第三章 揚聲器的設計

  箱型的圍繞是所有揚聲器設計的基本要求,揚聲器需要放大器來推動喇叭發聲,而喇叭就裝置在音箱中。

  揚聲器所發出的聲音優美與否,不僅和喇叭的品質有關,和音箱的品質也有關係,例如說,有許多安置喇叭的方法,我們所買的不只是一件好看的傢俱而已,更要是一個特別設計有某種音響特性的喇叭箱。

  並不是音箱本身就能獲致良好的聲音,而要音箱和裝在其中的喇叭匹配才行,因此,只有在設計和製作恰當的音箱中,喇叭才能把它的性能發揮極致,品質不良的喇叭,無論是裝在如何特別設計的音箱中,都無法使其特性獲致改善,只有喇叭和音箱適當的搭配,才能把合作所致的性能作最大的發揮。

一、裝箱的功用

  如圖39所示,紙盆軸向移動時,喇叭單元發出聲音,紙盆往前移動時,紙盆前面的空氣受到壓縮,往後移動時空氣就稀釋,這樣所產生的聲音相互間有相位差異,一旦混合時,有可能相互干擾,甚或抵銷掉,為了避免這種現象,喇叭前面和後面要用木板或障板(baffle)隔間,理想情形下,障板應當無限制的擴展開來,這自然是不可能的,由於障板尺寸有限,低頻聲音(長波長)是有可能繞過障板邊緣而相互抵銷,如圖40所示。

  而我們的習慣作法是把喇叭用障板圍繞起來,把聆聽者用牆壁之類的障板圍繞起來也可以,圖41所示就是用牆壁做障板的理想情形,但是除非聆聽者正好完全與世隔絕的住在一片大草原的中央,否則這種方法是極端不切實際的。

二、裝箱的型式

  為了適應家庭中的一般房間大小,裝箱的箱子都做成有限障板式(finite baffle),以求其體積小,但是裝箱並不是把喇叭裝進箱子就了事這麼簡單,有很多裝箱的設計以後會詳述到。

1.密閉式裝箱

  這種裝箱的揚聲器已將外界空氣完全隔絕,當紙盆前後移動時,就交互的擴展或壓縮密封在音箱內的空氣。

  這種擴展和壓縮的過程和一枚彈簧的動作很像,因而箱子愈小,音箱內的振動百分比愈大,更增加了彈簧動作的強烈,也就意味著要用更多的功率來推動紙盆。

  如果裝箱相當大,低頻聲音再生的限制是受到所謂最低諧振頻率fo的強烈影響,如果音箱的容量減少,低頻聲音的強度會減少;以下要講一講密閉裝箱和裡面喇叭的關係,以及各種設計因數:

 如果揚聲器的m0(等效質量,相當於喇叭移動部份的實際質量加上被推動空氣的質量)夠大,音箱的體積可以減小。

 音箱的fo(箱子的諧振頻率)愈高,音箱的體積愈小。

 Qo愈小,音箱也可以愈小。(Qo是表示振膜接近最低諧振頻率時制振的一個係數,所以當Qo相當小時,阻尼有效而暫態特性良好。)

 fo和fc(音箱的截止頻率)間的差距愈大,音箱可以愈小。

 紙盆的半徑愈小,音箱可以愈小。

 不可能讓fc小於fo。

 如果音箱的截面積是六邊形,就會產生駐波(standing wave)而使音質惡化,因此音箱的比率應當是5:4:3或者是7:5:3。

 音箱應對箱內的聲音呈現充分的阻尼,這可藉加入適當特性的吸音材料而完成,否則聲音會在裡面反射,當然箱子少不了還要有補強材料、喇叭單元、面網等。

 音箱的材料必須堅固有力,尤須充分補強(reinforcing),因為在fo附近會有能量峰值出現。

  一般說來,密閉式是裝箱的基本型式,同時如果我們不打算把它做成太小,這也是相當簡單的製作。

  現在已經能做出很小的揚聲器了,叫做書架式揚聲器,用的是和大揚聲器相同的氣墊式(air suspension)系統,這種小揚聲器為了表現低音而在箱子裡填充有吸音材料,並把紙盆做得很厚,同時還將前述的彈簧作用發揮到極致。

2.低音反射式揚聲器

  這是密閉裝箱的一種型式,而在某些部份開孔,以便利用倒相的現象。

低音反射式揚聲器的設計

音箱設計成這種樣子,是為了要增加低頻時的音壓,這在傳統的密閉式揚聲器是很難達成的,其設計原理是把振膜後方所生的聲音引導到前方,藉箱子諧振和特殊導管(duct)的合作而將其相位反轉過來,這種型式相當流行,因為儘管體積很小,即能產生低頻的聲音。

  有了這種基本的低音反射音箱,再生頻帶能延展到喇叭fo的0.7倍,也就是說,這種型式的箱子體積可以比傳統的密閉式音箱小,而有相同的再生頻帶,同時,聲音的失真也減少了,這是因為在諧振率附近工作時,揚聲器的振幅減少的緣故,低音反射式誠然有這些優點,但是在設計如何使之適當諧振和最有效利用諧振時,會遭遇到問題。

導管

  導管的面積,依規定要和喇叭應用到的有效面積相同,如果開口太大,低頻特性有可能出現峰值,或者範圍會延伸,如果開口太小,低頻特性就和密閉式箱子一樣了,而如果導管深度太深,諧振頻率就會降,反之亦然。

  導管的形狀如圖44所示,某些情形下,開口是為了獲致高諧振頻率,或者是為了要用較小的箱子;早期的導管設計,是採用圖A所示的方形,而最近則較常採用管狀的導管,有些導管主要是用在衰減目的,有的則做成凹口狀來抑制導管諧振。

  有一種叫做紙盆抽出(drawn cone)式,是特殊形式的低音反射式揚聲器,特色是再導管的位置裝上一個對低頻產生諧振的紙盆,用來加強低音,有相當受歡迎的趨勢。

3.號角形音箱

  圖45畫出兩種號角式音箱:前端負載型及後方負載型;通常稱做號角式障板或號角型音箱,這種設計,利用紙盆式低音喇叭或全音域喇叭的號角效果,來改善音箱低頻時的效率。

前端負載型

  號角障板是一種相當優良的系統,不僅是因為它結合了障板效果,同時因為當做「聽覺變壓器」時有增加音壓的能力,如果要把號角設計成再生低音時,不管體積和長度都會相當大,也有人採用彎曲的號角系統,安置在角落使用,然而大多數的前端負載型號角都是用短號角,其他則是結合低音反射式音箱來補助低頻的聲音。

  短號角要和大直徑的喇叭合用,以期儘可能的降低fo。

後方負載型

  這種型式是利用在喇叭紙盆後方所生的聲音,大多數的後方負載型是屬於彎曲號角的設計。

  彎曲號角所會遭遇到的問題包括有:聲音在彎曲部分的反射,以及聲音因號角彎曲而生的失真;如果號角的每一節長度相同,波長由每一節長度決定的駐波也因而產生,因此,直號角的音色難免和彎曲號角的不同。

  後方負載號角的效率中等,而高頻範圍相同,但是在低頻範圍較低;在低頻範圍的輸入功率會較大,這是因為在這個範圍內紙盆的振幅變得較小,因此,對一個能消除低於fo的頻率的放大器而言,後方負載型的輸入會比傳統密閉式音箱大得很多,因而後方負載號角的動態範圍較大。

三、揚聲器系統的組成

  揚聲器需要裝箱,但不是只限於一種型式。

1.各頻帶的喇叭

  揚聲器系統所用的喇叭直徑愈大,低頻範圍的最大音壓數值愈大,同時紙盆附近的音壓損失也會愈小,然而揚聲器太大了,也會有重量以及振動分散傾向的問題。

  如果小直徑的喇叭能有厚重的振膜和反應靈活的邊緣,也有可能再生低音,這種揚聲器系統的阻尼較高,fo較低,但是所生的音壓也會較低,同時效率也差。

  如果揚聲器系統的設計以強調低音為主,就會犧牲了高頻再生的能力,而反之亦然,所以似乎沒有辦法同時增加頻率範圍和輸出,通常我們採用數個喇叭的組合,分別再生不同的頻帶,來涵蓋整個音頻範圍。

  設計來在低頻範圍工作的喇叭,叫做低音喇叭(woofer),通常是大直徑的紙盆式,得用較大輸入功率來推動。

  用於再生中頻的是中音喇叭(squawker),通常是中等直徑的紙盆式,有些則是號角型的。

  專門設計來在高頻範圍工作的喇叭是高音喇叭(tweeter),而其種類繁多,計有小直徑的紙盆式、凸盆式、號角式、電容式,以及壓電式等。

  採用低音喇叭和高音喇叭的系統稱做兩音路系統,如果是三個不同頻率特性的喇叭,就是三音路(three-way)系統了。

  而如果揚聲器系統結合了數個不同頻率特性的喇叭,就是多音路(multiway)系統。

  輸入在加入這些揚聲器系統以前,必須通過通帶濾波電路(band-pass filter)以分成不同頻帶,典型的濾波電路是一個LC網路,包括一個電感或扼流圈(choke coil)L,和一個電容C,這是最普遍的分頻網路,為市面上大多數揚聲器系統所採用,設計簡單,價格不昂。

  另一種濾波型式是電子分頻網路,或者稱做複置放大(multi-amp)系統,是由前置放大器,分頻電路(稱做複頻帶濾波電路),以及適應特別頻帶而設計的功率放大器所組成,而揚聲器各單元本身也是有不同頻率特性的,如圖46所示。

2.LC網路系統

  理想狀況下,每一個單元的最大音壓、最小音壓以及指向性都相同,例如說,揚聲器系統中的某一個單元其最大音壓較低,那麼所有的單元都要在這個最低的水平下運用。

  我們也希望中音喇叭和高音喇叭的輸出音壓能較低音喇叭的為高,這種情形下,LC網路也成為分配放大器輸出信號的分配器,線圈L呈現和外加頻率成正比例的阻抗值,另一方面,電容C的動態電阻和頻率成反比例,這樣,極高頻時L呈現非常高的阻抗,而C的阻抗極低,反之亦然。

  這種特性可以用來分類,適當的選擇L和C的數值,可以組成一個複合的高通(high-pass)和低通(low-pass)濾波電路,這種網路可以將不要的頻率衰減,而讓其他的通過,衰減曲線能有助於設計一個衰減梯度為每八度音程6dB(-6dB/oct.),的網路,或者和頻率平方成比例的(-12dB/oct.),甚至是和頻率立方成比例的(-18dB/oct.),如圖47所示的6dB型高通濾波電路就相當簡單,只有一個電容,其數值使頻率低於fr後,每次頻率降至一半,輸出電壓也變成一半,或-6dB。

  ft就是轉換(turnoser)頻率,由下式算得:

    ft=1.6×10/CZ(Hz)

此處:C是電容值,單位是微法拉μF。

   Z是揚聲器的阻抗,單位歐姆。

  而6dB低通濾波電路如圖48所示,計算ft的公式是:

   ft=160×(Z/L)(Hz)

此處L是線圈的電感值,單位毫亨mH。

  在應用這個公式時,要注意加入一個小小變化,那就是線圈的電容和直流電阻比零要大。

  目前所用的分頻器有兩種,一種是固定電阻式,另一種是濾波器式,串聯或併聯運用都可以,這些電路如圖49所示,雖然說並聯式的較為盛行,但是兩種網路各有利弊,也沒什麼好選擇的。

3.LC網路的元件

  這些網路所要求的電容器,要低損失,低漏洩電流,以使失真最少,這種電容器有金屬化紙質(metallized paper, MP)電容,油介質電容,以極聚乙酯膜介質(mylar film dielctric, MF)電容有所不同的,如果電容值超達10μF,就要採用無極化電解質(nonpolarized electrolytic)電容NP,或稱做雙極性BP,(bipolarized)而其額定電壓要超過50V。

  線圈也有好幾種,有陶鐵磁體心(ferrite)的,有矽鋼片心的,也有定項裁切和空心的線圈,線圈要用1到1.2mm的瓷漆線(enameled wire)繞成,來減少直流電阻,雖然說電感值的計算相當困難,但是在空心線圈的情形下,經常用一個指導原則來決定,一個平均值靜40mm的線圈繞上100匝時,電感值是0.2mH,150匝就有0.5mH,1mH要繞200匝,而2mH就要繞上300匝了。

  為了調整和平抑揚聲器的音壓,同時提供能適應聆聽房間的平衡起見,要用一個音壓水平控制器,這時低音喇叭的音壓水平不予調整,單就中音和高音喇叭的水平依需要衰減。

  水平控制有兩種型式:固定式和可變式,固定式的衰減用一或兩個電阻來完成,如圖50所示。

  可變式則用圖51所示的任一種都可以,一種是結合固定電阻和轉動開關來完成的;一種是連續可變的,而用雙重音量控制來做可變阻抗,這種型式最為流行。

  另一種型式則是利用線圈的中間抽頭,由自耦變壓器(autotransformer)接上電阻來校正特性,這種型式由於無須用到揚聲器的阻抗,故而有極為良好的阻尼,通常用於高品質揚聲器系統中。

4.複置放大(multi amp)系統

  在LC網路系統裡,功率放大器的輸出先送到L和C的分頻網路,再依頻帶不同送到各再生單元,然而在複置放大系統裡,前置放大器的輸出先用電子濾波電路分成數個頻帶,在送到各頻帶的功率放大器中,就因為這樣,各頻帶間的平衡是用功率放大器的增益控制來完成,所以揚聲器端無須衰減器。

  複置放大系統最大的短處是成本的問題,然而它卻有LC網路不可能有的許多性能,同時無法製作出不可或缺的電子濾波電路也會是一項障礙。

5.揚聲器的相位和線性

  幾乎每一個人都知道,立體聲系統的左右揚聲器相位相反時,聲音會含混不清,同時有中音欠缺的感覺,而多音路系統的各頻率範圍間,如果也有相位相反的現象,結果也會一樣的。

  相位差異是由各單位的音源間差異所造成,或是由網路中的濾波電路所造成。音源的位置不同時,聲音的遲延程度和音源差異的範圍相同,因而平衡也有些微的差異。

  同時,如果還用上濾波電路,就會有電容和電感,自然產生相差,即-6dB/oct.時相位會轉動90°,而在-12dB/oct.時180°

  在電的範疇裡,兩個向量的相位相差180°而數值相同時,其合成輸出為零,但是聲音的結合不致如此,只會有一個印象:頻率範圍的某一部分消失了。

  這種情形的發生,在兩音路系統中是有一個喇叭接反了,而在三音路系統中則是揚聲器的接線反了。

  就因為這樣,使音壓的頻率響應和相位的頻率響應一致,已成為諸多討論的主題了,試過的許多方法中,有一種是線性相位(linear phase)系統,將每一單元的音源位置列入考慮,而把各頻帶的喇叭安置在不同平面上,可以得到平直的相位特性。

轉載音響技術第53期MAY. 1980 Hi-Fi揚聲系統概說˙下篇˙第三章 揚聲器的設計/蘇天豪 翻譯/梁中鍔 編輯/

    全站熱搜

    蘇桑 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()