曹玉雯，張 坡，姜 波

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

平板電視聲性能改進的方法探究

曹玉雯1，張 坡1，姜 波2

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

目前平板電視追求薄型化、窄邊框設計，而聲特性的效果卻并非越來越佳。針對電視機揚聲器受制于電視機外形及結構設計的問題，介紹了通過揚聲器單元、采用聲學設計、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，以實現(xiàn)電視系統(tǒng)視覺和聽覺的高質量還原，其中給出了部分方法的測試頻響曲線，并探討了在實際應用中可能存在的問題。

平板電視；聲性能；頻響

一直以來，平板電視因為追求薄型結構，受制于有限的自身體積，缺少揚聲器聲性能提高所需的聲學空間，所以現(xiàn)今的液晶電視機尤其是超薄型平板電視雖然畫質得到了很大提高，但聲音效果與CRT/背投時代的產品相比非常羸弱，甚至出現(xiàn)了性能的下降，其音質一直被人詬病[1]。

在顯示效果和智能體驗取得突飛猛進發(fā)展之后，市場上高端平板電視機為了提高聲性能，采用了一些方法來適應發(fā)展的要求。大概可以分為以下四類：一是提高揚聲器單元的聲性能；二是通過改變揚聲器輻射方向，采用聲學箱體，以及采用分頻器等設計手段提高聲性能；三是通過音頻技術提高聲性能；四是采用有線連接或無線協(xié)議方式與外接揚聲器系統(tǒng)配合提高聲性能。由于以上四種方法單獨使用有局限性，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 通過揚聲器單元提高聲性能

典型電動揚聲器的原理如圖1所示，傳統(tǒng)揚聲器的聲性能穩(wěn)定，結構相對簡單，成本低；缺點是相對尺寸較大，隨著平板電視機尺寸變薄，無法適用于現(xiàn)在的平板電視機。為了將揚聲器變薄，主要從幾個方面進行了提升，有一些已經應用于工業(yè)生產，但一些技術還需要一個發(fā)展的過程才能真正實現(xiàn)應用。

圖1 典型電動揚聲器原理圖

1）采用釹鐵硼材料，提高磁場強度，減小磁體的厚度。釹鐵硼是目前所有磁體中單位體積蘊含磁力最大的一種永磁體，產生相同強度的磁場時，其厚度比鐵氧體的厚度大大變薄；采用相同厚度的磁體能夠提高揚聲器的靈敏度，配合電視機能輸出更大的聲音。

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，這項技術就是在電動式揚聲器的磁路氣隙中注入一種液態(tài)磁性材料——磁流體，構成磁流體揚聲器，如圖2所示。磁隙的強磁場使磁流體定位，并與音圈、夾板及磁芯保持密切接觸，使音圈的導線部分浸潤在磁流體中。當音圈運動時，粘性的磁流體在磁隙中緊隨著音圈在一定范圍內運動，從而加強了對音圈的熱傳導，提供適當的阻尼和對音圈運動產生一個定心作用，從而改善了揚聲器的電聲性能，提高承受功率，可以讓小體積揚聲器工作效率更高。磁流體技術此前多用于高音揚聲器單元，由于音圈行程過大時磁流體可能濺出，應用于較低頻率的揚聲器單元時應考慮其結構特點。磁流體材料的有效時間也存在一定問題。

圖2 普通揚聲器與磁流體揚聲器比較（照片）

最近某品牌推出的高端產品中利用其專利技術，解決了磁流體揚聲器的壽命難題，實現(xiàn)了突破，因此才得以實現(xiàn)最終的商品化。某旗艦產品的聲性能（如圖3所示）提高明顯，以滿足與顯示性能配合，該產品采用磁流體揚聲器，在屏幕兩側采用聲學箱體結構，配合其他聲學設計，同時配合音頻芯片的調整，最終得到滿意的聲學體驗。

3）NXT平板揚聲器是一種通過振膜表面無規(guī)振動來發(fā)聲的。NXT是將獨特設計的驅動器裝置在能夠受磁性感應的平面振膜上，以便讓整片振膜以波動的方式發(fā)出聲音。傳統(tǒng)平板揚聲器的振動方式如圖4所示。當信號輸入時，振膜的發(fā)聲點就會如同物體擲入水面般擴散開來，但圖4中的NXT平面振膜的振動波面非常濃密，這是由于當音頻信號進入驅動器之后，磁性感應的作用使整個蜂巢組織架構的振膜非常規(guī)律地制造出復雜波動，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

圖4 平板揚聲器

4）碳納米管材料由于熱聲效應，在電流導通時會發(fā)熱膨脹，在電流斷路時冷卻收縮，按照此原理制成的揚聲器，稱為碳納米管揚聲器。碳納米管揚聲器沒有磁體或者可移動的部件，這種揚聲器只需在PET膜上涂抹含有CNT導電性的涂料，對其施加一定電壓的直流電壓，當電流高速反復導通和斷開時，可根據其頻率發(fā)出聲音。圖5為清華大學姜開利研究員與范守善教授開發(fā)的碳納米管揚聲器，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，并將兩個電極附在薄膜上，通過施加電壓，碳納米管揚聲器就會由于熱聲效應（Thermoacoustic Effect）而發(fā)出聲音。目前該中材料的頻率響應和功率暫時無法滿足現(xiàn)有平板電視的需要，隨著研究的深入，應該會有所提高。

圖5 碳納米管揚聲器外觀和頻響特性

1.2 采用聲學設計來提高聲性能

平板電視機的聲性能除了揚聲器單元性能之外，影響最大的是聲學結構設計，如揚聲器輻射方向、箱體設計[3]、分頻設計等，如果設計不合理，揚聲器單元的性能不能很好地發(fā)揮出來。

1）聲學設計中最簡單方式是揚聲器輻射方向選擇直接朝向收聽者。在平板電視設計中由于采用窄邊框設計，早期設計方式將揚聲器安裝在平板電視機的下邊框，揚聲器輻射方向向下，希望通過臺面反射來輻射聲音，但消費者體驗后普遍反映該種輻射方式效果不理想，高頻衰減非常明顯，這主要是由于揚聲器的指向性所致。由于揚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。后期有采用聲波導管向前輻射的方案，揚聲器導管結構如圖6所示，但如果設計不合理，會導致某些頻率失真較大。

圖6 揚聲器導管結構（照片）

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

圖7 某薄型揚聲器及其聲頻率響應曲線

從圖7可以看出，由于揚聲器本身的指向性問題，揚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聲器，如果采用了不直接的輻射方式，也將大大削弱揚聲器單元自身呈現(xiàn)的效果。

2）采用倒相式揚聲器箱體提高低頻性能。揚聲器單元安裝到箱體后，通過箱體、倒相管設計實現(xiàn)，以進一步擴展音箱的低頻下限，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，而絕大多數電視機難以提供足夠的空間放置音箱，由此電視機難以獲得美妙的低音。當然也有公司在改善平板電視低頻性能方面做出了努力，如某品牌公司設計的低頻反射揚聲器，如圖8所示，其從結構上來說，就是在一只密閉的音箱上加上一只倒相孔，即采用倒相式揚聲器系統(tǒng)結構。

圖8 平板電視中的倒相式音箱和對應的頻響曲線

3）為了更高要求的聲性能實現(xiàn)，采用單只揚聲器無法滿足聲性能的需要，所以可以采用分頻方式，使不同揚聲器負責不同頻率的重放，來提升整個聲音頻段的效果。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，所以設計時可以將其安裝在平板電視機的背部，通過繞射完成低頻的輻射，但后期需要與音頻系統(tǒng)配合，進行檢測和調整。圖9為采用分頻方式的平板電視機，采用低音背部輻射時，由于沒有進行調整，導致在分頻點附近出現(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，導致低頻不足。虛擬低音的原理就是取出揚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，讓這些諧波進入揚聲器可以重放的頻率范圍，在聽感上就會讓人覺得低音分量更足了，有效彌補了平板電視小口徑揚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，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特性來改善低音聽感的，但在客觀測量結果中不易體現(xiàn)和考量。而且不同的技術，或者不同廠家的應用效果是不一樣的。

圖9 平板電視機分頻方式和對應的頻響曲線

除了低頻效果之外，中高頻聲音可以通過調整音頻輸出的均衡來對聲音進行補償和抑制，調整過程見圖10所示。但音頻補償也是一把雙刃劍，由于聲學結構的問題導致的頻響曲線波動，在均衡調整中如果調整過大，會導致明顯的失真，過猶不及，對聲音品質造成很壞的影響[4]。

1.4 通過外部聲系統(tǒng)配合，解決平板電視機空間局限

圖10 聲音補償流程

由于平板電視機客觀空間的限制，在有限的空間里實現(xiàn)高品質的聲性能比較困難，出現(xiàn)了很多配合平板電視機工作的外部聲系統(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，并實現(xiàn)多聲道環(huán)繞聲。例如平板電視機企業(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，需要配合多聲道揚聲器系統(tǒng)。除了傳統(tǒng)有線系統(tǒng)外，有分析認為蘋果推出的電視對聲性能要求極其嚴格，推測其可能會推出專用的無線音箱設備，支持AirPlay功能和5.1環(huán)繞立體聲效果，如圖12所示。

圖11 電視機外接揚聲器系統(tǒng)示意圖

圖12 線揚聲器系統(tǒng)設想圖

除了電視和揚聲器企業(yè)，其他行業(yè)也在考慮解決消費者對聲系統(tǒng)的高要求，宜家推出平板電視產品后，認為現(xiàn)有電視聲性能無法滿足消費者的需要，采用現(xiàn)有外部音響系統(tǒng)，連接布線復雜且不美觀。為了解決外部音箱系統(tǒng)連線復雜的困難，推出了UPPLEVA系列產品（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，并且大幅提高消費者的觀影感受，滿足了消費者視聽需要。

圖13 宜家UPPLEVA系統(tǒng)

2 結語

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

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

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

[3] 李元.電視機聲學結構的設計和改進[J].電聲技術，2003，27（2）：59-60.

[4] 大久保聰，林詠.平板電視陷入困境揚聲器系統(tǒng)致力創(chuàng)新[J].電子設計應用，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

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