第二章 揚聲器的原理和種類

一、揚聲器的歷史

  在今天,有很多揚聲器為音響界所採用,而有99%的揚聲器是動圈(moving-coil)式(電動式,electrokinetic dynamic)的。動圈式揚聲器的原理遠在1877年就由德國西門子公司的 Verner獲得專利。

  真空管是1907年發明的,而在1870年愛迪生用來錄放歌曲的裝置是一個圓柱狀的錫箔,由唱針沿著音槽移動,帶動振膜的振動,而從號角式的揚聲器發出聲音,所以今天我們所用的揚聲器那時候還不能派上用場。

  真空管發明以後,開始用電傳送聲音,故而發展出送話器、受話器和一般的放大器,而受話器就成為一般揚聲器的原型,這種受話器是電磁式的。

  1920年動圈式揚聲器實際開始應用,而奇異公司的Chester Rice 和 Edward Kerrog 以及愛迪生貝爾公司的 P. G. Hokuto 等諸位工程師都已發展出幾乎和現代一樣好的揚聲器。

  然而,傳統的揚聲器也在許多方面有了改進,諸如材料、生產過程的精確性以及其他許多小地方,到了LP時代的來臨,再生頻帶有了長足的擴展,節目來源品質的精進更加速了揚聲器品質的改進。

  除了動圈式以外,新的揚聲器原理和系統有絲帶式、壓電式、靜電式等已經發展出來並實際運用了,但是由於其優點和缺點的相互抵銷,而使得這些型式的應用不足以到達威脅到動圈式的程度,這麼說來,多少意味著從Rice和Kerrog的時代開始到現在,我們在揚聲器方面沒有任何進步。

二、揚聲器的工作原理

1.電動式(動圈式)

  電動式的基本原理來自弗萊明的左手定則,這個定則在很多電機能量轉換裝置用得上。

  弗萊明左手定則是把流有電流的導線和磁力線垂直的放進磁鐵的南北極間,導線會受到對磁力線及電流兩者垂直的力的作用,如果導線固定,會動的自然是磁鐵,但這和本節所要敘述的無關了。

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  而揚聲器的構造就是把一片振膜依附在這根導線上,而信號電流在導線中流過,同時也要運用數種方法來增加作用在導線上的力,如增強磁力線,讓磁極間隙變窄,或使電流大些。

  電動式的優點之一是作用力和輸入電流成正比,即在能量形態轉換過程中維持線性。

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  由於電動式的磁場、電流和作用力之間是互成直角的,故而揚聲器中流有電流的導線是繞成線圈的形狀的,而磁場以直角通過線圈的就是動圈式揚聲器。

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  動圈式揚聲器的結構如圖9所示,將線圈和圓柱狀的中間磁極同軸配置,而再現圈之外再加上一個和中間磁極同心的圓柱狀外磁極,這樣磁通就會放射狀的從中間磁極向外磁散開來,因而得以垂直穿過線圈,使得力能作用在整個線圈上;由於這種結構是最有效的型式,而大多數的電動式都是動圈式的,所以動圈式已成為電動式揚聲器的同義字了。

2.電磁式揚聲器

  長久以來這種揚聲器又稱作動磁(movably magnet)式,而有兩種型式,一種是所謂的磁性揚聲器,即如圖10所示採用U型磁鐵的平衡電樞型,而另一種是不平衡兩極型,用在電話的受話器以及號角揚聲器的驅動單元。

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  當信號電流流過圖10中的音圈時,電樞(armature,可以移動的鐵片)受到磁化,並因和磁鐵間的吸斥現象而使紙盆振動。

  信號未加上時,電樞位於磁極的中央,而被電磁作用力偏向任一邊時,其吸力增加,即電樞有負硬度的特性,(一般說來,彈性物體的彈力和位移成正比例增加,這是正硬度特性,但是彈力反而減少的就是負硬度了。)這種特性不太好,而這種揚聲器系統由於其價廉,經常用於製造小耳機上。

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3.電感式揚聲器

  這種揚聲器和雌性揚聲器非常相似,結構如圖12所示,四個磁極中的兩個繞有音圈,其位置相互對稱,兩片墊及放在磁極間隙中稍微偏向外方的位置上,當信號電流流通時,有一片電樞為了獲取較多的磁通,而被吸進到一組有線圈纏繞的磁極間隙中,另一片電樞為了獲取較少的磁通,而自另一組有線圈纏繞的磁極間隙中被推出。

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  和磁性揚聲器不同的是,這種形式適於再生低音,這是因為振幅不受磁隙限制的緣故,然而效率太低卻是一個問題。

4.靜電式(電容)揚聲器

  這種揚聲器的基本原理是庫倫(Coulomb)定律:物質受靜電的吸 ,但是面對面配置的+極和-極可以看做一個電容器,所以這種形式稱之為電容式揚聲器或靜電式(Static)揚聲器。

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  如圖13所示,有兩片電極隔著一道窄隙正面相對,其中一片能受靜電力作用而移動,那是振膜,另一片則是固定的電極。

  振膜通常是塑膠質膜片,上有一層經過鋁之類電感性材料真空汽化處理,由於所加極化電壓很高,對電極而言,有一股相當強的張力施加在振膜上,以免受到固定電極上極化電壓所生吸力的吸引,因此很難將諧振頻率降低來再生低音,所以這種類型的揚聲器只能用來專門3000Hz以上的高音,這是單獨型的,如果要消除上述缺點,可以採用推挽(push-pull)型的系統。

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  推挽型如圖14所示,將振膜絕緣,支撐在兩個固定電極間,上面有許多小孔,由於加在兩個固定電極上的信號經過倒相,所以電極的作用是推挽動作,即當一個推出時,另一個挽回,是以在失真和效率的著眼上很是不錯。

  由於把持振膜所需張力不若單獨型般大,所以這型揚聲器能再生低音,但是如果要採用大振幅的話,振幅和固定電極片之間的間隙要加寬,這樣又會使感度惡化,而增加感度的唯一方法只有把輻射面積加大。

  這種類型的揚聲器,在Hi-Fi系統的應用僅次於電動式的。

  電容式揚聲器由於振動分散較少以及振膜質量輕,所以能發出清澈透明的聲音,但是其缺點是效率太差,要用直流電源,並很容易吸聚灰塵。

  無需極化電壓就能半永久的保持電荷的物質已然引進到這一方面來,有了這種物質,電容式揚聲器的製造更為容易,但是仍很難於獲得高壓電,因此電容式揚聲器的應用主要是在耳機和麥克風等方面。

5.壓電(高聚合體)式揚聲器

  加上電壓後會伸展、收縮或彎曲的材料就是壓電(piezo-electric)材料,羅雪鹽(酒石酸鉀鈉,Rochelle salt)、鈦酸鋇(barium titanate)以及鈦酸鹽(titanate)和鋯酸鹽(Zirconate)的合成物等都是這種材料,過去都用在唱頭和小耳機上,或者是小型揚聲器以及高音喇叭的元件,等到用能軸向伸展的多元氟化乙烯樹脂做成,並在兩邊加以真空汽化鋁處理過的高聚合體(high polymer)出現以後,事情才有所改觀。

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  高聚合體隨加在薄膜兩邊電壓極性的變化而能在軸向伸展或收縮,其特性就像一個電機能量轉換裝置,而無需磁鐵和外加偏壓,其電壓感度較一般的電容式為高,不論小輸入或大輸入時有良好線性,失真也少,暫態特性也極為優良,同時還有質量輕和能做成任何形狀的特點。

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  如圖16所示,高聚合體的兩端並未確實固定,當信號電壓加在兩個電極上時,薄膜因壓電效應而伸縮,薄膜向外推或向內吸都和其平面垂直,而平面的整個表面遂導致空氣的振動,這種系統的揚聲器構造簡單而持久性相當長,同時在很寬的溼度和溫度範圍內都能保持其特性不變;而由於高聚合體揚聲器具有電容性阻抗,所以對小輸出的錄音座或調諧器而言,音量會太小,因而要用一個特別設計的轉接放大器。

6.離子放電式揚聲器

  離子(ion)揚聲器的原理如下:高壓放電時使空氣分子電離(使之成為帶電質點),交流電壓又會使這些游離的空氣分子振動,聲波因而產生。

  這個原理的起始可以追溯到振鳴弧(singing arc),放電強度(即溫度)隨信號而變化,溫度變化所生爭氣的擴展和收縮產生聲波,但是由於有人對這種機構存疑,所以聲波產生的原理迄今尚未完全澄清。

  然而由於過量的雜音以及音壓不能提升,使得放電系統不能納入實際應用上,但是當這種缺點用高頻交流電暈(corona)放電取代直流放電而獲得改善後,這種系統又受到青睞。

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  這種系統的特性是從號角的截止頻率到數十KHz的超聲頻帶都有優秀的音壓頻率特性。

  由於這種揚聲器和其他類型的不同,無需振膜而直接推動空氣分子,所以其暫態響應特性相當優良,也因此這種揚聲器不僅是用在高級再生系統中,同時也用在超聲波裝置中,而在此以前的產品卻有低輸出音壓水平、價格高等問題。

7.其他類型

  除了上述各種揚聲器外,還有氣閥式揚聲器系統,其發聲原理是讓空氣由受壓的空氣槽流經號角而發聲,此外有磁畸變型、感應型、熱摩擦型等,但現在大多數都很少用到了。

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三、電動式揚聲器的類型和構造

1.紙盆式揚聲器

  前面提過,目前所用的揚聲器中有99%是電動式,現在可以更進一步的說,電動式的99%是紙盆型(cone)的,說到音響用的揚聲器,可以說實際上就是指電動式紙盆揚聲器。

  其基本結構如圖19所示,可以分成三個單元:振膜系統、磁路部分以及本體部分。

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  振膜系統由振膜即紙盆、紙盆邊緣(edge)、音圈、阻尼(damper)、中心帽(center cap)等組成。

  磁路由磁鐵、中間極軛鐵(yoke)以及極片組成。

  本體部分支撐住上述兩個單元,由框架、墊圈、接線端子、導線等組成。

  在這些單元當中,自是以振膜即紙盆、以及磁路為影響聲音再生品質最為重要的部份。

振膜

材料及製造過程

  正如由字面所得了解,大多數的振膜是由紙漿和纖維做成,然而也有一些是由合成樹脂例如多苯乙烯泡棉、合成樹脂片等做成的,有些則是由金屬或木片做成的。

  揚聲器紙盆材料的條件如下:

 材料的質量要低──可以提高效率以及改進暫態特性。

 楊氏(Young)係數要大──效率及暫態特性得以改進,高頻範圍得以延伸。

 內部損失必須低──高頻範圍的頻率響應和暫態特性可藉抑制振動分散及降低高頻的峰值和谷值而得以改進。

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  為了做出彈性和剛性適中,質輕又牢固的紙盆,混合有許多種的紙漿和纖維來加工及成形,紙盆的原料不僅是混合有植物纖維,同時還有動物的以及合成的纖維,圖20畫出了紙盆的製造過程,這種紙盆的製造過程,在乾燥和成形階段,又可進一步分成數種方法:

 濕壓紙盆──在壓鑄濕紙盆材料的同時施行乾燥,這樣壓出來的紙盆能做得相當緊湊。

 乾壓紙盆──紙盆脫水後才壓鑄及成形,因此能做出比濕壓法還要柔軟的紙盆。

 半壓紙盆──加上些許的毛氈片或橡膠片來避免壓鑄期間,金屬膜和紙盆的接觸,而對紙盆同時施以重壓和輕壓。

 無壓紙盆──紙盆不經壓鑄,直接乾燥成形,能做成厚且軟的紙盆。

  完成這些步驟後,紙盆可以依需要做成抗阻尼或部分硬化,這可將紙盆浸透在漆中而得。

樹脂(resiw)

  樹脂不能用於Hi-Fi揚聲器,但可以用來做防水揚聲器,用浸過石碳酸樹脂的合成樹脂片或布片做成的揚聲器相當盛行。

  用苯乙烯泡棉做振膜的揚聲器大多是做成盤狀平面的形狀,也有些做成紙盆形狀,由於能做得很薄,所以能用於實際應用上。

金屬片

  鋁之類壓鑄成的金屬盆做成邊緣無支撐型,已能實際生產了,但是現在並不能在市場上找到。反而是金屬質振膜在號角型的驅動單元、絲帶型及電容式揚聲器中相當盛行。

振膜的形狀

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  振膜的形狀可以大致分成三種基本形狀,如圖21所示,這些紙盆特性上的差異在於高頻再生時的頻帶極限和指向性,圖中曲線適於做全頻帶的單一紙盆揚聲器,因為這種形式能使高頻範圍聲音的諧振頻率提升;而曲線適於低頻範圍的聲音再生,或是做組合式揚聲器的低音單體,曲線介於之間,能在許多應用中派上用場。

褶紋(corrugation)

   褶紋指的是由振膜頸部到邊緣的斜面上,所形成一圈圈平行的稜紋和溝槽(有必要的話也可以做成特別形狀的褶紋)。

  褶紋的目的是要使高頻範圍諧振區響應的峰值和谷值緩和些,否則此時的振膜會有振動分散的傾向,同時還能強化振膜的強度,褶紋中稜紋和溝槽的形狀、數目和位置由實驗決定低音喇叭以及高音特性良好的高音喇叭可以不用褶紋。

紙盆邊緣

  振膜邊緣是用來支撐振膜,使在正確位置,必須有適當的柔軟度,而使振膜的移動和輸入信號有線性的關係。

  邊緣有兩種:固定邊緣和自由邊緣。

固定邊緣

  邊緣和紙盆同時成型,大多數的邊緣都做得較紙盆部分為薄,上面塗覆有纖維膠、壓克力樹脂、尿素樹脂等阻尼材料,來防止中頻範圍的響應急降。

  邊緣部份會影響中音谷值的寬度和深度,如果這部份較寬,振幅才能充分,而線性也得以改善,中音谷值的寬度和深度應當要做得更大些。

自由邊緣(free edge)

  和固定邊緣比起來,自由邊緣有許多優點:

 紙盆的移動對輸入的關係更為線性,失真因而較少。

 紙盆的支撐更軟,而最低諧振頻率能定得更低。

 紙盒邊緣所傳送聲波的反射可以減少,換句話說,能獲得平直的特性。

  尿素泡棉、乙烯合成樹脂、布片、鞣製革等材料是漁用來做邊緣材料,由於其有彈性,重量輕以及惡化速度慢。

音圈

  音圈是穿過磁場的導線,流有電流時,依弗萊明左手定則所生的作用力會使振膜移動。

  音圈的許多常數能影響揚聲器的性能,其中最重要的是纏繞寬度和質量。

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  音圈的纏繞寬度如圖22的例2及例3所示,由於這種寬度對作用力沒有影響,所以不會產生失真。

  音圈導電材料的質量是振膜系統等效質量的一半時,揚聲器的效率最佳,但音圈愈重,高頻響應愈低,因此音圈的質量實際上是做得比前述值還要低一些。

  大多數傳統式的音圈是由鋁或銅線繞成,而其用量是以效率為著眼點,而最近幾年來,人們開始用方形截面的導線邊與邊密切排列的來繞音圈,這樣做能使磁隙的空間佔有率相當大。

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磁路

  磁路能產生磁通以讓音圈穿過,圖24是代表性的磁路。過去,由於永久磁鐵製造困難,所以採用磁場式,這是一種磁場線圈流有直流電流的電磁系統,而現再則是用永久磁鐵的磁路佔有優勢了。

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軛鐵、磁極

  這兩樣是用來有效的導引永久磁鐵所生磁通進入空隙中,這是因為不論所用永久磁鐵是如何的好,磁通的消耗端視軛鐵的品質而定,通常是用軟鐵,特殊情況時也有用純鋼的。

紙盆支撐部份和阻尼

  音圈的阻尼支撐是用來避免移動進磁隙時,和外磁極片及軛鐵發生接觸,同時當音圈靜止時,維持在正確的位置。

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  阻尼對fo影響的幅度和紙盆邊緣相同,所以阻尼必須能夠在任何振幅下維持功用,同時還要能抑制住側面的移動。阻尼通常由樹脂處理過的布片、薄電木片以及金屬等做成,有些高音喇叭則用合成橡膠做阻尼材料。

框架

  框架是揚聲器最基本的部份,所有各單元都裝置在框架上,在小揚聲器的許多情形下,框架是由鋼片壓鑄而成的,但是在大型或高級的揚聲器中,框架常常是用鋁或鋅模鑄而成的,框架不能導致諧振和振動,同時尺寸要精確。

2.號角(horn)式揚聲器

  前面說過大多數的揚聲器是紙盆式的,但提到系統的高級產品時,號角式揚聲器佔有的比率也很高的。

什麼是號角式揚聲器呢?

  簡單的說,號角式揚聲器可以看做一個和紙盆揚聲器相同的驅動單元,但是附有一個號角。

  號角式揚聲器藉振膜來推動號角喉部(入口)的空氣而工作,所生聲波以和號角的軸垂直的相位傳送,而以和平面波相似的形式離開號角的開口(出口)。結果是這些聲波在號角工作的頻帶內有強烈的指向性同時由於這些聲波不致擴散到很寬的面積去,所以號角的效率較高。

  一般說來,所用的是有限長度的指數型(exponential)號角,而其工作頻率的下限由號角開口的直徑決定。

號角的形狀

  假設號角式一截管子,而其截面積和長度成比例漸次加大,我們就可依截面積增加的方法,而把號角分類成數個形式:

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拋物線型號角

  這種型式的截面積和長度成正比例增加,這種號角除了少數高音喇叭外很少用到。

圓錐形號角

  這種號角和擴音機喇叭形狀相似,很少用到。

指數型號角

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  這種號角目前經常用到,茲令:

  S=X處的截面積

  So=喉部的截面積

  m=向外展開的常數

  e=自然對數的底數=2.71828......

  fc=截止(cutoff)頻率

  c=音速

  X=距喉部的距離

則:   S=Som emx

  fc=mc/4π

雙曲線型號角

  開始時,號角壁展開的程度比指數型的小,但是突然變得較大,這種號角能使截止頻率附近的上升特性尖銳,和指數型一樣,應用很廣泛。

  號角長度愈長,低頻特性愈平順,而開口處的反射也較少,但目前並沒有太長的型式出現,而是以指數型號角開口角度為90°時的長度作為暫時的標準(此時反射可以忽略),但是也有採用較短型式的號角。

號角的材料

  中高音號角是由鋁、鐵和鋅壓擠或模鑄成形,最近又發展出塑膠質的號角,低音的號角則大多數是由木頭和水泥做成的。

  如果誤用材料和結構不當,由於號角內部音壓甚高,就會導致諧振,這對號角的特性有反效果。

  在許多情形下,是用油灰(putty)、油質粘土、膠質粘土來做抗振材料的。

驅動單元

  驅動單元就是連接在號角的振膜系統,理論上和紙盆揚聲器相同,圖28a所示是前端式推動單元,圖b則是後方式。

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  前端式推動單元利用輻射自振膜前方的聲音,而後方式則是應用振膜後方的聲音。

  在後方式中,音圈內部的突盆部份獨自像振膜般工作,來輻射聲音,因而活塞得以輕易的振動,而改善了特性。

  號角式揚聲器最重要的特點是它的電阻控制功用,故可藉增加喉部區域中振膜的面積來施加大負載,喉部面積和振膜面積的比叫作壓擠(squeoze)比;而振膜中心所生的聲音是由外在環境所生聲音組合而成的,但是由於相位的延遲,這些聲音不能適當的組合在一起,負責把這些像未協調成一致的單元叫做等化單元(equalizer)或是相位栓(phase plug),如圖29所示,這一部分可能是驅動單元的重點所在。

3.凸盆式揚聲器

  凸盆式揚聲器是一種直接幅射式的電動揚聲器,和紙盆是一樣,也可以說凸盆式揚聲器就是去掉號角的號角式揚聲器。

  凸盆式揚聲器的工作原理和性能基本上和紙盆式揚聲器相同,但是其主要用途在於中音和高音,而不是用來再生低音的。凸盆式揚聲器的特性是音質極為柔軟,而特性相當平直。而振膜的材料大多數和號角式揚聲器的相同,金屬片和浸過石碳酸樹脂的布片可以用來鑄模做成振膜,圖30是其結構。

4.絲帶式揚聲器

  和其他電動式揚聲器不一樣,絲帶式揚聲器的振膜能全部推出空隙外,主要是用於高音喇叭中。

  如圖31所示,絲帶式揚聲器的結構是把兩個磁極面對面的安排在一條直線或圓周上磁戲終致有一條斯帶狀的導體振膜,由鋁合金箔片等材料做成,信號電流直接流進絲帶狀導體後會使絲帶本身振動,因而發聲。

  絲帶式揚聲器的缺點之一是由於無法提供較大的振動空間,而使效率很差,同時,低效率的另一個原因是由於絲帶甚薄,因而磁通利用率很低,為了避免這種缺點,絲帶式揚聲器要和一個號角合併使用。

  略去這些缺點不談,絲帶式揚聲器作為一個中高音或超高音喇叭而言,其評價還是相當高的,這是由於它有一個相當輕的振膜系統,而無需其他的額外單元,而這種直接驅動的振膜系統所致失真相當低,同時有優良的暫態特性,但是由於絲帶狀導體的阻抗相當低,這種型式往往需要一個阻抗匹配變壓器。

轉載音響技術第52期APR. 1980 Hi-Fi 揚聲系統概說 上篇 第二章 揚聲器的原理和種類/蘇天豪 翻譯/梁中鍔 編輯

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