在此介紹一個2-WAY的揚聲系統的設計過程,並且由此過程,可以發現一般的分音器,在設計時的困難和不可靠,從而說明電子分音的好處,也說明「我的音響系統」為什麼要採用電子分音。然而,本文所提到的2-WAY系統,雖然是以襯托電子分音的好處,其完成後的特性,以及試聽的結果,居然頗受親朋好友的欣賞,因此也就另外以「我」文之五來介紹之。

一、前言

  在「我」文之一裡頭,羅哲就下定決心採用電子分音來處理揚聲器和分音問題,何以在此又冒出一個2-WAY系統?其原因不外下列數點:

  1.電子分音所使用的揚聲器群,和擴大機群,所擺出的陣勢,只適合於客廳內使用,小書房或臥室內恐難容納得下,唯有製作一個2-WAY的小箱子較為合適。

  2.藉著這個2-WAY系統,再做一次揚聲系統的設計例,並且使業餘製作者能夠了解到,分音器應當與揚聲器配合,才能得到良好的效果。

  3.由於2項所述的困難重重,採用電子分音是最可靠的方法。

  有很多的朋友,甚至還有從事音響工作的人,弄了一套揚聲器單體來,卻不曉得應如何處理分音器,於是搬出一些參考資料,依樣COPY一番,然後帶著炫燿的口氣道,我使用的分音器,是飛利浦的,是Pioneer的,甚至是JBL的,羅哲只反問一句話:您的揚聲器是不是也是飛利浦的,Pioneer或是JBL的?結果答案往往是否定的,頂多只是部分是肯定的,例如,其中某一單體是,某一單體不是,或者通通都是,但是型號不是。

  揚聲器,在音響系統內,是一個很具個性的零件,它不像電阻電容,同樣的公稱值,就僅有有限地誤差存在,可是同樣的8吋低音揚聲器,卻有千差萬別的特性。如此有個性的東西,真能任意套用一個分音器,而得到所期望的音響效果嗎?例如,套用JBL的分音器,就一定得到的音響效果。如是的話,我們可以只買分音器,隨便買揚聲器單體,便得到一套JBL了。

  一套揚聲系統,聽起來之所以會如何如何,除了揚聲器單體的因素之外,分音器的配合也是一大因素,這是羅哲一直強調的,但是用JBL的分音器,並不一定得到JBL的效果。如此一說,豈不太澆人冷水了嗎?一點也不,既然,買了單體想要自己湊成系統,就應該按自己的需要,裝配成自己所需要的風味。

  當然,在本文所採用的「湊」的方法,是需要具備若干必備的儀器的,業餘者恐怕無法依樣葫蘆。然而,看完本文之後,大約就不會去浪費那些無謂的時間和金錢了。業餘者,如果想自己動手,最好是買套件,這個套件必須包括分音器與木箱尺寸在內,並且要試聽過製造商試製出來的樣品,而覺得很滿意,其後悔的機會才會降至最小。

二、關於這個2-WAY系統

  既然是適用於臥房或書房,體積不能太大,20公升左右的容積較為恰當,太小的話恐怕低頻端無能為力。20公升大小的木箱,只有配8吋的低音揚聲器較合適,置於高音揚聲器,2吋左右的錐形即可。「湊」成的系統,希望能工作於60Hz至15KHz之間而且具平坦的響應,所需要的單體,是羅哲手頭上所現有的,都是國產品並且不屬於「我」文之一所提到過預定使用的單體(事實上,是羅哲自己工廠的產品,羅哲無意在此自我廣告,型號也就不列,一則未在本刊做廣告繳費,再則目前也無意內銷。雖然唐凌兄一在鼓勵各廠商利用本刊介紹自己的產品,但是羅哲總認為如此做的話,會很難下筆,但是替別人捉刀吹噓時反而不會有這種感覺)。

  首先,來看看這兩支單體在無響室內的頻率響應特性,分別如Fig. 1AFig. 1B所示。低音揚聲器的最低共振頻率(未裝箱時)是fo=36Hz、Qo=0.54。高音揚聲器的最低共振頻率是900Hz,考慮種種因素,分頻點決定選在2KHz。預定使用-6dB/oct的分頻網路,揚聲器公稱阻抗是8歐姆,按一般所熟悉的公式計算:

  L=R/(2πf).

    =8/(2π×2000)[H]

    =0.635[mH]

  C=1/(2πfR)

    =1/(2π×2000×8)[F]

    =10[uH]


  得如Fig. 2A所示之分頻電路,將此分頻電路以8歐姆的電阻做負載,測得如Fig. 2B所示之分頻曲線。如果換上揚聲器單體做負載,實際去測試無響室內的輸出音壓頻率響應,則如Fig. 3所示。理論上,我們可以把Fig. 1AFig. 1B的頻率響應曲線,按Fig. 2的分頻曲線衰減量逐點描繪,應得如Fig. 4之理論曲線,然而和實際測得的(Fig. 3)卻迥然有異,這就是羅哲一再強調的──揚聲器阻抗會隨頻率而變,將它視為純電阻值來設計分音器,是很不可靠的。


  對於本文的2-WAY系統,羅哲使用實驗的方法來決定分音器的電感與電容值,並且將其實驗過程所得的曲線描繪下來以饗讀者。

  首先,我們來看看這兩支揚聲器的裸特性,分別如Fig. 1左邊和右邊的曲線。低音揚聲器約可工作至4~5KHz的頻率,高音揚聲器約可工作於1K至15KHz的頻帶。兩支揚聲器的重疊部分(1K~4KHz),輸出都有增強的趨勢,可以利用分音器加以矯正。高音揚聲器的效率,顯然地大於低音揚聲器,可以在分音器內設法加以匹配。當然,分頻點先決定之後,才能進行其他的工作。

  以2-WAY的方式,二支揚聲器的工作頻率帶,是要比3WAY的方式要多負擔一些。一般而言,工作頻帶越寬,所需承受的功率也越大,而口徑越小的揚聲器,其所能承受的功率也越受到限制,因此,我們希望讓口徑較大的揚聲器(低音揚聲器),在可能的範圍內多承受一點功率,也就是說讓分頻點盡可能地提高一點,置於高到什麼程度,仍然是以偏離轉向30°時的頻率響應衰減量不超過3dB的頻率為界限。這個頻率界限,可以下式計算:

  f3C/2πa

  在此C=音速=3.4×10cm/s

  a=有效半徑

  8吋揚聲器有效半徑約為8cm

  則f3×3.4×10/(2π×8)

  ≒2.2KHz

  因此,我們就可以將分頻點定在2KHz左右。然後,按照下列各式計算分頻點為2KHz時所需的電感與電容值,假定,揚聲器的阻抗為8歐姆的純電阻,則

  C=1/(2πfR)

    =1/(2π×2×10³×8), R=8, f=2KHz

    ≒10uF

  L=R/(2πf)

    =8/(2π×2×10³)

    ≒0.64mH

  也就是前述Fig. 2所示的分音器,其分頻之後的頻率響應應當如Fig. 3所示。如果,我們把分頻點認為是兩支揚聲器開始不工作的頻率(也就是頻率的響應曲線上-3dB的頻率)則,這兩支揚聲器的-3dB頻率必須落在同一點上,才能銜接的很好。以Fig. 3來看,顯然不是很好的銜接,因為重疊的部分太多了。可以預言其合成曲線在銜接部分,會產生一峯,可惜忘了測繪出來,不過,以下的實驗仍可以證實。

  接下來的實驗,我們把低音揚聲器的-3dB頻率,降低兩倍,高音揚聲器的頻率提高3倍。即,將分音器的電感增加兩倍為1.3mH,電容降低三倍為3.3uF。實際測得之頻率響應,如Fig. 5所示。顯然,銜接的部分還是重疊太多。果然,再測試合成曲線時,在中音帶出現一個很大的峯。

  除了在中音帶出現一峯之外,高音帶(10KHz附近)也太強烈了一點,顯然,我們應該把3K至6KHz的頻帶提高至與10KHz附近的頻帶平齊,然後,再把整個高音揚聲器所負責的頻帶,設法衰減至與低音揚聲器所負責的頻帶平齊。

  要補足3K至6KHz的頻帶也不難,把高音揚聲器的分頻點,再往低頻方向挪移即可。在挪移之前,先設法做好高低音揚聲器效率的匹配工作。先回顧一下Fig. 1兩揚聲器的裸特性,兩揚聲器的效率差大約是6dB。假如仍然把高音揚聲器視為8歐姆的純電阻,則需要的匹配電路,是以4歐姆與8歐姆電阻串聯來分壓,而由8歐姆電阻兩端,將高音揚聲器並聯上去,以取得的匹配效用。事實上,高音揚聲器,並不是8歐姆的純電阻,如此計算所得的匹配電路,只是很近似而已,以下的實驗,可以證實之。

  顯然地,我們以每個八度音衰減6dB的分頻電路,是無法把這2-WAY系統的分頻銜接工作處理得很好,於是只好改用每八度音衰減12dB的方式(然而,羅哲無意在此支持,所有6dB的分音器,都是不好的分音器的說法,因為仍然是一句老話──分音器應與揚聲器配合,本文所提到的揚聲器,湊巧不適合使用6dB的分音器罷了)。

於是,我們改用Fig. 6所示的分音電路和效率匹配電路,並且測得高音與低音揚聲器的頻率響應曲線,如Fig. 7所示。下半部所示為兩支揚聲器的頻率響應曲線,上半部為合成之頻率響應曲線。顯然,在分頻點的銜接,尚稱合於理想。

至於2KHz以上的部分,略顯突出,比低頻帶平均約略高出1至2dB,這也證實了前面所提到,把高音揚聲器視為純電阻來設計效率匹配電路,也是不正確的。當然,我們可以進一步地修改匹配電路,而獲得更平坦的頻率響應曲線,然而,羅哲決定就此歇手,因此羅哲喜歡稍微華麗一點的音色,也就是高頻端稍微增強一點的頻率響應。至於如此所得到的頻率響應,在聽覺上是否討人喜歡,則見仁見智。以下的試聽,可以證實。

  試聽人員除羅哲本人外,還有助手夏君,公司同事呂君。試聽唱片為翻版唱片波爾瑪麗樂團的Latin Music,最先完成之系統頻率響應如Fig. 5所示者,也就是高音揚聲器未經匹配電路處理過的系統。第一首曲子播放完畢,夏呂二君皆誇「讚」,於是一曲又一曲聽完整張唱片,結論是未料到自己工廠的揚聲器,竟然也能組合出如此前所未聞之音色來,其中高音部分之柔細與清晰尤是回味,呂君家中使用揚聲器為AR產品,彼此認為相去不遠,所謂高頻帶的「韻味」一詞,至此總算體會到了,直把羅哲捧得飄飄然。然而,羅哲自知如以頻率響應來看,實在算不上很好的系統。於是另外再製一對,將高音與低音揚聲器效率做適當的匹配,即頻率響應所Fig. 7所示者。於是同一張唱片再度試聽。評語是不若原有者佳,甚至在感覺上有點吵雜聲。當然,此二系統之頻率響應曲線,呂夏二君均未曾過目,以防心理作用造成的偏見。

  對於呂夏二君之言,羅哲覺得是「於我心有戚戚焉」(雖然羅哲明知以頻率響應曲線看,後者優於前者,但是羅哲一向並不堅持揚聲器的頻率響應曲線,唯有平坦者才能發出「好聽」的聲音)。私底下,也使用了MC唱頭,和自製的MC唱頭放大器(前期所介紹之電路)反覆試聽,結論仍舊不變,用以試聽小提琴演奏,前者更為細緻、悠揚,卻又不過分華麗。然而鋼琴演奏曲,則平平而已!換聽調頻電台,正好播放劉文正的唱片,感覺是除了有童稚之聲外,還略帶女聲。顯然,這一系列是美聲有餘平實不足,講得自貶一點是不算Hi-Fi。然而,觀乎國外許多名廠的系統,又有多少確實做到完全平坦的頻率響應而受人稱道的。由於這一系統,的確造成一種討好人的音色,雖不Hi-Fi,偶而換換口味也還不錯,也就把它保留在「我的音響系統」之內。

轉載音響技術第62期FEB. 1981 ‘頗費斟酌的揚聲系統’我的音響系統──之五/羅 哲

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