在大多数家庭或办公室中，笔筒与多媒体音箱是电脑桌或办公桌上的必摆件。本研究是将现有的笔筒与多媒体音箱合二为一，在不影响笔筒原有收纳功能与容积的同时，既扩展了笔筒的功能，又能呈现真正的360环绕立体声音响效果，并能让电脑桌或办公桌的台面更加美观、简洁。本研究所述多媒体立体声笔筒音箱结构简单、成本低廉、立体声效果明显，具有较强的实用性。

0、引言
        多媒体音箱也就是常称的“电脑音箱”，是许多家庭或办公室的必备品。与普通音箱相比，多媒体音箱具有体积小、易操作的特点，能够与显示器协调地摆放于电脑桌或办公桌上，并能满足消费者的多媒体应用需求。
        笔筒是一种最为常见的置笔用具，一般呈方形或圆筒状，是电脑桌或办公桌上的常摆之物。现有的笔筒虽然制作材料和工艺不尽相同，但功能都比较单一，即只具有插笔功能。
1、研究背景
        随着人们物质生活的不断丰富，在电脑桌或办公桌上，除放置多媒体音箱、笔筒、文件、书籍、台灯等传统物件外，其他摆件也越来越多，如好看的工艺品、小盆绿色植物、奖杯.根雕、奇石等，如图1所示，这使得本已“拥挤”的电脑桌或办公桌更加“拥挤”。


        另外，在人们物质生活不断满足的同时，精神生活的要求也越来越高，人们对音箱音质的要求也不例外。众所周知，电脑桌或办公桌上音箱的主要音源是电脑(含笔记本电脑或平板电脑)，这就注定了它的听音环境是一个近声场。 加之，受电脑桌或办公桌的长宽尺寸限制，左、右音箱的摆放不可能像落地式或书架式音箱那样“自由”，即电脑或办公桌不可能给多媒体音箱提供良好的摆位环境，更不可能提供足够大的摆位空间，这就使得多媒体音箱的音效大受影响。
        若要达到高保真的立体声效果，需要多媒体音箱在设计上做出相应的改变。然而大多数多媒体音箱生产厂家只是为了应付这种使用形式上的变化，简单地对传统音箱进行了一些物理上的改变:缩小音箱的体积，减小扬声器的口径，降低功放输出功率等，这些改变完全没有考虑聆听的声学环境发生了哪些变化，声场特性发生了哪些改变，以及箱体发声机理对近距离聆听产生了哪影响。
        鉴于现有电脑桌或办公桌“拥挤”的现状，以及现有多媒体音箱效果的不足，笔者决定对现在笔筒与多媒体音箱合二为一，在扩展笔筒功能的同时，将多媒体音箱设计成对于摆位要求十分宽松的结构(这也是目前国内多媒体音箱生产厂家的设计盲点)，使电脑桌或办公桌面更加美观、简洁，多媒体音箱的音质更加逼真、通透。
2、研究内容
          笔者首先查阅相关资料，了 解多媒体音箱的电路特点与技术要求，然后了解现有笔筒的种类与结构，并测量热销型笔筒的外形尺寸，如图2所示。


           接下来笔者对立体声笔筒音箱或多媒体立体声笔筒音箱的研究进行了文献检索，范围如下:1.中国学术期刊网( 1994- 2020);2.万方数据资源系统( 1999- 2020);3.中国专利信息网(1985 - 2020);4.维普科技期刊文摘索引( 1989-2020))。检索词如下:1.笔筒音箱;2.笔筒音响;3.多媒体音箱;4.笔筒上安装扬声器;5.笔筒上安装喇叭。检索式是笔筒音箱or笔筒音响or多媒体音箱or笔筒上安装扬声器or笔筒上安装喇叭。通过检索，发现虽已有本课题的相关研究，但其内容和目的有所不同:一是对现有 蓝牙音箱的导音孔进行重新设计，其目的是便于组装生产，并非本研究所述减小占用空间和提高音效的目的;二是在笔筒下增加+/-音量控制键和暂停播放控制键，虽然这一改进增加了音箱的控制功能，但所加装置占用了原笔筒的收纳空间，同时该音箱也不具有本研究所述的360°环绕立体声音响效果。
        鉴于上述查新结果，为了保证本研究的新颖性，笔者决定采用组合法和功能移植法对现有笔筒进行改进，具体研究内容如下:将笔筒与多媒体音箱有机“结合”，既不影响原笔筒的收纳功能与内部空间，同时还具有真正的3609环绕立体声音响效果。
3、制作过程
3.1主要器件选择
       3.1.1笔筒
       为了达到真正的360°环绕立体声效果，并考虑到后续扬声器的安装操作，经过实验对比，笔者决定采用圆柱形的金属网格笔筒，如图3所示。该款笔筒的外径约9cm，高约10cm。


        3.1.2音频功率放大板(简称功放板)
        根据现有主流笔筒的外形尺寸，笔者决定选用体积小且大部分元件采用贴片元件的音频功率放大板。考虑到本研究所述音箱的供电来自电脑的USB接口，即采用+5V供电，并同时要求具有- 定的高保真输出功率，笔者决定采用低电压、高保真的立体声音频功放电路，因为这类功放电路多采用高效功放集成块，无需外接散热片，并且内置开/待机控制、开/关机静噪、热关断保护等电路，具有工作电压低、放大增益稳定、失真率小、外围元件少、体积小等优点。根据.上述要求，结合市售音频功放板的外形特点，笔者选用采用sOP16封装形式的LM4863功放小板，其实绘电路如图4所示。


         U1(LM4863)的供电电压为2.0V~5.5V，可与CS4863、 CsC4863、HT4863等型功放块直接互换。电脑输出的左右声道音 频信号，通过音频输入线分别加到立体声盘式音量电位器RP1的4、5脚，经RP1分压后，从2、3脚取出音频信号，分别经C1、R2和C4、R3耦合到U1的11、6脚。U1对输入的左、右声道音频信号进行功率放大后，分别从12、14脚和3、5脚输出，推动左、右扬声器发声。
         R1、R4为负反馈电阻，其阻值范围为20k~82k，若阻值过大，则反馈量过小，虽然音量有所增加，但失真度增加，音质变差;若阻值过小，则反馈量过大，虽然失真度较低，但音量较小。由于笔筒底部的安装空间有限，所以须将电解电容C2、C3换成贴片电容。C2是延时启动电容，若容量为0.1uF，则延时启动时间约为200ms;若容量为1uF，则延时启动时间约为2s。实验证明，若C2容量过小，虽然芯片的延时启动时间较短，但不能有效地抑制电源在通断时产生的噪声;若C2容量过大，虽然抑制电源噪声的效果较好，但芯片的延时启动时间过长，同时会引入放大器的“嘀答”噪声。综合降噪效果与延时启动时间，建议将C2换成容量为0.47uF~1uF的贴片电容。C3为5V供电滤波电容，考虑到功放板的输出功率，建议换用容量不小于470pF、耐压不低于6.3V的钽电容。
          另外，由于安装空间不允许，所以拆下RP1不用。为保证音频输入信号通道正常，须短接RP1引脚焊盘的2、4脚与3.5脚，并分别在其焊盘的1、4脚和1.5脚之间跨接一只阻值为4.7k~10k的电阻。这样改动后，虽然功放板上无音量电位器可调，但音箱的音量大小可通过语节信号源的信号幅度大小来调节。
3.1.3扬声器(又称喇叭)
     在扬声器的选择上，考虑到外形美观与安装难度等因素，笔者决定采用条形扬声器。经过对多款条形扬声器的音效比较，笔者选购了8只1.5W/8Ω的条形扬声器。该型扬声器宽约1.5cm，长约4cm，如图5所示。


3.2所需工具与耗材
         电烙铁、焊锡丝、热熔胶枪、刻度尺、剥线钳、尖嘴钳、热缩管、绝缘胶带、导线若干。
3.3制作步骤
         步骤1;在笔筒的外表面上确定4条纵向安装线，要求这4条纵线均匀分布在笔筒的外表面上，即相邻两条纵线所对的圆心角为90°。
         步骤2:在每条纵线上竖直安装两只扬声器，并将扬声器的两端用螺钉固定在笔筒的网格上，如图6所示。


          步骤3:先将每条纵线，上的两只扬声器串联在一组，然后与对面一条纵线上的一组扬声器并联，这样4条纵线，上的扬声器(共8只扬声器)就分成了左右两组(即SP1、SP2)，如图7所示。


          步骤4:用电烙铁焊接扬声器的串并联连接点，并在焊接处的外面套上一段热缩管，以绝缘。
          步骤5:参照音频功率放大板的接线图(如图8所示)，先焊接左、右声道音频输入线，焊点分别为插座P1、P2的引脚，然后将上述SP1、SP2两组扬声器的连线分别焊接在音频功率放大板的LS1、LS2引脚上，最后焊接USB的+、-供电线，连接点为插座P3的引脚。


         步骤6:检查连线无误后，将音频功率放大板的音频输入线插入电脑或手机的音频输出孔中，其USB插头插入手机充电器、充电宝或电脑的USB接口中，接通电源后调节音量，试听各只扬声器发声是否正常，立体声音响效果是否明显。如不正常或不明显，则断电检查相关连接线。
         步骤7:试听正常后，整理和固定各只扬声器的连线，使之紧贴扬声器或笔筒的外表面，如图9所示。


        步骤8:整理和固定音频功率放大板的连线，使之紧贴电路板，然后在笔筒的底部外表面贴上绝缘胶带，最后用热熔胶将音频功率放大板固定在绝缘胶带上，如图10所示。


4、实测结果
       采用电脑的uSB接口供电(5V电压)，实测每个声道输出的平均功率可达2.2W ，失真度小于1.0%，这完全能满足近声场的高音质听音要求。更重要的是，在实验台上任意摆放该笔筒音箱，均能获得明显的立体声效果，给人以逼真的听觉体验，主要体现在以下方面:
      (1)具有明显的方位感和分布感
       在播放演唱会音乐时，聆听者会明显感到声源分布的范围非常宽广，主观上能想象出乐队中每个乐器所在的位置，产生对声源所在位置的一种幻像(简称声像)。幻觉中的声像重现了实际声源的相对空间位置，具有明显的方位感和分布感。
       (2)具有较高的清晰度
       在播放电影时，聆听者能明显感到各个不同声源来自不同的方位，各声源之间的掩蔽效应大幅减弱，因此具有较高的清晰度。
         (3 )具有较小的背景噪声
        在播放立体声音乐时，噪声声像被分散开了，背景噪声对有用声音的影响减弱，使得立体声的背景噪声明显变小。
        (4)具有较好的空间感、包围感和临场感
        由于本音箱的左右声道喇叭采用均匀、交错、环绕分布方式，所以本音箱能更好地传输近次反射声和混响声。虽然近次反射声具有方向性，但由于哈斯效应(人耳会根据优先到达的声音来定位声源，产生一种“先入为主”的效应)的缘故，聆听者感觉不到反射声的方向(即对聆听者来说，反射声是无方向性的)，由此产生的混响声分布于聆听者四周，如图11所示，所以该音箱建立的声场具有较好的空间感、包围感和临场感，能让聆听者身临其境于原声场音响环境中。


5、分析与改进
        本研究所述多媒体立体声笔筒音箱，其特点是在笔筒底壳外侧安装功放电路，不影响笔筒的内部收纳空间;在笔筒外表面上按照上述特定广式安装多只特定形状的扬声器，无论笔筒朝向佰方，均具有真正的360°环绕立体声音响效果。
         在后续改进中，一是增加蓝牙接收电路，从而拓展该音箱的使用范围;二是选用高性能的音频功率放大板和高性能的扬声器，使其音质更佳;三是在生产笔筒时预留扬声器及其连线位置，以便隐藏安装扬声器及其连线，使其外观更美。
6、结束语
         本研究是将现有的公知笔筒与多媒体音箱合二为一，在不影响笔筒原有收纳功能与容积的同时，既扩展了笔筒的功能，又能呈现真正的360环绕立体声音响效果，并能让电脑桌或办公桌的台面更加美观、简洁。本研究所述多媒体立体声笔筒音箱结构简单、成本低廉、立体声效果明显，具有较强的实用性。