Thiele和Small最近幾年一直在致力於改善喇叭系統的製造程序,他們並沒改良低頻喇叭原有的性能,但卻為這些限制下了明確的定義:他們確定了喇叭箱大小、喇叭效率與低頻響應範圍之間的相互關係,並且發展了系統合成技術(Systematic Synthesis Techniques)可以大大的簡化設計程序。
我們可從一般水準以上的喇叭系統中,看出這些改良的效果,因為製造商可以很容易的製造其產品達到這個標準;許多製造商在他們廣告中特別強調,其產品是以Thiele和Small的合成公式,利用電腦程式所設計出來的。
很不幸的,顧客只能從其中享受到很少的改良效果,傳統設計喇叭的方法是喇叭在無迴響室中(anechoic test chamber)有平坦的頻率響應;Thiele和Small的設計公式是假設喇叭在毫無反射的環境下播放,可是人們卻不是在無迴響室中使用喇叭,而是在自己家中使用,一般的房間對喇叭的低頻範圍都有所影響,並且能夠很明顯的改變其功率輸出。
如果我們看看,低頻處喇叭參考聲壓(Reference Sound Pressure)的公式,就會明瞭為何會產生上面所提到的影響;這個公式是由Beranek所導出的:
│Uc│:振膜的音量速率(Volume Velocity of diaphragm)
eg:斷路放大器電壓(Open-circuit amplifier voltage)
B:空隙的磁通密度(magnetic flux density in air gap)
1:空隙的音圈線長度(length of voice coil wire in air gap)
SD:振膜的面積(area of the diaphragm)
Rg:放大器之輸出阻抗(電阻性組件)(Output impedance of the amplifier)
RE:音圈線之電阻抗(Voice-coil wire Resistance)
RA:電子、機械與聲能電阻抗成份的總合阻抗(Sum of electrical,mechanicl, and acoustic resistive elements)
ω:=2πf:弧頻(radian frequency)
MA:包含音圈和振膜的聲能容積總合(Sum of the acoustic masses, including diaphragm and voice coil)
CA:懸置物與箱子的總聲能順服度(total acoustic compliance of suspension and box)
以上所有的項目都轉換成聲能阻抗,並且以MKS制來表示。
在諧振頻率(resonance frequency)之上,活塞頻帶(Piston band)之內,加上合理的假設,RA²變成非常的小,並且和ω²MA²成比例,那麼(1)式能簡化如下:
這就叫做參考音量速率(reference volume velocity)。
一個喇叭系統在這個頻率範圍內,只能產生很小的音源,也就是說它是多向性輻射而擴散出去的;對如此一個音源來說,音壓和音量速率有一定的關係:
│P│:距喇叭 r 處之音壓
f:頻率,單位為赫
Po:空氣密度(density of air)
如果將(2)式與(3)式綜合整理,我們可得到參考音壓公式:
以喇叭系統來說,這公式內的變數大部分都不能改變,但其中有二項是可變的;一個是在分母上的4π;這表示低音喇叭發出聲能的立體角(三度空間來討論),立體角(Solid angle)是以steradians測得的。4π的steradians表示整個空間,也就是當喇叭懸置在遠離地面的半空中時的低音喇叭輻射角度,低頻的聲音都是多方向性的擴散,在這種情形下低音喇叭很均勻的傳送聲音至每個方向,並且聲能繼續傳送出去,而不致於遭遇到附近的反射牆面。其實只有無迴響室能模擬出這種環境。
現在喇叭改成放置在一大面牆之正中央,那麼低音喇叭的振膜與牆表面就成平行,所以其輻射角也就減半,導致低音喇叭是在半空間環境下播放,也就是說立體角只剩下2π steradians。公式告訴我們,在這種情形下參考音壓會增倍,事實也證明了此點。我們可以發現總共增加6分貝,其中增加的3分貝是因為限制它以往佔有一半空間所有輻射功率而得到,這增加的3分貝並不重要,因為並沒牽涉到輸出功率的改變;但另外的3分貝,卻是由低音喇叭輻射功率加倍所得到的,如此在2π空間位置將會比在4π位置時增加一倍效率。
讓我們更進一步假設,如果低音喇叭放在兩相互垂直牆的相交位置,同樣的,輻射角度再度的減半,也就是只剩π steradians,相對的低音喇叭的輸出功率也再增加一倍。相同情形,如果輻射角度再減半到π/2 steradians,這也就是在一般起居室中的情形,那就是喇叭放置的角落上,並且低音喇叭很接近地板,這樣的話其輸出功率在低頻範圍會再增加3分貝,那麼對整個空間來說,總共增加9分貝的輻射功率。
這裡必須強調的是,這些輻射功率理論上的增加和輻射角度的減少,只在驅動器(driver)接近牆面時才會發生。聽覺上的感覺,在大約500赫以上的頻率,驅動器是不能接近到房間的表面。因此,在起居室裡,通常只是改變某一頻率範圍的喇叭功率輸出;大多數的人都會將喇叭箱選擇放置在最佳位置,以求得與無響室有相同的效果。由於房間的影響是無法避免的,所以原先在無響室中所設計之喇叭的平坦響應,無法在一般房間中獲得。
我們曾說驅動器必須接近房間的牆面,這樣才能受它的影響。在討論到什麼是「接近」的意義時,導致我們研究公式中的另一項目,它在喇叭從無迴響室被移至聆聽室時會改變,那就是空氣密度Po。
當然,空氣平均密度的改變,只在大氣壓力改變時才會發生,但瞬間密度是與瞬間的氣壓成比例的,聲音在產生可聽見之音率時就會改變空氣之壓力。在無迴響室裡,喇叭產生音頻改變壓力時,此壓力會傳到室內的牆壁並且在那裡被吸收;相反的在起居室,聲能在傳到牆壁後會反射回驅動器,在這裡會增加或減少驅動器振膜的瞬間壓力,這種情形要看振膜和相位的關係來決定,如果牆面是接近的話,那麼反射的壓力是足夠來改變振膜表面的瞬間壓力,並且增加或減少聲能的輻射。
驅動器的接近牆面並非以它們之間的距離來決定,而是與波長的長度有關係;所以驅動器在低頻時能夠說接近牆面,因為其聲音波長較長,反之在高頻時剛好相反,因其有較短之波長。
這些關係可由圖一至圖三中明顯的看出。當驅動器只接近一面牆時,在無方向性的頻率範圍內,其直接輻射驅動器的功率輸出如圖一所示;如果是放置在二面牆交界面等距處則如圖二所示;放置在相互垂直的三面牆時則如圖三。在這些圖中,水平的刻度是代表波長的一部份。
只要我們仔細的查看這些曲線,我們可以學到很多東西,例如我們能很明顯的由輻射角度的減少預測出輸出功率的增加(即+3、+6、+9分貝之輸出功率增加分別對著2π、π、π/2 teradians而言),這情形只當低音喇叭放置再離牆只有波長的一小部份長度時才能得到。當離牆只有波長的1/10,三面牆的情形下,其功率的增加,已由9分貝降至7分貝,其實一般在起居室裡,低音喇叭離三面牆的實際距離可能是50公分,也就是69赫波長的1/10,如果頻率再增高,功率的增加量會迅速減少,這是因為頻率一增高,50公分就成為波長的一大半了。
最後,如果我們繼續增加高頻的訊號,那麼從最近牆所反射回來的音壓,再也不會反射回到低音喇叭振膜來增加其驅動訊號,並且在如此高的頻率或再高的頻率下,驅動器和在4π teradians空間情形一樣變成沒有什麼效率了。這個極限的頻率,大約是低音喇叭距離¼~⅕的波長長度,當然也要考慮牆面的數目。在我們所假定的例子中,低音喇叭是放置在距離三面牆各50公分時,其頻率大約是140赫。
在更高的頻率(在此我們假設是200赫),此時,低音喇叭離牆大約是波長的3/10,那麼反射的音壓與振膜的相位恰好相反,也就是當低音喇叭產生一壓縮壓力時,反射回的音壓卻剛好抵消它;相反的情形也一樣。我們認為低音喇叭是在部份真空的情形下工作,並且其輸出是相對的減少;但是輸出功率的減少並非與反射牆數成一定比例,像圖一所顯示,從單一牆面反射回的異相反射波只有少許的影響,也就是在最糟情況下只減少1分貝;在二面等距離牆的反射情形下,就有較多的影響,於特定頻率範圍內有著3分貝的減少量;但如果是在等距三面牆的情形,就有多過11分貝的減少量,這麼一來整個的改變量(包括在非常低頻率時的9分貝)和喇叭在無迴響試所測得的相差20分貝之多。圖四是,喇叭在其諧振頻率是50赫,加上Q值為1和離房間三面牆各是50公分時的情形。
圖四的曲線也顯示,在喇叭距牆5/10波常常度以下時,牆對喇叭性能並沒任何重大影響。在我們所用的例子裡,50公分剛好是345赫頻率波長的一半。
圖一至圖三很明顯的可看出多重的異相反射波比單一的反射波影響更大。所以我們必須將傳統喇叭系統的低音喇叭進可能放置在離牆的不等距離處,因此在廣泛不同頻率範圍內,產生各自不同的異相反射波;這樣做的話,有助於喇叭低頻的平坦性。圖五是低頻喇叭放在距地板20公分,第一面牆51公分,另一面牆122公分之輸出功率對頻率圖。
另外一種考慮房間牆壁對它影響的方法是將低音喇叭放置遠離牆面。如果將低音喇叭放於離最近牆壁至少1.25公尺處,所有的這些影響都在100赫以下產生,如此將比在一般情況下更難令人察覺。當然在一般起居室裡很不方便如此做。
這二種的作法都是保護性的措施,它們只減少其損失程度,但卻不能完全的防止它。第一種方法較適合我採用,它有以下的幾種優點:將喇叭和房間牆壁一起考慮來設計,在低頻處發揮喇叭的性能來增加其效率,並且可避免異相反射波的問題。上面的這幾種優點是可以做到的,只要依照下面這幾個步驟來做:
1.決定這個喇叭是放置在接近一個、二個或三個相互垂直的牆壁,所以平衡鈕必須分別設定,以適合各種不同環境,因為低音喇叭的效率隨其輻射角度的改變而改變。
2.設計喇叭箱使得低音喇叭(或多個低音喇叭)盡可能的接近房間的表面。
3.設定交越頻率,使得低音喇叭的使用範圍被限制在「凹口」(notch)頻率之下,這樣的話其反射音壓永遠的與輸出同相,並且加強其功率輸出,如此,低音喇叭之功率輸出就會變成很平坦。要注意的是,實際情形裡,需要三路或四路的喇叭系統,因為甚至使用數個低音喇叭,並且非常接近牆,仍需使用一個低的交越頻率(400赫或更低)。
4.最後,將喇叭箱裡中音的驅動器放置遠離牆的交界面,也就是至少要有交越頻率波長長度的½以上,這樣就可使中音驅動器的輸出很平坦,並且不受周圍環境的影響(高音部分也是同樣情形)。
現在一些喇叭系統的設計已遵循此一原理來製造,相信不久其他的廠商也會陸續跟進。
(譯自Audio Aug. 1979原作者為Roy Allison)
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而音樂是一種藝術,就藝術的觀點而言,任何維妙維肖的複製,都無法與原作等價。果真複製技術可以以假亂真,甚至就是真,對藝術本身來說就是一種冒犯和污蔑。今天我們之所以提倡Hi-Fi,不過想藉Hi-Fi之助,聽聽音樂而已,這種音樂自無需和現場演奏互為較量,也無必認為Hi-Fi一定不如演奏,因為今天的Hi-Fi已經走向再創作的路程。它在某些方面也許不如演奏,但是某些方面卻尤有過之──這是連最出色的指揮家都不容否認的事實。
(6-27)
轉載音響技術第48期DEC. 1979 聽音環境對喇叭的影響/黃俊平 譯
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