雅兰仕工程师谈小音箱电子技术
笔记本电脑的普及，引发了相关周边设备的发展热潮。随着用户对笔记本电脑影音需求的增强，笔记本电脑音箱作为展现和还原音乐、游戏、电影之中的声音效果的重要设备之一，其设计已越来越被众多音箱厂家所重视。
众所周知，箱体体积大小直接影响着所配扬声器的口径尺寸，而扬声器的尺寸又是决定终音效好坏的重要因素之一。这一点其实从笔记本电脑自带扬声器的效果可以看出，排除板载声卡自身素质不高的因素，笔记本电脑因为内部空间限制而使用超小尺寸扬声器的音效自然难以让人满意。
从根本上来讲，笔记本电脑音箱仍然属于多媒体音箱范畴。只是它为了与笔记本电脑的外形和便携性相配，在设计上与传统多媒体音箱有所差异。
为明显的就是笔记本电脑音箱的体积只有传统多媒体音箱的几分之一甚至十几分之一，事实上我们可以把它归为小体积音箱一类。这类音箱终的还原效果同样也会受到体积和扬声器尺寸的限制，因此如何在小体积的前提下获得好声音不仅是广大笔记本电脑用户心中的疑问，同样也成为了音箱设计工程师不断探索和研究的方向。
带着广大用户和读者对于笔记本电脑音箱的种种疑问，《微型计算机》特邀专注于笔记本电脑音箱研发制造的雅兰仕公司的研发设计总监——郭云瑞先生做客《专家讲堂》栏目，与大家共同探讨小体积音箱的相关技术。
郭云瑞
雅兰仕国际(香港)有限公司研发设计总监
郭云瑞，本科毕业，MBA在读；十多年一直从事于
音响行业的研究，已创造多项实用新型专利技术。
Q1：笔记本电脑音箱属于小体积产品，箱体的尺寸直接限制了所用扬声器单元的大小。我们都知道，扬声器口径的尺寸决定了它所能回放的频率，当输入的音频信号频率超出了扬声器所对应的频率响应范围时，往往会出现严重失真。那么这种情况下怎样做才能保证终效果的低失真呢？
郭：音响器材要求频率响应曲线尽可能宽广平坦，但笔记本电脑音箱这类小体积的系统，一般只使用1～2英寸的扬声器单元。受物理定律限制，这种尺寸口径的扬声器不可能有效播放出60～80Hz以下的低频。然而，一般音乐的低音部分(200Hz以下)能量占总能量的约35％，迪士高等重低音音乐高达60%～90％，而不能有效播放的频段(60～80Hz以下)又占了低音部分功率的40％左右。
截频技术应用后的数据对比
在使用小箱体、小尺寸扬声器的前提下，其实应该有针对性地做出取舍。倘若强行输入信号，不但我们耳朵的听觉系统感觉不到，而且在耗费掉可贵能源的同时也会使扬声器产生严重的失真。因此我们认为应当针对不同产品的实际性能，在确保低音听感无明显区别的同时把不能有效重放的部分信号截断，这样会大大降低无用能源耗费达30％左右(按迪士高乐曲平均值)，经过反复尝试，我们发现这种截频技术对于降低失真是行之有效的，所以也将其引入了产品设计之中。
Q2：在衡量一款音箱产品的时候，除了音质之外，动态范围也是一个重要指标。同样受物理定律限制，小箱体和小尺寸扬声器注定无法还原大动态效果。面对这种情况，小体积的笔记本电脑音箱在设计时应该如何去考虑呢？
郭：我们平时所听的节目中包含了各种音频信息——语音、歌曲、音乐。声音的动态范围即声音从弱变到强的范围，也与频率有关。动态范围大的频率区间是1000～6000Hz，动态范围的计量单位是分贝(dB)。在自然界中，每种物体或乐器的发音都有其动态范围，因此要高保真地重放这些声音就必须要求设备的动态范围足够大。一般语言的动态范围为20～40dB，歌曲与音乐的动态范围为40～60dB，交响乐的动态范围为70～120dB。普通多媒体音箱的动态范围好能大于60dB，而高保真音响的动态范围则要求大于90dB。
人的听感动态范围从大响度到小响度范围可达100万:1(即10^6倍)，听感的动态范围达120dB。理论上音频放大器的动态范围必须大于其播放节目源的动态范围，但事实上音箱扩声系统声音重放的动态范围由于受电子设备的限制，远比人耳的动态范围小。因此高动态范围一直是高级音响的目标。
然而以交响乐为例，其70～120dB动态量对小体积音箱中每声道只有3W多一点的功率放大器来说几乎是镜中花水中月。所以动态压缩扩展技术在这里就显得特别的重要了。动态压缩扩展的原理是当需要压缩时将信号的两端向中间挤压(小信号放大、大信号缩小)，在任意幅度间同比例变化(单位时间内)，相对提高了小信号的幅度。
自适应动态压缩扩展电路
扩展的原理则相同，只是方向相反而已。实际上我们可要根据实际的系统性能，并通过大量的听音试验来控制压缩或者扩展量来获得好的效果。动态压缩扩展还可以在播放来自不同途径、不同格式、采用不同压缩软件、经不同压缩比例压缩的信号电平相差很大的信号时，能保证一定的音量，即起到音量自动控制的作用。
Q3：受箱体容积限制，小体积音箱的功率通常较小。我们看到雅兰仕推出的笔记本电脑音箱几乎都采用USB供电设计，根据USB规范来看，USB接口只能提供500mA/5V的供电能力，这对于音箱来说够用吗？
郭：USB规范定义，USB接口可提供500mA/5V的供电能力。假设音箱放大器效率为100％时输出功率为1.25W×2，但由于存在功率损耗的因素，实际上是不能达到输出功率要求的。目前市面上某些USB笔记本电脑音箱，为了提高输出功率用4Ω甚至2Ω的负载，远远超出了USB供电能力范围，很容易导致笔记本电脑不能正常工作，或者是频繁死机。
智能化USB电源管理
雅兰仕的笔记本电脑音箱，在设计时把遵循USB规范列在首位，引入了智能化USB电源管理系统，无论在何种输出功率下，向USB端口获取的电流绝不会超出500mA。打破USB音响的功率限制，也使得产品的大音频输出功率可达10W×2。这一智能化系统采用了特殊设计，在箱体中加入了一块镍氢电池。一般音乐和语言节目下平均功率只有大功率的1/5到1/10。
在放音过程中，有很多时候总耗能小于USB理论输出功率(即耗电电流小于500mA)，此时部分电能将被储存在雅兰仕音箱中的镍氢电池中，如果放音过程瞬间耗电电流大于500mA，则超出部分由之前储存下来的电能补充。而如果耗电电流小于500mA，那么剩余的电量就会被储存在电池中以备下次使用。所以，在合理考虑USB能量与储存电能的设计下，我们的产品才能满足功率方面的需求。
Q4：小体积音箱受箱体容积限制，其电路不可能像传统音箱产品那样设计得较完善全面，因此相比之下回放出来的效果，特别是音色方面也会有所差异，终会直接影响用户的听音感受。那么对于体态小巧的笔记本电脑音箱而言，怎样设计才能保证用户对音色方面的需求呢？
郭：早年电子管放大器的音色被老一辈玩家念念不忘。究其原因之一，是电子管放大器在过载时，不像晶体管放大器那样对频响曲线峰值产生刀切一样的平顶剪峰削波，平顶削波的结果是产生大量的高次谐波，它们跟原信号极不和谐，听觉对这些高次谐波非常敏感，因此会感觉到非常刺耳。现代高保真放大器为了避免任何时候都不出现剪峰失真，因此将功率做到上百乃至数百W功率，然而实际使用时平均功率仅数W，存在很大的能源浪费。
柔性剪峰技术原理图
而我们在设计产品时就引入了一种名为柔性剪峰的技术。可以在削波即将要出现之前使信号上升的速度变缓，因此不再出现平顶削波，从而也不再产生令人烦恼的高次谐波。
小小的笔记本电脑音箱在设计过程中需要考虑的问题其实并不比传统多媒体音箱少。大的难点是在受空间、尺寸，以及整体成本限制的条件下，如何获得更大的功率、降低失真、拓展动态范围，从而让用户体验到尽可能好的音质和优美的音色。从专业角度来看，音箱的小体积、好效果和具备大众可接受的价格是很难调和共生的三个方面。
要想获得好效果，莫过于遵循物理定律，走传统结构和尺寸的设计思路，但如此一来就难以缩小体积；要想以小体积获得好的效果，终的产品价格可能又难以被大众所接受；反过来看，如果想以低成本在小体积结构上设计产品，那么产品的终播放效果肯定难以让人感到满意。因此这是所有设计师在开发笔记本电脑音箱产品时都会面临的问题。
所幸音频电子技术仍在不断进步，而众多业界专家和工程师也在不断地进行研究和创新，结合人类生理声学，利用更新的电子技术以尽力提升在体积和成本限制下的终回放效果。
当前市面上的笔记本音箱价格从几十元到近千元不等，品种型号也林林总总，很容易使普通消费者感到迷惑。因此，我们有必要借这个机会将这种杂乱的现况梳理一番，为广大消费者建立正确的观念。
总结起来，现在市面上存在两类产品，一种是真正的笔记本电脑音箱，而另一种则是属于便携式音箱。不过，在很多零售商的引导下，便携式音箱也被归为了笔记本电脑音箱的范畴。这其实是错误的。便携式音箱是一体式音箱，体积可以小巧到放进衣服口袋里，它是专门为旅途中人们利用MP3、音乐手机、PMP等设备分享音乐而生的。只是充当着便携式媒体播放器外置扬声器的角色。
笔记本电脑音箱则不同。我们认为不能简单地把“笔记本电脑音箱”与“便携性”完全扯上关系。虽然笔记本电脑音箱与“便携”的概念会有一定关系，但也只是相对的，只要能满足用户在室内进行小范围的“移动”需求即可。其本质是取代笔记本电脑内置扬声器，改善音质。而重要的一点是，它结束了笔记本电脑在回放时没有低音的时代。
所以，如果笔记本电脑音箱过分强调便携性，或者直接用便携式音箱与笔记本电脑连接，那么终的声音表现肯定无法让人满意。所以笔记本电脑音箱在做到小巧的同时尽可能地保证回放效果才是正确的设计方向。当然，仅依靠电子技术来提升笔记本电脑音箱的效果是不行的，还需要合理地选用扬声器和箱体材质，并借助优秀的结构设计才能达到目的。故此，我们将在下一期针对这方面的内容进行深入探讨。敬请关注！
