■ 前言
本文的主題是消費用揚聲器,丹麥的SCAN揚聲器廠認為:消費用揚聲器的音質與專業用者一樣地重要。這兩種揚聲器主要的不同點,在於專業用揚聲器是一種音響工作上的工具;而消費用揚聲器則是用於享受這種工作的成果。專業用揚聲器注重其可靠性,並且多少要能鑑別出音源本身的差異來。至於消費用揚聲器,在一些重大問題方面,當然需要設法解決,只不過其在成本方面要受到相當地限制。
一個有經驗的音樂會上的聽眾,藉著一些重播的音響信號──可能混雜有一些不太正確的信號──就能回憶起在音樂會中所聽到的音樂,甚至能回憶到某一樂器演奏者的演奏特點。
早期的再生音響,主要是用已讓那些對音樂已經是很熟悉的人,回憶音樂的演奏情況,因此,再生音響的正確與否,並不重要。目前的音響再生,是人們藉以認識音樂的工具,如此,身為音響工程師者,就不能讓大家失望。換言之,SCAN當局認為,再生音響必須做得和實際演奏一般精確,也就是不能有太大的失真,當然失真有很多種,本文所討論的則是針對時間延遲失真(Time Delay Distortion)
■ 揚聲器的時間延遲失真
造成揚聲器的時間延遲失真,有兩大原因:
1.由錐膜幾何形狀所造成的時間延遲,和視錐膜材質而定的音速所造成的時間延遲。設計良好的錐膜,由錐頂和錐緣上所散發出來的波前(Wave Front)的延遲,應當是等於或大於同一波前,由錐頂延錐膜材料向錐緣行進時的延遲。此為一定數對某一錐膜而言,在設計多路式揚聲系統時,可做此考慮。
2.因音圈上升時間(Rising Time)內的加速度力所造成的延遲。簡單說明如下,如Fig. 1所示,為施一階梯電氣信號至揚聲器音圈所得揚聲器音響輸出的波形。t1代表由錐膜幾何形狀,和錐膜材料所造成的定數延遲。t2代表音圈內推動電流的暫態期間。tr為音響輸出的上升時間,此一部分視加速度大小和運動系統質量而定。當然,也會有過擺(Over Shot)和漸衰(Decay)現象。而我們所感興趣的,是延遲期間的久暫,尤其是它並不是定數。現解析如下:
Fig. 2所是為一般消費用低音揚聲器的構造。其磁鐵系統,通常都由一Ferrite環和鐵心(Iron pole),構成一環狀磁隙。音圈則可在此磁隙間運動,通常音圈的長度要比磁隙的深度為大。當音圈運動時,音圈內部所包含的鐵新就時多時少,因而對音圈感抗造成強烈調制作用(變化是也)。當音圈包含較多鐵心時感抗增加,音圈包含鐵心較少時感抗減小,這都和音圈的瞬間位置有關。此種調制作用,導致以下的效應:
1.音圈移進內部時驅動電流的上升時間,要比音圈移向外部時大2倍至10倍,因為,音圈在內部時感抗較大故也。如此,當電氣信號為複雜波形時,即會造成不對稱的脈衝響應,並且使得音圈的平均位置,脫離磁場的對稱軸線(註1)
2.在高頻時(對於低音揚聲器而言,1000至3000Hz即屬高頻),音圈內的驅動電流大小和感抗成反比。當低頻和高頻信號混合在一起時,高頻信號常會受到低頻信號的調制(註2)。通常,50Hz⅓額定功率的低頻信號,對1500Hz的高頻信號,驅動電流的調制作用,即可高達20%,情況實在很不妙。這種調制作用,可以有很多對策來改善,但迄今為止,這些對策都需要花很高的代價,專業用揚聲器可以不惜工本,消費用揚聲器,在成本方面可就需要加以考慮了。
在進一步討論之前,讓我們看一看昔日的精品,飛利浦所製的9710,其磁隙很深,而音圈很短,大約只有磁隙深度的一半。音圈做±1mm的運動時,都能保持在均勻(Homogenius)的磁場內。鐵心的形狀也很特別,主要是要令其達到磁飽和。此外,更覆以一層銅帽(Copper CAP),使得鐵心對音圈感抗的影響大為減少。
前述此種結構,幾乎是無懈可擊,唯一的缺點是,振幅和承受功率,受到很大的限制,並且,磁場內的磁力線,僅有一小部分被音圈使用到。此種結構,因而必須使用到龐大的磁鐵,價格當然是不便宜。如果,將此種結構的磁鐵系統,應用到目前所流行的長衝程(Long Through)揚聲器,音圈感抗調制現象仍會發生,因為音圈感抗仍然視其位置而定。
長衝程消費用揚聲器的主要問題點,乃在於音圈感抗調制情況的出現,只要記住此點,其對策就簡單多了。
如果我們改用一個銅質圓管,其長度向兩端延伸至足以使音圈再任何位置時,音圈都包含有此一銅管,也就是音圈在任何位置時,音圈和鐵心都受到銅管的隔離(銅為良好的隔磁材料)。如此音圈感抗就會變得非常地低,自然,也就和音圈位置無關了,音圈感抗調制作用也就不會出現。
上述在磁隙內加裝一個銅管的磁鐵系統,所費無幾,而可將音圈感抗減至最小,形同短路,故有人稱之為短路環(Short Ring)。這個短路環,將會佔據10-25%的磁隙空間,且由其隔離作用,磁能多少也會有損失,只是並不嚴重,但是換回的卻是完全對稱,且與音圈位置無關的驅動系統。
與一般長衝程驅動系統比較,此種系統的優點如下:
1.驅動電流上升時間與音圈位置無關。
2.驅動電流上升時間,有減少10倍的改善。
3.因驅動電流調制作用而產生的內調作用(Intermouldation),獲得降低10倍的改進。
4.磁場的二次諧波調制作用可以降低。
5.音圈上的熱能更容易地傳送到磁鐵系統上而散逸出去。
6.即使在過負載的情況下,音圈仍能工作於對稱的磁場。
7.由於音圈感抗部隨頻率增加而增加,分音器的設計更加容易。
8.對於那種使用內磁型磁鐵系統,因過負載而產生的減磁(Demagnetization)作用機會大為減少。
至於缺點是否有呢?乍看之下磁隙被佔去10~25%的空間,以及銅管的隔離作用,揚聲器的效率應會降低。理論上如此,實際上並未發生,SCAN認為是由於磁滯作用和渦電流都被降低了的緣故,只是未經研究證實罷了。此外,由於磁隙內銅管極長,音圈的運動方向,必須絕對地平行,才不會和銅管相觸,這是比較精密的要求。其實,音圈的運動本來就要求絕對平行,祇不過現在更進一步地要求精確而已。
■ 結論
本文所提到的磁鐵系統,提供了一個極簡單的方法,來解決一個揚聲器上的極嚴重問題。雖然,其獲益對於一般揚聲器,以人耳所能聽到的規格特性,特別是頻率響應曲線,無甚大之改進,但是揚聲器音質好壞,並不僅是頻率響應一項而已,根據此種理論製成之揚聲器,應用到多路揚聲系統時,由於其時間函數(Time Function),確實能加以掌握,例如,以單位階梯波(Unit step Function)測試時,果然能產生幾近清純的Attack,在文末附錄中,有一三路系統的測試結果,以示波器顯示其波形,足證其言不假。此種揚聲系統,以聽覺判斷,其解析能力近似靜電型揚聲器,但卻仍保有電動型揚聲器的其他優點。SCAN公司已在許多國家申請到此項專利。
■ 附錄
為了證明裝了銅管之後,音質確實會有改善,特意製作了兩個揚聲器。這兩個揚聲器使用相同的錐膜,音圈以及懸置系統。兩支揚聲器的磁隙同樣都是38.8∅×41.6∅×8mm,磁隙內的磁能皆為600mW。A揚聲器為一般方式,乃揚聲器除了加裝長400mm厚0.3mm銅管之外,未再增加其他改善雜散磁場的對策。所有的測試過程,除了有一次是將音圈阻塞住之外,其餘皆使用30公升的密閉木箱。
No. 1所示為以慢速方波測試,而造成5mm錐膜振幅。由A揚聲器所測得的音響上地響應是非常的不對稱;其負向的Attack,由於驅動電流在音圈擺向內部時,電流的上升時間較長,而有所滯碍,揚聲器的波形則極為對稱。
No. 2和No. 3所示為上述兩種揚聲器,將音圈阻塞於內部5mm位置,和阻塞於外部5mm位置時,音圈電流的上升時間波形。音圈在外部時,A揚聲器的電流上升時間是200μS,在內部時是40μS。而B揚聲器,不論音圈在內部或外部時,電流上升時間皆是40μS,可以說既對稱又快速。
No. 4所視為內調失真情形,兩揚聲器皆由50Hz/1W和1500Hz/10W的混合信號來推動。由麥克風時取其音響輸出,再經一個⅓oct音寬的濾波器,最後將波形顯示到示波器上。在此波形所示,A揚聲器大約有20%的內調失真,B揚聲器則僅有3%的內調失真。更由波形形狀分析,A揚聲器的調制作用幾乎是線性的,而B揚聲器則是非線性的。A揚聲器的線性調制作用,起源於音圈感抗的調制作用,而B揚聲器的調制作用,才是真正源於非對稱磁場所造成的,然而其調制作用卻是非常的小。至於A揚聲器的非線性磁場所造成的調制作用,因為受到音圈感抗調制作用的矇蔽,反倒顯示不出來,(感抗調制》非線性磁場調制,故只見感抗調制,故只見感抗調制,而未見非線性磁場調制)。
No. 5所示與No. 4相仿,只是使用50Hz/10W和3000Hz/1W的混合信號。其效果與前述相同,但是B揚聲器的內調作用更加明顯,我們可以看出,50Hz的非對稱波形,其成因乃在於音圈做長衝程運動和雜散磁場。
No. 6所示為單一階梯波形響應。在此使用三音路揚聲系統,低音和中音揚聲器皆裝有前述之短路環,而高音揚聲器則採用飽和型鐵心。麥克風置於木箱正方一米的位置。我們可以看出其Attack是非常的清澈,並且以40μS,100μS和25μS掃描速度,也都很難看得出高音,中音和低音揚聲器有過擺的出現。
■ SCAN的其他專利
除了前述專利之外,SCAN還有一項專利,即使用斷面為六角形的銅線來繞製音圈,使得音圈的一層與一層之間能緊密相貼,而佔據較小的磁隙空間,其結果是使得揚聲器的承受功率可以提高四至六倍,所有的SCAN揚聲器皆使用此種六角形銅線。
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■ 註1 磁場對稱軸線
Fig. X所示唯一典型揚聲器,磁系內磁束密度分佈情形。X軸之0點代表磁氣系統中上板(Upper Plate)之中心點(即厚度之半處)。X軸正值方向代表揚聲器正面側,負值方向代表揚聲器背面側。Y軸代表磁束密度。由Fig. X顯然可知,磁場分佈並不以上板中心點為對稱軸線。
根據一些文獻所提供資料,為了減少(在大振幅時的)失真,音圈的中心點必須和磁場對稱軸線重疊。因此,在設計揚聲器時,找出磁場對稱軸線的所在,是一件很重要的事。羅哲有一些從事揚聲器製造業的朋友,經常詢以,何故其所製造之低音揚聲器,在小音量時音質尚可,在音量開大時則音質混濁不清,原因即在此,現借用音響技術的一偶做一解析。
乍看之下,只要畫一垂直線,使得磁束密度分佈曲線以下所包含的面積,被分成兩個相等部份即可。其實不然,對稱軸線還和音圈長度有關。蓋,音圈在磁場內所受之驅動力F=BLI,I 為音圈驅動電流,和放大器之輸出有關。L為音圈長度,B為平均磁束密度。如果B與L都是定值,則驅動力只和放大器的輸出有關,是不會有什麼失真出現的,事實上只有L可能是定值,B是隨音圈瞬間位置可變的,失真因而會出現。
以已知長度之音圈,在磁隙內所處之某一位置時,其和磁束密度分佈曲線共有之部分所包含之面積,再除以音圈長度即為再該位置時之平均磁束密度。換言之平均磁束密度,就是將磁束密度曲線,沿音圈長度積分再除以音圈長度。
將音圈在各個不同位置時的平均磁束密度求出,可描繪出其平均磁束密度曲線,如Fig. X實線所示。此一曲線最好是一平坦之曲線,否則揚聲器失真必然出現,Fig. Y所示為同一磁鐵系統,使用各種不同長度音圈,所得之平均磁束密度曲線。由圖顯然可知,平均磁束密度曲線不是平坦的曲線,甚至有些是彎曲得非常利害,而出現一個Maximum點,根據手頭上的資料,如果平均磁束曲線不是平坦的,則這個Maximum點和音圈中心點重疊時,揚聲器的失真可以減至最小,因此,我們可以說,磁場對稱軸線,就是這個Maximum點。
由圖可知,當音圈長度小於上板厚度時,平均磁束曲線,在某一區間內是平坦的在這個區間內,揚聲器可以說不會有失真出現,可惜超出這個區間以外,曲線有急速之轉折,失真會大量增加,猶如放大器達到飽和之失真突增一般。
當音圈長度漸增,曲線平坦範圍漸減,至音圈長度與上板厚度相當時,曲線變得非常尖銳,這種磁鐵系統做成的揚聲器失真最大。
當音圈長度再增加時,曲線又趨向於平坦,但仍有Maximum點出現,卻沒有急速轉折點出現,這種磁鐵系統做成的揚聲器,失真難免有,但在某一程度而已,似可加以忍受,其好處是即使音量增大時,失真也不會突然加大。
由以上的分析,似乎把音圈盡量做得長一點,對降低失真越有利。在某些觀點上是對的,目前流行的長衝程低音揚聲器,就是採取這個方式,可是再來看看Fig. Y,音圈越長時,平均磁束密度曲線,分佈在越下側,即其平均磁束密度越弱,因此揚聲器的效率會越低,此其弊一也。另外音圈越長時,Maximum點位置越偏離上板之中心點。如果,擁有Gauss Meter,又懂得磁束密度和平均磁束密度的測繪方法,當然不成問題。可惜羅哲關乎國內眾多揚聲器製造廠,莫說沒有Gauss Meter,甚至不知其為何物者比比皆是。因此採用長音圈時,磁場對稱軸線之不易確定其弊二也。
總而言之,音圈之長度要嘛必須遠小於上板厚度,要嘛必須遠大於上板厚度,千萬不可等於上板厚度。如果,決定使用較長的音圈時,音圈中心點,要比上板中心點略靠背面側移一點,至於移多少,在無儀器設備情況下,只有憑個人的靈感了。
註2 內調失真
通常,頻率越高時,揚聲器的振幅越小,頻率越低時,揚聲器振幅越大。因此,在僅有高頻信號時,內調失真不會出現。但是,當高頻信號伴以低頻信號時,低頻所產生的大振幅,常常會把音圈帶到平均磁束密度曲線的急速轉折處,這種非線性的曲線就會產生調制作用,而把高頻信號做調制。
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■ SCAN的發展史
1968年 在丹麥的Hoerning一地成立QSR公司,並製成第一支揚聲器。
1969年 替Dynaco承製A25揚聲器而在美國成為Best Buy的商品。
1970年 建立Scan Speak A/S並與QSR合併。該公司主要從事高級揚聲器底盤的開發與製造。A25揚聲器即採用Scan Speak底盤。首次改革之Scan Speak半球型高音揚聲器開始生產。
1971年 經過長時間的研究,開始生產高品質之低音揚聲器,不久即受世界各地之推崇。
1972年 為增產以應需求,建立新廠。
1973年 六角形線圈發展成功,並取得專利。
1974年 對稱型推動器(SD-System,即本文所介紹者)發展成功,並取得專利。Scan Speak的產品建立起高級Hi-Fi產品的信譽。曾經是Dynaco的創辦人也是經理的David Hafler接管Scan Speak A/S的大多數股份。
1975年 Ortofon A/S (David Hafler也握有股份)接管Scan Speak A/S,並且開始生產Ortofon的揚聲器。
1976年 生產舉世聞名的唱頭的Ortofon結束揚聲器之生產,而由丹麥Pandrup處的Dantax Radioindustri A/S 接管 Scan Speak A/S,包括所有的專利、廠房設備、和經銷權。同時,部份Scan Speak高階層設計工程師接受 Dantax A/S 的聘用。
1977年 Scan Speak改組,工廠由Hoerning遷至Pandrup的Dantax Preises。訂單很快的超過生產能力,於是又建新廠擴充產量,以應所需。
■ Scan Speak在台灣
Scan揚聲器已經到了台灣,羅哲也試聽過,台灣的代理商凱昕公司也賣出一批過,現已銷售一空。其聲音確實較一般揚聲器清澈,第二批貨據說可在十二月份抵台。為了避免在本刊賣膏藥之嫌,不做堆砌詞句的形容詞批評,僅提供凱昕公司所提供之揚聲器特性,以饗讀者,所提供特性者為在台灣所能買到者,讀者當可發現,其阻抗曲線確實不隨頻率增加而增加,幾乎為純電阻性,很適合業餘者買現成分音器自己裝箱使用。
本文有關資料,由凱昕公司提供,在此致謝,或者在此要求凱昕公司向羅哲致謝。
轉載音響技術第48期DEC. 1979 揚聲器的時間延遲失真──兼介紹SCAN揚聲器的專利/羅 哲
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