4.1 無限障板式
在第三章第五節裡我們簡略描述了音響短路現象。現在讓我們再進一步討論。當紙盆朝前移動,喇叭前面產生空氣壓縮,喇叭後面則發生稀釋作用,若喇叭裝在小面板上,受擠壓的空氣會從障板的邊緣溢出而侵入後邊的稀釋(rarefaction)區裡,阻礙了紙盆的活動。情形如圖4.1所示。
這種「音響短路現象」在低頻更形惡化。因為這些頻率的振動週期比高頻的要長得多。我們以50赫的低音為例,50赫單一的完整振動是一秒的50分之一,其「一半」的振動(也就是空氣壓縮和稀釋的時間)是一秒的一百分之一,這時波長的距離是1/100×340m=3.4m。
為了防止障板一邊的空氣壓縮影響到另一邊的稀釋作用,由壓縮或稀釋的中心點到障板兩端的距離至少要大於3.4m的二分之一才能再現50赫的低音。
由此我們得到一個結論:為了避免某音的音響短路現象,障板一邊的長度至少要大於該音一半的週長。以50赫來說障板的面積應大於3.4×3.4=11.56m²。
顯然,障板越大,頻率的相消損失越少。假如障板無限大,共振頻率發生前沒有低音掉落的現象,若頻率再次降低,頻率每八度音程衰減12dB(12dB/oct)。為了讓喇叭有完美的低頻響應,無限障板式非常可行。
4.2 密閉式系統
障板的作用在於防止輻射音的相消現象。但無限障板只是純粹的理論概念,實際上的限制很快的減損了它的應用價值。結果我們將障板朝後摺疊成一個密閉的箱子,作用和無限障板相同。
雖然一般都認為完全密閉的音箱和無限障板相似,事實上兩者之間仍有一點大相迥異。密閉音箱內,紙盆朝外動,空氣就擴張。這當然和障板不一樣。箱內空氣壓力的改變好像一條擴大和收縮的彈簧,和紙盆相連接,結果「彈簧」的挺硬度會改變揚聲器的有效共振頻率。讓我們再進一步探討。上一章我們談到揚聲器的共振頻率是:
Md是動態質量,Cs是懸置系統的順服性。
動態質量是Md=Mc+Ma,Mc移動部分的質量,Ma是紙盆兩邊的空氣量。(4.1)的等式是喇叭未裝箱置於「自由空氣」中的現象而且大都在無響室測得。由等式(4.1),我們可以算出喇叭的順服性:
有兩種測定辦法來決定順服性和動態質量。首先,在無迴響室中,將一控制訊號輸入未裝箱的揚聲器以測出其共振頻率(fr)。再用一已知質量施於紙盆而求得另一更低的共振頻率(fm),由等式(4.2):
由於兩次測定中順服性的值Cs都不變,(4.2)和(4.3)可合併代換成
由(4.4)算出Md的值後再和(4.2)代換,順服性Cs就可以求出來了。
喇叭裝上密閉式音箱後,低頻時箱內空氣量的「挺硬度」一定會加入懸置系統本身既有的挺硬度。總挺硬度變成Ss+Sb,其中Sb是指箱內空氣的挺硬度。順服性是挺硬度的倒數,於是:
由此,我們知道(4.1)式可演化而呈示音箱的效果,喇叭裝上密閉箱後新的共振頻率是:
喇叭裝箱後,(4.6)的等式並不計某些輻射效果以及空氣負載的改變。
假如我們將(4.6)和(4.1)合併,共振頻率增加的比例是:
如果喇叭在其面板上所佔的面積小於三分之一,裝箱後的共振頻率和未裝箱共振頻率之間的比例大約是:
可靈活運用這個等式設計一般高傳真的密閉揚聲器。喇叭懸置系統順服性之值也可計出,情形如本節前文所述。
密閉音箱內空氣的挺硬度要視容器的體積及等量的「活塞」區而定。據此表示順服性,則音箱的順服性是
其中V=音箱容積
ρ=空氣密度
C=聲音的速率
A=等量的「活塞」面積
為了方便起見,這個公式可簡化成
式中V以立方公分(㎝³)表示音箱容積,A則以平方公分表示「活塞」面積。
現在讓我們以實例來說明。已知音箱容積為40公升,求低音喇叭裝箱後新的共振頻率,喇叭現有的資料如下:
為了避免開根號的麻煩,讀者可由圖4.6查出以比例上升的共振頻率,當然順服性的比率要先知道才行。
現在我們知道音箱大小對於低頻響應的重要性。若使用小音箱,裝箱後的共振頻率很快就變成未裝箱前的一倍,所以若要設計密閉式揚聲器,所選擇喇叭在未裝箱前共振頻率一定要低才行。
前面曾經談過揚聲器的一般屬性,我們也討論過喇叭的操作功率和功率負荷能力。假如將這兩點和密閉式設計綜合,我們發現動作系統的挺硬度(即不易移動的特性)越增加,紙盆的移動距離越縮短,雖然輸入音圈的功率並不變。換句話說,「需要更多的功率」才能產生相同的音壓。另外的說法就是:效率降低了。由此我們了解功率的測定狀況非常重要,我們必須弄清楚它所標定的負荷功率是指裝箱後或是未裝箱呢?例如,若有一喇叭裝上35公升音箱的功率負荷是40W,其未裝箱的功率負荷頂多只有10W,大於10W可能就要損壞了。
原則上,音箱的設計沒有什麼特別限制。但假如箱內無充塞物,箱子的深度不應小於共振頻率波長的八分之一以避免駐波的困擾。高頻時駐波仍然會發生,雖然不像共振頻率那樣擾人,應該在箱內裝吸音物質加以制止。另一方面,為了防止內部反射,箱內應襯以適當的掣振(阻尼)物質。玻璃纖維到處可以買到,效果也非常好。音箱要完全密閉,否則低頻響應會惡化。所有接何部分應該加上螺絲再用強力膠加以密合。揚聲器和擴大機的引線不應在箱上留有缺口,也應加以膠合。喇叭裝上障板時應再墊上一層多元酯泡沫(氣流阻絕用)以防止空氣外漏。如果以後要拆卸障板,應該在障板和木條之間再安上一層塑膠泡沫,用螺絲固定之。
我們需要讓音箱緊密,我們也要將喇叭紙盆後面的輻射加以吸收,讀者由此也可想到我們為什麼要將高、中音喇叭和低音喇叭分開了。
4.3 低音反射式音箱
低頻時,紙盆後面所輻射的代表整個輻射功率的二分之一。低音反射式揚聲器就是儘其利用這種輻射關係,它將紙盆後面空氣的質粒運動轉向後再加入紙盆前面的振動。喇叭裝於音箱的障板上,障板上留一個洞或出口讓紙盆後面的輻射音流出。利用共振效果和特製音箱(有出氣孔)將空氣的質粒運動轉向。
和赫姆荷茲(Helmholz)共振器一樣,共振是由於箱內空氣的順服性和氣孔處空氣質量的感應而引起的。若和輸入速度和壓力相比較,相對地,氣孔內空氣質粒的速度要大於質粒的壓力。也就是說:輸入阻抗(施於紙盆後方)本身就大於氣孔的阻抗。
低頻所增加的輸出端賴於共振器輸入量和輸出量所成的相位角度。若箱內共振,這個角度大約為90度,使紙盆前後的輻射相反,氣孔的輸出也是90度,和紙盆前方的輻射相位相反。若訊號高於音箱的共振頻率,氣孔輸出的相位朝著紙盆前方的輻射移動,紙盆的輻射因而增加,反之,若訊號低於共振頻率,氣孔輸出的相位使紙盆的輻射減少。
共振器和紙盆的耦合也會修飾電氣阻抗的特性。假如製作的音箱在紙箱的共振頻率上共振,前面所述阻抗上升的現象幾乎可以完全抑止;若高於共振頻率紙盆受質量控制(感應性的)而音箱則是受順服性所控制(順服性的);若低於共振頻率,結果相反。所以整體系統的共振有兩種可能性,可由圖4.9中阻抗曲線上所出現的兩個峯起看出來。
音箱容積的改變影響「電容」的改變。「感應」組件和氣孔的長度及其面積之比成正比。如在氣孔後再行程一管道使氣孔的面積和紙盆相類似,「感應」狀況可以有所變化。一個長方形管道,正確的長度/面積因素以1/√面積的方式增加。通常出氣孔和紙盆的面積相等,因此可由管道長度的作用求得產生既定共振頻率所需的容積。管道長有其優點,這樣箱子的容積即使減小,也能維持應有的共振頻率。但一般說來,管道不應長於共振頻率波長的十二分之一。如果氣孔和紙盆的面積相等,可提供一個高度的機械阻抗給紙盆後部,大部分的輸出遂來之於氣孔。
隨著密閉系統的演進,低音反射式進一步尋求降低尺寸並維持其競爭性。以前的低音反射式揚聲器共振時,紙盆前後的輻射大約相等,新引進的系統輻射主要卻來之於管道。
在這種情況下,電抗、電感和導管量的綜合好像一部阻抗變壓器及相位轉換器,和紙盆的後方耦合。換句話說,紙盆後部的堅實度和本身的懸置系統分庭抗禮,有時甚至還要遠勝之。這和密閉式系統相似,不同的是:箱子的容積和導管的通量會在導管口使堅實性改觀變成高振幅的輻射。
整體效果顯示;低頻區內,雖然紙盆移動不太大,高振幅的低音仍然可以產生。不過整組系統的尺寸仍然會限制它的輻射,這是它的缺點;有些型式將導管的開口朝向地面就是要改善其輻射狀況。
4.4 背後開孔式音箱
背後開孔式音箱通常是用於舊式的架式型收音機,它的設計非常像是摺曲的障板。這種音箱所產生的共鳴響應特性自然也受到揚聲器特性的影響。在使用比較淺薄的音箱時,其共鳴峯值為3至6分貝,比較深厚的音箱時,其共鳴峯值為6至10分貝。
背後開孔式音箱並不符合高傳真的要求,如果一定要使用,則音箱前面的障礙物要儘可能的薄。使用這種音箱時,至少要離牆壁15公分(7英吋)。
4.5 音箱特性總結
目前我們考慮的只是裝箱的方法。現在讓我們再來比較其中的各種特性。簡單障板式最容易也最便宜。垂吊在房間的角落,頂邊靠著屋頂,喇叭口朝下,障板的尺寸決定頻率可以往下延伸到什麼程度,再生音質也受障板的大小所左右。操作功率低,功率負荷能力也低。
低音反射式是昔時的寵物。它為了尋求好的低頻響應曾經花費了不少代價但在這「縮影」的今天,反對者所持的論點是:低音反射式揚聲器需要相當的尺寸才能再現完美的低音。另外還有一點缺點是:除非製造者依隨一個經試驗測試的設計製作,否則即使有完備的儀器和豐富的知識,它也要面對一連串凡人的校調工作。這種揚聲器的操作功率低,負荷功率卻很高。
最後我們要談到密閉式了,這類揚聲器製作容易,是最能預期效果的設計。箱子的容積雖然很小,表現卻令人吃驚,以製造者的眼光來看,效果保證最利於自己製作;以其超凡的音質來看一分辛勞可獲致十分代價,操作功率比低音反射是高些,功率負荷能力極高。
因此我們可以這樣下決論:為了再生寬廣的頻率響應和動態範圍,密閉式和低音反射是最佳。而密閉式由於構造簡單、容積小,表現極佳可以說是最受人歡迎的設計了。
結束本章前,有一點必須說明;所有音箱的箱板都要挺硬結實。我們人耳所聽到的聲音都是由空氣振動傳來的,但我們要求的是喇叭本身來振動空氣而不是「音箱的振動」。音箱的振動會產生「新頻率」,這些頻率並不是我們要聽到的訊號或樂音,假如你察覺到有這樣的振動(聲量轉大時),那就表示你的音箱板不夠厚了。
轉載音響技術第30期JUNE. 1978 揚聲系統之設計與製作 4/揚聲器的音箱設計/音技資料室
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