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  提起QUAD,沒有人不知道它是以生產電容式揚聲器著名(ESL=Electro Static Loudspeaker,靜電式喇叭,為電容式喇叭之一種)。QUAD與ESL喇叭之關係甚為深遠,第一對ESL喇叭在距今26年前的1955年問世(當時公司名為Acoustical Manufacturing Co.,),此後該公司就未曾設計過其他型式的喇叭,只將ESL不斷的研究和改良。至今為止,雖然也有其他廠商在生產靜電式喇叭,然而持續26年長期的研究開發ESL的廠商,除了QUAD之外恐怕難找到第二家了。

  ESL的原設計者Peter J. Walker是目前QUAD公司的老闆,該公司的其他產品(像Tuner、Amp等)也多出自他的手筆,而在所有喇叭系統中唯獨對ESL傾心研究,也實在是耐人尋味的事。這回正式推出ESL-63靜電式喇叭,從著手開發到製成產品,實際上共耗去了18年之久(註:ESL-63於1963年開始開發),以現今音響界唯利是圖的現實眼光來看,花那麼多的精神與長時間去開發一種產品,Peter Walker是過分慎重了,但以喇叭在音響系統中所擔任的角色來講,他相信有很多理由可以證明ESL的效果已幾近於理想揚聲器了。

  喇叭為了發聲,一定要有振膜,而且它必須儘可能的輕,才能跟隨電氣訊號的變化而振動,再者振膜既然必須振動對空氣具有足夠的壓力才行,換句話說,振膜本身也該具有相當的機械強度才行,如果強度不夠,空氣就不能完全跟著振膜的運動而壓縮,那麼就得不到所需的音壓了,這種既要輕又要具有相當機械強度的物質哪裡去找呢?事實上這兩個條件本身就是相互矛盾的,輕的東西必然機械例就比較弱,兩者是難以並存的。是以,若說揚聲器的歷史就是在解決振膜質量與機械強度間的矛盾現象,也實在不為過。所以如果這個問題能獲得解決,也就能達到理想揚聲器的境界了。

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  ESL在構造上算是把上述問題解決了,由於ESL的動作原理,對振膜的驅動力是全面而平均的(原理後有詳述),因此在此種喇叭中所用的振膜之機械強度的要求就不必太顧慮了,所以可以使用既薄且輕的振膜而不會發生強度上的問題。尤有進者這種質量與空氣質量相近的薄膜,適用某種驅動技巧,可以對空氣產生很大的驅動,幾乎可達於理論上可能得到的最大音壓,這是一般動圈型喇叭所難以望其項背的。或許這就是Peter Walker願意花掉一生中的大半時間去研究ESL的原因。

  然而理論與實際之間仍有少許距離,雖然人們總是朝著理論上的最佳情況去努力,總有某些困難存在,ESL自然也不例外,但至少ESL是已經把動圈式喇叭所存在的大部分問題都解決了。ESL喇叭的使用和研究,都不像動圈式那麼普遍,因此要從實際使用中去吸取經驗而加以改善性能,或從研究報告中去了解理論與實際的差距,再再都比動圈式喇叭要難的多,這就是為何ESL喇叭經過那麼久的時間才再跨出一步的道理。

ESL 的動作原理

  靜電式喇叭又稱電容式喇叭,其原理早為人所知,它與理想揚聲器的動作十分相近也是眾所週知的,但是揚聲器製造者多認為要將該原理實用化,仍有許多困難的問題不易解決,很難成為一種產品而不予重視。

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  ESL如何解決動圈式喇叭存在的困難,而達成理論與實際一致的實用化程度,從其動作原理去理解是比較容易的。圖1中所示為其構造的簡化圖,它由三塊面積一樣距離很靠近的電極構成,中間電極世紀伯且輕的發聲振膜,兩旁的電極是固定的,但為了使振膜能有效的壓縮空氣,並將聲音傳送出去,固定電極上開有許多小孔。兩固定電極對振膜之間通以極高的直流電壓,形成一固靜電場(由於這個構造就像個電容器,所以也稱電容式喇叭)。靜態時,兩固定電極對振膜的電場強度是一樣的,所以沒有作用力產生,若在振膜與兩固定電極間加上相位相反的音頻訊號電壓m如圖1中所示,則兩固定電極對振膜的電場會起變化而產生不同的作用力。實用上音頻訊號必須與高壓電源絕緣,而且訊號源也只有一個,因此將成為圖2所示,以變壓器將音頻訊號交連過去,一方面可以作電氣絕緣,另一方面正好可以取得倒相的訊號。當音頻訊號如圖2所示時,右邊電極(固定電極B)因為加上了電壓而抵銷掉部分的高壓減少了靜電力,換句話說,減少了對振膜的吸力,而左邊電極(電極A)因為加上了電壓而增加對振膜的吸力,於是振膜在這一瞬間往左邊運動,產生對空氣的壓縮。同此理,音頻訊號之內容變化時,振膜將隨著訊號電壓大小和頻率的變化,而相應的產生振動並發出聲音。由於三個電極的面積都一樣大,而且距離十分靠近,振膜的上下兩端也固定,在高壓所產生的強電場下,固定電極能對振膜「全體」施以極大的引力,這是ESL原理得以實用化的重要因素之一,因此,即使振膜電極是薄而輕的薄膜,也不會喪失驅動力,反而能得到更快速反應的優點。

  一般動圈式喇叭,其驅動力是施加於音圈(Voice Coil),相當於一點施力,因此如果振膜的質量過輕,在振膜愈靠近邊緣處將會有驅動力不足的現象(運動的慣性定律使然),而使紙盆(即振膜)變形,產生失真的聲音,更談不上高效率的聲音傳動了。欲增加動圈式振膜的機械強度以減少失真,只有增加其質量一途,這又使它喪失了高速振動的能力了,而即使它能夠追隨高頻率音頻訊號的振動,也會由於慣性質量變大而大大降低了輻射效率。所以目前使用的動圈式喇叭,要想得到較佳的效果,唯有走上3路或4路的多路系統,每個頻段的喇叭單體,可以針對該頻段的特性來設計振膜。譬如說低音單體,它的工作頻率並不高,而又需要較大的驅動力,紙盆的質量就可稍大些,以獲取較好的機械力;而高音單體的要求是能跟隨快速的振動,卻不需太大的機械強度,紙盆就能設計得小而輕。各個單體工作在特定的頻段,在全頻段內就可得到平坦的聲頻再生。

  從上述的觀點來比較ESL喇叭,由於其振膜電極是輕而且薄的,驅動力又是平均的施加在振膜的全面積,所以即使是本身不具很大的機械力,也能由強電場的作用力對空氣產生足夠的驅動力,它只需一枚振膜就能涵蓋全音域動作的要求,所以ESL在原理的本質上就是一種最理想的全音域喇叭單體,不管是在動態範圍或過渡特性上都是十分優異的。

ESL 面臨的問題

  天底下沒有十全十美的東西,缺點通常伴隨著優點而生,ESL要達成實用化前非得先於克服的種種問題中,首先遭遇的是「耐壓」問題。由於它是靠強電場對由振膜作成的電極產生作用力而發聲的,要獲得強大而均一的靜電力作用在振膜上,必須先供以夠高的偏壓才行,這麼一來,用以驅動的音頻電壓也要相當高,才能有效的變化偏壓(高壓電壓)而產生推力或吸力。電極間通以高壓時就產生了「高壓放電」的問題由於三片電極間是充滿空氣的,過高的電壓將會使空氣電離,而使得火花飛濺於電極間,火花現象相當於瞬間猛烈放電的結果,其本身具有很高的溫度,換句話說,一旦火花放電就會把薄膜(振膜)燒得千瘡百孔,燒掉的部分變成碳化物佔據在振膜上,使得電場的作用力不能全面均一。所以以前ESL的音質雖然很好,但欲得極大動態範圍尚有困難,不適用在大音量的情況下,唯有耐壓的問題進一步的解決,才能再擴展其動態範圍。

  與耐壓問題相關連的是電極間的距離大小,振膜與固定電極間存在有高壓,音頻訊號輸入時與這高壓相加減而產生變化的作用力,以ESL-63為例,偏壓用的高壓高達5250V,而驅動的音頻訊號經昇壓變壓器提升到數千V,兩者重疊之後,電極瞬時間的高壓將超過一萬V以上。這些電極的間距若夠寬的話,耐壓問題的解決就比較容易但是振膜受固定電極靜電場的變化所產生的「庫倫力」的是與距離的平方成反比,亦即距離愈大,作用力愈弱。所以電極的間距愈大,耐壓是可以提高,但最重要的驅動力確減少了,成為低效率的喇叭單體。

  一般金屬電極相對置於空氣中時,1mm的距離耐壓約為數千V左右,在電極間加上不同介質之後,耐壓強度會有所變化。在ESL-63中,固定電極與振膜間的距離是2.2mm,若非已研究出全新的增加耐壓之方法,控怕還是難有今日之實用階段。

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  再一個問題是關於振膜物理位置的正確性,電極間的距離應該保持全面的等距,當振膜往任一邊偏離時,由於振膜邊緣為固定,所以作用力相當於施加在振膜的正中央(圖3左圖所示),當訊號電壓回至零點時,振膜才會回復原狀,否則將如圖3又所示的由於施力時不是正對其中心,回復時振膜會成為波浪狀,而產生失真的聲音。更具體的說,振膜除了位置要正確之外,其張力也要恰到好處,才能使張弛的動作迅速而確實。與此問題有關的,是振膜的材質,它不但要能承受某種程度的張力,本身的彈性也要好,同時材質的特性不會因時間或環境因素而變化,彈力也不會因反覆的縮張而疲乏,才能使用在ESL喇叭中。再者,在高壓動作下,考慮萬一有難以預測跳火花的情況時,其耐高溫特性的要求也應非常嚴格。除此而外,還要輕而且薄,這樣的材料在製造上,是可想而知的何等困難了。

ESL-63 解決上述問題的方法

  ESL-63是如何的把上述問題一一解決,而達到幾近理想揚聲器的效果,只要從其構造的細部逐一去觀察便能理解,從這些構造中的了解,愈發令人覺得Peter Walker確是位令人佩服的天才。

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  解決耐壓的問題,是使電極不要與空氣直接接觸,而是以絕緣物質置於其間,達到提高耐壓的目的。如圖4所示,實際的固定電極板的構造,是由特殊的Plastic材料作成,厚度約為0.5mm,外側貼以銅箔作為電極,這麼一來,固定電極與振膜間相當於隔了一層Plastic,耐壓自然提高了。整個固定電極上開有小孔,小孔面積約佔全面積70%,作為聲音的通路。電極厚僅0.5mm的理由是:聲音由小孔穿透時會有阻力,愈薄則阻力愈小,可減少無謂的損失。兩固定電極外側尚有兩個無諧振現象的柵板,作為固定三片電極的支持物,圖5示出整個構造的剖面圖,固定電極與振膜間各相距2.2mm,振膜是固定在方框上,固定電極則由兩片柵板夾住,柵板上共有三個螺絲穿透,將整個結構固定住。

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  ESL-63的固定電極構造,靠著特殊Plastic(屬有機物)為介質,相當於電極表面保持著絕緣狀態,是以能在僅有2.2mm的距離而具有1萬V的耐壓,說明起來似乎簡單,但當初要研究出這麼安定的材料不知要多少經驗來累積。特別是振膜電極表面導電物的塗佈,需要相當長的時間才能完成,因為振膜本身是由厚僅3μm的聚乙酯膜(Polyestere)材料所做成的。

保持振膜強大張力的妙法

  第二個問題是關於振膜的張力,在ESL中也用很技巧的方法解決了,從前面的照片中可看出整個振膜是由四片來組成的,相當於振膜的面積變小,則機械強度相對的加大。在動圈式揚聲器中欲使低頻段獲得高效率的聲能輻射,必須加大其口徑(亦即加大振膜面積),ESL中也是一樣的,但是以單一枚極薄而面積大的振膜來講,其張力是必要十分強才能得到足夠的振膜機械力,導致振膜的材料本身即必須具有很強的機械力才實用,如果張力超過材料本身的彈性限度,則振膜的動作將會進入非線性區而產生失真。

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  將振膜的張力限制在彈性限度內,會令其動作較為安定,所以把全部面積的振膜分成四片並排(圖6所示)每片都工作在直線性區域,合成之後的效果仍與一整片一樣。然而ESL-63的分剖法與前一型的ESL分割法却不同,過去的分割法是縱向的分成三片,左右各是低頻單元,中央為中高音單元,構成三路的系統;而ESL-63中是橫向成四片,每片都是全音域的單體,使全體的響應更趨一致。然而更絕的設計還在後頭,原來音頻訊號從音源發出時,中頻以上的頻段若是球面波的傳送,則音像的定位能更趨明確,更近於現場感,而ESL-63正是有這項新奇獨特的絕妙設計。

  舊型的ESL在實際聆聽試驗時,總覺得定位感與傳統式喇叭大異其趣,考其原因,原來大面積的平面震動所發出的聲波,是近於平面波,於立體聲重播中難以產生明確的音像,參看圖7所示,ESL發出的音波是大面積振動的結果,其波面的曲率半徑較大,實際聆聽時感覺音像的位置是在球面波的焦點(即圓心)處,顯得音像距聆聽位置十分遠。圖7的下圖是動圈喇叭的情況,其振膜面積小,相當於是點音源,則發出的音波呈球面狀,音像似乎就在喇叭後面了。

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  為了改善定位感,在ESL-63的平面振膜上給予巧妙的安排,而產生類似點音源所發出的球面波。方法是像圖8,將全部的固定電極以同心圓狀的分成八個區域,內側的固定電極亦然,從內圓為起點,每個電極區域間串入延時電路(見圖9),則在音頻訊號輸入時,與高壓偏壓串疊的訊號電壓是從內圓向外按序加入的,相當於作用在振膜的靜電力是由圓內向外擴展的,如圖10所示,好像石頭投入水中,水面形成的波動,形成近似點音源產生的球面音波。

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  延遲線是利用線圈的感量L與振膜和電極間的電容量C形成的,由於這兩元件對高頻訊號的通過會有少許的延遲,每段的延遲時間為24μS,七段總合為168μS的時間延遲。由於延遲線的作用,使得愈往外時高頻成分略有衰減,然而愈往外時相應的固定電極面積愈大,正好成為自然的分頻網路,真是天衣無縫的設計。全部的延遲時間為168μS,相當於具有球面波效果的音頻訊號從大約1KHz至6KHz的中高音域。前曾言及中高音域是人耳辨識其方向性最敏感的頻帶,音源中若只含有純粹的高頻或低域訊號,是很難分辨出其方向性的。所以在ESL-63中,把中高音域設計成球面波的效果,聽感上變得更為自然。ESL-63的中高頻段球面波既然是「製造」出來的,那麼音源焦點自然不會是在喇叭本體上,而是在喇叭後方約30公分處(見圖11)。因此在室內擺設時必須注意到若為背壁而放,則至少必須與牆面距30公分以上才能發揮其效果,而喇叭的中心位置,必須為聆聽者耳朵的高度以上才好。

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電子電路部份

  ESL-63的電子電路部份位於喇叭本體的下方,成為它的底座,這部分中容納了所必須的所有電路,而這些電路也都是經過審慎設計和改進的結果,譬如高電壓的穩壓裝置,使得加在電極間有很穩定的電壓;輸入音頻訊號的昇壓裝置,它能將音頻電壓提升100倍左右,而又要能保持整個音頻頻寬,的確是在觀念上要有某些突破才行;關於過大電壓輸入時如何防止造成火花放電,也有一套獨特的辦法,不但使過荷時不會引起刺耳的聲音(類似軟削平的效果),更能保護振膜不致燒毀;最後是高壓放電的防止裝置,更是絕妙的設計,原來火花放電之前空氣必先電離,電離後的電荷聚集之後瞬間中和才會造成火花,ESL-63有一具「離子檢出裝置」,在空氣電離之初就能檢知,不待火花放電之產生,即先將輸入短路,沒有音頻輸入並將離子徐徐放電,電極間只存在偏壓,而消除火花放電現象於無形。這些已電離的空氣被徐徐放電之後(猶如避雷針的作用)電路就立即恢復原狀。關於上述這些電路部份,詳細的研究這些構造,就會令用者感覺使用上十分安心而物有所值,並歎服於其精密絕妙的設計,限於篇幅的關係不擬在此詳細一一說明。

結 語

  筆者認為ESL-63的確談得上是理想揚聲器了,若要說它有缺點,恐怕就是承受功率不十分大而已,根據廠商公佈的特性,最大輸入RMS電壓值為10V,所幸音樂訊號不會是連續的;而其不失真的最大音樂訊號電壓為40V以8Ω標稱阻抗換算,也相當於100W的輸入了。超過40V訊號將會失真並且保護電路隨時會動作;最大容許輸入為50V。

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轉載音響技術第78期JUNE. 1982 QUAD ESL-63 靜電式喇叭的動作分析/莊 仲

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