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  Biamplification可解釋成二路放大或多路放大,它的意義就是藉由使用二個以上的放大器來改善整體系統音質的一種技巧,也就是我們今日所說的「電子分音」。以往傳統的Hi-Fi音響系統,都是用一個前置放大器、一個功率放大器來推動一對喇叭,如圖一A;喇叭的分頻網路是由電阻、電容、電感等被動元件(Passive element)所組成,我們稱之為被動式分頻網路(Passive crossover network);而且分頻網路是置於功率放大器與喇叭單體之間。它的缺點是:體積大、性能不易控制、消耗功率、元件不易獲得等。

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現在要與各位談的是「電子分音系統」,如圖一B,整個系統仍由一個前置、分頻網路,及功率放大器所組成,所不同的是分頻網路是置於前置放大器與功率放大器之間,而且此分頻網路是主動式分頻網路(Active crossover network),功率放大器也不只用一個,如果你的喇叭是二音路,則用兩個功率放大器,三音路則用3個。這裡我們談到「主動式」與「被動式」,其實這只是所用元件不同,也就是說用主動元件,如電晶體、運算放大器等構成的網路,我們就稱之為主動網路;用電阻、電容、電感等被動元件構成的網路,我們稱之為被動網路;當然主動式尚含有增益的可變等含義。

  在立體音響系統尚未普遍之時,電子分音系統就以風光過一陣子,不過也僅止於一陣子而已。30年代好萊塢歌劇院首度使用它,到50年代,它還是很流行,一直到立體聲音響系統出現後,它才慢慢在市場上消失。而現在電子分音又活躍起來了,燒友們愈來愈多人用它,就是我們將要談的副低音喇叭(subwoofer)也與它有關(註:就我想30年代時biamplification可能不稱為電子分音,而且它那時也僅運用於單聲系統而已)。

  電子分音系統究竟有什麼好處呢?它使得功率擴大機對喇叭的控制能力增強,使系統的動態範圍增廣。舉個淺顯的例子來說,一個承受功率100W的低音喇叭,與一個承受功率25W的高音喇叭,假如依照一般傳統式的組合,它承受的最大功率大約為100W,也就是說它最大只能處理100W的訊號;如果把它接成電子分音式系統,它處理訊號的能力便可達到125W。假如你有一對承受功率75W的喇叭,再加上一個承受功率150W的副低音喇叭,那麼它便可發出225W那樣大的聲音。

  主動式分頻網路沒有傳統被動式分頻網路的缺點,實際上說來,喇叭的阻抗並非一個常數,而是隨著頻率的變化而變化的。傳統是分音網路由電阻、電容、電感所組成,電感、電容的阻抗、也會隨頻率、溫度、濕度、使用時間等因素而產生變化,這些問題在主動分頻網路裡,所造成的影響比較小,而不會影響到分頻網路的性能。

  用電子分音系統,不僅失真低,實際上音質也會獲得很大的改善,對於一定的聲音水平,電子分音系統所須付出的功率較低,所以失真也較低,不僅對功率放大器是如此,對喇叭來說也是如此。在低音部分,訊號常常會產生瞬間截割,如果我們把高音部份與低音部分分別送入各自的功率擴大機,將能使低音的瞬態截割不至於損壞高音喇叭。

  電子分音系統中的副低音喇叭其分頻點都定在100~200Hz之間,這樣對於整個系統來說是比較恰當的。都卜勒(Doppler)失真(又稱為頻率調變失真)在喇叭紙盆追體運動小於4mm時是聽不見的,如此劇烈的衝程僅會發生於極低頻,因此我們把這些極低頻與其他頻率分開,這樣都卜勒失真便可消除,其他型式的互調失真也會減少。

  許多專家都一致認為300Hz以下的音調是無方向性的,我們把分頻點定得比300Hz還要低,便能使副低音喇叭方向性問題得以解決,如此一來,我們只要使用一支副低音喇叭便足夠了,不但經濟,又節省空間。但是又有人認為還是使用一對副低音喇叭,效果才會好,立體音像也較明顯,但是用一對副低音喇叭不但費錢,也容易產生共振問題,如何取捨,悉聽尊便,不過我倒是認為用一支副低音喇叭效果就已經相當不錯了,還是省點能源吧!

  如果你現有的喇叭是書架式或迷你型,那麼是有必要再加個副低音喇叭,對於整個音域的表現來說,這樣的系統算是比較完整的,你會發覺音場感和瞬態響應都改善了許多。但是話又說回來,一般的附低音喇叭都是相當巨大而笨重的,擺設起來也比較佔空間,也有的副低音喇叭做得很小,但就物理特性來說,喇叭只盆直徑愈大,低頻響應就愈好,所以想效果好一點,還是用大一點的,不聽時還可當桌子用呢!

  電子分音也有許多麻煩的地方,它須用多個功率放大器,如此一來費用就多了些,下面我們將會對它有所描述,並提供一些資料給你,也會提供一個實驗的線路,供業餘愛好者做參考。

選擇分頻點

  決定分頻點有兩個重要的因素,一是副低音喇叭擺設的位置,一是衛星喇叭的共振頻率,假如分頻點的頻率太高,副低音喇叭發出來的聲音就好比獨立的音源一般,方向性就很明顯。要消除副低音喇叭的方向性,分頻點就不能定得太高,如果你用的分頻網路是二級(Second Order)的,其衰減率為12dB/octave,則分頻點不能高於80Hz;如果用的是三級(Third Order)網路,其衰減率為18dB/octave,則分頻點不能高於120Hz。假如副低音喇叭是置於兩支衛星喇叭之間,而且和你最佳的聆聽位置大約等距的話,用較高的分頻點也是可以的。大致來說,分頻點之取決在於能使整個系統的頻率響應能表現得最好,相位失真最小。也有一些市售的成品,其分頻網路是二級的,而其分頻點却用到180Hz之高,除非你不在意輕微的立體分離度失真,否則少用為妙。等下在後面我會推薦一個性能優良的三級分頻網路給你做個參考。

  衛星喇叭的低頻響應也不能太差,最好和副低音喇叭的頻率範圍有所相交,如此,發生在共振頻率附近的相位移與響應尖峰,才不會影響到整體系統的頻率響應。對於氣墊式喇叭來說,其頻率響應的-3dB點至少要低於分頻點頻率一個八度音程(octave),而低音反射式喇叭就需要稍大的餘裕,大約1½個八度音程,才能避免相位移產生。一般衛星喇叭與副低音喇叭所組合成的系統,我們把分頻點定於80Hz,整個系統的低音聽起來便已非常良好,如果是迷你型喇叭則把分頻點定於160Hz,書架型則定於110Hz處,把交越頻率定得較高,等於把較吃力的低頻部分都交給副低音喇叭處理,衛星喇叭本身就可少負點責任。

  副低音喇叭的效率不見得與衛星喇叭的效率相同,所以它的增益必須加以調整,使得整體的效率相同,這樣音樂聽起來才不會怪怪的。大部分市售的電子分音器,都有增益可調之功能,這點不成問題,只是調整時如果沒有儀器的話(一般人皆如此),只有借你的「金耳朵」與你聆聽音樂的經驗了。還有副低音喇叭間的相位問題也須加以注意,一些功率放大器是反相型,一些則是同相型,必須在使用前先分辨清楚,如果相位接反了,只要把喇叭線對調一下便可以(正負對調)。

  用了電子分音系統後,你將會覺得你的音響系統性能改善很多,聲音更純淨、立體音像更實在,整個音場不論前後左右都很有充實感。假如你是第一次使用副低音喇叭,可能會遇到一些不尋常的問題,例如唱盤的避震不夠好,所引發的回饋吼聲問題,所以首先你的唱盤避震系統一定要好,絕對不可將唱盤置於喇叭箱上,並且避免正對副低音喇叭,最好是將唱盤獨自置於一個牢固的台子上面,另外把副低音喇叭遠離牆壁也會減輕唱盤的低頻回授。一般我們都避免把副低音喇叭放在牆角,也儘量讓副低音喇叭別太靠近牆壁,最好有一、二步的距離,以避免此類的共振,而且由於低頻的波長大,很容易與聆聽環境造成共振而形成活點或死點,最好將副低音喇叭的位置,多試幾個位置,直到最滿意為止。

  說了一大堆,相信你對副低音喇叭已經有所概念,下面我們來談談電子分頻網路。

傳統濾波器與主動濾波器

  任何一個分頻網路都是由濾波器所組成,最常用的基本濾波器有兩種:低通濾波器與高通濾波器。由字義上看來,高通濾波器便是讓高頻通過,而將低頻截止;低通濾波器便是讓低頻通過而將高頻截止。濾波器的頻率截止點就是它響應下降-3dB的那一點,有時也稱為半功率點。傳統式喇叭系統用的是被動分頻網路較笨重,性能較不易控制,且消耗功率較大,而電子分音系統則沒有這些缺點。

  濾波器的響應跟它的級數也有關係,級數愈高則衰減率愈大,但是級數高,截止點附近的相位移也愈大。一級網路算是最簡單了,通常由一個電阻、電容或一個電阻、一個電感所組成,其衰減率為6dB/octave;二級的衰減率則為12dB/octave,三級則為18dB/octave,其餘則依此類推。一般喇叭的分音系統常用一級或二級的,當然級數高性能好,可是性能也會變得難以控制,圖二為部分濾波器的頻率響應圖形。

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另一個影響頻率響應的因素便是Q值,Q值為濾波器電抗與阻抗的比值,Q值決定了截止頻率附近的衰減率、整個響應的平滑程度,和相位移的線性(在此Q=1/d);Butterworth濾波器(二級的d=1.414)在所有的濾波器組合中具有最平坦的頻率響應。

主動濾波器的電路分析

  被動濾波器由電感或電容組成,主動濾波器則由運算放大器與FET來取代電感的作用。單增益Sallen-key電路算是很普遍的一種,我們常用它來組成二級或三級網路,見圖三

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像這類的高通濾波器與低通濾波器組合起來使成為主動濾波器,其分頻點頻率的精確度,由R、C值的精榷度來決定,一般低誤差的電容比較難找,你如果有電容表,不妨在J級裡面多花些時間去挑選。二級網路,其高通與低通的輸出恰好是反相的,會導致訊號的對消,我們常把高通輸出訊號加以反相來解決這個問題,但是這樣做,仍然存在著一些相位上的問題。

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  有一種電路可以避免此類問題,那就是狀態變數濾波器(state-variable filter),其架構見圖四,它的作用就如同一個類比計算器一般能「計算」出我們所需的響應,這裡所謂的「計算」便是經由不同的組合技巧,來達到我們所需要的響應。狀態濾波器不會像Sallen-key濾波器那樣敏感,元件值變動時,響應變化很大。但是它也有缺點,當電源開或關的瞬間,它會很不穩定,直到一段時間才穩定下來,這樣可能會產生暫態「擾動」(thump),對整個系統來講是很不利的。我們可以在其輸出端加一個延時電路(Delay Circuit),延遲的時間大於電路不穩定的時間,且在電源關掉時能很迅速的把濾波器的輸出與系統隔離,如此就可解決此類問題。

  最近我發現有一種由微分(differential)濾波器組成單一低通(或高通)濾波器的一種技巧,它的互補響應是將原來的訊號減去濾波器的輸出訊號。假如一個系統的驅動器是正確的組合,理論上來說,濾波器的頻率響應在它的頻帶寬內應是毫無相位移,且暫態響應也非常良好。主動式微分分頻網路,在一多反射的聽音環境(一般家庭都如此)能提供比傳統分頻網路更均勻的響應,經我實驗的結果,微分分頻網路在110Hz時工作最適宜,我沒有再試試更高的頻率,但是從一般市售產品的評論看來,微分分頻網路在更高的分頻點也能工作得很好。

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電路分析

  圖五是整個主動濾波器的完整電路,IC1A把輸入訊號加以反相,IC1B組成二級低通濾波器,R1提供了IC1B直流偏壓,R4 R5 C1A C1B C2等元件值使截止頻率為112Hz,如果把R4 R5換成150KΩ,則截止頻率將變成75Hz,如果把IC1B和它的相關元件用圖六的電路代替,我們將可得到一個三級濾波器。

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圖六提供了兩組元件值,其截止頻率分別為160Hz與106Hz。IC2A是一個反相的加算放大器,C5的作用是隔離任何由輸出端來的直流偏置電壓(DC offset voltage),P1用來調整輸出的大小,另外一聲道則與此聲道完全相同。

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  如果你打算就此打住,且從IC1B與IC1D之輸出端取出低通的訊號也未嘗不可;如果你只有一個副低音喇叭,把兩聲道的低音(bass)訊號綜合起來是有必要的,IC2C就是擔任此項工作,就算你用兩個副低音喇叭,這種做法也是有它的益處的。反相訊號將會被去掉,同相訊號絲毫不會受到影響。因為這些頻率接低於150Hz,皆不具方向性,對於音響系統的立體分離度絲毫無影響,在低頻的反相訊號(out of phase)通常都是雜音,諸如唱盤的轆聲與唱片不平所發出的隆隆聲等。

  附低音喇叭通常都需要一個次音頻(subsonic)濾波器,以避免喇叭的紙盆過度的運動,我們用IC2D、IC3A、IC2B、IC3C來擔任此項工作,它們組成一個橢圓形濾波器,把極低頻濾除。狀態變數濾波器的高通輸出與一部分的低通輸出,由IC3C加以相加,由於相位的不同在一特殊的頻率會造成一個響應零點,調整P3,響應零點在跟著變動,阻值最大的時候,零點頻率為2.6Hz,阻值最小時零點頻率為12.8Hz,高於零點不論二級或三級的衰減率都比一般濾波器來得大,低於零點,響應將會有某一程度的回昇。但回昇至一個峯值之後,即隨頻率的增加而衰減,假如零點頻率為10Hz,則大於零點頻率之衰減率為10dB/octave,如果零點頻率為2.6Hz則是20dB/octave,至於其相位和暫態響應則與一般二級濾波器相同。

  我建議你最好把P3置於阻值最大的位置,以增大零點頻率,除非次音頻濾波器有問題(如果把P3與R30省略,則與普通二級高通濾波器一樣)。次音頻濾波器的截止頻率由R25 R24設定,當R24 R25同為82KΩ時,截止頻率為19Hz,同為39KΩ時則為16Hz。IC3C、IC3D皆為反相放大器,經由P4調整輸出的大小。C9為無極性電解電容,容量為10μF,有些發燒友主張交連電容最好用聚丙烯電容或銀雲母質電容,這樣對音質會有相當程度的改善,但此類電容却難找,是否值得,就見仁見智。由於整個電路的元件值有很大的選擇餘裕,所以我並不打算列一張零件表出來,系統的電源供應系統見圖七,元件都列在圖上,照單採購即可。

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  副低音喇叭似乎是愈來愈流行,事實上也是有它的優點,怎樣!有興趣嗎?下回再與您談談增強低音效果的各種方法,並且為您介紹一種又便宜、效果又好的線路。下期再會。

轉載音響技術第83期NOV. 1982 電子分音與副低音喇叭/徐正國譯自AUDIO/1982年8月號,原作者RICHARD J. KAUFMAN/

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