揚聲系統之設計與製作【3】動圈式揚聲器 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

3.1 動作原理

　　揚聲器可以將電能改變成聲能,揚聲器有許多型式,其細節不予討論;我們所關注的是電子動態型,也就是一般所慣稱的動圈式揚聲器(Moving coil loudspeaker)揚聲器可以說包含兩個系統,及驅動系統和聲響系統。聲響系統主要是一個特殊形狀的聲音輻射器,隨著驅動系統而振動。後者基本上是一塊永久磁鐵以產生強有力的磁場,它圍繞著音圈,而音圈又和纸盆的頸部相連接。當電子訊號通過音圈,音圈隨即隨著電流的頻率移動,和音圈相接的紙盆也跟著前後運動,紙盆安裝在穩固的金屬框上,其邊緣用極柔軟有伸縮性的物質加以支撐;紙盆頸部並加上集中固定裝置(Centring device)使音圈保持在磁場的中央。動圈式揚聲器的構造可由圖3.1的簡圖知其梗概。

　　當電流流過導體,可以產生如圖3.2的磁場。假如帶有電流的導體放入磁場和磁力線形成適當的角度,電流的效力將合成磁場集中於邊緣,而且兩個磁場動作的方向相同。由於磁力線想以最短截的途徑貫穿磁鐵的南北極,導體會如箭頭所示感受到一股機械力F而產生移動。顯然導體的數目越多,產生的力量越大,這就是電動馬達的原理。

3.2 磁鐵系統

　　為了在揚聲器上應用電動馬達的原理,我們設計出來的磁鐵系統必須使音圈發揮最有效的動作。如圖3.2所示,使用「中極」(entrepole)可以獲致所要的效率。圖中左邊音圈內流經的電流造成朝上的運動,同樣,右邊也會有朝上的運動,這是因為電流和磁場的方向相反。現今揚聲器間隙的磁流密度大都是1000mT(10000高斯),這是優秀揚聲器的先決條件。

　　一則為了減少揚聲器的深度,一則為了經濟上的理由,現在已用Ferroxdure做成環狀磁鐵。揚聲器的環狀磁鐵其橫斷面請參看圖3.4。由於施於音圈上帶電導體的力量取決於磁力和電流,若使用強有力的磁鐵即使電流不大也可以產生既定的力量。功率擴大機供給電流,如果揚聲器的磁力強,我們可以使用輸出較小的擴大器。但由於磁鐵是揚聲器內最昂貴的部分,經濟因素限制了磁力的發展。效率問題將在3.6節裡討論。

3.3 聲響系統

　　揚聲器的聲響系統包括輻射器和其懸置裝置。通常輻射器大都以紙漿擠壓出來的紙盆做成,但若揚聲器是專設計用來再生高頻,輻射器可能以塑膠製的半球形出現。

　　若以紙盆作輻射器,紙盆的頂端和音圈相接。音圈的任何動作都傳送給紙盆。紙盆和音圈阻又接於揚聲器的固定框上使音圈準確地安置於磁場中,整體件隨著音圈內電流的影響自由動作,沒有電流時又恢復至原有的位置。

　　紙盆和音圈組合通常在紙盆的頂端以一集中裝置加以固定,這種裝置是以厚實堅硬的布料製成,上面帶有摺紋。紙盆的外緣以類似富於伸縮性的懸置系統加以支撐,如其邊緣充滿摺紋可視為紙盆本身的終端;也有以丁基橡皮(butyl-rubber)做成紙盆邊緣,其一端接於紙盆外緣,另一邊固定於喇叭框上以利於長衝程的運動。以橡皮做成的紙盆邊緣伸縮性較佳,極利於再生低頻,因為產生低頻的功率需求較大,紙盆的運動也較大。

　　當交流電流經音圈,音圈隨即再磁場內前後移動,紙盆和其相接的部分也跟著運動,但是紙盆其他部分只有保持「挺硬」才能依著同一步調動作,低頻的再生由於動作慢不成問題,高頻卻由於紙盆的寬廣部(如靠近邊緣的部分)跟不上頂端的擺動而造成再生音響的非線性失真。這是紙盆上留有駐波的緣故。

　　即使用挺硬的紙盆且要求其再生所有的頻率,由於紙盆原料的拉長和壓縮方式,產生高頻時,紙盆的外緣很少甚至沒有顫動,所以真正能發出聲響的只限於紙盆的頂端(這裡所指的是高頻的再生),高「活動」最好以類似的電子線路比較說明之,但為了簡化起見,最好一次只談一部份的頻率範圍。讓我們先談談頻率的低端範圍。

　　大家都知道:一個物體的機械面積若和所處聲場的波長相等時將會被刺激而產生振動。同樣,當紙盆的質量以及懸置系統的挺硬度和共振頻率相關時,這些機械屬性會產生電子共振並聯線路和音圈串接。讓我們來比較看看:

　　並聯電子線路的共振頻率可由下列著名的式子表示之:

　　假如懸置系統我們所考慮的是彎曲的容易性或是順應性而不是挺硬性的話,上式中我們可將Cs代入而成:

　　由此我們得知,動作系統的動音隨即有所損失,為了改進這種狀況,可在原紙盆的頂端再附加一個質輕而挺硬的小紙盆以改進高頻響應。除外,音圈如改以用鋁線纏繞可減輕重量,揚聲器的頻率響應就寬廣多了,表現的音質也改善多了。

　　在產生好的低音和高音的原則下,揚聲器的設計是綜合所有衝突條件的一項妥協。重量輕、直徑小的紙盆適於表現高音,體積大、質量厚實的紙盆利於重現低音。所有這些因素都會影響揚聲器的設計,其細節本文不予深究,讀者所要了解的是揚聲器的機械屬性如何使其電子特性和音響再現。

3.4 電子阻抗

　　在其再生頻率的範圍內揚聲器的電氣活動非常複雜。研究這些態質量類似電感,順應性有如電容。

　　共振時,並聯電子線路阻抗升高,揚聲器的共振也一樣;共振頻率發生時,由於動態質量的作用和順應性的關係,阻抗升至最高點,和音圈的電阻和電感形成串聯。共振頻率附近,一般都很低(大約50赫左右),音圈的電感所含的電抗甚少,唯一真正的是阻抗是音圈上繞線的電阻值。高頻就不一樣了,這時音圈的電感極具效力,音圈的阻抗迭次上升,本文所談的揚聲器額定阻抗是指共振頻率發生前的最低阻抗。

3.5 頻率特性

　　將恆定振幅的電子訊號輸入一個未裝箱的喇叭,若聲音的半波長等於喇叭前面到後面的距離,則聲壓以每隔八度音程6dB(6dB/octave)的比率下降。這就是眾所週知的音響短路(acoustic short-circuiting),和喇叭的尺寸有關。若再碰到共振頻率,聲壓將再降低12dB/octave,這大都是因為懸置系統不夠柔順而引起的;和前面的「音響短路」相加,聲壓總共下降18dB/octave。中頻部分比較平坦,高頻由於動量惰性太大,響應再度降低12dB/octave。

　　我們知道低於共振頻率,喇叭受順應性所控制,超過共振頻率則受質量所控制。因此,減少挺硬度而使用高順應性的紙盆邊緣可以再生好的低音,反之,質量輕而挺硬的紙盆則利以再生高音。為了有良好的低頻響應,我們可以看出中頻的響應平坦而且盡量在「掉落」前延伸。下一章我們將討論如何以避免音響短路的方式防止響應低落6dB/octave。音響短路是由於紙盆前面和後面各發出相位相反的因而造成音響的相消作用我們只要避免前後所發出的音相互干擾就可以了,可以在一塊大面板或箱子上挖一個洞再將喇叭安置於此,其響應以避免後邊的輻射。低於共振的低頻,所造成12dB/octave的低落又是另一問題。這是所有動圈式揚聲器的特色,最好能將其共振頻率盡可能的降低。

　　讓我們再回頭看看未裝箱揚聲器的共振頻率:
　　　　fr=1/2π√(MdCs)

　　由此我們確知增加動作系統的質量能降低共振頻率,換句話說,若要低頻響應好,紙盆要重而大。同時由於要求共振頻率低,順應性應該高,對於紙盆動作的限制也要越少越好。這是低頻響應的需求。

3.6 音響輻射和極性響應

　　聆賞區內,低頻的散佈效果極佳,這時紙盆的音響輻射沒有什麼指向性(對於一個10吋的喇叭來說,這種現象可上延至500赫),整體說來低頻的指向性不必予以重視。頻率逐次增加,紙盆的動作就不再像是挺硬的活塞;頻率愈往上爬升,振動越往紙盆的頂端趨近。紙盆表面的其餘部分產生一種類似「照耀」的效果,將聲響的輻射集中於紙盆的軸心;偏離軸心的角度越大,聲壓的衰減也越大。這種「照耀」效果減損了傳真度,所以若要增加擴散度應尋求多重喇叭系統,這點容後再討稐。

　　我們通常以極性響應(Polar response)來衡量音響輻射的方向性。測定時於無響室內將喇叭安於轉盤上,以一恆壓的特定頻率輸入音圈,一只錄音麥克風在既定的距離內擺好,轉盤慢慢轉動,在不同的頻率下經常反覆測試,然後將結果記於極性座標紙上。

3.7 功率考慮

　　能量的需求是用於產生聲音。揚聲器紙盆的動作造成聲壓水平,因此所謂的聲壓水平係受輸入音圈的電子功率所左右。有三種不同功率標定法需要考慮:

　　──操作功率

　　──功率負荷力

　　──音樂功率

　　三者彼此的目的不同;雖然富於經驗的工程師可大略由其中一項推演出另外兩項,實際上彼此間沒有什麼直接的關係。所謂操作功率是(以下本文所指的喇叭功率大都是操作功率):在喇叭軸心線上,和喇叭相距一公尺而能產生12μ bar聲壓所需輸入的功率。(或是距離3尺而能產生4μ bar的聲壓)。以聲壓2×10¯4μ bar作為參考點(0dB),12μ bar=96dB聲壓水平(SPL)(4μ bar=86dB SPL)。當我們做音響評估時,此種簡化的定義極具參考價值。操作功率所指的自然是電力的瓦,隨著揚聲器輸入電力的增加而增加,直至在特定距離內產生需要的音壓為止。

　　96dB的聲壓表示「大聲」。在第二章2.6節裡,我們討論過聲壓和響度及聆聽的關係。顯然大部分聆聽者不希望在家裡讓聲壓超過96dB,但有些音響迷則認為96dB只是「平均還好」而已,當然這些音響迷是感覺音樂而不是聽音樂。

　　但無論是普通的音樂迷或部分的音響迷,操作功率以這種方式表示可以清楚呈現出喇叭的表現能力。例如當某揚聲器的操作功率為1W(瓦),我們知道該喇叭能使距離軸心1公尺處的聽者感受96dB的聲壓。但這種標示法有一點缺憾,它無法告訴我們揚聲器在動作失常和損壞前到底能負荷多少功率。關於這點倒有兩點標定法:

　　──功率負荷力

　　──音樂功率標示

　　讓我們再以操作功率為1W的揚聲器為例,假如現在我想聲壓提高至100dB,提升4dB意味增加2.5倍,電力需求也增至2.5瓦。但假如又想再增強低音,或使用響度控制以致再賦加10dB?揚聲器的功率負荷又增加十倍,總共是25瓦。

　　由此我們單單知道操作功率是不夠的。它並不能完整的呈現出揚聲器的整體特性,除了要隻道多少功率才能產生多少的聲壓外,我們也要了解揚聲器所負荷的功率到底有多少。這就是我們所說的「功率負荷能力」。本文所指的功率負荷力是:揚聲器所能承擔的最大「連續」功率。

　　另外還有一種表示揚聲器負荷力的方法,那就是所謂的音樂功率標定。這是由響應曲線低頻端代表音樂和人聲的脈衝負載測得而來,因為這一段的頻率失真較不一聽出來,而且低於250赫,輸予最大的功率也不太能察覺出嘎嘎嗡嗡的雜音。再生音響系統的整體表現將牽涉到許多可變因素,所以使用連續功率的標示法比較可靠,也就是說,擴大機用正弦波功率表示,揚聲器以功率負荷力示之。這在第二章2.6節中略有提及。如都使用這種標定法,在考慮擴大機和揚聲器的功率時比較不會發生問題。談到功率考慮,我們不免想到:不同功率的擴大機接上一個揚聲器會有什麼事發生?假如揚聲器的功率負荷力大於擴大機的連續正弦波功率,揚聲器不會有所損害,而且由於沒有過荷現象,失真也會很低,但假如揚聲器的功率負荷小於擴大機的連續正弦波出力,音量控制鈕若開至極限,揚聲器就會造成損傷。當然還沒損害前失真已令人難以忍受,沒有一個聆聽者會讓這等事發生,不過危險性仍在。

3.8 失真和阻尼

　　任何揚聲器的失真都可能是由於紙盆和其懸置系統的非線性所造成。除外,音圈振動區內若磁場缺乏同一均衡性（uniformity)也會造成失真。紙盆即使動作至極限也應該保持線性。這樣才能和所受的力相配合。但動作太大要達到這點並不容易,失真也跟著發生。大多數揚聲器都用紙漿來做紙盆,經處理以適合所需要的外形;不過這類物質會促成相當的非線性,尤其當厚度減低失真更形明顯。

　　除非音圈移動範圍內的磁場能夠同一均衡,紙盆的動作就無法保持線性。有兩種方法可以克制這類非線性。若使用短音圈,應加大磁場的範圍,使音圈的移動都受磁力所控制;若磁極固定,可將音圈加長使它大於磁隙或倍於磁隙,這樣當音圈一端移至較低的通量密度(flux density)區時,另一端則同時進入較高的通量密度區,音圈使感受的有效磁力仍然保持不變。

　　除了上述所描述的非線性失真外,另外還有一種失真非常惱人,這就是瞬態失真。揚聲器應付突來的脈衝訊號所造成的波形失真,並且產生一些不必要的頻率。好的瞬態響應需要平滑的頻率特性,但這在複雜的機械系統裡並不容易。去掉驅動的脈衝訊號,動作元件(指紙盆和其懸置系統)仍然會繼續擺動一段時間,因此必須有某些制振的力量將其制止。

　　本文不打算詳述阻尼(即掣振),但我們應記取:共振頻率發生時,移動系統的電抗等於懸置系統的感抗,機械組件好像調整好的並聯線路和音圈串接,系統內能量放大,自我振動的傾向加強。還有,懸置系統可以使紙盆可以使紙盆的振動恢復原位,但是若使用柔順的懸置系統,繼續振動的傾向會增強,動作系統就沒辦法跟著電子訊號移動,揚聲器所發出的音響顯得缺乏「壓迫感」,瞬態失真令人無法接受。

　　共振時,放大的響應類似於共振並聯線路的放大因式,意即Q值。為了使喇叭的Q值限制在一個可以接受的範圍內,我們必須引入「阻尼」。一般這種掣振的力量都可由擴大機的內部阻抗獲得,現今固態晶體擴大機的輸出阻抗極低(即內部阻抗極低)其作用有如喇叭的來源阻抗。阻尼因素即是喇叭的負載阻抗和來源阻抗(擴大機內部阻抗)之比,可輕易高至200。

　　論及擴大機的內部阻抗,擴大機和喇叭間的接線也非常重要,不應大幅減損既有的阻尼因素。由於阻尼對於瞬態的控制極富意義,我們不應予以忽視。

　　來源電阻有一個有趣的現象。如圖3.13所示,一個五英吋喇叭裝在一個七公升容量的音箱上,音襄理裝滿玻璃纖維,頻率響應繪出兩種曲線,一條是恆壓輸入的響應曲線,另一條是恆定電流輸入的響應曲線。恆壓的狀況相當於來源電阻為零,恆定電流的狀況相當於來源電阻為無限。圖中可顯示出來源電阻在零和無限之間的變化所造成的影響;來源電阻高,Q值也高。由於現今固態晶體輸送給揚聲器的來源電阻非常低,其作用很像一部恆壓發電機。圖3.13所顯示的是經過掣振的狀況,並且假定揚聲器和擴大機間的接線沒造成什麼影響;如果接線的電阻大,結果就不一樣了。

3.9 實用的揚聲器

　　到目前為止,我們所討論的都是高傳真揚聲器的主要條件,現在我們要談談如何達到這些要求。我們談過一具揚聲器要有寬廣平坦的頻率響應,要有好的音質,要符合那些需求,要審視那些動作準則,但我們還討論要如何才能同時達到這個要求。答案是:經濟上要達到這些規範是不可能的,而且也沒有必要。

　　施於動作系統的力量若和紙盆的移動不相配合就會引起失真。紙盆移動的越大情形越糟糕。低音輸出造成紙盆大幅度的移動,這時如再輸入高音(高音所造成的移動應該比較小),波形的頂端會變形,這種現象非常明顯,聲音聽起來很刺耳,這就是所謂的「調頻失真」(modulation distortion)。顯然,再生高音的喇叭應該和低音分開,利用分音使其各司其責。

　　前面說過,高低音的要求不一樣。我們知道再生低音的喇叭紙盆應該大而重,高頻喇叭小而輕。這就是我們要獲致高傳真音響的考慮基礎。特別設計以再生低音的喇叭叫做「低音喇叭」(woofer),設計用以重現高音的叫「高音喇叭」(tweeter)。

　　同時使用一支低音喇叭和一支高音喇叭的系統叫做「二音路」揚聲器。這種系統非常普遍,可提供高傳真音質,而且價錢合理。如圖3.14所示,濾波分音器將整個頻率分成兩段;更進一步也可以將頻率分成三段,這就是「三音路」系統,用低音喇叭再生低音,高音喇叭再現高音,再用一支喇叭重播中音。這第三支喇叭就叫做「中音喇叭」(Aquawker)。中音喇叭和高音喇叭可以完善地涵蓋所有的頻率,雖然價錢昂貴,此種額外的花費仍然是值得的。

低音喇叭

　　飛利浦目前有四類尺寸的低音喇叭:即7英吋、8英吋、10英吋和12英吋(以直徑寬度計)。7英吋的有兩種AD7066/W的功率負荷力是40W、AD7060/W的負荷力則是30W。AD7066的磁力系統較大失真也較低,雖然兩型都算高級品,AD7060/W的表現要比AD7066/W略微遜色些,價格也便宜些。同樣,8英吋喇叭中,功率負荷40W的AD8066/W要比磁鐵較小、功率負荷較低的AD8061/W優秀。但音響迷可能更喜歡另一支8吋喇叭,功率負荷40W,這就是AD8067/W。

中音喇叭

　　飛利浦的中音喇叭有兩種,AD5060/Sq和AD0210/Sq。AD5060/Sq是一支紙盆輻射器,功率負荷15W。AD0210/Sq則係半球形,由於是特製成的半球形輻射器,音響的輻射比AD5060/Sq更均衡,擴散性較佳。由於動作系統的質量較輕,AD0210/Sq的瞬態操作能力非常出色。功率負荷力有20W。這裡所說的功率值純粹是指喇叭本身的負荷力而言而不是整體系統。裝箱時要注意將中音喇叭後方封閉使它和低音喇叭完全隔絕。表3.2就是中音喇叭的主要特性。

高音喇叭

　　市面上有四種飛利浦高音喇叭可供選擇。紙盆型的有兩種,即AD2271/T和AD/2290/T。半球型的也有兩種,即AD0140/T和AD0162/T。輸入超過2000赫的頻率,2英吋的AD2271/T功率負荷...(原文缺字)

個1英吋的半球形高音喇叭,擴散性較佳,瞬態操作能力較優越,功率負荷可達8W(要以高於2000赫的頻率輸入測量才行)。AD0162/T的靈敏度要比舊型的AD0160/T高出3dB,新型的只要原先的一半功率就可產生96dB的聲壓。

　　上面所提的各型喇叭,除了AD0162/T以外,都適用於4歐姆和8歐姆的阻抗。AD0162/T由於靈敏度高,只適於8歐姆和15歐姆時,4歐姆喇叭系統應加上8歐姆轉化器;8歐姆喇叭系統附上15歐姆轉化器。這樣功率才能正確持衡。表3.3概要說明了四種高音喇叭的主要特性。這些喇叭和中音喇叭一樣,背部應該封閉和其他喇叭隔離。