚聲器幾乎都是采用倒相孔(port)或者號角加載(horn loaded)技術,揚聲器里的反饋控制它也不是新的技術。最早的專利由Smythe在1933年就開始應用,到了1970年代早期,飛利浦公司(Philips)開發出了一款叫做Motional Feedback (MFB)的揚聲器系統,它是一個將低頻單元基于一個壓電(piezo)加速傳感器的反饋系統。由于各種原因,這一技術在HiFi市場并沒有取得成功,但今天仍有一些High-end HiFi公司在它們的產品中使用MFB技術(如Linn,SilberSand等)。由于技術的限制特別是在大功率情況下,MFB技術并不適合也從未在專業音頻(ProAudio)領域應用。
MFB技術與CODA Audio傳感器控制技術之間主要的區別在于MFB使用一個壓電傳感器測量加速,而CODA Audio使用一個專利的電子動態(electro-dynamical)傳感器測量音圈的速率并提供以下的優勢:
壓電加速計(accelerometer)的測量精度不高,尤其是在長沖程產生高失真的情況下。
揚聲器產生的可變磁交流場(magnetic AC-fields),取決于音圈的位置,大功率長沖程的專業音頻驅動單元尤其強烈。外部的噪聲源還會打擾到壓電傳感器的功能。CODA Audio的電子動態(electro-dynamical)傳感器測量音圈的速率,在60 mm行程下只有0.1 %的公差。它屏蔽了外部的噪聲源并確保超高水平的精度。
這一目標是使用負反饋回路來控制并穩定揚聲器。如果測量傳感器的精度不高或者是被打擾,正反饋會發生從而增大失真。尤其是在大功率水平時,當測量源的精度不高,如采用壓電加速計,這一情況會發生。
處理
傳統的揚聲器需要外部的處理來優化它們的頻率響應。任何采用倒相孔或者號角加載技術的超低頻揚聲器,它們最小程度處理的方法是:
高通濾波(HPF),低通濾波(LPF)以及一個或者多個參量均衡器。
當低通濾波被應用于超低頻,高通濾波被應用于過沖程的驅動單元保護,那么就需要EQ來補償超低頻段的低效率。
處理就增加了群延遲(group delay)同時改變了整個系統的脈沖響應。
CODA Audio傳感器控制超低頻揚聲器無需任何外部的處理(除了低通濾波以外)。它是一個封閉的回路,自我優化的系統,驅動單元會確認精準的功率需求以重放原始的音頻輸入信號。
測量
SC8傳感器控制超低頻在距離箱體5cm的位置進行測量以避免空間反射。僅有前置的2 x 18”驅動單元被激活,后后置的2 x 18"驅動單元被關閉以使空間影響最小化。除了低通濾波90Hz 24dB Link/Riley之外沒有外部的處理。
傳統的倒相孔超低頻揚聲器,高性能大型專業音頻2 x 18"驅動單元,調至32Hz,在距離倒相孔5cm位置測量以避免空間反射。這一系統已經接近傳統倒相孔超低頻揚聲器的性能極限。典型的處理包括:HPF30Hz/24dB-But, LPF90Hz/24dB-Link/Riley PEQ35Hz+8dB。頻率響應曲線表明它的最低頻率范圍是由倒相孔來執行的。
頻率響應 Frequency response
(圖8.1)SC8傳感器控制超低頻包含LPF 90HZ 24dBLink/Riley,頻率響應測量,距離揚聲器5 cm位置
(圖8.2)傳統的倒相孔超低頻揚聲器包含處理,頻率響應測量,距離揚聲器倒相孔5 cm位置
脈沖響應 Impulse response
(圖9.1)SC8傳感器控制超低頻包含LPF 90HZ 24dBLink/Riley,響應響應測量,距離揚聲器5 cm位置
(圖9.2)傳統的倒相孔超低頻揚聲器包含處理,脈沖響應測量,距離揚聲器倒相孔5 cm位置
群延遲 Group delay
(圖10.1)SC8傳感器控制超低頻包含LPF 90HZ 24dBLink/Riley,群延遲測量,距離揚聲器5 cm位置
(圖10.2)傳統的倒相孔超低頻揚聲器包含處理,群延遲測量,距離揚聲器倒相孔5 cm位置
瀑布圖 Waterfall
(圖11.1)SC8傳感器控制超低頻包含LPF 90HZ 24dBLink/Riley,瀑布圖測量,距離揚聲器5 cm位置
注釋:因為擴聲場地環境的反射原因,揚聲器的低頻響應很難被測量(哪怕是在消聲室(anechoic chamber)中)。SC8瀑布圖測量表明在20 Hz — 40 Hz頻率范圍之間少量的來自空間的反射。
(圖11.2)傳統的倒相孔超低頻揚聲器包含處理,瀑布圖測量,距離揚聲器倒相孔5 cm位置
測量解釋
從測量結果可以看出,反饋回路控制超低頻揚聲器相比較傳統的功放/超低頻揚聲器解決方案,有一些明顯的優勢。
頻率響應
傳感器控制技術沒有中斷(cut off)的頻率。比較器的設置用于優化系統的響應低至25Hz (-3dB) / 20Hz (-6dB) (圖8.1)如果有需要,甚至可以輕松地將平坦響應調低至10Hz。
傳統的倒相孔超低頻揚聲器,高性能大型專業音頻2 x 18”驅動單元,調至32Hz,在距離倒相孔5cm位置測量以避免空間反射。典型的處理包括:HPF30Hz/24dB-But, LPF90Hz/24dB-Link/Riley PEQ35Hz+8dB。頻率響應曲線表明它的最低頻率范圍是由倒相孔來執行的(圖8.2)。這個頻率范圍總體上受限于倒相孔的調頻(tuning frequency)在這樣的系統中,頻率是中斷(cut off)的。與號角加載技術類似,倒相孔加載超低頻揚聲器如果需要擴展更低的頻率響應,它的箱體將變得極其巨大。在36Hz兩個系統都有相同的輸出,而SC8在25Hz多出了12dB,在20Hz多出了23dB,相比較傳統系統。
脈沖響應
脈沖響應描述作為時間的一個函數,系統的反應。傳感器控制系統(圖9.1)提供了一個完美的脈沖響應,而傳統的系統則表明群延遲增加,由于倒相孔(共振的結果)與音頻處理的原因而產生的延遲改變了脈沖響應(圖9.2)。這一脈沖響應表現在倒相孔或者號角加載技術的超低頻揚聲器中非常普遍。SC8超低頻提供可控的脈沖響應確保了清晰的聲音回放。
群延遲
傳感器控制系統(圖10.1)在42Hz- 100Hz頻率范圍之間幾乎是0延遲。42Hz以下群延遲略有增加一直到8ms@34Hz直至25Hz達到最大值11ms。
事實上傳感器控制系統產生的整個頻譜(spectrum)在聲學上時間是相同的,因為這樣的群延遲已經在我們預測能力的極限之下。
傳統超低頻(圖. 10.2 — 紅線)在34Hz增加的群延遲為44ms。如果一個快速瞬變序列(fast sequence of transients)上升,它的結果將變得模糊,聲音也變得不精確。而傳感器控制超低頻,瞬變的產生與輸入音頻信號有著相同的時間聯絡(time liaison)。這意味著一個快速瞬變序列(fast sequence of transients)的結果可以被清晰地聽到。
瀑布圖
盡管SC8的瀑布圖測量 (圖11.1)表明在20 Hz – 40 Hz頻率范圍之間有少量的來自空間的反射,但它仍重復了我們在脈沖響應中已經看到的 — 非??焖俣逦捻憫_保了同質性(homogeneity)以及聲音回放的精準度。
傳統倒相孔加載的超低頻(圖11.2)則表現出典型的圍繞箱體調頻(tuning frequency)的長共振,以及圍繞已有共振的噪聲/干涉(noise/interference)突出趨勢。
結論
傳統超低頻揚聲器的設計經過了多年的實踐,已經做到了足夠好,而傳感器控制超低頻技術則邁出了至關重要的一步,目的是一個真正完整的相干(coherent)揚聲器系統設置,帶來平坦頻率與相位響應的擴展低頻范圍,為完美的音樂回放提供出眾的精準度與清晰度。