揚聲系統的設計和製作 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　自第十一期「揚聲器木箱的設計與測試」一文完稿之後,筆者即汲汲乎尋求一套適用的揚聲器,來作一次實作的說明例,然而尋尋覓覓,不知測試過多少低音揚聲器,其最低諧振頻率fo大致都夠低,但總是達不到Qo≥0.6的要求,因此擱延了漫長的一段時日。最近,經人推薦而獲得一套筆者認為尚堪使用的揚聲器單體,W-200和T-70,並且也與製造廠家取得連繫,而得到一些在木箱設計時,用得到的參考數據。

　　其無響室內的頻率響應特性曲線,分別如圖一與圖二所示。

W-200的諧振尖銳度Qo,廠方所公布的,僅為其大量生產時的平均值,也就是說每一支揚聲器都不一定一樣是0.6,但總是在這附近的範圍之內,買來之後最好能自行測定之。筆者取得者,經測定結果是fo=23.5Hz,Qo=0.58,測定的方法請參考第十一期。

2.設計概要

　　假如不是特殊的目的,一般都以平坦而又寬廣的頻率響應為目標。以2-WAY的方式來講,除了揚聲器本身的特性之外,低頻端受到木箱的影響,高頻端則受到高低音揚聲器間效率差距(即音壓靈敏度不同)的影響,中頻段則受到分頻狀況的影響。所謂的設計,就是針對這三項做一合理的處理。第十一期中筆者所提到的木箱的設計,僅為低頻端而已,在此中高頻端也要加以考慮,但絕大多數的設計重點仍在低頻端,因為我們所能努力的部份,以此為最多。

　　在設計木箱之前,先要取得的數據,除fo和Qo外就是揚聲器振動系統的等價質量。構成這個等價質量的,除紙盆、音圈、彈性部份(Damper, Edge等)的質量外,還包括紙盆運動時,帶動周圍的空氣一起運動所增加的質量。此增加的質量和紙盆的大小,以及固定揚聲器的遮音板的形狀有關。小型的Book Shelf式木箱,以下式來計算雖不中亦不遠矣!

　　這個等價質量,當然也可按第十一期筆者所介紹過的方法測得,只是正確性要打點折扣。既然廠方供它的資料,何必又多此一舉做不甚精確的測試呢!

　　揚聲器在空氣中的自由諧振頻率(即未裝箱時),筆者實測為23.5Hz,依下式

　　在揚聲器的各項數據齊全之後,即可著手設計木箱了。本來箱的設計,本應以系統完成後的Q值0.7左右為目標來設計的。但是Q值又可因箱內吸音材料之情況不同而變。因此,改以裝箱後的最低諧振頻率為設計出發點,此次暫以60Hz以下為設計目標。

　　據資料來源,裝箱後之系統最低諧振頻率fo與揚聲器最低諧振頻率fo',有如下之關係:

　　Q值高達1.48,顯示在最低諧振時將有一峯,換句話說以這樣的揚聲器收聽音樂時,會聽到比實際演奏時還要多的60Hz的頻率,並且,過渡響應也將因而劣化。應加入吸音材料以DAMPING之,至於應加多少的吸音材料,在實際裝箱以實驗決定。

　　筆者手頭上恰好有一木箱,其內部尺寸為21.5x24x47³cm=24252³cm,與之非常相近,聊可適用。揚聲器裝箱之後,要佔去一部份的容積,低音、高音揚聲器,外加箱內補強角材,估計占去700³cm,則尚餘大約23500³cm。以其23500cm的內容積,所提供的堅度大約是:

3.調整

　　關於調整的方法,筆者在第十一期也已經介紹過了,讀者請逕自參考之,唯仍請注意的是應採用定電壓測試法測試阻抗曲線,並調整箱內吸音材料,使Q值降至0.7左右。

　　調整的過程中,要描繪許多的阻抗曲線,筆者僅將較重要的提供讀者們參考。所有的這些阻抗曲線,Y軸都代表阻抗值,其單位應為歐姆,但筆者卻以dB表示,或許要引起若干疑惑,特在此說明之。

　　按,第十一期有一公式:

　　Ro/RM為阻抗之比值,描繪阻抗曲線的目的,就在求出這個比值,既然是比值,以dB表示自然無不可(但是代入式子計算時,應化成比值)。況且,一般的揚聲器Ro/RM多達數倍,經對數壓縮以dB表示更為方便。

　　如果,這樣子的說明,尚不足以徵信的話,也可以式子解析如下:

　　既然Vs/Rs=VR/R(第十一期圖一的線路,串聯電路流經Rs的電流和流經R的電流相等)

　　即Rs=R●Vs/VR是為阻抗曲線所描繪的數值。

　　假定Rs在RM和Ro時(第十一期圖二)所對應的VR值分別為VM和Vo,則

　　Ro/RM=(R●Vs/Vo)/(R●Vs/VM)=VM/Vo

　　顯然,Ro/RM的數值,可以VR的比值(RM/Vo)表示之。我們更可以把VR的數值以dB表示之,並且令1伏特等於0dB而把所有的VR值換算成dB值,則一切的測試與紀錄都可以大大的簡化了。又因為VR與Rs成反比,故我們將Y軸的向上方向定為負向的dB值,則描繪得的曲線與一般習見之形狀相同。

　　圖三所示為W-200揚聲器裝箱後之阻抗曲線。阻抗之最高點(即諧振點)為67Hz,-24.2dB。阻抗降3dB(即電壓上升3dB)之點,即-21.2dB時的頻率分別為58Hz和76Hz,阻抗最低點則為150Hz,-16.5dB,最高和最低差24.2-16.5=7.7dB,換算比值即為2.42,則Q=[67/(76-58)]÷2.42=1.54

　　原先的計算是fo=62.3Hz

　　　　　　　　Q=1.54

　　實測的結果是fo=67Hz

　　　　　　　　Q=1.54

　　誤差在10%以內,可說極為一致。