Benjamin Zenker目前在德累斯頓工業(yè)大學攻讀博士學位，同時是ZEN Audio Engineering的創(chuàng)始人，他已經(jīng)開發(fā)揚聲器超過15年了。在過去的三年中，他開發(fā)了簡單而穩(wěn)健的方法，通過增加低頻輸出、擴展上限限制、降低頻率響應的偏差并優(yōu)化方向性行為，來提高平板揚聲器的聲學質(zhì)量。他的目的是將聲音無形地整合到架構(gòu)中，并使平板揚聲器成為傳統(tǒng)揚聲器系統(tǒng)的替代品。
聲音正成為室內(nèi)設計的關(guān)鍵部分，它以舒適治療的聲音豐富了居室環(huán)境中的旅程。想象一下一個通過適當選擇充滿溫暖聲音的房間，來迎合您的心情，歡迎您。聲音在您周圍，與您互動，使您放松。這不是令人愉悅、有吸引力嗎？如果您看見了揚聲器，那么這一刻仍然令人驚訝和迷人嗎？來自德累斯頓工業(yè)大學的Benjamin Zenker和ZEN Audio Engineering的創(chuàng)始人會回答：一點也不。隱形的揚聲器對于創(chuàng)造正念聲音體驗至關(guān)重要，一旦看見揚聲器，想象力就會消失了。
隱形揚聲器
Zenker的研究正在提高平板揚聲器的聲學質(zhì)量。以平板揚聲器、分布式模式揚聲器和彎曲波揚聲器形式的隱形揚聲器，通過使用一個或多個激振器在平坦的表面上誘導振動來創(chuàng)建聲音。激振器振動了其安裝表面，從而形成一個看不見的揚聲器。表面振動而產(chǎn)生聲音，因此表面不需要開口。這些揚聲器像樂器一樣工作，通過結(jié)構(gòu)的振動輻射聲音，因此房間中的任何表面都可以是揚聲器：櫥柜的門、墻壁上的畫、甚至墻壁本身。其輻射原理比傳統(tǒng)揚聲器更復雜、更難優(yōu)化，這阻礙了類似公司進入市場。Zenker開發(fā)了可靠的物理方法，可被市場采用，積極推動了平板揚聲器的生產(chǎn)。
平板揚聲器像樂器一樣工作，通過結(jié)構(gòu)振動輻射聲音。
左：吉他的聲音輻射。右：平板揚聲器的聲音輻射。
隱形揚聲器對市場來說并不新鮮。1995 年，英國公司 New Transducer Limited（NXT，前身為 Verity Laboratories）開始與一小群工程師合作，將平板揚聲器帶入商業(yè)應用。NXT 在全球范圍內(nèi)申請了 1000 項專利以對沖這項技術(shù)，并將其授權(quán)給潛在客戶，但只有少數(shù)人設法將其推向市場。
平板揚聲器和當今市場
Zenker研究了25年前市場失敗的原因來啟動這項研究。從那時起，市場發(fā)生了令人難以置信的變化，平面揚聲器的優(yōu)勢滿足了當今客戶的需求。考慮這個市場變化需要回答兩個問題：90年代如何消費音樂？家里會使用多少個揚聲器？
25年前，客廳中發(fā)現(xiàn)了高質(zhì)量的揚聲器，這是地位的象征，并優(yōu)化高質(zhì)量的音樂再現(xiàn)。那時，很難利用平板揚聲器的優(yōu)勢。在當今的智能家園中，可以直接運行多個揚聲器并在所有居室中聽您喜歡的音樂。通常所有的房間中都有小巧的揚聲器，但是應該放置在哪里，以及如何隱藏它們？客戶想要技術(shù)的舒適性，但他們不想看到它。此外，減小揚聲器的尺寸也降低了聲學質(zhì)量。Zenker解釋說，要獲得市場接受，就需要改善聲學質(zhì)量。
填補聲學溝壑
這些擔憂促使Zenker調(diào)查了智能揚聲器（消費產(chǎn)品）和高品質(zhì)揚聲器（最先進技術(shù)）之間的聲學差距。平板揚聲器通常無法達到相同尺寸傳統(tǒng)揚聲器的聲學性能，因為它們產(chǎn)生的輸出較少。但是，它們可以集成在看不見的地方。此外，這些位置提供較大的表面和體積，可用于達到比小型智能揚聲器更高的聲壓級和更低的低音。
可見聲集成：15年前的平板揚聲器。圖片來源：https://www.fairaudio.de/
Zenker決定比較不同類型的揚聲器，以確定現(xiàn)代平板揚聲器是否可以填補聲學空白，他評估了以市場領先產(chǎn)品為代表的四類揚聲器：智能揚聲器、平板、條形音箱和監(jiān)聽音箱。經(jīng)過深入分析，他并不意外地發(fā)現(xiàn)，在聲學參數(shù)方面，監(jiān)聽音箱表現(xiàn)最好，其次是條形音箱和平板，智能音箱得分最低。與智能揚聲器相比，較低的頻率限制、可比的頻率響應偏差和增加的聲學輸出使得平板揚聲器的偏好等級更高。
對平板揚聲器的整體聲學性能評估表明，它可以填補條形音箱和智能揚聲器之間的聲學性能差距。這些結(jié)果表明，平板揚聲器的形象需要重新考慮，因為它優(yōu)于家庭中常用的智能揚聲器。
隱形聲音集成：當今的平板揚聲器。
圖片來源：IMM 2019 Cologne的Hommbru揚聲器
聲學優(yōu)化
雖然客戶愿意集成隱形揚聲器，但他們不會滿足于劣質(zhì)音質(zhì)。因此，必須提高平板揚聲器的音質(zhì)并達到與傳統(tǒng)系統(tǒng)相似的聲學特性。心理聲學研究表明，四個參數(shù)對于積極的揚聲器偏好評級至關(guān)重要：低頻偏差、頻率上下限、頻率響應的偏差和斜率以及均勻的指向性模式。Zenker研究了每個參數(shù)來優(yōu)化技術(shù)以達到更高的聲學偏好等級。
優(yōu)化的激振器定位
面板揚聲器設計的一個關(guān)鍵部分是定位激勵器。平板揚聲器的聲音是由在面板表面激發(fā)的板彎曲波傳播產(chǎn)生的。聲輻射受到激振器位置的強烈影響，因為每個位置可激發(fā)彎曲模式的不同組合。完美的位置取決于面板的尺寸、材料特性和選擇的使用頻率范圍。Zenker使用有限元仿真開發(fā)了一個機電聲學模型，以可視化定位的影響，并減少所需的開發(fā)時間。他展示了該模型在為各種面板尺寸和縱橫比尋找最佳激發(fā)位置方面的用途。
Zenker建立了一個仿真模型，通過模擬每個面板的100個不同位置來預測最佳激發(fā)位置。
頻響偏差
即使激振器定位良好，平板揚聲器的頻率響應偏差也高于傳統(tǒng)揚聲器。頻率響應描述了再現(xiàn)所有可聽頻率的程度。波動可能很煩人，我們更容易注意到向上的偏差而不是向下的偏差。Zenker提出了一種替代方案，可以最大限度地減少特定模式的影響，以補償高偏差。他在面板后面使用了一個小氣隙來抑制選定的振動，從而降低頻率響應的偏差。這種硬化廣泛用于樂器的支撐，而增加質(zhì)量會降低輸出，通過使用氣壓作為加強，只有偏差被最小化，而不影響整體輸出。
低頻性能
低頻性能是平板揚聲器的一個物理問題，導致輸出較少且頻率響應偏差較大。Zenker重新研究了混合低音揚聲器驅(qū)動設計，以改善平板揚聲器的低頻性能。低音揚聲器是揚聲器系統(tǒng)的一部分，旨在再現(xiàn)低頻聲音信號——低音。與激振器驅(qū)動的面板相比，隱藏的低音揚聲器均勻地激勵整個面板，并提供了巨大的改進。這是一種簡單而堅固的結(jié)構(gòu)，可以批量生產(chǎn)。鑲板低音揚聲器設計產(chǎn)生類似于大型傳統(tǒng)系統(tǒng)的低頻低音響應。
頻率上限
在監(jiān)測連接到同一揚聲器面板的不同類型激勵器的行為時，Zenker注意到高頻的明顯偏差。這些差異無法用面板屬性和常規(guī)Thiele/Small揚聲器參數(shù)來解釋。他使用wave6仿真軟件和Klippel測量設備將原因可視化。面板的剛性會導致激勵器產(chǎn)生額外的彎曲，這種彎曲稱為分割，導致了頻率上限。Zenker引入了測量和預測頻率上限的新方法，還創(chuàng)造了一個具有加固結(jié)構(gòu)的原型，以提高共振頻率并擴展揚聲器面板的頻率范圍。
可視化最高頻處的音圈分割模式
方向性響應
下一步是改善現(xiàn)有面板的方向性響應。揚聲器指向性描述了聲音集中在特定方向上的程度，而不是在房間內(nèi)所有方向上傳播。Zenker通過使用邊緣阻尼改變產(chǎn)生的振動模式來提高方向性。阻尼可以防止振動，或者只是讓物體在最短的時間內(nèi)恢復靜止。平板揚聲器往往輻射較寬，但過多的能量會傳遞到側(cè)角，產(chǎn)生不自然的聲音。Zenker模擬了機械和聲學關(guān)系，分析表明，阻尼面板的方向性響應更均勻、均值更高、標準差更低。額外的阻尼產(chǎn)生類似的靈敏度，但提高了方向性。在沒有任何損耗的情況下優(yōu)化方向性指數(shù)需要更復雜的方法，例如使用多個激勵器，生產(chǎn)成本將更高。然而，這種邊緣阻尼方法是一種簡單、穩(wěn)健、廉價且有效地改進平板揚聲器方向性的方法。
一種創(chuàng)新的揚聲器系統(tǒng)
Zenker 認為，開發(fā)技術(shù)和新的可能性將使更多的人想要利用隱形揚聲器。低視覺輪廓為集成更大、更強大的設備提供了機會，這些設備具有比智能揚聲器更高的音質(zhì)。他總結(jié)說，對于那些想要比智能揚聲器更高音質(zhì)和更大功率的客戶來說，平板揚聲器是一種替代方案，而無需為更大的設備提供空間。
“平板揚聲器可以采用不同的方式設計。我從沒想過一塊木頭聽起來那么不可思議。”
參考文獻
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