自從SCAN Speaker在本刊,就技術方面和讀者們初次見面之後,有不少喜歡自己動手的朋友們,或來信或面詢其有關資料,故羅哲再次地藉本刊之一隅,做一番使用方面的介紹。
雖然羅哲一再地在本刊強調過,揚聲系統內的分音器,必須針對揚聲器單體的阻抗特性來設計。像一般把揚聲器的阻抗,硬當做純電阻的定值來計算是不可靠的。然而SCAN的揚聲器確實與眾不同,其阻抗值幾乎不因頻率而變,因此,以純電阻性的定值來計算,是可以行得通的,因此,也特別適合喜歡自己動手的業餘者自己裝配。
一、2-Way的組成
本期將介紹的是一個2-Way。有很多的朋友,問了一下價錢,總是回答好貴啊!然後再問有沒有分音器,很遺憾的是總代理凱昕公司,忙於參加十二月份的音響大展,而把分音器的工作給忘了。協調的結果,只好再由羅哲來處理。
考慮的結果,一位3-Way系統,光揚聲器單體,就要花去八千元左右,實在難怪多數人覺得負擔不起,因而,先介紹一個2-Way系統,或許較能合乎一般人的要求。不過,這一對2-Way,光買單體也要花個將近六千元,經與凱昕公司商量的結果,為了減輕購用者的負擔,分音器與木箱部份由凱昕公司代為定制,以套件方式供應,並且贈送SCAN原廠商標,而定價是八千元。換言之購用者花八千元和自己的勞力,可以得到一對完整的SCAN的2-Way揚聲系統。
這個2-Way系統,低音揚聲器使用10吋的25W4208F2ASD,高音揚聲器使用0.8吋的D2008半球形驅動器,其頻率響應曲線分別如Fig-1A和Fig-1B所示,低音揚聲器從30Hz至5KHz之間幾乎是平坦的響應,而原廠推薦的使用範圍30H至1.5KHz;高音揚聲器從1KHz至15KHz之間幾乎是平坦的響應,而原廠推薦的使用範圍是2KHz至40KHz。
多路系統中,分音器分頻點的決定,是頗費斟酌的,以10吋做低音,要做成一個2-Way系統,更是要慎重考慮,最可能發生問題的是,分頻點附近指向性可能劣化。這個2-Way的分頻點是在1.7KHz左右,以頻率響應曲線來看,不論高、低音揚聲器,都在平坦響應範圍內。可惜原廠資料中未附指向性曲線,不過,仍可以式子推算得之。按下式:
Ka≤3
K=波常數=2πf/c
a=揚聲器有效半徑
c=音速=3.4×10⁴cm/sec
f=頻率
在頻率符合上式等號的條件時,在偏離軸向30°方向上會有-3dB的衰減,在偏離方60°向上會有-9dB的衰減。而一般Hi-Fi家用系統的要求是30°的偏離衰減量不得多於-3dB,60°的偏離衰減量不得多於-10dB。現在就來核算一下符合這個條件的分頻點的頻率是多少。低音揚聲器的有效半徑為10cm,代入柿子計算,得f=1.6KHz,也就是說分頻點不得小於1.6KHz。而此2-Way系統,分頻點為1.7KHz,可說合於指向性的要求。
再來,就得核對這樣的分頻點,對於高音揚聲器是否能勝任。通常,在揚聲器的自然諧振頻率以下的頻率,揚聲器不工作。而這個分頻點,顯然仍在可工作範圍內。但是分頻點太接近自然諧振點的話,也有一弊──所有揚聲器在自然諧振點附近失真率會激增,分頻在這附近,雖然仍可得到平坦的響應,但是失真率太大仍是不無遺憾之處。因此,較保守的做法,分頻點應在高音揚聲器的自然諧振頻率二倍以上,一些比較經濟型的做法,則選在一倍半以上。現在,再來看看這個2-Way,所取的倍數是多少。由原廠資料,得知,高音揚聲器的自然諧振頻率是900Hz,而分頻點是1.7KHz,是自然諧振點大約兩倍之處。
綜合上述,這個2-Way雖然採用經濟打算的設計,倒還很符合Fi-Fi的要求。再來看看在高頻段的指向性,高音揚聲器的有效半徑,大約是一公分,仍以Ka=3的條件,來推算偏離30°,-3dB的頻率是多少,代入計算得f=16KHz,即使以DIN的規格要求也屬相當不錯。
二、分音器
分音器的設計,可以主宰系統完成後的風格;同樣的單體,不同的分音器,可以造成不同的風格,尤其是對於中、高音域的影響尤其顯著。凱昕公司把這一部份交給羅哲處理,不啻是拋來了一個熱馬鈴薯,只好採用兩種分音線路,以滿足不同的需求。以羅哲自身的需求,是希望做出一套平坦的響應,類似鑑聽器用的系統。然而大多數人(根據數年來從事音響器材設計的市場反應),卻希望低音豐富、溫暖,高音華麗,有光輝甚至清脆。因此,設計兩套分音器,以供讀者參考。不過,在此強調一點,這兩種分音器都只適合SCAN揚聲器之用,用到別的單體,未必恰當,因為別的揚聲器的阻抗特性,不一定像SCAN一樣幾乎為純電阻性。
先看平坦響應型,分頻點1.7KHz,分頻電容按下式計算:
C=1/(2πfR)
f=1.7KHz
R=8 ohm
∴C≒10μ
分頻電感按下式計算:
L=R(2πf),
≒0.8mH
而得如Fig 2所示之分頻網路,屬於每八度音衰減6dB的經濟線路。
再看音色較溫暖而華麗型者,其響應頻率,在低頻段應略作提升,中頻段略為壓抑,高頻段又再以提升。提升範圍是800Hz以下和7KHz以上部份。其分頻網路如Fig 3所示,分頻電感以下式計算:
L=R/(2πf)
f=800Hz
∴L=1.6mH
高頻分頻點仍為1.7KHz,分頻電容依下式計算:
C=1/(2πfR)
=10μF
在此,高音揚聲器是經過電阻分壓處理的,分壓網路的安排,使得阻抗仍維持8 ohm的阻抗特性,而使得中頻段獲得大約-6dB的衰減量。而高頻提升,則以電容和分壓電阻旁路以取得,高頻提升之電容,以下式計算:
C=1/(2πfR) f=7K R=4.7 ohm
∴C≒4.7μF
三、木箱容積
系統完成後之低頻特性,乃由木箱容積所決定,容積越大對低頻越有利。以羅哲之見,容積不能太小,40公升以上都不嫌大,然而凱昕公司考慮一般人所能接受的條件,定製之木箱容積只有30公升。在這種情況下應以氣墊式來處理,而不是一般的密閉式,氣墊式的在箱內必須填加大量吸音材料,以做最低諧振點的強迫阻尼,這種作法,先天上低頻段的量會不足,使用時放大器的低音控制要略做提升以彌補不足。因此,所使用呃功率放大器功率要稍大一點才能勝任。平心而論氣墊式使用了較小的木箱,照樣能發出低頻的聲音,但是以羅哲自身的感受卻總覺得其聲音並不自然,甚至覺得有混濁感。然而,其小巧玲瓏的優點,確實頗受大多數人所讚賞,因此這是一個見仁見智的問題,也就不十分反對別人使用這種系統。
既然,木箱容積已定,在此,就毋庸多費筆墨。不過,揚聲器單體時的阻抗曲線和裝箱後的阻抗曲線,如有興趣的話,不妨也測它一測,可以比較出未裝箱時的自然諧振頻率,和裝箱後的整體諧振頻率,究竟有多大的變化,並且,裝箱後的諧振頻率,就表示整個系統完成後,實際能工作的最低頻率。如果還有興趣的話,也可以從阻抗曲線上,取得數據,來計算諧振尖銳Q值。如果Q值接近,或甚至大於1時,表示在最低諧振頻率附近,會有Boomy之虞。處理之道,是多加一點吸音棉在木箱內。羅哲相信,所有這裡所提的阻抗曲線,Q值的計算,大多的讀者都不感興趣,那也無妨,光憑聽覺來判斷,看看在低頻端是否會有隆隆聲出現,會的話就增加一點吸音棉,一直加到隆隆聲不太顯著為止。不過,在此事先警告,吸音棉加多了,低音的量會嫌不足,是陰時應把放大器的低音稍作增強,不只試音如此,實際聆聽也是如此,這是很無奈的,氣墊式的系統本來就是如此。
上述調整吸音棉的試聽過程,應當使用唱片來試聽,這種試聽唱片,最好要能提供夠低的低頻信號,例如有管風琴的音樂。但是羅哲寧願使用有定音鼓出現的音樂,因為管風琴的聲音是持續性的,定音鼓是打擊性的,可以連帶的判定低頻部份的暫態是否良好，如果定音鼓的聲音拖延太長的話,表示吸音棉加得還不夠。不過,如果所選用的唱片發出的定音鼓的聲音並不很低,則對於低頻暫態的測試也就不可靠。
話又說回來,要想以音樂來調整揚聲器,也不是一件容易的事,尤其對於那些並不常參加音樂會的音響愛好者。羅哲為此特別提供一個不用試聽唱片的方法,使用的道具也很簡單,只要一個1.5伏特的乾電池,和一個ON-OFF的開關。把揚聲器和乾電池及開關串聯起來。當開關油OFF變ON時,可以聽到揚聲器發出「轟」的一聲或「咚」的一聲,「轟」的聲音表示低頻諧振的阻尼不足,以致拖得尾音太長;「咚」的聲音表示阻尼較足或較恰當,也就是吸音棉的量恰當。如果發出的聲音既不「轟」也不「咚」而是「扣」(很短促的聲音,很抱歉,無法以適當的國字發音來代替)的聲音表示阻尼過度,吸音棉應酌減。這個調整方法,也許對於若干初入門的讀者,又會很抽象,那麼,羅哲再建議,不妨把電池開關串聯電路,用到別人的名牌揚聲系統上,試聽它們所發出的聲音,這時不要管它聽起來是「轟」也好,是「咚」也好,甚至是「扣」也罷,只要注意其尾音有多長。再把電池開關串聯電路裝回自己所裝的揚聲系統,調整吸音棉的量,使得,發出的聲音拖延的長度和其相仿即可。特別強調一點,羅哲並不是建議讀者要做到發出和名牌一樣的「轟」或「咚」,而是做出相同的拖延時間,因為每個揚聲系統的最近諧振點並不一定相同,不可能發出相同的聲音來。寫到這裡,讀者如果連尾音拖延的長度也無法比較出來,那就真是無計可施了,事實上這一部分的調整對這些讀者是不必要的,因為音樂本來就是各種不同音階,以不同時間長度做成的排列和組合的遊戲,無法對其不同以耳朵鑑別出來的人,實在沒有必要苛求自己的音響系統。不過這種讀者也別氣餒,您只是才入門而已,聽力是可以鍛鍊的,多聽多比較就會進步的,若干年前羅哲也和您一樣!
四、聆聽室測試
最後,對於這個2-Way System,似乎應該來一個講評。
首先對低音部分的評語,在低音域,給人的感覺是「量」的部份是很足夠的,然而「域」的延伸卻仍嫌不足,這是因為先天上木箱容積不夠的緣故,使得最低諧振頻率稍微高了一點。「量」很充足,則是因為木箱容積小,使得完成後的系統stiffness提高了,諧振尖度較高,在諧振點的附近,輸出較豐富的緣故,諧振頻率較高加上諧振尖銳度Q值也高,因此給人一種較強有力的低音音色(按,Q值測得約平1.2)。
其次討論中音域部份,中音部分予人一種略為退縮的感覺。以10吋的低音和0.8吋的高音,造成的2-Way System,中音段會造成空檔原是意料中之事。此外,中音段較為混亂了一點,因為這一段正好是低音與高音揚聲器的不管地帶,勉強敎這兩路揚聲器來負擔他們的額外工作情況自如此。
最後是高音域的部份,這一段是此一系統的精華部份,其高音之細緻,不少人認為足可與KEF-104系列相提並論。這乃拜其振膜小,質量輕,音域廣的半球體高音揚聲器之賜。
綜合上述,這一個系統除了中音稍嫌遜色之外,大致上還很令人滿意。但是羅哲觀乎大多數人的聆聽習慣都是把放大器的低音,高音控制提到最大,則使用這一系統來聆聽,應該是很對味口的,喜歡強調音域兩端點的人,使用這一系統,可以不必提高低音與高音的音量,即可獲得滿足了。總而言之,這是很符合大多數人喜好的一個系統。
對於中音域很在乎的人,最好是採用3-Way System。中音域揚聲器,凱昕公司不久之後也將陸續自國外運來,屆時再來介紹3-Way System,如果,對於低音域的延伸範圍,也很講究的話,羅哲的建議是自己去訂製較大容積的木箱而不要採用氣墊式的方式。木箱容積大到50公升以上也不嫌大,如果您很在意50Hz以下的聲音的話。
羅哲自己做成的分音器,測試的分頻曲線,如Fig 3所示,Fig 3A實驗部份是使用8歐姆純電阻的測試結果,分頻大約是1.7KHz左右,與原設計符合,換上SCAN揚聲器,測得之結果如虛線所示。低音揚聲器的部份,與純電阻時大致重疊,表示低音揚聲器的阻抗曲線,確實不隨頻率變化,SCAN揚聲器內所裝的銅管,的確是有它的作用的。高音揚聲器的曲線,可就大有不同了,在2KHz左右下陷,在1KHz附近突起,這一帶突起部份,正好就是高音揚聲器的最低諧振頻率附近。中音帶聲音較混亂,就是這個最低諧振所造成的,如果把頻點再往高一點的頻率挪過的話會好一點,可惜的是會影響到指向性,中頻段的空白部份會更嚴重,因此只好作罷。或許,可以把高音揚聲器改用-12dB/oct的分頻線路,把高音揚聲器的最低諧振點,做更進一步的壓制。同一曲線圖上,有一鎖線部份,這是使用一般揚聲器,所測得之分頻曲線,一般揚聲器阻抗,會隨頻率增高而增大,故在2KHz至3KHz之間會產生一個峯。SCAN揚聲器和一般揚聲器之不同就在此,所以羅哲特地將它們描繪在同一周上以供比較。
Fig 3A則是羅哲所謂音色較豐滿,華麗型的分音器,所測得之分頻曲線。其音色更有不同,大致上,是把人耳響應最靈敏的2到4KHz帶稍作壓抑,使得有點接近人聲的等化響度曲線。使得某項演奏樂器較為突出,但是Vocal的聲音會有退縮感,尤其是女聲部份。
除了上述羅哲所試製的分音器外,凱昕公司也自製了一套分音器同時試聽,是該公司工程部一位很年輕的宋君憑其敏銳的聽力所試出來的,特別在此介紹宋君不是學電子出身的,僅是對音響有特別的愛好,當然不懂得設計、計算之類的過程。然而,其所試出來之分音器,裝在SCAN揚聲器上,在無響室內測得之頻率響應曲線(如Fig 5C),較羅哲所設計者(如Fig 5A),尤有過之。可惜,對於分頻點的處理,不甚恰當,以致在一般聆聽室內測試時,就顯出這種瑕疵來了。
所謂聆聽室內的測試,就是本刊第38期的52頁,拙文──Hi-Fi系統的整體測試,所介紹的使用,在實際聆聽環境所進行的測試,該文主要的是產明揚升系統在無響室內的頻率響應,並不等於在聆聽室內的頻率響應。以正弦波信號測得之結果,也未必可代表播放音樂的音響效果。儀器並非人耳測得的結果,未必和人耳的聽感相同。該文的結論是:以⅓oct Pink Noise,測得平坦的頻率響應的揚聲系統,人耳的聽感必定也認為是好的。
因此,我們也採用Pink Noise來測試,Fig 2A和Fig 2C這兩種以平坦響應為目標的分音器的效果。在Fig 5A中,無響室內頻率響應從800Hz至2KHz之間略有凹陷,可是在Fig 4A中的Pink Noise測試結果,卻是平坦的。在Fig 5C中,無響室內平坦,甚至有點突出的800Hz至2KHz區域,在Fig 4C的Pink Noise測試結果,反倒是凹陷的。在此強調一件事,所有的測試,都是使用同一組揚聲器,同一個木箱,僅換分音器而已,甚至測試環境(羅哲自宅),也未做任何陳列上的更動。同時說明一點,Fig 5C尚有二條頻率響應曲線,上部曲線較為平坦高低音兩揚聲器,接在分音器上採用反相位的接法,下部的曲線則採用正相位的接法。由於分音器是使用-12dB/oct方式,電路上相位已反轉180°,故揚聲器的相位應再反轉一次,才能獲得平坦之響應。在進行Fig 4C的測試時,也遵照上述平坦響應的相位接法。
Fig 4與Fig 5的測試結果,在中頻帶似乎是自相矛盾的,其實不然。聆聽室內的測試,把室內反射也考慮進去,因此指向性,分頻點附近的嵌合極為重要。
Pink Noise測試法,近年來已逐漸被接受,在歐洲幾乎把Pink Noise測試結果看得比無響室的測試結果還重要。若干年前日本的音響界恰好相反,因此若干年前的日本揚聲器,光看無響室頻率響應曲線,幾乎是平坦的,可適用於聽音室內聽音樂,則全不是那一回事。國內的音響界,近年來也非常重視規格,尤其是幾家大廠。但是在揚聲器方面,某些電氣規格(尤其是無響室內的測試),只能供產品改良參考改進之用,僅只某一項規格特別優異,並不就是好音響,整體的平衡性才是特別重要,在揚聲器如此,在其他音響器材方面也不例外。
還有一點需說明,此次的Pink Noise Test,不像第38期所介紹的,使用⅓oct Pink Noise,而是使用⅔oct Pink Noise,因為受手頭上的Source限制,無法做⅓oct的測試。另外測試位置是取距離揚聲器1公尺的位置,而非實際聆聽位置,蓋此種Near Fieid Test,受環境的影響較少,比較能測得揚聲器的特性。
關於SCAN 2-Way System,就介紹到此,有許多關於木箱容積的設計,在此都未曾提到,好在本刊中,前數十期中討論這個問題的也有不少,讀者可自行參考之。至於分音器的設計,羅哲將另以專文討論。
一個餿主意
老實說,用同樣的單體,可以做出各種不同風格不同音色的揚聲系統,分音器的設計、木箱的設計扮演了極重要的角色。羅哲在此的示範,只是一個很平實的考慮的設計例子,是不是符合大多數國人的口味,則還是個問題。因而在此建議凱昕公司,以懸賞方式徵求設計,參加者以購用凱昕公司所代理的SCAN 2-WAY單體自行設計,擇一日期攜帶完成系統,至凱昕公司參加比賽。以Screened-Panel Teat方式,由參加者投票選出公認最佳的設計,由凱昕公司按此設計製成套件供應讀者。入選者的酬勞,則是償回其所購買單體的費用。所謂Screened-Panel Teat,就是以布幕掩蔽揚聲系統,以免試聽者有心理上的偏好,尤其是對於投票者就是參加比賽者,這種方法應該是比較公平而可行的。Panel Teat,則是由多數人投票公審的方式,應該是比較客觀的。
這個建議,凱昕公司初步同意,羅哲更希望音響技術的唐兄能加以贊助,或做技術方面的指導。假如各方面能配合的話,那就太值得興奮了,有意參加的讀者,不妨注意凱昕公司近期的廣告,或許會有具體的參加辦法出現。
轉載音響技術第52期APR. 1980 SCAN 單體兩音路的設計/羅 哲
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