平板电视声性能改进的方法探究

曹玉雯，张 坡，姜 波

（1.国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015；2.中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

平板电视声性能改进的方法探究

曹玉雯1，张 坡1，姜 波2

（1.国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015；2.中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

目前平板电视追求薄型化、窄边框设计，而声特性的效果却并非越来越佳。针对电视机扬声器受制于电视机外形及结构设计的问题，介绍了通过扬声器单元、采用声学设计、与音频系统配合以及与外部声系统配合等4种提高声性能的方法，以实现电视系统视觉和听觉的高质量还原，其中给出了部分方法的测试频响曲线，并探讨了在实际应用中可能存在的问题。

平板电视；声性能；频响

一直以来，平板电视因为追求薄型结构，受制于有限的自身体积，缺少扬声器声性能提高所需的声学空间，所以现今的液晶电视机尤其是超薄型平板电视虽然画质得到了很大提高，但声音效果与CRT/背投时代的产品相比非常羸弱，甚至出现了性能的下降，其音质一直被人诟病[1]。

在显示效果和智能体验取得突飞猛进发展之后，市场上高端平板电视机为了提高声性能，采用了一些方法来适应发展的要求。大概可以分为以下四类：一是提高扬声器单元的声性能；二是通过改变扬声器辐射方向，采用声学箱体，以及采用分频器等设计手段提高声性能；三是通过音频技术提高声性能；四是采用有线连接或无线协议方式与外接扬声器系统配合提高声性能。由于以上四种方法单独使用有局限性，所以通常平板电视声性能的提高采用以上方式的互相配合来提高声性能。

1 提高平板电视声性能的方法

1.1 通过扬声器单元提高声性能

典型电动扬声器的原理如图1所示，传统扬声器的声性能稳定，结构相对简单，成本低；缺点是相对尺寸较大，随着平板电视机尺寸变薄，无法适用于现在的平板电视机。为了将扬声器变薄，主要从几个方面进行了提升，有一些已经应用于工业生产，但一些技术还需要一个发展的过程才能真正实现应用。

图1 典型电动扬声器原理图

1）采用钕铁硼材料，提高磁场强度，减小磁体的厚度。钕铁硼是目前所有磁体中单位体积蕴含磁力最大的一种永磁体，产生相同强度的磁场时，其厚度比铁氧体的厚度大大变薄；采用相同厚度的磁体能够提高扬声器的灵敏度，配合电视机能输出更大的声音。

2）采用磁流体，减少悬置系统，提高灵敏度。磁流体是由美国国家航空航天局很早以前就开发的技术，这项技术就是在电动式扬声器的磁路气隙中注入一种液态磁性材料——磁流体，构成磁流体扬声器，如图2所示。磁隙的强磁场使磁流体定位，并与音圈、夹板及磁芯保持密切接触，使音圈的导线部分浸润在磁流体中。当音圈运动时，粘性的磁流体在磁隙中紧随着音圈在一定范围内运动，从而加强了对音圈的热传导，提供适当的阻尼和对音圈运动产生一个定心作用，从而改善了扬声器的电声性能，提高承受功率，可以让小体积扬声器工作效率更高。磁流体技术此前多用于高音扬声器单元，由于音圈行程过大时磁流体可能溅出，应用于较低频率的扬声器单元时应考虑其结构特点。磁流体材料的有效时间也存在一定问题。

图2 普通扬声器与磁流体扬声器比较（照片）

最近某品牌推出的高端产品中利用其专利技术，解决了磁流体扬声器的寿命难题，实现了突破，因此才得以实现最终的商品化。某旗舰产品的声性能（如图3所示）提高明显，以满足与显示性能配合，该产品采用磁流体扬声器，在屏幕两侧采用声学箱体结构，配合其他声学设计，同时配合音频芯片的调整，最终得到满意的声学体验。

3）NXT平板扬声器是一种通过振膜表面无规振动来发声的。NXT是将独特设计的驱动器装置在能够受磁性感应的平面振膜上，以便让整片振膜以波动的方式发出声音。传统平板扬声器的振动方式如图4所示。当信号输入时，振膜的发声点就会如同物体掷入水面般扩散开来，但图4中的NXT平面振膜的振动波面非常浓密，这是由于当音频信号进入驱动器之后，磁性感应的作用使整个蜂巢组织架构的振膜非常规律地制造出复杂波动，即“分布模式原理”（Distributed Mode Theory）[2]。

图3 某65 in（1 in=2.54 cm）平板电视机

图4 平板扬声器

4）碳纳米管材料由于热声效应，在电流导通时会发热膨胀，在电流断路时冷却收缩，按照此原理制成的扬声器，称为碳纳米管扬声器。碳纳米管扬声器没有磁体或者可移动的部件，这种扬声器只需在PET膜上涂抹含有CNT导电性的涂料，对其施加一定电压的直流电压，当电流高速反复导通和断开时，可根据其频率发出声音。图5为清华大学姜开利研究员与范守善教授开发的碳纳米管扬声器，首先在4 in的硅基上生长直径10 nm的碳纳米管，然后将它们转化成宽10 cm、长60 cm的连续薄膜，随后制作成宽10 cm、长20 cm的薄膜，并将两个电极附在薄膜上，通过施加电压，碳纳米管扬声器就会由于热声效应（Thermoacoustic Effect）而发出声音。目前该中材料的频率响应和功率暂时无法满足现有平板电视的需要，随着研究的深入，应该会有所提高。

图5 碳纳米管扬声器外观和频响特性

1.2 采用声学设计来提高声性能

平板电视机的声性能除了扬声器单元性能之外，影响最大的是声学结构设计，如扬声器辐射方向、箱体设计[3]、分频设计等，如果设计不合理，扬声器单元的性能不能很好地发挥出来。

1）声学设计中最简单方式是扬声器辐射方向选择直接朝向收听者。在平板电视设计中由于采用窄边框设计，早期设计方式将扬声器安装在平板电视机的下边框，扬声器辐射方向向下，希望通过台面反射来辐射声音，但消费者体验后普遍反映该种辐射方式效果不理想，高频衰减非常明显，这主要是由于扬声器的指向性所致。由于扬声器轴向方向的声性能最理想，所以后来发展为有一定角度向下前方辐射，但依然不是非常理想。后期有采用声波导管向前辐射的方案，扬声器导管结构如图6所示，但如果设计不合理，会导致某些频率失真较大。

图6 扬声器导管结构（照片）

为了比较扬声器向前和向下两种辐射方式对频响的影响，采用薄型扬声器音箱模拟电视机的声性能测试状态（传声器距离扬声器上表面40 cm，距离扬声器前表面50 cm，扬声器轴中心偏离传声器轴中心30 cm），分别进行了辐射方向向下和向前的频率响应测试，其结果如图7所示。

图7 某薄型扬声器及其声频率响应曲线

从图7可以看出，由于扬声器本身的指向性问题，扬声器辐射方向向下的频响曲线相比较辐射方向向前的频响曲线，在高频部分有10 dB左右的衰减。因此即使声频响较好的扬声器，如果采用了不直接的辐射方式，也将大大削弱扬声器单元自身呈现的效果。

2）采用倒相式扬声器箱体提高低频性能。扬声器单元安装到箱体后，通过箱体、倒相管设计实现，以进一步扩展音箱的低频下限，并减少其下限处声波的非线性失真。

在音响系统中，低音效果是靠容积保证的，而绝大多数电视机难以提供足够的空间放置音箱，由此电视机难以获得美妙的低音。当然也有公司在改善平板电视低频性能方面做出了努力，如某品牌公司设计的低频反射扬声器，如图8所示，其从结构上来说，就是在一只密闭的音箱上加上一只倒相孔，即采用倒相式扬声器系统结构。

图8 平板电视中的倒相式音箱和对应的频响曲线

3）为了更高要求的声性能实现，采用单只扬声器无法满足声性能的需要，所以可以采用分频方式，使不同扬声器负责不同频率的重放，来提升整个声音频段的效果。由于平板电视四周边框的尺寸限制，低音扬声器没有足够的空间，但由于低频声信号的指向性不明显，所以设计时可以将其安装在平板电视机的背部，通过绕射完成低频的辐射，但后期需要与音频系统配合，进行检测和调整。图9为采用分频方式的平板电视机，采用低音背部辐射时，由于没有进行调整，导致在分频点附近出现深谷、失真过大等问题[4]。

1.3 与音频系统配合，提高声性能

由于平板电视的扬声器单元口径通常都较小，谐振频率较高，因此辐射出低于其谐振频率的信号分量比较困难，导致低频不足。虚拟低音的原理就是取出扬声器不能辐射的信号中低于其谐振频率的那部分低频信号分量，再制造它们的谐波，让这些谐波进入扬声器可以重放的频率范围，在听感上就会让人觉得低音分量更足了，有效弥补了平板电视小口径扬声器重放低频不足的问题。虽然虚拟低音不是十分新颖的技术，只是不同公司叫法不一，例如WAVE的Maxxbass、SRS的Trubass，都是利用人的心理声学特性来改善低音听感的，但在客观测量结果中不易体现和考量。而且不同的技术，或者不同厂家的应用效果是不一样的。

图9 平板电视机分频方式和对应的频响曲线

除了低频效果之外，中高频声音可以通过调整音频输出的均衡来对声音进行补偿和抑制，调整过程见图10所示。但音频补偿也是一把双刃剑，由于声学结构的问题导致的频响曲线波动，在均衡调整中如果调整过大，会导致明显的失真，过犹不及，对声音品质造成很坏的影响[4]。

1.4 通过外部声系统配合，解决平板电视机空间局限

图10 声音补偿流程

由于平板电视机客观空间的限制，在有限的空间里实现高品质的声性能比较困难，出现了很多配合平板电视机工作的外部声系统（如图11所示），通过有线连接或者无线协议传递声音信号，并实现多声道环绕声。例如平板电视机企业联合有源音箱企业推出了一系列的声系统底座、音柱等，在一定程度上提高了声性能。为了提供真正的多声道环绕声的声波辐射，需要配合多声道扬声器系统。除了传统有线系统外，有分析认为苹果推出的电视对声性能要求极其严格，推测其可能会推出专用的无线音箱设备，支持AirPlay功能和5.1环绕立体声效果，如图12所示。

图11 电视机外接扬声器系统示意图

图12 线扬声器系统设想图

除了电视和扬声器企业，其他行业也在考虑解决消费者对声系统的高要求，宜家推出平板电视产品后，认为现有电视声性能无法满足消费者的需要，采用现有外部音响系统，连接布线复杂且不美观。为了解决外部音箱系统连线复杂的困难，推出了UPPLEVA系列产品（见图13），提供了一套视听家具解决方案，将音响系统与家具整合在一起，简洁美观，并且大幅提高消费者的观影感受，满足了消费者视听需要。

图13 宜家UPPLEVA系统

2 结语

综上所述，声音作为人类获取信息的重要方式，随着显示技术和智能化应用的日益强大，平板电视机对声性能的要求也会越来越高，未来将有更多的提高声性能的技术出现，以实现电视系统视觉和听觉的高质量还原。

[1] 张百良.平板时代的扬声器技术[J].家庭影院技术，2008（5）：62-63.

[2] 陈克安，钟维彬，曾向阳.平面扬声器及其声学特性[J].电声技术，2003，27（9）：21-23.

[3] 李元.电视机声学结构的设计和改进[J].电声技术，2003，27（2）：59-60.

[4] 大久保聪，林咏.平板电视陷入困境扬声器系统致力创新[J].电子设计应用，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

【本文献信息】曹玉雯，张坡，姜波.平板电视声性能改进的方法探究[J].电视技术，2014，38（16）.