揚聲系統的設計不同於擴大機般的電子系統。影響揚聲器音色的因素包括木箱之容積、厚度、材質、處理方式、單體之組成、分音處理、最低共振點之選擇......等等。
正由於影響揚聲系統「呈色」因素之多,繁且不易控制,因是有關揚聲系統的設計與製造理論,一直停滯在眾說紛紜的階段,隨時有新的理論出現,而這些新的理論也隨時可能變成謬論。
荷蘭飛利浦公司是一家有名的電器製造公司,除去一般家電與Hi-Fi製品之外,其喇叭單體與揚聲系統之製售更是聞名遐邇。而最可貴的事是,飛利浦公司最近編印了一本Building Hi-Fi Speaker Systems極有系統,深入淺出第介紹製作揚聲系統的全部過程與觀念。本刊特請簡政珍先生將全書譯出,除此本刊分四期連載之外,已立即付印單行本,俾供我音響同好研讀參考。
１. 關於這本書
本書中喇叭設計的原則是用最少的代價得到最好的性能。不論讀者採用這些推薦的喇叭系統是基於業務或私人原因,只要在推薦的喇叭箱體積裡採用正確的喇叭和電路元件,保證可以完全滿意。假如喇叭箱的體積維持不變,改變喇叭箱的長寬高尺寸,在某個範圍內這些喇叭系統的性能仍舊不變。這樣在設計的時候可以有某種程度的彈性。
喇叭從功率擴大機接受電氣訊號,轉換回原音的忠實再生,任務非常艱難。如果喇叭不合適,再生過程中其他的設備都無足輕重;而當採用品質好的喇叭系統,即使最便宜的磁帶錄音機也能大大改善音質。
喇叭的性能和喇叭箱有很大關係,尤其是高品質再生一定要把喇叭裝在適當的箱子裡。把喇叭裝在隨便的舊箱子裡而希望它有極佳的再生是不可原諒的。本書所介紹的喇叭系統大多為密閉式喇叭系統,音未喇叭裝在密閉箱的一側。箱中的空氣控制喇叭系統的低音特性,而且對一定的體積有特殊的特性。
選擇適當的喇叭和喇叭箱之前,要考慮許多因素。本書以簡單的說法討論這些因素,並且提供讀者足夠的資料以便選擇和運用。有些讀者希望避開理論,專心製作高品質的喇叭系統,本書提供有十七種不同喇叭系統的構造細節。每一喇叭系統都用最新的儀器完全測試過,相信可以給製作者最高度的滿足。另外,有些讀者想要發展他們自己的系統,將可以發現本書提供了足夠的參考資料。
2.1 聲音的本質
聽覺,就像視覺和觸覺,是一種基本的感覺。聲音這個名詞市指耳朵接受的感覺,或指這種感覺的物理起因。各種情況下,聲音是由處於振動狀態的某物引起的。一個物體的振動不能直接引發聲音;直接原因一定市和耳朵接觸的東西,作為介質讓聲音由振動物體傳到鼓膜。這個介質通常是空氣;聲音可以經由固體、液體和氣體傳播,但不能經由真空傳播。
聲音的感覺由空氣的壓縮和稀薄引起,傳遞的過程是以縱振動的形式波動前進,也就是每個質點在休息位置附近振動,振動沿著聲音傳遞的方向。當一系列連續的質點,例如空氣分子,依次做類似的運動,這是因為每個質點的運動帶動下一個質點的運動,而一個物體只有把自己的能量的部分傳給另一個物體。
振動物體將能量給直接鄰近的質點,質點不斷地影響鄰接的質點,把能量傳遞過去。實際上空氣中能量會損失;若沒有這種浪費,每單位面積傳遞的能量與距離平方成反比。或說能量傳遞的速率,即聲音的強度(intensity),為聲波的重要性質,響度的感覺即此而決定。
在空氣中聲音是以定速傳播,速度決定於空氣的密度,這和空氣的溫度和靜態空氣壓力有關。在普通室溫22℃(71.6℉)和靜態壓力0.751mHg(10N5/㎡),周圍空氣的密度為1.18Kg/m³。在這些情況下,聲音的速度為344.8m/s(1131.2ft/s),但是再實際應用時聲速用340m/s。聲音的波長(λ)等於傳播的速度除以振動頻率(f):
我們已經說過響度的感覺決定於聲音的強度。當聲音經由空氣傳播時,空氣中每一點的壓力會改變,比平常的壓力高和低。空氣壓力的變化量即為音壓(sound pressure),因為實際上的困難,我們只能測量音壓來推定聲音的響度。
我們能夠測量音壓的絕對值,例如多少毫巴或每平方米多少牛頓,但是這樣並不能指出聲音出現時有多響。參考我們所覺開始反應的水平,以相對值表示聲音測量的結果,較為實用。Alexander Graham Bell發現耳朵對聲音強度的反應應為對數形式,當聲音強度增加時,我們的耳朵對聲音變得較不靈敏。所以用對數刻度為單位,使得同樣的單位能夠表示比例的變化。基本的單位為貝Bell(B),是為紀念發現者而命名的。不過這個單位代表的強度變化相當大,我們通常用分貝decibell(dB),只有貝的十分之一。
因為耳朵對聲音的反應為對數方式,我們以1000Hz時的聽覺開始限度為標準參考音壓,以分貝為單位測量音壓的水平。以分貝為單位的音壓水平(SPL)定義為:以10為基底,將測得有效音壓(p)與參考音壓(Pref)之比取對數再乘以20即得。寫成
記住有兩種不同的基準(dB)音壓。第一種和我們最有關係,通常用在有關聽覺的測量,以及空氣中聲音水平和雜音的測量,此時Pref=0.0002毫巴(2×10-5N/㎡)。另一種廣泛用於換能器,例如麥克風,Pref=1毫巴(0.1 N/㎡)。兩種準位相差幾乎74dB之遠,所以如果可能引起混淆時,務必說明參考音壓。
聲波在傳播方向的強度(I)為:
其中P為音壓,單位N/㎡
ρo為周圍空氣的密度,單位Kg/㎡。
C為聲音的速度,單位m/s
另一方面,以分貝單位測量聲音的強度水平時,以1000Hz的聽覺開始限度的強度為標準參考水平。以分貝為單位的強度水平(IL)定義為:以10為基底,將聲音強度(I)與參考強度(Iref)之比取對數,再乘以10。
這種情況的參考強度取10W-12/㎡,選這個值以對應參考音壓2×10-5N/㎡。
將(2.3)式的強度代入(2.4)式,可以得到強度準位和音壓水平的關係。代入Pref和Iref值得
當ρoC值為400時,強度水平IL等於音壓水平。某些溫度和壓力配合的情況可以滿足這個條件。但是在室溫22和周圍壓力105N/㎡時,ρoC值為407;這樣強度水平會稍小於音壓水平約0.1dB。在本書所有的實際應用中,我們均假設二者相等。
另一種有趣的量是聲能水平(acoustic power level)。一個聲源的水平以分貝表示,將聲源輻射的聲能與參考聲能之比對10的基底取對數,再乘10:
參考聲能Wref取10-13瓦。亦即聲源輻射1瓦的能量相當於130dB聲能水平。在普通的溫度和壓力之下,聲能水平比音壓水平稍少,約差0.5dB。本書中我們還是把它們看成相等。
喇叭的音響特性通常以圖表示,垂直軸為分貝單位的有關變數。剛看過有三種量我們當作是相等的:
現在讀者可以由一張圖得到三種資料。本書的圖垂直軸只標出dB,讀者可以自行附上說明,參考水平線用上述提出的值。記住:真正測量的是聲壓水平。測量喇叭特性的方法詳述於第10章。
討論聲音的本質應該提到兩種重要的特性:反射與繞射。如果聲波遇到比其波長更大的物體,就會發生波的反射。我們考慮一個很大表面上的一小部分,忽略邊緣的效應,只有在表面非常堅硬的時候,反射才會完全。表面的堅硬度可以增加物質的密度而改善。當物質不夠堅硬時,發生部分反射,聲波其他的能量則由物質吸收。反過來說,如果我們希望防止反射,應該用吸收聲音的材料,通常密度較低。喇叭箱內部就是用這種材料防止內部反射,否則內部反射會影響喇叭的音質。
當聲波再行進路程中遇到一個小物體或由一個小孔穿出,聲波的波前(wavefront)會被干擾或扭曲。所謂「小」是指物體或開孔洞口的寬度比聲波的波長小。聲音再生對小孔的情況更為有趣,就像低音反射式喇叭箱的開孔。如果孔徑寬度比波長大很多,穿過去的波前實質上不改變,但是當孔徑寬度減小時,穿過的波逐漸變得發散。當孔徑與波長相等時達到極限情況;然後波發散角度超過180°,孔的作用好像聲波新的聲源。
本節解釋了聲音一些重要的特性,詳細的研討則超過本書的範圍,讀者可以參閱其他有關聲學的書籍。
2.2 頻率範圍與諧波
音樂的音調包括一個基本音調,以及一系列的諧波;基本音調即某一固定的振動頻率,每個諧波的頻率為基本頻率的整數倍。每個諧波包含的能量決定於發聲的樂器種類,以此分辨各種樂器。音樂中將頻率稱為音調(Pitch);聲音的特性決定於包含的諧波成分,稱為音色(timbre)。諧波亦稱為倍音(overtone)或泛音(partial)。
以數學的方法和觀念所有的波形都可以分成許多正弦波的組合,包括一個基本頻率和其諧波。這就是所謂的傅立葉分析(Fourier's analysis)──用數學方法分析一個複雜的波形,決定其包含成分的頻率、振幅和相位。
具有瞬時特性的聲音例如鋼琴、鼓或鐃鈸發出的聲音,重現時必須清脆生動。鐃鈸突然碰撞一下產生的波形前端非常陡,因為振幅突然增加,包含有大量的諧波。如果這些諧波不能有效地再生,有失真或損失,則音樂會缺乏「魄力」或「衝擊力」。
考慮的重要因素有最低頻率和最高頻率,頻率響應的平滑性及其對水平的允許誤差,還有頻率範圍受損。表2.3列出各種樂器所發出的最高階頻率。這些高頻可能有相當的強度;鐃鈸的15000Hz諧波強度幾乎等於300Hz基本頻率,而再某一固定音量時,人耳對高音比低音更敏感,下一節就談到。雖然聽覺的銳利隨年齡而下降,例如二、三十歲有16000Hz,四、五十歲減到12000Hz,還是必須用足夠的「衝擊力」再生瞬時聲音意思是說對高頻的再生能力不應設任何限制。幸運的,頻率範圍的較高極限再生沒有問題;有特別為此設計的喇叭。
2.3強度和動態範圍
無論自然如何產生聲音,我們對於聲音的靈敏度隨著頻率而改變。我們可以由此得到證明:當我們聽到的聲音強度相同而頻率不同時,我們所感受的響度就不同。以低強度來說,低頻的聲音就要比高頻弱,比中頻更弱。強度逐次增加,我們發現低音和中音產生相同的強度而耳朵卻對高頻更加靈敏。
為了方便起見,我們以「風」做為響度水平來說明人耳在不同頻率下靈敏度的變化。聲音的響度(風)在數目上和1000赫純音的強度(分貝)相等,聽者研判的結果也認為其同響。因此,在1000赫,風的數目和聲音強度的分貝數相等,但至於其他頻率就要看耳朵的靈敏度來決定了。H. Fletcher和W. A. Munson於1933年首次發表了不同頻率的同等響度曲線。其圖如圖2.7
其他的研究者也曾進一步鑽研,但大體上並沒有改變Fletcher和Munson的基本理學。Fletcher和Munson共同指出:有效響度實質上之對數要超乎40風,低於這個標準則是半對數。有效響度和響度水平的關係如圖2.8。在一既定的強度下,我們將各類頻率的響度加以修定以配合耳朵的對數響應,其結果可參閱圖2.8。圖中的曲線顯示出頻率作用所造成的有效響度。圖2.9更進一步指出聲量的降低造成低頻的遽降。因此當我們再現音樂時,若是音量低於原音,我們無法期望各頻率能以原來的關係再現,除非我們採取步驟依照強度的比例加以調整。其方法將在2.6節裡詳述。
聲量範圍,或是我們所稱的動態範圍,就是聲源從最大到最小的強度比例,以分貝表示。若只以人聲和音樂做為音源,管絃樂的動態範圍最大。費城交響樂團曾經做了三小時的錄音,演奏十個片段,最大動態範圍74dB,假如去掉其中0.1秒的鐃鈸聲,動態範圍降至65dB,人聲的動態範圍更小,很少人能超過40dB。很顯然,若再生系統能處理70dB的動態範圍,音源的重要部分大都不會遺漏;當然再此我們還沒考慮低音量時的聲響效果。
某音的主觀響度會因為另外一個音的導入而降低,這就是所謂的掩蓋作用。掩蓋的程度要是第二音的頻率和聲量水平而定。其細節超出本文討論的範圍,但我們應該切記,屋內雜音所造成的掩蓋效果會加大我們聽力的門扉,房內背景雜音越大,再現的聲響就要越大,否則微弱訊號將難以入耳。
2.4 節目來源
聽者現在有許多節目來源:
──調幅(AM)長、中、短波收音機
──調頻(FM)
──電視聲響
──普通商業唱片錄音
──盤式磁帶錄音
──使用二氧化鐵和二氧化鉻的卡式帶
──麥克風
收音機和電視機所提供的音源其電子訊號能夠以最簡單的方式放大和再現。假使我們使用一具線性功率擴大機,所有的輸入頻率都能均衡處理,功率輸出足,沒有失真也沒有線路雜音,那麼唯一能限制音質的就只有揚聲器了。換句話說,節目來源的所有頻率和動態範圍能真確地加以再現。但調幅收音機確沒辦法提供最好的音質。由於電台多,收音頻譜過擠,只好將帶寬加以限制,國際間協調將長、中、短波的總體帶寬限制成9K赫。(大致上),也就是說,在正常雙重旁頻率(sideband)傳送下,我們所能獲致的傳送音頻最多只能達到4500赫。
除外,為了使一具構造簡單價格低廉的收音機降低失真,使其失真度在人耳的容許範圍內,附載頻率的調變百分比不宜超過30%。為了使聲波傳遍各地,調變的最大水平應和聲音的平均值相符,而不是峯值,因為訊號是以旁頻率(sideband)傳送。也就是說,聲音的峯值不予傳遞,發射機已加予大幅度的壓縮(volume compression)結果,調幅廣播的最佳動態範圍也只限於45dB到50dB之間。
調頻廣播開始前的十年間,人們嘗試了許多極富創意的方法以恢復調幅廣播中動態範圍的損失。其中有以白熱燈和揚聲器並聯,也有在特殊聲量擴展(volume expander)線路裡使用可變導磁管(vari-μ)。所有這些系統由於響應的忽起忽落都一一宣布失敗。當VHF調頻廣播開始啟用,頻率響應4500赫的限制解除,動態範圍突破45-50dB,愛樂者的偉大日子總算來臨。
在沒有討論其他主題前,我們必須記住:就是在今天AM播放的限制仍然存在;假使AM是你唯一的音樂來源,再生系統的要求並不嚴,這點容我們在本章結束前再討論。
調頻廣播所提供的音源要比調幅好得多了。由於載波極高,可播送的動態範圍可高達60dB,當然,通常FM廣播仍有一些音量壓縮,但在播放大部分的管弦樂作品時,聽眾是很難知覺的。頻率響應的範圍也大多了。可高至15000赫的範疇。為了防止收音機的雜音掩蓋和干擾,以及為了在調變頻率升起時平衡偏移點之衰落,在播送前,上層音頻(upper audio frequencies)先予以加強,這種所謂的先行加強(pu-emphasis)使用於所有的FM廣播,調諧器上再予以「衰減」(de-emphasis)以恢復原有的訊號。這樣大幅改進了訊號雜音比,而且訊號先經過加強再衰減,響應仍然極其平直。我們期望FM調諧器的頻率響應能達到15000赫,動態範圍要有60dB。
電視節目的音源很有用,但難以捉摸。很少廠家在電視接收機上加上音響輸出孔(國內大同電視某些機型有這些裝置)。以這種方法來修飾改進電視的聲響並不難,但是和外來的揚聲器連接後,所得的聲響反較不清晰,由電視音量控制器所控制的訊號較清澈,輸出級的線路雜音和失真以這種方式加以避免,電視原來較清晰的聲音存在於原有的電視線路中。
國際間協調後的電視頻寬佔了聲道譜(Channel spectrum)的25000赫,一般所播送的音頻大約高至12500赫,比AM要好得多,但不如FM。動態範圍則非常不錯,約60dB和FM不相上下。
以頻率響應來說,目前最好的節目來源是長時間的演奏錄音。頻率可錄至18000赫,除了錄音設備和壓製品質要考慮外,可以說沒什麼限制,可獲致50dB的動態範圍;假如小心取用播放並妥善照顧,不會因為歲月的增長而損害;藉由任何播放媒介都有很好的響應。一般說來,唱片越貴,品質越佳。
「單曲」唱片以及廉價的流行音樂唱片和較昂貴的商業錄音相較,品質要差了些。這些唱片的動態範圍大約只有35~40dB,所灌錄的頻率響應差別很大。有些軍樂和狂歡音樂錄了大幅的低頻,有些──如兒童音樂唱片──則大部分錄的是高音。我們並不是意謂讀者不要買這些唱片,而是希望大家心裡有個腹案;這些唱片的錄音效果不可能太好。假如地方電台播放這些錄音,你倒不如錄一些FM或電視的現場實況轉播。
唱片錄音從1955年就配合RIAA和歐洲(IEC)的標準,低頻由於能量高,刻錄時其訊號的振幅加以縮減,反之,高頻由於能量低,刻錄時予以加強。重播時必要以錄音特性的相反曲線等化。如何等化端賴我們使用的唱頭而定。廉價的壓電(晶體)唱頭好比是一組串聯的電容加上一個電阻,頻率特性之補償極像錄音的刻制特性,不必經過什麼等化。晶體唱頭的輸出雖然大,但失真也高,只適用於較廉價的再生體系。晶體唱頭最佳頻率響應大約可高至12000赫左右。
另一種唱頭性能較佳,頻率響應也較好,這就是陶磁唱頭,它可免於尖銳的尖峯音,頻率特性可高至15000赫,其響應特性和錄音特性極為吻合,也不必加以等化。
無疑,電磁動態唱頭的性能最佳,動態唱頭有一組線圈,有一支針尖促成線圈的運動,線圈裝於磁場內其作用有如發電機,設計良好的話,這種結構的低頻響應簡直沒有失真,且具線性輸出,和晶體唱頭比較,電磁唱頭的輸出電壓極低,需要一個大約有15dB額外增益的輸入擴大器,也需要等化,因為其線性響應和錄製特性相反。
對於業餘的音響迷來說,盤式錄音機以每秒鐘19公分的速度(7½ in/s)可以錄到極佳的音源,尤其是FM廣播。當然這很浪費磁帶,假如不太計較高頻中的某些損失,每秒鐘9.5公分(3¾ in/s)的速度比較經濟。品質好的盤式錄音機,如飛利浦的N4450用19cm/s可錄到20000赫的高音,速度降至9.5cm/s,頻率響應仍然還能維持17000赫。若用4.75cm/s(1 7/8 in/s)錄音就更經濟了,但頻率響應只能高至8000赫,大體上,對於盤式錄音機來說,市面上以9.5cm/s錄好的錄音帶買來播放可以有很不錯的音質,所獲致的動態範圍大約60dB。
對於聽者來說,卡式錄音機(飛利浦的發明)的發展拓展了新的可能性。卡式有其特殊的優點,小巧牢固,帶子在使用和操作上都完全受到保護。使用的方便性非任何錄音媒介所能及。運轉速度是4.75cm/s(1 7/8/s),設計之初並不是用來錄製或重播高傳真音響。但是由於使用方便,人們相信有一天卡市一定可以用來錄製唱片錄音,在發展成新系統的途徑中,當然又投注了許多的精力,如今卡式已成為高品質的有力音源。製造廠商振振有詞,但今天只要是設計良好,其頻率響應可以平滑延伸到15000赫是絕對沒有問題的,不過必須使用最新出品的磁帶才行。卡式的動態範圍至少有55dB。
磁帶所引起的特殊問題是噪音。假使雜音大,音樂的高音會被掩蓋,打開高音濾波器降低雜音又削去了高頻的尖端響應,這種去除雜音的辦法不能造成好的再生效果,於是人們又致力於其他方法的探討。最著名的是杜比雜音消除系統,在錄製和重播的過程中經過提升和縮減的手續將雜音去除。飛利浦發展的是動態雜音限制器(DNL Dynamic Noise Limiter),只在重播時才使用。除外,研究者又發展生產「低雜音帶」,最近又有了二氧化鉻帶。
最後一項是麥克風。錄音室所使用的麥克風品質極佳,無論靈敏度、頻率響應、雜音和失真都能符合高傳真的需要,內容超乎我們討論的範圍。但有一點很重要,我們必須體認到錄音室麥克風不是家庭錄音機所附的麥克風可相比擬。近幾年來,一般被認為是錄音機標準附件的晶體麥克風已漸漸被動圈式或動態式麥克風所取代。有關電磁式唱頭的特性仍適用於動態麥克風,也就是說,頻率響應好、失真低、輸出低。我們也需要配用一部等化擴大器。
2.5 高度傳真和真實感
自從1887年留聲機問世以來,人們已深信聲音可以紀錄和重播。自此,狂熱者談論到由於技術的進展,可以盡量做到聲音重播的傳真和忠實。「高傳真度」(high fidelity)這個詞就是用來描述所能獲致的最寫實聲音再現。但是由於我們所處的聽音環境迥異於原來的會場,完全的傳真是不可能的。不幸的是,「Hi-Fi」這兩個字也同時被用來描繪任何能產生巨大聲響的東西,而不論其頻率響應範圍,也不顧其既有的失真度。
我們目前的技術能達到很高的傳真度,但代價也極高。只有讓聽者自行決定本身這方面的要求。我們所要考慮的是有多少傳真度以及如何達到這樣的傳真度。這個問題可以用動態範圍來說明。設使現在我們有一套動態範圍為67dB的設備,假如考慮到管弦樂的尖峯,我們可能會想到將其動態範圍增加到70dB,要達到這個標準,以現有的設備來說只要再額外增加3個dB就可以了。但這一增加所牽涉的就多了,3dB表示兩倍,所以功率必須加倍,假如動態範圍67dB需要25瓦,要達到70dB,勢必將功率增至50瓦。顯而易見,這需要較高功率的重播系統和昂貴的代價。
最簡單的系統是單音系統,簡寫成Mono。唯一的聲道載負所有的電子訊號(代表整體聲源),經過放大後從一隻揚聲器播出(或是許多分離並聯的揚聲器,不過一般大都使用單支揚聲器)。結果是揚聲器就是聲源點,整體效果完全缺乏空間感。頻率響應和動態範圍也許仍然可以忠實再現,但其設備還是不能真實,雖然它或許已達到「Hi-Fi」的標準。
其次是雙聲道的再現系統,或者稱為Stereophony,縮寫成「立體」(Stereo)。Stereo這個字現在可以說已成為雙聲道的代稱,雖然字本身也有多聲道的含義。表面上是雙聲道,但無論FM的立體廣播或唱片立體錄音都可以在單聲道系統中重播而再現所有的節目音源。這就是我們所說的「和諧適應性」。擁有立體設備的聽者可以分開重播任一聲道,可以享受既有的空間感。國際間協定FM廣播以立體播出,所以假使你的調諧器有立體解析器,你可以將兩個聲道個別輸入左聲道或右聲道;假如沒有的話,你可以聽到整體訊號,也就是左加右的訊號,表示單音。唱片的情形也是一樣,溝槽的調變可以產生左邊及右邊的訊號,假如所用的唱頭是單音或單音系統,播放出來的是整體訊號。讀者若使用的是立體唱頭,卻使用單聲道擴大機和單一喇叭的話,應注意:唱頭左右聲道輸出應並連接入擴大機的輸入孔以產生左加右的整體訊號。
立體音響掌握的真實感是聲音舞台的廣度,更進一層則需要抓住音樂廳的深度。在禮堂或聆聽室裡,聲音以兩種方式傳到我們的耳朵:樂器和人聲的直接音響和牆壁天花板所反射的間接聲音。由於間接音經歷的行程遠勝於直接音。傳入人耳的時間較為延後,而且由於反射時被吸收,聲音強度也要比直接音弱的多,在錄音室錄音或廣播,除非蓄意加以截除,這些間接音同樣會進入麥克風。若是我們使用兩個聲源的重播系統,我們無法從中析取出這些類似音樂廳「回聲」的間接音源。
但是我們可以再所聽位置後面另加一個喇叭來增加真實感。和原有的立體系統連接,以低音量播出左右聲道的差異訊號。這時聽者所聽到的將市左右揚聲器的直接音和後邊揚聲器的間接音,間接音和直接音反相。這樣可以造成一種合成音,使人有親臨音樂廳的感覺。若在前面左右聲道中間再加上一個中間喇叭,可以再生左加右的整體訊號,以低音量播放也可以增加臨場感。讀者若有意做此嘗試,應該好好檢查其擴大機是否能容納這些負荷;後聲道喇叭應該串聯一只20至30歐姆的可變電阻,這樣可以調整出單音訊號的最小輸出。這是最簡單的「圍繞式」音響;只要加上兩個額外喇叭,流行音樂的唱片和錄音帶都將有一番新面目出現。
再進一步就是四聲道合成系統了(quadrophonic synthesizer),它將正常的雙聲道輸出轉化產生四聲個分離的聲道。前聲道播出的,完全是左右立體訊號,後聲道播出的則是將前聲道適度處理後的相位調變組成訊號。雖然後聲道再現的是合成訊號,臨場感極佳。真感謝這種後聲道的相位調變訊號和其確定的延時作用所造成的效果。
最後我們要談談真正的四聲道,簡稱quadro先將訊號錄成完全分離的四聲道,再透過完全獨立的四個再生系統重播。先將四個聲道注入唱片或錄音帶,重播時透過解析器將四聲道還原然後再個別加以放大。注入和解析的過程不是本文所要討論的範圍,但應注意的是,若要追求高傳真的效果,無論有多少聲道,各聲道的揚聲器都應該相同。
2.6 響度和聆聽
擴大機輸出的再生訊號其響度和揚聲器的效率有關。正如下一章所述,由電能轉為聲音的效率很低。通常揚聲器若有15%的效率已被稱為高效率了,5%則稱為中效率。但高傳真系統裡,再生音質才是重要,揚聲器的效率(有的只有1%)和音質並沒有什麼關係,人們真正考慮的是技術特性。可是話又說回來,再既定的擴大機下,揚聲器的效率卻決定了在聲音響的響度。我們可藉著對效率的了解確定到底要多大的擴大機以產生需要的音壓。
現在假設我們決定產生100dB的聲壓。房間內的聲壓決定於聲源輻射的聲能和房間本身的音響特性。房間內特定地點的實際聲壓是直間輻射音和間接反射音的總和。因此我們可以設計一組曲線來表示在不同房間內要達到既定音壓所需的音響功率。這點我們在第6章再詳細討論。
設使我們的聽音室長9公尺(30英呎),4公尺寬(13英呎),3公尺高(10英呎),總體積是108立方公尺(3900立方英呎)。從圖2.17看來,我們發現要有0.5瓦的音響功率才能產生100dB的聲壓,假如我們已經有一部25瓦的擴大機,為了產生0.5瓦的音響功率,我們所需的揚聲器至少要0.5/25×100=2%。反過來說,假如我們有一支效率1%的揚聲器,而擴大機的輸出功率是25瓦,揚聲器所產生的音響功率將只有0.25瓦,聲壓將減半或3dB,而只剩97dB。所以若要產生100dB的聲壓而使用的揚聲器的效率又只有1%,其所需的擴大機將是50瓦而不是25瓦。
本章我們也曾經討論到背景雜音的掩蓋作用。假使雜音30dB,上面所引100dB聲壓的例子將產生70dB的動態範圍。因此你所決定的該是:我們要追求的真實感有哪些?我們要捲入的程度有多深?我們所花費的代價有多少?
大部分的收音機和電視機都配有揚聲器,這些揚聲器的功率負荷大約3瓦,很少超過3瓦;手提電晶體收音機則更少,只有半瓦。那麼你怎麼和一對50瓦的揚聲器相妥協呢?最直接的答覆是保持沉默!總有某一種政策剛開始都是接近靜默的,經過一段時間後聲音才漸漸揚起。
另外我們要談談「瓦」的問題。表面看來應該沒有什麼問題,但有些擴大機廠家想讓顧客以較廉宜的價錢買到更多的功率。擴大機所標定的功率不免令人疑惑。電子訊號通過擴大機時,擴大機所吸收的電流要看訊號強度而定。電流供給輸出級,功率的標定和輸出晶體的容量及電源供應類型有關。突來的強烈訊號促使輸出晶體的電流上升,但能升得多高要視電源供應電壓何時下降來決定。假如使用穩定電源供應器,電壓保持不變,那麼輸出晶體的電流和功率不論音樂是突發性或持續性都可以維持同樣的水平。我們可以這麼說,假設使用的是穩壓電源,「音樂功率」的標定和「連續正弦波功率」的標定是全然無異的。
若是如一般Hi-Fi器材通常所用的非穩壓電源,由於在持續負載的狀況下,輸出級的供給電壓下降,連續功率就要低於音樂功率。使用非穩壓電源,正弦波功率大約是音樂功率的三分之二。正弦波功率無疑是比較可靠的,我們揚聲器性能的測定也以這種狀況做為基準。
前面曾經提過低音量所造成的聽覺靈敏度問題。人們並不經常想聽到所有的音樂都以最大的動態範圍加以再現。通常都以低音量把他當作背景音樂。但我們知道聲量降低,低音驟損,高音也略有損失。這已如圖2.9所示。因此低音量聆賞時,有必要將低音和部分的高音予以加強。為了讓聽者不必每次在重調音質控制鈕,通常擴大機配有一「生理音量控制鈕」(physiolo-gical volume control),它能在低音量時自動提升頻率響應,又由於符合Fletcher-Munson曲線,通常也稱作「曲線控制」(ontour Control),頻率響應特性正如圖2.18。它還有一個更普遍的名字,那就是,「響度控制」(loudness control),但一般說來兩者仍然略有差別的,響度控制的加強量是固定的,如50赫+12dB,10000赫+3dB,而曲線控制則自動隨著音量的變化而給予適當的加強。
最後我們要談談鄰近環境的困擾,當然對一個音樂音響迷來說,大部分是他吵人家,而不是人家吵他。我們很難定義什麼是「不能忍受的干擾」。假如我們音響的樂音鄰居聽起來和一般雜音差不多,他們不會抱怨。依著環境略有差異,一般雜音大都在30至45dB之間。也就是說和鄰居相隔的那一道牆應將越音衰減約60dB。普通的建築材料沒有這種能耐,如要以正常的響度播放音樂而不干擾鄰居的話,只有在孤立的房子裡門窗完全關閉才能享受這種情趣。
一般8英吋的牆面兩邊塗上灰泥可以使聲音損失51dB,假如兩棟房子中間以這樣的牆隔開,其中一間播出響度100dB的音樂,另外一間聽到的不會超過49dB,自然鄰居真正所受到的干擾要比這個低,因為他的居處也有其他環境雜音,可以掩蓋樂音的干擾。這樣說來應該不成問題了,不,地板和天花板也會造成問題。木製地板灰泥天花板所能隔絕的聲響只有43dB,鋪以地毯可以再增加5dB;但水泥地板的隔離效果就沒有這麼好了。揚聲器的木箱若太薄而又放在地板上的話會給聽者帶來極大的困擾;尤其是低頻,這種揚聲器會共振並激使地板振動,振動效率遠勝於揚聲器本身發出來的音波。即使撇開這些令人討厭的聲響不論,水泥地板對這類聲響的隔離效果至多也只有20dB,所以應該使用牢固沒有共振的音箱,這樣不僅可以改善音質,也可以減少對鄰居的干擾。如在揚聲器下面再鋪上一層厚的絨毛墊就更好了。
有些人並不能在任何時候都能享受完整的動態範圍,那只好使用耳機了,可以在擴大機喇叭的輸出端串上一只電阻和電容在接上耳機;為了避免每次接上拉下的麻煩,可以使用切換開關,電阻值如表2.4所示。
轉載音響技術第29期MAY. 1978 揚聲系統之設計與製作【1】關於這本書【2】聲音的本質/音技資料室
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