多年來喇叭工程師們試圖突破的問題是低頻響應、音箱體積和效率的三角關係。若要延伸的低頻響應,而音箱體積又不要太大,其效率必然低。

  效率這項規格是低音單體本身的特性,若我們選定某型的低音單體,不管我們用甚麼音箱設計(密閉氣墊式、低音反射式、或傳輸線式),效率都是一樣的。當然,低頻響應的延伸結果各類音箱都不同,但體積亦會隨低頻響應而異(見例一)。

  我們若要好的低頻響應,必選自由諧振頻率fs低的單體;循性CMS亦高。我們也要適度的音箱容積,QTS就不能太高,但太低的QTS對低頻響應也會有所不利。VAS也不能太高,因為VAS和音箱容積有直接的關係。VAS是循性CMS和有效輻射面積SD所決定的,所以若要適度的VAS,循性又不能低,輻射面積則必須減少。讀者們從下式中可容易地看出VAS、CMS和SD的關係:

  VAS=CMSρoC²SD²=1.424x10CMSSD²(liters)

   ρo=空氣密度=1.21kg/m³

   C=音速=343m/sec

  上列的各項要求(低fs、中等QTS、低VAS)只有小口徑、長衝程、高循性的單體能勝任。 像Philips AD70655/W8 6½吋低音單體能在26公升的小B4反射音箱內達到32Hz(-3dB)的優異表現,就是很好的例子。可惜的是,此單體的效率甚低,中音響應亦不理想,只能拿來做電子分音的副低音喇叭用。

  小口徑、高循性的單體在開口反射式的音箱內雖可達到很好的低頻響應,在Helmholtz諧振頻率fB以下振膜很容易受唱片不平和唱盤轆聲刺激而大幅地抖動。氣墊式音箱內的密封空氣有效地控制此類抖動,反射式的就沒有這個好處,一般使用必須加上副低頻濾波器(subsonic filter)。但通常的subsonic響應,QTS大於0.312則是Chebyshev響應,在低頻端滑落前有兩個小峯,Ripple欄列出小峯的高度。若QTS小於0.312,則是平坦的Sub-Chebyshev響應。圖三是這些響應的形狀。

  Helmholtz諧振頻率fB決定了反射管道的規格。計算反射管道的公式與四階式的相同。我們可選擇一個方便的口徑,用此公式求出所需的長度:

  Lv=(1.463x10˙r²/fB²˙VAB)-1.463r

  上式中式Lv是管道的長度(吋)、r是開口內半徑(吋)、VAB是音箱容積(立方吋)。我們若用公制單位,Lv(公分)、r(公分)、VAB(公升),上式則變成:

  Lv=(9.439x10˙r²/fB²˙VAB)-1.463r

  主動濾波器可照圖二線路製作。調整的手續是輸入1V RMS於faux頻率的正弦波,測量濾波器輸出電壓,調整Q-adj電位器直到輸出電壓達到表一Vout欄之值為止。濾波器通常使用是插在前級和後級擴大機之間。但是若所用的是分不開的綜合和擴大機或收音擴大機,插在錄音監聽迴路(tape-monitor loop)亦可。

  例二至例五皆是六階系統設計的實例,讀者們不妨參考。注意音箱除了反射管之外不得有任何漏氣現象,否則結果將與原設計有很大的出入。特別小心的地方是音箱各壁的接合處、低音單體的邊緣、接線端子和反射管接縫,都應用矽膠(silicon sealer)封死。許多單體的防塵是布質的會漏氣(如Audax的低中音bextrene盆單體皆是,應用樹脂塗上密封。單體的fs、Qrs,和VAS值都應實際量得,不要直接採用廠商公佈的規格。測量的方法本刊以前的「音響小實驗」諸文曾詳細說明;Speaker Builder季刊1/82期亦有一篇有關Thiele-Small六階系統的專文,請參考。

  低音單體的選擇,應以低fs、長衝程、中Qrs值、小口徑、高承受功率為主。振膜最好是厚的紙盆,若分頻點在500Hz以上,則應用bexterene或polypropylene振膜的。懸掛邊緣(surround)應選用butyl rubber橡皮或PVC膠質的,而避免採用泡棉或布質的。像Philips AD-70655/W8、KEF B139、Audax HD21B37R2C12和Audax HD24B45都是很好的選擇。

  使用的功率擴大機應有足夠的輸出功率寬域來應付濾波器於faux的大幅提升(尤其是若低音單體的Qrs高於0.32)。輸出不足的擴大機很容易被6dB以上的提升使其產生削峯(clipping)現象。擴大機的阻尼因素應該高(輸出內阻趨近於0),喇叭線也應用低阻抗的粗線,因為即使小於零點幾的阻抗都會改變低音單體的電氣Q(QES),進而改變重要的Qrs值,使得設計與實際完全不符。若用不是電子的分音,分頻網路的電感也應用粗線來繞,以避免電感的直流電阻造成問題。萬一電感的電阻過高,喇叭線不夠粗,擴大機的輸出內阻又不夠低時,我們就應該算出新的喇叭Q值Qr以代替原有的Qrs值,重新利用表一算出新的設計值。Qr的計算公式為:

  Qr=(QMS˙Q'ES)/(QMS+Q'ES)

  Q'ES是加上新阻抗厚的電氣Q值,可用下式算出:

  Q'ES=QES[(Rscc+Rg+Rx)/Rscc]

  QES是原有的單體電氣Q值,Rscc是單體音圈的DC電阻,Rg是喇叭線阻抗和分頻電感阻抗之和。若Rg不知道,可用此式算得:

  Rg=(8/D. F.)

  D. F.式擴大機在低頻的阻尼因數。

設計實例

[例一]我們若用KEF B139-SP1044單體,其Thiele-Small規格為

  Thiele-Small規格為

  QTS=0.37、 VAS=164l、fs=25Hz

  (氣墊式設計) (二階,QTC=0.707)

  VAB=61.9l

  f3=40.6Hz

  fc=47.8Hz

  (反射式設計) (四階,QL=7)

  VAB=110l

  f3=29.1Hz

  fB=27.1Hz

  很明顯地,在效率不變的情況下(單體相同),反射式雖比氣墊式低頻響應好,其音箱體積也必須大許多。若我們能找到一個單體其f3值與KEF B139一樣,卻只需要很小的音箱的話,其效率必比B139低。

[例二]單體:KEF B139-SP1044 (13吋x9吋)

  (六階設計) (QL=7)

  Ripple=0.007482dB

  VAB=118.9l

  fB=22.1Hz

  f2=15.7Hz

  faux=16.1Hz

  Qaux=3.252

  Peak at faux=10.33dB

  Vout for 1V in=3.29V

  我們發現,用KEF B139於六階設計,內容積只增加少許(110l至119l),效率不變,低頻響應卻由29Hz降至16Hz。

[例三]單體:Philips AD70655/W8(6½吋)

  (fs=32Hz,QTS=0.41, VAS=23.6l)

  (六階設計) (QL=7)

  Ripple=0.063142dB

  fB=26.9Hz

  VAB=23.09l

  faux=18.9Hz

  f3=18.3Hz

  Qaux=4.199

  Peak at faux=12.48dB

  Vout for 1V in=4.21V

[例四]單體:Audax HD21B37R2C12(8吋)

  (fs=23.7Hz、QTS=0.36、VAS=110.3l)

  (六階設計) (QL=7)

  Ripple=0.003114dB

  VAB=73.64l

  fB=22.4Hz

  f2=17.8Hz

  faux=18.1Hz

  Qaux=3.017

  Peak at faux=9.70dB

  Vout for 1V in=3.06V

[例五]單體:Audax HD24B45(10吋)

  (fs=23Hz,QTS=0.31,VAS=214.3l)

  (六階設計) (QL=7)

  Ripple=0dB

  VAB=92.68l

  f3=31.0Hz

  fB=23.3Hz

  faux=29.8Hz

  Qaux=1.883

  Peak at faux=5.79dB

  Vout for 1V in=1.95V

  這些設計例都是採用廠方公布的單體規格。讀者們若欲使用這些單體應實際測量這些規格再用量得的實際規格重新計算。

轉載音響技術第86期FEB. 1983 甘棣見聞─副低音喇叭木箱設計/甘棣

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