重新思考平板扬声器：隐形声音集成的声学改进

重新思考平板扬声器：隐形声音集成的声学改进

来自德国德累斯顿工业大学的本杰明·泽克是ZEN音频工程公司的创始人，在扬声器开发领域，从业超过十五年。在过去的几年里，他开发了一种简易、稳健而高效的方法，通过增加低频输出、拓展频率上限、降低频率响应偏差和优化指向性等策略来改善平板扬声器的音质。他的目标是在架构中无形地整合声音，让平板扬声器再次走进人们的生活中。

声音正成为内部空间设计的关键部分。它以优美、有治疗作用的声效丰富了人们所处的环境。我们可以想象一下，当您所处的环境，家里、办公室或公众空间，温暖的声音环绕着你，让你放松、心情愉悦，这种感觉既令人愉快，又有吸引力。如果你看到一个扬声器，这种感觉是否依然存在？本杰明·泽克会回答：一点也不。隐形扬声器对于创造正念声音体验至关重要。一旦你看见了扬声器，想象就会消失。

隐形扬声器

泽克的研究是改善平板扬声器的音质。隐形扬声器以平板扬声器、分布式扬声器和弯曲波扬声器的形式，通过使用一个或多个激励器在平面上诱导振动来产生声音。激励器会振动它们安装的表面，从而形成一个隐形扬声器。振动表面以产生声音，因此表面无需开口。这些扬声器如同乐器一样工作，通过结构的振动来辐射声音，因此房间中的任何表面都可以是扬声器— — 橱柜的门、壁画甚至墙本身。辐射原理比传统扬声器更复杂，更难优化，这在很大程度上阻碍了公司快速进入市场。泽克已开发出强大的物理方法，可供市场采用，并减少对生产平板扬声器的限制。

平板扬声器如同乐器一样，通过结构振动来发出声音。左：吉他的声音辐射。右：平板扬声器的声辐射。

隐形扬声器在市场上并不新鲜。1995年，英国公司New Transducer Limited（NXT，前身为Verity Laboratories）开始与工程师团队合作，将平板扬声器带入商业应用。NXT在全球范围内申请了多达千余项的专利以保护这项技术，并将其授权给潜在客户，但只有少数人成功将其推向市场。

平板扬声器和当前市场

泽克通过研究二十多前市场失败的原因启动了这项研究。从那时起，市场发生了翻天覆地的变化，平板扬声器的优势迎合了当今客户的需求。考虑到这种市场变化需要回答两个问题：20世纪90年代你是如何消费音乐的？你家里用了多少个扬声器？

近三十年前，人们在客厅里配备高质量的扬声器，这是地位的象征，也是高质量音乐再现的最佳选择。当时，很难利用平板扬声器的优势。在今天的智能家居中，在家中运行多个扬声器并欣赏您喜爱的音乐是非常简单的。小型扬声器通常分布在所有房间，但它们应该放在哪里，如何隐藏？客户想要技术带来的舒适感，但他们不想看到它。此外，缩小扬声器的尺寸也会降低其音质。泽克解释说，为了达到市场接受度，声学质量需要提高。

“隐形扬声器对于创造正念声音体验至关重要。一旦你发现扬声器，想象力就会消失。”

填补声学空白

这些担忧促使泽克研究了智能扬声器（消费产品）和高品质扬声器（最先进的技术）之间的声学差距。平板扬声器通常无法达到相同尺寸的传统扬声器的声学性能，因为它们产生的输出较少。但是，它们可以集成在看不见的地方。此外，这些位置提供较大的表面和体积，可用于达到比小型智能扬声器更高的声压级和更低的低音。

可看见的声音集成：15年前的平板扬声器

泽克决定比较不同类型的扬声器，以确定现代平板扬声器是否可以填补声学空白。对市场领先产品所代表的四类扬声器进行了评估：智能扬声器、平板、条形音箱和录音室显示器。经过深入分析，他并不意外地发现，在声学参数方面，录音室监听表现最好，其次是条形音箱和平板。智能扬声器得分最低。与智能扬声器相比，较低的频率限制、可比较的频率响应偏差和增加的声学输出导致平板扬声器的偏好等级更高。

对平板扬声器的整体声学性能评估表明，它正在填补条形音箱和智能扬声器之间的声学性能差距。这些结果表明，平板扬声器的形象需要重新考虑，因为它优于家庭中常用的智能扬声器。

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隐形声音集成：当今的平板扬声器

声学优化

虽然客户愿意集成隐形扬声器，但他们不会满足于劣质音质。因此，必须改善平板扬声器的音质，并达到与传统系统类似的声学性能。心理声学研究表明，四个参数对于积极的扬声器偏好评级至关重要：低频偏差、频率下限和上限、频率响应的偏差和斜率以及均匀的指向性模式。泽克研究了每个参数，以优化技术，从而达到更高的声学偏好评级。

优化的激振器定位

平板扬声器设计的一个关键部分是定位激励器。平板扬声器的声音是由穿过面板表面的板弯曲波激发而产生的。声辐射受到激励器位置的强烈影响，因为每个位置都会激发不同的弯曲模式组合。最佳位置取决于面板的尺寸、材料特性和所选的使用频率范围。泽克利用有限元模拟开发了一个机电声学模型，以可视化定位的影响，并减少所需的开发时间。他展示了它在寻找各种面板尺寸和纵横比的最佳激励位置方面的用途。

所建立的模拟模型通过模拟每个面板100个不同的位置来预测最佳激励位置

频率响应偏差

即使激励器位置正确，平板扬声器的频率响应偏差也比传统扬声器高。频率响应描述了所有可听频率的再现程度。波动可能会令人恼火，我们往往会注意到向上的偏差多于向下的偏差。泽克提出了一种替代方案，以尽量减少特定模式的影响，以补偿高偏差。他在面板后面使用一个小的气隙来抑制选定的振动，从而降低频率响应的偏差。这种刚度是从乐器的支撑中知道的，但增加质量会降低输出。通过使用空气压力进行加固，仅将偏差降至最低，而不会影响整体输出。

低频性能

低频性能是平板扬声器的一个物理问题，导致输出较少，频率响应偏差较大。泽克重新研究了一种混合低音驱动设计，以改善平板扬声器的低频特性。低音扬声器是扬声器系统的一部分，用于再现低频声音信号，即低音。隐藏式低音扬声器均匀地激励整个面板，与激励机驱动面板相比，它提供了巨大的改进。这是一个简单而坚固的结构，可以大规模生产。面板式低音扬声器设计可产生类似于大型传统系统的低频低音响应。

“低视觉轮廓为集成更大、功能更强大的设备提供了机会，这些设备具有比智能扬声器更高的音质。”。

频率上限

在监测同一扬声器面板上不同类型激励器的行为时，泽克注意到高频的显著偏差。这些差异无法用面板特性和常规Thiele/Small扬声器参数来解释。他使用模拟软件和测量设备将原因可视化。面板的刚性可能会导致激励机发生额外弯曲。这种弯曲称为破裂，是频率上限。泽克介绍了测量和预测频率上限的新方法。他还创建了一个带有加固结构的原型，以增加共振频率并扩展扬声器面板的频率范围。

最高频率下音圈分离模式的可视化

指向性响应

下一步是改善现有面板的指向性响应。扬声器指向性描述了声音在特定方向上的聚焦程度，而不是在房间周围的各个方向上进行传播。泽克通过使用边缘阻尼改变产生的振动模式来改善方向性。阻尼是防止振动，或者只是让物体在最短的时间内恢复静止。平板扬声器的辐射范围很广，但过多的能量会传输到侧角，产生不自然的声音。泽克模拟了机械和声学关系。他的分析表明，阻尼面板的指向性响应更均匀，平均值更高，标准偏差更低。附加阻尼产生类似的灵敏度，但改善了指向性。在没有任何损失的情况下优化指向性指数需要更复杂的方法，例如使用多个激励器，生产成本更高。然而，这种边缘阻尼方法是改善平板扬声器指向性的一种简单、可靠、廉价且有效的方法。

创新的扬声器系统

泽克相信，不断发展的技术和新的可能性将使更多的人希望利用隐形扬声器。较低的视觉轮廓为集成比智能扬声器更大、功能更强大、音质更高的设备提供了机会。他得出结论，对于那些希望获得比智能扬声器更高音质和更大功率的客户来说，平板扬声器是另一种选择，而不需要为更大的设备留出空间。

“平板扬声器可以用不同的方式设计。我从没想过一块木头听起来会那么不可思议。”

在将平板扬声器推向市场之前，它的下一步发展是什么？

为平板扬声器创造市场接受度很重要。这需要调整声学标准、更新开发工具、具有声音集成新理念的开放式设计师，以及开发新产品的先锋企业。消除对开发平板扬声器的恐惧至关重要。通过我的研究，我分享了一些简单而可靠的方法，这些方法可以改善平板扬声器的音质；对我来说，重要的是，它们被视为传统系统的替代品，因为它们提供了最干净的解决方案，可以将声音集成到每个环境中。要有创意，重新思考平板扬声器。-