揚聲器設計藝術乎?科學乎?兩者皆是乎? @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　長久以來,揚聲器的設計,都籠罩著一層神祕的氣氛。各種奇怪的結構都出現過,但大多數都根源於傳統,而不是對聲音的認識。所有這些設計者,都有一個共同點;每一位都有他自己對揚聲器應如何發出聲音的見解,自然也都有他獨有的如何發出像真實聲音的模式範圍。

　　但是,近年來有一種新趨向,即投入更多的注意力於科學和技術方面,而不再侷限於傳統和發明。雖則如此,並不說明我們對聲音的認識已臻完備,在1973年的Sweden's Nation Institute Testing就這樣寫著：

　　「不幸地,關於揚聲器的物理參數,對揚聲器所發出的聲音,會有如何的影響,我們的了解實在是太少了。仍然無法以評估既測得的物理參數,而給予一個等級或評價以對應於主觀性的音質感」。

　　因此,即使是確有某些應隨時注意的物理因素存在,在鑑定一個揚聲器時,我們總是憑著我們的聽覺感受。

　　為了完整的音樂再生,對一個音響系統內的所有裝備所求極苛。問題之一就是要求整個再生以迄於收聽連鎖內的任何一環,都要具備平坦的頻率響應。在放大器而言,頻率響應保持在1dB甚至更小的偏差,是毫無困難的。但是,在揚聲器方面,以及其與房間的配合,則很難控制在10dB以內的界限,這種嚴重情形之所以發生,乃由於實際測試的困難。

　　對於放大器,絕無應測試哪些項目以及應在什麼地方測試的困難發生,只要把信號和輸出做一比較即可,可說再簡單不過了。但是對於揚聲器,過程可就沒有這麼單純了。例如,測試用的麥克風和揚聲器應置於何處,才能顯示出標準使用情況下的揚聲器特性？

　　任何音源的頻率響應,包括揚聲器在內,都和鄰近牆壁的相關位置有關。在無響室內平坦頻率響應的揚聲器(如圖1a),掛在一般客廳的牆上,會造成在100Hz左右的低頻段,有2~3dB的提升(如圖1b),更有甚者,如果揚聲器是置於角落處,低音將會提升至3倍(8~9dB)。

　　此乃因為在低頻時,揚聲器發散的聲波,不僅是向前一個方向而已,而且是包括後方在內向四面八方發射出去的。鄰近的牆壁、天花板和地板的反射,增強揚聲器的效率。當音源與牆壁之間的距離小於波長1/10時,每一反射增加2~3dB的強度,若將揚聲器置於牆壁與地板之間的位置,則增加量將高達5dB,(100Hz的聲波波長3.4米,50Hz的聲波波長6.8米)。

　　顯然,照一般標準擺設位置,測試揚聲器時所有的反射面都會被牽連進去。然而僅就一面牆壁的情況來考慮時即已困難重重;在某些頻率時,直接波和反射波之間會差半個波長,這兩種聲波相互抵消,以致造成頻率響應上的深谷(如圖2b),這個深谷通常發生在200~400Hz之間。

　　為了避免測試時這個深谷的出現,可將揚聲器嵌入牆壁使和壁面平齊。這種測試方式當然和一般標準使用情況不同,但是卻列入Germam Hi-Fi Norms DIN45500(德國Hi-Fi標準,檔案編號DIN45500)。

　　由無響室內測得的揚聲器資料,或能給設計者提供一些參考,但是卻是有意地引導顧客誤認為這樣的頻率響應,就代表了標準使用狀況下的特性。

　　既然,由揚聲器所發出來的直接聲波,並不足以代表在客廳內的頻率響應特性,那麼如何測定方是正確？在回答這兩個問題之前,且讓我們先了解顯然很重要的兩件事：

1.聽覺過程──在快速變動的聲波下(註:如音樂與談話等信號),直接波和反射波是以30~50ms的期間累積下來的。

2.殘響(Reverbration)──在標準客廳內殘響時間(Reverbration Time)(譯註11)小於1秒,2~3米的收聽位置,殘響總是蓋過一般揚聲器的直接波──除非是使用了指向性非常尖銳的揚聲器。

　　這也就是說「揚聲器的總聲流(Total Sound Flow譯註2)的頻率響應,才能真正代表我們所感受到的頻率響應」。

　　理論上,有兩個方法可以測得揚聲器的總聲流。其一是將揚聲器置於一個有反射面為界限的自由音場(Acoustically Free Field),並按標準位置擺設,通過一個積分過程(Internation Procedure)。其二是在殘響室(Reverbration Room)內,測定揚聲器的總輻射量。

　　早在1958年Stig Carlsson即已提出第一種測試方法──積分過程──作為設計揚聲器的輔助,也就因此使得Sonab能夠做出在一般客廳內一般傢俱陳列情況下,有平坦頻率響應曲線的揚聲器。

　　由於National Consumer Good Research And Information Department的資助,使得殘響室測定法得以在National Istitute For Meterial Testing成立。並且也被Stereo Hi-Fi Hand Book採用為揚聲器測試報告的基準。這本Hand Book所包含資料之完備,消費者在別的地方是無從獲得的。

　　最後仍有一個問題尚待解決：在共鳴室（Resonauce Room)內的測試,不能保證在低頻端有充分的正確性,蓋因低頻響應恆受鄰近牆壁的影響,因此必須補充低頻段在無響室內的測試資料。

●揚聲器與房間之間的關係

　　如前所述,測試頻率響應本身即有問題,若是要測揚聲器的輻射特性,事情變得更是複雜,以致在這方面根本無計可施,此乃因為聽覺上的印象,是由直接波與反射波之間的關係所決定的。

　　所謂直接波(Direct Sound),就是由音源直接到達人耳的聲波;而反射波則是經過牆壁、天花板等的反彈之後,才到達人耳的聲波。反射波裡頭又有一次反射波(Primary Reflected Sound)和二次反射波(Secondary Reflected Sound)。聽覺上的天賦,以不同的方式來處理這兩種反射波。一次反射波大約在30~50ms之後可被人耳拾取,而被當作是直接波的延續。至於二次反射波,則在感覺上是為殘響。

　　為了要產生有空間感和生動的再生,我們在錄音和再生時,都必須對一次反射波加以考慮。因為揚聲器的設計者,必須不僅是注意直接波,還要兼顧到由牆壁和天花板反射而來的一次反射波。(在聽者的後側兩方,增設一對揚聲器,已發出經過延遲時間的聲音,也可以獲得這種效應──這也是四聲道立體音響的原理之一)。

　　在室內,大多數的一次反射波都和該室內音響特性,以及揚聲器的指向性有關,一般的揚聲器,再高頻段所產生的一次反射波,要比無指向性揚聲器少得多。只要一次反射波佔絕大多數的話,則從音源傳到收聽者的聲音有高度的可聽性。既然,在正常阻尼情況下的室內,都是一次反射波和二次反射波,則在室內的收聽要比在音樂廳內,大多數聽眾所聽到的更為詳細。

　　一般都將揚聲器靠牆安置,那麼設計揚聲器時,考慮讓它們與牆壁配合發出聲音,應是很合理的一件事。

　　聲音的空間感,受到高頻段聲音在室內的傳輸路徑的影響很大。

　　一般將揚聲器單體固定在揚聲系統前方的方式,產生一種極明顯的「不自然的」指向感。這是因為高音域產生太少的一次反射波,尤其是由揚聲器背後的牆壁所反射的更少,哪怕是我們已經使用了半球形(Dome Tweeter)高音揚聲器。也就是說,我們失去了具有空間感地生動再生,附帶地,收聽者也只能侷限在室內某一小空間內收聽。(譯註3)

　　Sonab的無指向性揚聲器系統,能產生更平坦指向分佈特性的一次反射波,使得收聽者可以更自由地選擇收聽位置。Sonab的揚聲器,在設計上,是和其背後牆壁配合的。中低音揚聲器單體,位於靠牆的部份以獲得最透明的再生,而其他幾個高音揚聲器單體,則較遠離牆壁,並且方向各不相同,以減少不自然的尖銳指向感,因而產生生動的音質。

　　音響再生將來的發展,或許會走向四聲道的路途。在初期階段,有各種名目的四聲道系統在互作競爭,名稱上也一直混淆不清,The Swedish Hi-Fi Institute提出如下表的建議,以作為瑞典的專門用語：

　　模擬四聲道(2-2-4) 4-Channel Stereo Simulated(2-2-4)──

　　兩個獨立錄製而成的信號,以電子的方式以四個揚聲系統發出來的聲音。

　　矩陣四聲道(4-2-4) 4-Channel Stereo Matrix(4-2-4)──

　　四個原為獨立的信號,以兩聲道方式傳遞,但是藉由四個放大器及四個揚聲器,再生而成的聲音。

　　完全四聲道(4-4-4)4-Channel Stereo Complete(4-4-4)──

　　四個獨立的信號,以獨立的方式傳遞,但是藉由四個放大器及四個揚聲器再生而成的聲音。

　　在這過渡時期,我們更應注意,不要買錯了型式的揚聲系統。四聲道必定離不開四個揚聲系統;及一般一對立體揚聲器,外加一對置於聽者後方的兩側。即使是後方揚聲器,以無指向性者為佳,在陳列時仍然是排成兩兩直列的四方型的。

　對於揚聲器的設計者而言,兩聲道用和四聲道用的揚聲系統,在要求上略有不同。經過廣泛的研究之後,Sonab已經推出新生一代的揚聲系統,在此,大多數的注意力都投注在,配合聽音室(Listening Room)內的直接反射波和間接分射波的混合效果。

●Sonab新生一代揚聲系統的真面目

　　在前面談過一大套理論之後,且讓我們瞧瞧Sonab所謂的,能和聽音室牆壁合作(Collaboratory)的揚聲系統,是否真的是生成三頭六臂？

　　Sonab的新型揚聲系統OA14和OA12,是和Stig Carlson合作製造出來的。其頻率響應（按DIN45500)分別為25~18000Hz和35~18000Hz。

　　25Hz是一項可觀的成就。OA14的木箱容積比OA5要小,但是低頻響應卻更低半個八度音,並且完全不藉助於電子線路。這完全是得力於其新製的165mm中低音用揚聲器單體,如果是採用210mm直徑的中低音揚聲器單體的話,木箱容積必須加倍,才能到達同樣的低音音域。既然如此,為何所有的揚聲器設計者,不都採用小一點的振膜(Membrane)呢？答案繫於低頻段的失真問題。為了要使低頻端產生足夠的音壓輸出,必須鼓動大量的空氣,振膜較小的揚聲器,就必須做較大振幅的運動。(譯註4)

　　Stig為Sonab設計了一個特殊的揚聲器單體,可以有較大的振幅而失真卻又不大。此外,更由於低音反射式箱子的採用,可以不必像密閉式箱子一般,做那麼大的振幅的運動,才能發出足夠的低音音量。這個新的低音揚聲器單體,和低音反射式的箱子,就是Sonab新生一代揚聲器系統的兩大特點。其特長綜述如下：

　　寬廣的頻率響應範圍

　　平坦的頻率響應(±3dB以內)

　　低失真

　　暫態響應良好

　　反射波與直接波的分配恰當

●Sonab自製的揚聲器單體

　　經過一年以上,遍歷世界各地的搜尋,Sonab不得不承認其所追尋的揚聲器單體,根本不存在,其所需要的是165mm的小口徑,並且必須從極低頻至2000~3000Hz內高效率,更要是非常地堅固,足以產生夠份量又失真極小的有效輸出。

　　於是Sonab只得根據Stig Carlson的規格自行製造其所需要的揚聲器單體──Sonab SC165,在每一個細節上,都力求完美。極長衝程(Very Long Throw)是第一要件,因此,目標變成要創造出極長衝程的振膜邊緣(Membrane Edging),制動片(Spider)和音圈(Voice Coil)。以音圈為例,其長度即已超過磁隙(Magnet gap)的兩倍,而制動片的直徑,更大到與振膜的直徑幾乎相等。

　　振膜邊緣又是一項問題,具Sonab的了解,一般的橡皮邊緣,裝在低音反射相上是發揮不了作用的──在某些頻率時,橡皮邊緣與振膜呈反射運動(Move out of Phase,譯註5)而某種發泡塑膠經發現可適用。

　　僅只要求音圈能做大幅度的運動仍是不夠的,揚聲器單體尚須能承受大功率：即大量的熱。因此音圈必須能承受高溫,並且要具備有效的冷卻。Sonab的解決之道是,採用熱固性(Thermoset)鋁質音圈繞管,以一種特殊粘劑固著在振膜上。

　　最後一項就是固定各零件用的外框了,它必須是堅固的剛體(Rigid),才能產生良好的效果。為此Sonab採用超硬度鋼(Extra heavy-gauge steel)經由特殊工具,電鍍,壓模而成。

●低音反射箱

　　為了要保證,即使在低頻端,失真也是極小,必須要求振膜儘可能做小振幅的振動,而又能提供足夠的低音音量。對此,箱子的貢獻最大。藉由低音反射箱的使用,低頻效率得以提高,進而延伸低頻響應範圍和降低失真。

　　隨著低音反射箱體積的不同,效果可好可壞,Sonab則是採用Stig Carlson的特殊設計,發揮了低音反射箱的所有優點。但是,僅只利用低音反射箱,仍然是不夠的,木箱的箱壁,必須要求是其堅如石的剛體,箱子更不能漏氣,因為這足以敗壞低音的再生。

　　木箱的結構是：頂板、底板和斷面補強採用用射出成型的ABS(Injection-moulded expanded ABS)──一種在各方面品質皆勝過木材的材料,箱體再環其四周建造。得力於這種結構,使得箱子得以造得非常堅固,並且也由於使用了高精密度成型的附件,而保證高度精密標準的產品品質。

　　木箱壁也是特殊材質所做成的。Sonab的揚聲系統,一向都是儘可能的採用薄板,但是其8mm的板厚,強度卻不下於平常的厚板,而重量卻可以大為降低。這樣子的材料,品質自非尋常,一般的木屑壓合板(Particle boarding)當然不行,Sonab所採用的較為特別,比重(Volumetric weight)很大(譯註6),密度均勻,且又堅固,是由長板條所壓成,而非若一般用小木塊或木屑所做成的。

　　此外,尚有兩件頗值一提的趣事：低音揚聲器單體,是懸掛(Suspended)在頂板上的,以防其振動傳到箱子。且箱子本身也裝有特殊設計的橡皮墊,所以任何震動都不會傳到地板,這樣樓下的住戶就不會受到干擾,使得我們可以安心地在客廳內享受更美好的音樂。

●分音器

　　分音器的品質,以及其所使用的零件常被忽視,事實上,分音器在揚聲器的頻率響應特性上,扮演一個很重要的角色,因此更應小心設計,非最高品質者不足以採用。Sonab使用了無鐵心式的線圈,以取代足以造成失真的有鐵心式的線圈,此外更採用了強化塑膠膜型電容器,以取代一般廉價的無極性電容器。

●技術資料

　　Sonab OA14有5支揚聲器單體：

　　1支中低音和4支高音揚聲器單體。

　　Sonab OA12有3支揚聲器單體：

　　1支中低音和2支高音揚聲器單體。

　　中高音揚聲器就是前述的SC165,而高音揚聲器的口徑則一律為51mm口徑者。

(1)頻率響應範圍(按DIN 45500測定)

　　OA14-25~18000Hz

　　OA-12-35~18000Hz

　　依DIN的標準,頻率響應範圍乃指,輸出準位比100~4000Hz內的平均準位,衰減8dB的頻率範圍。據DIN 45500所載Hi-Fi的最低要求是50~12500Hz,對於一般要求的收聽者40~12500Hz應是足夠的了,30~18000Hz即使是再挑剔的收聽者,也應該是無話可說了。

　　在Sonab揚聲系統的測試,均按照DIN的規定,唯一的例外是,揚聲器是置於室內的標準位置,而非嵌入牆上,以及測得的資料是總聲流,而非僅正前方的頻率響應。

(2)頻率響應曲線

　　揚聲系統總聲流頻率響應曲線,OA14是29~15000Hz對平坦的偏差僅為±3dB,OA12是42~15000Hz偏差僅為±3dB。

　　音響再生最重要的因素,並不是頻率的指數,而是對平坦響應偏差量的指數,其偏差量已越小越好。例如一個60~14000Hz偏差±3dB的揚聲系統,比一個55~15000Hz偏差±4dB者要好。

　　對於極高品質再生用的揚聲器,可以±3dB為容許界限,至於一般要求者,大可提高為±5dB。所提供的數據,應為標準位置下的總聲流。

　　以製造技術而言,要保持揚聲器的偏差界限至極小範圍,是非常地困難的。然而,Sonab卻在最後檢驗時藉由特殊裝備的微調,來解決這項難題,因此每一支揚聲器單體的功能,都須經過細心的測定。

(3)失真

　　Sonab的新型揚聲系統,在整個頻率範圍內有著極優異的低失真特性,一半是由於木箱,另一半則由於揚聲器單體。木箱是絕對地穩固,以特別強硬而結實的木屑壓板製成,比重非常之大,此外更有許多ABS的斷面補強。所有的這些措施,可以避免聲波長期振動而產生鬆動,更加上低音反射式的木箱設計,失真大為減少。

(4)阻抗──OA14和OA12俱為8歐姆。

(5)承受功率──按DIN 45573,OA12與OA14俱為40W。

(6)使用功率──產生0.022W的音響輸出,需要8W的功率。

(7)分頻網路──OA14;1800Hz,按音響測定。

　　　　　　　　OA12;1800Hz,按音響測定。

　　精心設計製造的分頻網路,採用無鐵心線圈及塑膠膜電容器,以消除失真,增加信賴度和長期使用。

(8)內容積──OA14：35公升

　　　　　　　OA12：18公升

(9)外部尺寸──OA14：23 × 57 × 42公分

　　　　　　　　OA12：20 × 46 × 34公分

(10)重量──OA14：11 1/2公斤

　　　　　　OA12：7公斤

(11)接線──5m長的接線,外附一組DIN41529規格的公插座和母插頭。

(12)外觀──木箱有Rosewood,Walnut,Teak,Oak等木材,漆成白色或黑色者,並經防塵處理,以濕布極易清理。揚聲器之裝飾罩也可開啟。

　　為了配對銷售,分別標以OA14L(OA12L)作為左聲道,和OA14R(OA12R)作為右聲道。

頻率響應曲線

　　這些頻率響應曲線,代表總聲流,也就是直接波和反射波的總合。測定位置是在殘響室內,揚聲器位於距牆壁10cm的地板上。揚聲器單體動安排成使得大多數的反射波,比直射波落後30~50毫秒到達人耳,此時的揚聲系統則是立於地板上,其後背距離牆1至20公分。

　　考慮測試室的不同100Hz以下的特性因而不精確,每一揚聲系統的曲線皆分成二部份。低頻段的測定是在室外,以一面鄰牆而測定之,曲線上呈的12Hz寬的鋸齒狀響應,源於測定環境的反射。測定設備為B&K之製品,

　　測定信號：

　　紙速：0.3mm/sec

　　筆速：4mm/sec

●品質標準之檢驗

　　Sonab對每支揚聲器的單體,施以掃描信號,而於螢光幕(B&K製品)上顯示出其頻率響應,從而找出未能符合其規格的不良點來。

　　其次的檢驗,則是將揚聲器單體固定在障板上進行的。每一支單體又經由一個特殊裝備來監聽,以保持每一接點都合於要求。完成後的揚聲器則又在特殊房間內試驗, 以鑑別有無雜音或其他不諧和音的發生。在這些測試中,技術員是置身於室外的,經由耳機監聽,以額定功率之半,整個頻率範圍掃描的聲音。

　　最後一次檢驗,或許就是最重要的一項,就是對每一對揚聲系統的微調了,頻率響應顯示在螢光幕上,具此對障板上的頻率響應調整開關作最後的精密調整。之後,這樣的一對揚聲器將通過外觀的檢驗,然後包裝在一起聽候運送。

●譯註

　　1.回響時間：一個音源在室內所發出的聲音,碰撞到牆壁上,一部份被壁面吸收而消耗掉,其餘未被吸收的部份即被反射,而投向另外的牆壁,而在這另外的牆壁上,繼續產生吸收與反射作用。所有的牆壁都參與吸收與反射,逐漸地將聲音衰減掉。每一次的吸收與反射,都是按一定的比例進行的,因此聲音的衰減,自然是以指數方式衰減的。如果牆壁的吸收能力強的話,衰減就快,吸收能力弱的話,衰減就慢。通常規定聲音衰減1/1000所需的時間定為該室內的回響時間。換言之,回響時間的大小,即代表了該室內對聲音吸收能力的強或弱。

　　2.總聲流：所謂總聲流,乃指揚聲器向四面八方,所發出的聲能的總合,也可以說是對揚聲器在主體角度上各方向的音壓強度做一個封閉的體積分所得的結果。

　　3.收聽範圍(Listening Area or Service Area)：對於高頻指向性尖銳的立體揚聲器對,只有在該隊揚聲器正面軸向的交點上,或交點的附近(即所謂收聽範圍),才能保證左右兩揚聲器都有最理想的頻率響應,在這以外的地區,不是左邊高頻不足,就是右邊高頻不足。按立體聲的效應,是以左右兩邊音量的大小,來決定音像的位置的,上述任何一方的高頻不足,都足以造成音像定位與實際演奏時產生乖離。假定對於音像定位不重視,但是過分其詞的論調來說明其嚴重性,我們可以說：高頻不足的結果,使得音色發生改變,假定某一樂器,時演時是在舞台正中央演奏的,現因聆聽位置不在Listening Area之內,以致左右兩揚聲器頻率響應不一致,使人產生誤解為再左方使用某一件樂器演奏,再又方使用了另一件樂器演奏,這當然是對音場再生上的一大失真。

　　4.揚聲器口徑與振膜之衝程：參看後記。

　　5.振膜與振膜邊緣反相振動的結果,使得發出的聲音互相抵消而減弱,而再頻率響應曲線上產生一個深谷,戶使聲音產生極大的失真。

　　6.揚聲器木箱,最主要的功能,在於使箱內(及揚聲器單體後方)的聲音不能任意外洩,而影響到正面所發出來的聲音。即使是所謂的密閉式的箱子,聲音也能穿透木箱壁而透出,這種穿透力的大小,與木箱壁的質地有關,單位面積的重量越大者聲波的穿透力越小,密度越大者,單位面積的重量也越大。

●後記

　　揚聲器振膜所發散出來的聲音的大小,大致和 a'x 成正比例,在此, a 為振膜的有效半徑, x 為振膜的振幅。若振膜的半徑減半,要維持同等的音量時,振膜需增加至4倍的振幅。

　　又,木箱的Stifness,和裝揚聲器的開孔大小有如下之關係：

　　Sc=1.4×107 a4/v(見本刊第11期 p.91)

　　Stifness是和半徑的四次方成正比的,假定要維持同樣的Stifness,將揚聲器的口徑減半,可以將木箱內容積減至1/16,兩相權衡,小口徑的是有利多了;振幅的問題又可以低音反射箱加以補救,賢哉 Sonab！

　　當然Sonab在SC165單體上所下的功夫也是不容忽視的。筆者的揚聲系統設計例,只進行到密閉式,低音反射式的一直找不到合適的揚聲器單體,蓋因老是在8~10吋的方面打轉,依計算所得的結果,數值常超出常理,今後當朝較小口徑的試試,在此徵求適用的揚聲器單體,條件如下:

　　口徑：4吋~6½吋

　　最低諧振頻率 fo:50Hz~85Hz

　　Qo: 0.6以下