Benjamin Zenker目前在德累斯頓工業(yè)大學(xué)攻讀博士學(xué)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(yīng)的偏差并優(yōu)化方向性行為，來提高平板揚聲器的聲學(xué)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(shè)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(dāng)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(fù)雜、更難優(yōu)化，這阻礙了類似公司進(jìn)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(yīng)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(shè)法將其推向市場。

平板揚聲器和當(dāng)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(dāng)今客戶的需求�？紤]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(dāng)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(yīng)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(xué)質(zhì)量。Zenker解釋說，要獲得市場接受，就需要改善聲學(xué)質(zhì)量。

填補聲學(xué)溝壑

這些擔(dān)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(jìn)技術(shù)）之間的聲學(xué)差距。平板揚聲器通常無法達(dá)到相同尺寸傳統(tǒng)揚聲器的聲學(xué)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(dá)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(xué)空白，他評估了以市場領(lǐng)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(xué)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(yīng)偏差和增加的聲學(xué)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(xué)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(xué)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(dāng)今的平板揚聲器。

圖片來源：IMM 2019 Cologne的Hommbru揚聲器

聲學(xué)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(dá)到與傳統(tǒng)系統(tǒng)相似的聲學(xué)特性。心理聲學(xué)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(yīng)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(dá)到更高的聲學(xué)偏好等級。

優(yōu)化的激振器定位

面板揚聲器設(shè)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(xué)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(yù)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(yīng)偏差也高于傳統(tǒng)揚聲器。頻率響應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致輸出較少且頻率響應(yīng)偏差較大。Zenker重新研究了混合低音揚聲器驅(qū)動設(shè)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(jìn)。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(shè)計產(chǎn)生類似于大型傳統(tǒng)系統(tǒng)的低頻低音響應(yīng)。

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(shè)備將原因可視化。面板的剛性會導(dǎo)致激勵器產(chǎn)生額外的彎曲，這種彎曲稱為分割，導(dǎo)致了頻率上限。Zenker引入了測量和預(yù)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(yīng)

下一步是改善現(xiàn)有面板的方向性響應(yīng)。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(fù)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(xué)關(guān)系，分析表明，阻尼面板的方向性響應(yīng)更均勻、均值更高、標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(jìn)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(rèn)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(shè)備提供了機會，這些設(shè)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(shè)備提供空間。

“平板揚聲器可以采用不同的方式設(shè)計。我從沒想過一塊木頭聽起來那么不可思議�！�

參考文獻(xiàn)

Zenker, B, (2019) Rethinking Flat Panel Loudspeakers – an Objective Acoustic Comparison of Different Speaker Categories. AES E-Library. www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=20616

Zenker, B, (2020) Upper Frequency Limit of Flat Panel Loudspeakers – Evaluation of the Voice Coil Break-Up Modes. AES E-Library. www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=20741

Zenker, B, (2020) Low-Frequency Performance of a Woofer-Driven Flat-Panel Loudspeaker (Part 1: Numerical System Analysis and Small Signal Measurement). AES E-Library. www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=20928

Zenker, B, (2020) Low-Frequency Performance of a Woofer-Driven Flat-Panel Loudspeaker (Part 2: Numerical System Optimization and Large Signal Analysis). AES E-Library. www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=20980

Zenker, B, (2019) Low Deviation and High Sensitivity – Optimized Exciter Positioning for Flat-Panel Loudspeakers by Considering Averaged Sound Pressure Equalization. AES E-Library. www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=20619

Zenker, B, (2021) Improved Directivity of Flat-Panel Loudspeakers by Minimizing the Off-Axis Radiation below Coincidence. Appl Sci, 11, 7001. doi.org/10.3390/app11157001

Zenker, B, (2020) Improved Sound Radiation of Flat-Panel Loudspeakers Using the Local Air Spring Effect. Appl Sci, 10, 8926. doi.org/10.3390/app10248926