假设我们有一个简化的扬声器系统：
- 输入信号：包含基频（如100Hz）及其谐波（200Hz、300Hz等）
- 扬声器振膜：一片理想化的弹性圆形膜
- 输出声波：空气中传播的复合波形
电信号 → 振膜机械振动 → 空气压力波（声波）
第一步：电信号到机械振动当电信号输入到扬声器音圈时：
- 音圈运动：电流通过音圈产生磁场，与永磁体相互作用，推动音圈前后运动。
- 振膜位移：音圈带动振膜振动，位移量由信号电压决定。
谐波保留条件：
若振膜完全线性运动（理想情况），位移波形=输入电信号波形 → 所有谐波被完美复制。
但现实中，物理限制导致非线性。
第二步：非线性失真产生新谐波实际振膜振动存在非线性，例如：
- 大振幅时弹性极限：振膜边缘拉伸超出线性范围（类似弹簧过载）。
- 空气压缩非线性：高压区域空气密度变化不符合线性规律。
数学表达：
输入信号为基频 ( f_1 )，振膜非线性响应可近似为：
[
x(t) = A \sin(2\pi f_1 t) + B \sin^2(2\pi f_1 t)
]
展开平方项后：
[
x(t) = A \sin(f_1 t) + \frac{B}{2} [1 - \cos(2f_1 t)]
]
结果：输出包含原始基频 ( f_1 )、二次谐波 ( 2f_1 )，甚至更高次谐波。
第三步：材料与频率响应对谐波的选择性放大不同材料对谐波的响应不同：
振膜材质高频谐波表现低频谐波表现音色特征
纸盆衰减快保留完整温暖、柔和
金属膜延伸至20kHz易共振失真明亮、锐利
复合材料平衡衰减阻尼控制中性、高保真
示例：
- 输入信号含100Hz基波和200Hz、300Hz谐波
- 金属振膜可能将200Hz谐波振幅提高3dB，300Hz提高1dB → 音色更“尖锐”
- 纸盆振膜可能将300Hz衰减6dB → 音色更“圆润”
第四步：分频器对谐波的人为分割多单元音箱通过分频器将信号分配到不同扬声器：
输入信号（全频）├─ 低通滤波器 → 低音单元（<500Hz基波和谐波）└─ 高通滤波器 → 高音单元（>2kHz高次谐波）
问题：
若分频点设置在2kHz，但输入信号在1.8kHz有一个重要谐波 → 该谐波可能被分配到低音单元，而低音单元无法有效振动高频 → 谐波丢失或畸变。
第五步：箱体共振的谐波染色封闭式箱体与倒相式箱体对谐波的影响对比：
箱体类型共振频率效应谐波表现
密闭箱抑制箱体共振减少额外谐波，保真度高
倒相式箱倒相管在特定频率（如50Hz）共振增强低频谐波，产生“轰鸣感”
案例：
贝斯吉他音箱设计为倒相式，刻意增强80-120Hz谐波 → 低音更饱满，但可能掩盖高频细节。
第六步：最终声波的谐波合成所有因素叠加后，输出声波的频谱 = 原始谐波 + 非线性失真谐波 + 材料/分频/箱体影响的谐波调整。
实际听感对比：
输入信号频谱扬声器A（纸盆+密闭箱）扬声器B（金属膜+倒相箱）
100Hz基波100Hz (+0dB)100Hz (+0dB)
200Hz二次谐波200Hz (-2dB)200Hz (+4dB)
300Hz三次谐波300Hz (-6dB)300Hz (-1dB)
失真产生的500Hz500Hz (-20dB)500Hz (-10dB)
- 扬声器A：削弱高次谐波，抑制失真 → 适合人声、原声吉他
- 扬声器B：突出二次谐波，允许更多失真 → 适合电子乐、摇滚
总结：扬声器如何“塑造”谐波- 非线性振动 → 添加新的谐波（失真）
- 材料滤波 → 增强或削弱特定谐波
- 分频器分割 → 强制分配谐波到不同单元
- 箱体共振 → 特定频率谐波被放大
音色本质是这些过程的叠加结果。即使输入相同的电信号，不同扬声器会通过上述机制输出完全不同的谐波结构，从而改变音色。这解释了为什么同一首音乐在手机扬声器、车载音响和Hi-Fi系统中听感差异巨大。
