四、聲學基礎

聲學是研究聲音及聲音與環境交互的影響。要將一套高品質的音響系統完全發揮，了解聲學是必須的。聲學基礎也是安裝及使用高品質音響器材的重要基礎。

1.聲音概述

（1）聲音　聲音的本質是一種波。將一塊石頭投入一個平靜的池塘，水面上會產生一陣陣的水波，這是從視覺上了解聲音最好的方法。這些波紋，從源頭開始（假如是聲音，源頭為揚聲器；如為水波，源頭則為石頭）以同心圓向外擴散。與水波在池塘一樣，聲波碰上任何東西，都會受到影響而改變，這些包括揚聲器產生的其他聲波、揚聲器與人耳之間的任何物體、甚至于聆聽室表面物質的性質。當不同聲源頻率相同的聲波與聲波碰上時，可能會出現兩種不同的結果：①聲波與聲波相加，產生更大的波，也就是說在頻譜儀曲線上出現高峰；②聲波與聲波互相抵消，在頻譜儀曲線上產生凹陷。

（2）影響聲音的一些因素

1）物體。聲音不會直接通過物體。當耳朵與揚聲器之間有物體時，聽到的聲音會受到影響，這些影響包括聲波的反射及延遲，導致聲音品質較為混濁。

2）表面性質。不同材質的表面，會吸收或反射聲波，這種吸收或反射的情形，對整體的聲音品質有很大的影響。吸收或反射的能力也與頻率有關系，也就是說，某一種特定的表面，會反射某些頻率，但會吸收另一些頻率。

3）空間大小。當設計一套汽車影音系統時，車內空間的大小也必須考慮在內，空間的長、寬、高都會影響到整體的聲場，以及推動揚聲器所需要的能量。因為聲波會沖撞在一起，不同大小的空間，影響會有不同。

4）揚聲器位置。揚聲器的位置是影響整體聲音品質的一大重要因素，尤其是左右聲道揚聲器的距離與角度。在汽車內，揚聲器的位置受到相當大的限制，為解決這個問題有很多不同的方法，例如將揚聲器裝于Kick Panel、使用號角揚聲器等。

（3）聲音的檢測　檢測車內聲音的問題，最方便有效的方法，除了耳朵以外，就是使用頻譜分析儀，如圖1-11所示為PDA類型頻譜分析儀。

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圖1-11　PDA類型頻譜分析儀

2.部分電聲學名詞解釋

每種樂器都有其獨特的頻譜、音色，要想提高音樂欣賞的能力，一定要多做聽力對比，即播放一首樂曲時，影音系統播放出的音色與實際樂器演奏的音色有哪些不同，偏離多少等。為了進行聽力對比，首先應該了解一些電聲學名詞概念，包括人耳的聽覺特性和音響設備的主要技術參數指標。

1）純音。它的含義有兩種：①指瞬時聲壓隨時間作正弦變化的聲波；②指具有明確單一音調的聲音。

2）基音。是指復合音中頻率最低的成分。

3）泛音。復合音中頻率高于基音的成分，其頻率可以是基音頻率的整數倍，也可以不是。各種樂器用不同的演奏方法能產生數量和強弱各不相同的泛音成分，即使基音相同也能具有不同的音色。

4）聲波。彈性媒質中傳播的一種機械波，起源于發聲體的振動。聲波范圍為20Hz～20kHz，頻率高于20kHz的聲波為超聲波，頻率低于20Hz的聲波為次聲波，超聲波和次聲波一般不能引起聽覺，只有頻率在兩者之間的聲波才能被聽到，我們把能夠聽到的聲波稱為可聽聲。

5）聲場。指媒質中有聲波存在的區域，不同的聲源和環境可以形成不同的聲場。

6）響度。又稱“音量”，人耳對音量大小的一種感受。響度取決于聲強、頻率和波形。

7）音色。又叫“音品”，主要由其諧音的多寡及各諧音的相對振幅所決定。

3.人耳的聽覺特性

人耳對聲音的方位、響度、音調及音色的敏感程度是不同的，存在較大的差異。

1）方位感。人耳對聲音傳播的方向及距離、定位的辨別能力非常強。人耳的這種聽覺特性稱為“方位感”，如圖1-12所示，可以經由耳朵辨別聲場位置。

圖1-12 耳朵辨別聲場位置

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2）響度感。對微小的聲音，只要響度稍有增加，人耳即可感覺到，但是當聲音響度增加到某一值后，即使再有較大的增加，人耳的感覺卻無明顯的變化。通常把可聽聲按倍頻關系分為3份來確定低、中、高音頻段。即：低音頻段20～160Hz、中音頻段160Hz～2.5kHz、高音頻段2.5～20kHz。

3）音色感。是指人耳對音色所具有的一種特殊的聽覺上的綜合性感受。

4）聚焦效應。人耳的聽覺特性可以從眾多的聲音中聚焦到某一點上。如我們聽交響樂時，把精力與聽力集中到小提琴演奏出的聲音上，其他樂器演奏的音樂聲就會被大腦皮層抑制，使聽覺感受到的是單純的小提琴演奏聲。這種抑制能力因人而異，經常做聽力鍛煉的人抑制能力就強。我們把人耳的這種聽覺特性稱為“聚焦效應”。多做這方面的鍛煉，可以提高人耳聽覺對某一頻譜的音色、音質、解析力及層次的鑒別能力。

4.影響音質、音色的主要技術指標

1）頻率范圍（單位為Hz）。指功率放大器在規定的失真度和額定輸出功率條件下的工作頻帶寬度，即功率放大器的最低工作頻率至最高工作頻率之間的范圍。

2）頻率響應（單位為dB）。功率放大器的輸出增益隨輸入信號頻率的變化而提升或衰減和相位滯后隨輸入信號頻率而改變的現象。這項指標是考核功率放大器質量優劣的最為重要的一項依據，該值越小，說明功率放大器的頻率響應曲線越平坦，失真越小，信號的還原度和再現能力越強。圖1-13是頻率范圍及頻率響應工作圖示表。

圖1-13 頻率范圍及頻率響應圖示表

一套好的影音器材，除要把各種樂器的音韻再現外，還要把各種樂器演奏的位置、距離、場面再現出來。無論個人偏愛的是哪種色調或機型，如果播放出來的音色與原來樂器演奏的音色有聽覺上的差異，就不能算是一臺好設備。高保真音響（Hi-Fi）的真正含義是高還原度。如果影音設備不能還原出原有樂器的音色韻味，那么就稱不上高保真設備。當我們利用主觀聽覺判斷某一音響設備時，要充分注意這一點，不要因個人的偏愛而影響正確的判斷與鑒別能力的提高。

5.立體聲的特點

立體聲系統是一種放聲系統，其中的多個話筒、傳輸通道和揚聲器安排得能給收聽者一種聲源立體分布的感覺。高保真的英文原詞是High-Fidelity，簡稱Hi-Fi。聲頻設備能如實地反映聲音信號的本來面貌，就叫高保真。構成立體聲最主要的因素如下：

（1）具有聲像的臨場感　立體聲的重放，能夠比較真實地再現聲場，使人感到聲源的“像”（或聲像）已被分布到空間的各個角落或某些范圍，而不僅限于少數幾個揚聲器。不僅如此，借助于立體聲聲像空間的分布感以及空間的層次感，使得那些需要突出的聲部也能真實地再現。如圖1-14所示為構成聲像臨場感圖示。

（2）具有較高的清晰度和信噪比　立體聲由于具有聲像空間分布感的特點，聲源來自各方位，掩蔽效應雖然還存在，但比單聲道的影響要小得多，因而清晰度較高。立體聲可以相對減小噪聲，提高信噪比。雖然立體聲不能實質性地降低背景噪聲（背景噪聲依然存在），可是由于噪聲的隨機性，當立體聲重放時，這些背景噪聲聲像也被分散到空間的各個方位了。

6.聽覺定位原理

人對聲源方位的定位和對聲音的立體感覺，主要依賴于雙耳。“耳殼效應”對雙耳的定位功能起著重要的補充作用。如圖1-15所示為構成聲像立體感圖示。

圖1-14 聲像臨場感構成圖

圖1-15 聲像立體感構成圖

1）雙耳效應。當某一聲源至兩耳的距離不同時，兩耳雖然聽到的是同一聲波，但到達兩耳的聲音在聲級、時間、相位上存在著差異，這種微小差異成為聽覺系統判斷低頻聲源方向的重要客觀依據。對于頻率較高的聲音，還要考慮聲波的繞射性能。由于頭部和耳殼對聲波傳播的遮蓋阻擋影響，也會在兩耳間產生聲強差和音色差。

總之，由于到達兩耳處的聲波狀態的不同，造成了聽覺的方位感和深度感，這就是常說的“雙耳效應”。不同方向上的聲源會使兩耳處產生不同的（但是特定的）聲波狀態，從而使人能由此判斷聲源的方向位置。如果人們設法特意地在兩耳處制造出與實際聲源能夠產生相同的聲波狀態，就可以造成某個方向上有一個對應的聲源幻象（聲象）的感覺，這正是立體聲技術的生理基礎。形成雙耳效應的本質因素在于聲音到達兩耳的聲級差DL_p、時間差D_t和相位差D_f。

①聲級差。如果左耳聽到的聲音比右耳的要大，那么，聽音人會覺得聲音來自左側方向，反之亦然。這種現象稱為左右耳之間的聲級差。聲級差效應是聽覺辨別聲源方位的重要根據之一，如果聲音來自聽者正前方的中軸線上，那么，到達雙耳的聲音大小是一樣的，于是聽者就覺得這個聲音處在前方；倘若聲音來自聽音人的左側，聽音人就會覺得聲源偏左，這取決于揚聲器的安裝角度和設備的好壞。

當聲波在傳播過程中遇到障礙物時會產生繞射現象，低頻繞射損失不大，高頻聲波由于遮蔽區的存在，使到達被遮蔽的耳朵的聲級較之直達另一耳朵的聲級要小，而且頻率越高或聲源偏離兩耳中軸線的角度越大，兩耳的聲級差DL_p也就越大。這種現象稱為遮蔽效應（注意：遮蔽效應與掩蔽效應不同）。遮蔽效應在引起聲級差的同時，也會導致兩耳的音色差，它也有助于雙耳的定位作用。

由以上分析，聲級差DL_p用來判別高頻聲的定位。不過，當聲源較遠時，雙耳處的聲級將近似相等，因而定位作用不甚明顯。

圖1-16 時間差構成圖示

②時間差。如果左耳先聽到聲音，那么聽者就覺得這個聲音是從左邊（先聽到聲音的耳朵的這側方向）來的，反之亦然。這種現象稱為左右耳之間的時間差效應。時間差效應是聽覺辨別聲源方位（發出聲音的位置）的重要根據之一。如圖1-16所示為聆聽距離差異而導致時間差的圖示。

耳朵在頭的兩側，如果一個聲音來自聽者正前方（中軸線），那么這個聲音到達兩耳的距離是相等的，因此，聽者就覺得這個聲音出自正前方；如果這個聲音來自聽音人的左側，那么左耳就比右耳先聽到這聲音，于是聽者便覺得聲音出自前方的左側。換句話說，如果聲源偏離正前方中軸線的角度越大，左耳與右耳的聽音時間差就越大，即使聲源距離較遠，時間差總是存在的。

③相位差。人耳在中頻區（約3kHz）左右時對聲音的定位反應較差。對集群聲方向的辨別能力要高于對純音方向的辨別，這是由于音色差可以提供人耳更多的方向信息的緣故。聲音是以波的形式傳播，而聲波在空間不同位置上的相位是不同的（除非剛好相距一個波長）。由于兩耳在空間上的距離，所以聲波到達兩耳的相位就可能有差別。

耳朵內的鼓膜是隨聲波而振動的，這個振動的相位差也就成為我們判別聲源方位的一個因素。頻率越低，相位差定位感覺越明顯。相位差D_f與時間差D_t和頻率（或波長）有關。對低頻聲波，時間差不會引起太大的相位差，所以可以用來判別低頻聲波的方位。而對于高頻聲波，時間差會導致很大的相位差，有可能引起“混亂相差”。

④音色差。聲波如果從右側的某個方向上傳來，則要繞過頭部的某些部分才能到達左耳。波的繞射能力同波長與障礙物尺寸之間的比例有關。人頭的直徑約為200mm，相當于1700Hz聲波的波長，所以頻率為1000Hz以上的聲波繞過頭顱的能力較差，衰減較大。也就是說，同一個聲音中的各個分量繞過頭部的能力各不相同，頻率越高的分量衰減越大。于是左耳聽到的音色同右耳聽到音色就有差異。只要聲音不是從正前方（或正后方）來，兩耳聽到音色就會不同，這也是人們判別聲源方位的一種依據。如圖1-17所示為由聆聽距離差異而導致音色差的圖示。

2）耳廓效應。耳廓效應也稱單耳效應，人們利用單耳對聲音進行定位的能力，由于聲音來自方向不同，到達人耳經耳廓反射進入耳道后，會出現時間（相位）和音量等方面的微小差異，根據這些差異，聽音者就可以判斷出聲音的方向。耳廓效應對聲音定位的作用是客觀存在的，實驗還證明耳廓效應對4～20kHz頻段的辨位能力最強。而人耳能夠辨別方向是由于：①聲音到達兩耳的時間差；②聲音到達兩耳的相位差；③聲音到達兩耳的聲級差；④人體對聲音的感受；⑤視覺和心理因素的判別。實際上方向的辨別是很復雜的綜合作用。

圖1-17 音色差構成圖

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7.聲場、結像及聲場定位

汽車影音聲場、結像（staging）與聲場定位（imaging）的形成，主要是利用揚聲器的擺位方式。讓聆聽位置與音箱形成一個三角形，只要左右兩個揚聲器的相位（Phase）正確，就能夠讓聆聽者感覺到聲場的延伸度、結像力與定位感。其立體聲信號的左邊和右邊信號是相似的但不是完全相同的，有兩個獨立的聲道用來提供聲音的深度感。

如果聆聽位置存在偏向缺陷及揚聲器位置不當，就會導致各個發音單元的聲波到達耳朵的時間不一致，因而產生了時間差，直接地影響了相位。如圖1-18所示，各個發音單元因為距離差異而構成聲場、結像與聲場定位的差異性。

造成聲場無法凝聚成形的因素：①聆聽位置與揚聲器的距離不恰當；②音量不夠大；③聆聽環境噪聲太多；④影音系統的細節再生能力有限。

第一種因素可以利用物理延時糾正（Physical Time Alignment）及電子延時糾正（DigitalTime Alignment）的方式來加以解決。物理延時糾正即是將前方左、右揚聲器的安裝位置距離聆聽者的位置越遠越好，效果越顯著。例如前聲場A柱高音導模和Kick Panel，其中又以Kick Panel為最佳位置。

若以Kick Panel和A柱安裝比較，兩者之間的距離差各有多少呢？下面以高音為例來實車測量。

圖1-18 聲場、結像與聲場定位的差異圖

A柱：

左高音離左耳的距離=800mm

右高音離右耳的距離=1270mm

距離差=470mm

距離比=1270/800=1.5875

Kick Panel：

左高音離左耳的距離=1200mm

右高音離右耳的距離=1420mm

距離差=220mm

距離比=1420/1200=1.1833

從以上可以比較出來Kick Panel在距離差上的改善。

電子延時糾正法（Digital Time Alignment）與物理延時糾正法相比，安裝要來得簡易。最重要的是，它可以利用車內原有的單元位置來安裝揚聲器，無需像物理延時糾正法那樣導模來改造揚聲器的位置。其原理就是把最靠近聆聽者位置的揚聲器所發出的信號加以延遲（Time Delay），以配合距離聆聽位置較遠的揚聲器的聲波，從而使左、右聲源發出的聲波同時到達聆聽位置。延時的長短，視左、右揚聲器的距離而定。

在車廂內，駕駛位偏向左方，明顯地左邊的高音和中低音會比右邊更快到達耳朵。根據“德波埃效應”，這樣的情況下聲源一定是來自左邊的方向，那么也就得不到聲場上的定位準確性了。

為避免這樣的情況，比較高檔的主機都會內設“時間延遲功能”，英文叫TIME ALIGNMENT。使用這樣的主機，可以根據左右揚聲器到達人耳的時間差來調整，將左邊的揚聲器發聲時間適當地延遲，使左右揚聲器發出的聲波到達耳朵的時間沒有差異，整個音源就會出現在左右揚聲器之間，即使儀表板上的聲場開始出現。

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8.立體聲構成要素

1）立體聲是指一種聲音的還音系統，聲音傳遞給聆聽者時至少要通過兩個通道，用以產生音源位置和深度的感覺。聲音在錄制過程中被分配到兩個獨立的聲道，從而達到了很好的聲音定位效果。這種技術在音樂欣賞中尤為重要，聆聽者可以清晰地分辨出各種樂器來自的方向，從而使音樂更富想象力，更加接近于臨場感受。

2）雙聲道立體聲是通過兩個聲音通道，在聽眾面前重現原來聲源的方位和距離的立體聲技術。通常把兩個獨立的揚聲器，分別放在聽眾的左前方和右前方，使聆聽者能夠聽到左右分明并且有移動感覺的立體聲節目。它的信號源，可以是立體聲唱片、立體聲磁帶和立體聲廣播。這些信號源分離為左、右兩個聲道信號，經過兩個獨立的放大器放大，分別送到左、右兩個揚聲器來發出聲音。

3）四聲道立體聲是通過四個聲音通道，給聆聽者重現四周聲源的方位和距離的立體聲技術。通常用四個獨立的揚聲器，分別放在聆聽者的左前、右前、左后、右后四個位置上，使聽眾有更大空間感和臨場感。它的信號源有四聲道唱片、四聲道磁帶和四聲道廣播。這些信號源產生四套分離的信號，經過四個獨立的放大器，分別送到四個揚聲器放聲。同時還建議增加一個低音音箱，以加強對低頻信號的回放處理（這也就是如今4.1聲道音響系統廣泛流行的原因）。如圖1-19為汽車影音4.1聲道音響系統。

圖1-19 汽車影音4.1聲道音響系統圖

9.環繞聲的分類

1）AC-3杜比數碼環繞聲系統。杜比實驗室在1991年開發出一種杜比數碼環繞聲系統（Dolby Surround Digital），即AC-3系統。AC-3杜比數碼環繞聲系統由5個完全獨立的全音域聲道和一個超低頻聲道組成，也將它們稱為5.1聲道。其中5個獨立聲道為前置左聲道、前置右聲道、中置聲道、環繞左聲道和環繞右聲道；另外還有一個專門用來重放120Hz以下的超低頻聲道，即0.1聲道。

2）杜比環繞聲（Dolby Surround）。一種將后方效果聲道編碼至立體聲信道中的技術。重放時需要一臺解碼器將環繞聲信號從編碼的聲音中分離出來。

3）杜比B，C，S。美國杜比公司研制的系列磁帶降噪系統，用于降低磁帶錄音產生的“嘶嘶”聲，用來擴展動態范圍。B型降噪系統能降噪10dB，C型增加到20dB，S型則可達24dB。

4）杜比HX Pro。它不是降噪系統，而是一種改善磁帶高頻記錄失真的技術，通常也稱為“上動態余量擴展”技術。

5）杜比定向邏輯（Dolby Pro-Logic）。在杜比環繞聲的基礎上增加了一個前方中置聲道，以便將影片中的對白鎖定到屏幕上。

6）杜比數字（Dolby Digital）。也被稱為新一代AC-3，杜比實驗室發布的新一代家庭影院環繞聲系統。其數字化的伴音中包含左前置、中置、右前置、左環繞、右環繞5個聲道的信號，它們均是獨立的全頻帶信號。此外還有一路單獨的超低音效果聲道，俗稱0.1聲道。所有這些聲道合起來就是所謂的5.1聲道。

7）數字信號處理（DSP）。指對數字編碼信號進行數字運算，從而對音頻或視頻信號進行處理的一種方式。

8）THX。美國盧卡斯影業公司制定的一種環繞聲標準，它對杜比定向邏輯環繞系統進行了改進，使環繞聲效果得到進一步的增強。THX標準對重放器材例如影音源、放大器、音箱甚至連接線材都有比較嚴格而具體的要求，達到這一標準并經盧卡斯公司認證通過的產品，才授予THX標志。

9）THX 5.1。基于杜比數字系統的THX。

10）家庭THX（Home THX）。指為了在家中重放電影片（復制）的聲跡而特地使用的一些專利、技術和重放的標準。THX和杜比定向邏輯環繞聲及杜比數字（DD）環繞聲并不矛盾，而是以它們為基礎而設法予以提高。如圖1-20為汽車影音5.1聲道音響系統。

11）DTS。分離通道家庭影院數碼環繞聲系 統（Discrete-channel home cinema digital sound system）也采用獨立的5.1聲道，效果達到甚至優于杜比數字環繞聲系統，是杜比數碼環繞聲強勁的競爭對手。

圖1-20 汽車影音5.1聲道音響系統圖

12）SRS。美國SRS公司的一種用兩只音箱產生環繞聲效果的系統。

13）Q-Sound。指加拿大一家公司開發的一種利用雙聲道來營造虛擬環繞聲的技術，已在計算機、電子游戲機和電影院中獲得一定的應用。

14）虛擬環繞聲（Simulated surround）。指設法用雙聲道來獲得近似于環繞聲音響效果的一些方法。如Q Surround、SRS Tru Surround和Spatializer的N-2-2等。但虛擬環繞聲同真正的杜比數字（DD）和家庭影院環繞聲（DTS）還是不同的。虛擬環繞聲還多用Virtual Surround表示。

15）SRS虛擬環繞聲。指美國SRS實驗室推出的一種虛擬環繞聲技術，主要采用頻率濾波和頻率補償的方法來實現虛擬環繞聲。

16）3D環繞聲系統。它利用耳朵的聽覺特性和人的聽覺心理學，把普通的立體聲信號做一定函數的預處理，使用兩只音箱就能使聆聽者沉浸在富有真實三維空間感的立體聲聲場中。目前3D系統的種類很多，比較常用的有：SRS、Spatializer、APX、Q-SOUND、Virtaul Dolby、Ymersion等。

3D系統有三大優點：①它對音源沒有特殊要求，無需對節目源進行處理。②利用原來的雙聲道立體聲，不需增添多功效和音箱即可享受真實的環繞聲效果。③對聽音環境沒有嚴格的要求。

在民用家庭影院和電腦多媒體系統中，以5.1聲道為基礎，又出現了6.1（圖1-21）、7.1（圖1-22）甚至更多的音箱，其本質不過是在增減環繞或者中置等音箱數量而已，比如6.1聲道是加了一個環繞中置，7.1聲道將中置增為左右兩個聲道，配上功放特殊地解析，以達到更細膩的表現效果。

圖1-21 民用影音6.1聲道音響系統圖

圖1-22 民用影音7.1聲道音響系統圖

前提是DVD盤中必須刻有6.1聲道，如果盤中還是2聲道的，那使用什么音響系統也無法去實現。Dolby、Pro-Logic、THX和AC-3基本技術參數比較見表1-1。

表1-1 Dolby、Pro-Logic、THX和AC-3基本技術參數比較表

10.歐美日汽車影音的主要特點

汽車影音品牌很多，可以歸為三大主流品牌系列，即歐洲、美國、日本等不同風格的品牌。了解它們各自的特點，對于選用及欣賞各器材重放還原將會有極大的幫助。

1）歐洲品牌。從設計上奉行電路簡潔的原則，外表一般比較樸素、莊重。注重功放本身內在電路結構的精心設計，以確保重放聲音自然。音色表現力強，解析力強，音色細膩，富于色彩，失真度小，準確性強，尤其是對人聲的表現極為真實。歌唱者發聲氣息、口齒、共鳴都表現得真切，使人有親切感，得到了廣大原音愛好者的追捧。

2）美國品牌。汽車影音的最大特點是功率儲備十分充足，重放的特點是瞬態響應好，即適合重放節奏感較強的音樂。功放電路設計一般采用高檔元器件，對低音的重放較為講究。外觀設計透出金屬感，比較有質感，但不華麗。其功率大，聲電轉換速率快，動態跟隨能力強，瞬態特性好，技術參數高，被低頻發燒友所青睞。

經典改裝欣賞1-6

3）日本品牌。汽車影音注重功能齊全，外觀設計較為漂亮和新穎，電路的集成化程度較高，使用功能十分復雜。華麗的外表很吸引消費者，但其內在電路及元器件在相比之下用料較為一般。由于電路中集成電路的大量采用，使器材重放聲音較為生硬，層次感和細節表現欠佳，但日本品牌的汽車影音以其物美價廉的市場定位，占有了中國大部分的市場份額。