揚(yáng)聲器的高頻范圍同樣沒(méi)有嚴(yán)格的界定。音樂(lè)中樂(lè)器頻譜有一個(gè)現(xiàn)象，其高頻部分的能量同中頻相比有下降的趨勢(shì)，在高頻部分振幅比較小。圖1是測(cè)量得到的各種廣播節(jié)目聲的頻譜。但是高頻部分的能量減少，并不意味高頻部分不重要，恰恰相反高頻部分對(duì)體現(xiàn)音色的完美、特征、完整是不可缺少的，它展現(xiàn)了音樂(lè)的華彩和細(xì)節(jié)。失去了高頻，樂(lè)隊(duì)合奏的那種燦爛輝煌將不復(fù)存在。

圖1  各種廣播節(jié)目聲的頻譜

　　圖2是一張各種樂(lè)器的頻率范圍圖。和在其他資料看到的類似圖表有所不同，頻帶要寬一些，是滿足不改變音色必須具有的頻帶范圍。因?yàn)椴徽撌裁礃?lè)器、什么聲音都有眾多的高次諧波。根據(jù)傅里葉分析，任一種樂(lè)器的波形可以由無(wú)窮多的諧波組成，其頻率趨向無(wú)窮大(頻率愈高的諧波其相應(yīng)的振幅亦愈小，在一定程度可以忽略)，這就是揚(yáng)聲器高頻部分的重要。甚至為了重放高頻，生產(chǎn)專用的高頻揚(yáng)聲器。在數(shù)字技術(shù)迅速發(fā)展的今天聲源設(shè)備如 SACD、DVD-Audio 等具有很寬的頻率范圍，對(duì)揚(yáng)聲器高頻部分有更高的要求，甚至重放高于20kHz的超聲波范圍(對(duì)此音響界還存在不同看法)。

圖2 為了不改變音色必須具有的頻帶范圍

高頻重放的上限

　　作為揚(yáng)聲器的輸入信號(hào)，頻率是沒(méi)有限制的。揚(yáng)聲器頻率重放的上限是音圈振動(dòng)不能傳到振膜的頻率。從等效電路講，相當(dāng)于在音圈與振膜之間插入一個(gè)彈簧。

　　圖3和圖4分別是揚(yáng)聲器的高頻等效電路和高頻重放上限fh附近的模型。

圖3  fh附近的等效電路

圖4  fh附近的模型圖

　　根據(jù)這個(gè)等效電路，求出振膜速度VL最大時(shí)的頻率。這時(shí)聲壓出現(xiàn)一個(gè)高的諧振峰值，這個(gè)諧振頻率被稱為高頻重放上限頻率fh, 高于此頻率時(shí)聲壓輸出急劇下降，有

　　式中    m1--音圈質(zhì)量;

　　m2--振膜質(zhì)量;

　　Sn--振膜根部的勁度=πEhcos²θ/sinθ;

　　E--振膜的彈性模量;

　　h--振膜根部的厚度;

　　θ--振膜的半頂角。

　　由此可知要提高揚(yáng)聲器高頻重放上限術(shù)，可減輕振膜及音圈質(zhì)量，選用彈性模量高的、半頂角小的振膜。許多揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)師都有經(jīng)驗(yàn)，中心膠軟硬程度不同，會(huì)影響高頻性能。在振膜根部浸膠是改善高頻的應(yīng)急性措施。早年在工廠為了減低揚(yáng)聲器的高頻性能，提出一種被稱為“高頻濾波器”的結(jié)構(gòu)，如圖5所示在振膜根部加一折環(huán)，可以有效降低高頻。

圖5  在振膜根部加一折環(huán)

　　需要強(qiáng)調(diào)的是，揚(yáng)聲器各種性能之間是互相平衡、互相牽制、互相關(guān)聯(lián)的，往往是此消彼長(zhǎng)、此伏彼起，如選用彈性模量高的振膜，可將高頻上限提高，但卻帶來(lái)后沿瞬態(tài)特性壞、音質(zhì)不柔和等一系列問(wèn)題。所以綜合權(quán)衡是揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)師的主要工作。

高頻特性與振膜幾何形狀的關(guān)系

　　揚(yáng)聲器的高頻特性與振膜的幾何形狀有密切的關(guān)系。圖6表示振膜形狀對(duì)高頻特性影響的一種傾向。常見(jiàn)的振膜截面幾何形狀有拋物線型、直線型、指數(shù)型，還有介乎之間的弧型，如圖7(a)所示。拋物線型半頂角較大，曲線中頻平坦高頻有一個(gè)峰值，通常在低頻揚(yáng)聲器中選用，在使用時(shí)用分頻網(wǎng)絡(luò)除去峰值部分。指數(shù)式振膜具有寬而平坦的頻響。早年筆者曾嚴(yán)格按指數(shù)曲線設(shè)計(jì)了一只300mm揚(yáng)聲器，其高頻上限接近20000Hz。但是模具制造、振膜制造都要困難得多，限制了它的使用，而直線式、圓弧式在生產(chǎn)工藝上優(yōu)勢(shì)是明顯的，在一般用途揚(yáng)聲器中得到了廣泛應(yīng)用。

圖6 振膜形狀對(duì)高頻特性的影響

圖7  紙盆形狀與高頻特性的關(guān)系

(a)紙盆的形狀; (b)紙盆的形狀與高聲頻特性的關(guān)系。

　　綜合低頻、中頻、高頻特性可以得到與阻抗曲線對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 與阻抗曲線對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線

高頻指向性的改善

　　揚(yáng)聲器在低頻狀態(tài)可以看成一個(gè)圓形活塞振動(dòng)，而圓形活塞的指向性系數(shù)為

　　式中 J1--貝塞爾函數(shù);

　　γ--輻射角度;

　　k=2nf/c，為系數(shù);

　　a--振膜半徑。

　　圖9是根據(jù)D的公式畫(huà)出的指向性圖。在高頻段振膜不再是活塞振動(dòng)，而是分割振動(dòng)，相當(dāng)于有效半徑減小，這是對(duì)指向性是有利的，但是高頻的指向性總的來(lái)說(shuō)是尖銳的。有些提高高頻重放的措施，如減少振膜的半頂角，也會(huì)使高頻指向性尖銳。

圖9 圓形活塞聲源的指向性

(a) ka=1; (b) ka=2; (c) ka=3;

  (d) ka=4;  (e) ka=5;  (f) Ka=10。

　　改善高頻指向性的方法是采用較淺的振膜和采用聲透鏡或擴(kuò)散球。聲透鏡如圖10所示，安裝在揚(yáng)聲器的前面，利用聲波路徑的改變，來(lái)使聲音擴(kuò)散，指向性得到改善。有一得又有一失，加了聲透鏡以后，由于干涉的原因使頻率響應(yīng)曲線出現(xiàn)一個(gè)谷值，高頻也有所衰減，如圖11所示，因此這種方法實(shí)際應(yīng)用并不多。

圖10 給揚(yáng)聲器加聲透鏡

圖11 安裝聲透鏡對(duì)高頻的影響

　　另一種擴(kuò)散球(亦稱相位塞)方式可以改善指向性，如圖12所示。這種擴(kuò)散球(相位塞)后來(lái)出現(xiàn)多種形狀，有子彈頭型、紡錘型、手柄型等。圖13是 Lowther PM-4的結(jié)構(gòu)。

圖12 擴(kuò)散球裝置

圖13  Lowther pm-4的結(jié)構(gòu)圖

　　作為一種賣(mài)點(diǎn)，相位塞給人新奇感。它牢牢固定在導(dǎo)磁柱上，而不是振動(dòng)系統(tǒng)，因而改變不了振動(dòng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，它能改變的只是聲波的傳播路徑，改善揚(yáng)聲器的指向性。