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  一般揚聲系統都有分音措施,常見有二路分音或三路分音。前者在一系統裡有一支低音揚聲器,一支高音揚聲器。後者在一系統裡除了高音一支,低音一支,另加一支中音揚聲器。還有更複雜的多路分音。分音愈多的揚聲系統未必是優良的系統。因為分音愈多,其所引起的相位變化與失真問題愈複雜而不易解決,而且通常需賴電腦來協助計算分析。即使簡單的三路分音所引起的相位變化與失真問題,仍然比二路分音問題複雜。最好是不分音,但因全音域的揚聲器製造,很難符合設計要求。若技術的進展已到達能製得一支揚聲器從低頻音域至高頻音域皆能符合設計要求,則一個揚聲系統只要一支全音域的揚聲器,根本就不需要分音。因此目前揚聲系統的分音,實在有其不得已的苦衷,採用分音器也就成為不能避免的措施;即把整個音域分成二段、三段或更多段,每支特製揚聲器只負責其中一段音域之再生。固然這種分音的結果是可以減少系統之總調變失真(參考1、2),減少高頻振動被低頻振動所調變引起的失真,只是減少而未必能完全避免此種失真的。由於這種分因所引起的相位變化與失真問題,在分音器的設計,是不能不慎重加以考慮的。

  分音器主要是由濾波網路構成,有主動網路,其元件包括有主動元件例如電晶體。也有完全由電阻、電容、電感等被動元件構成的被動網路。揚聲系統的分音,可採用被動濾波網路,也可採用主動濾波網路。前者係裝在供率放大器與一組揚聲器間(參考3),也即目前最普遍採用的方式,俗稱電容、電感分音。後者係加於一組功率放大器之前,而每支揚聲器需要一個功率放大器(參考4),俗稱電子分音(electronic crossover),理想電子分音網路已有利用運算放大器(operational amplifier)來製作的(參考5)。目前分音器所以普遍採用被動濾波網路,成本低而且方便為其一主要因素,因一揚聲系統不論內裝有幾支揚聲器,只需一功率放大器來推動即可。若採用主動濾波網路的電子分音,則一支揚聲器需要一功率放大器,整個揚聲系統若是三路分音,就要有三個功率放大器,身歷聲立體擴大機三路分音就要有六個功率放大器,比一般被動濾波網路分音要多了四個功率放大器,電源負載電流也要增多,電源變壓器容量就不能不考慮多負擔的負載電流。從阻抗匹配觀點言,不論採用主動濾波網路或被動濾波網路來分音,在放大器與揚聲器間皆很難達到完整而極佳的阻抗匹配,除非加上揚聲器的阻抗等化器(參考6)。

  通常交響樂主要音頻多在500赫以下,故對二路分音,500~800赫可為一良好的分頻點,對三路分音可取500赫及5000赫二個分頻點。不論採用何種分音網路,由於分頻區端點(-12dB)範圍內皆有將近四個八度音域的重疊,因此Small(參考7)認為相鄰二個分音路揚聲器的有效頻率範圍,在分頻區不論是分頻點上下採全對稱的跨越率或不全對稱的跨越率,必須重疊約四個八度音(端點下降12dB),而且性能必須很相近。即以二路分音分頻點為500赫採全對稱跨越率做例子,低音揚聲器的有效頻率範圍必須從最低音頻一直向上延伸至2000赫(-12dB),而高音揚聲器的有效頻率範圍必須從最高音頻一直向下延伸至125赫(12dB),實際高音揚聲器能向下如此延伸其音頻者並不多見。因此最佳的分頻點往往要根據揚聲器音域範圍的性能來決定,以使其在分頻點上下再採用全對稱跨越率的情況各重疊將近二個八度音域端點下降12dB。除了分頻點的決定,還有分頻點上下跨越率(crossover rate)的決定需慎加考慮設計要求有定幅與定相位響應的,由分音網路分析以第一階被動濾波網路(跨越率6dB/八度音)為最簡單,製作成本也最低,不但提供定電壓與定功率傳遞,而且是任何網路設計相位差異最小的,對較高階(第二階以上)只有採主動濾波網路分音才能符合設計要求(參考7)。

  如果考慮在正常聆聽位置之直接聲音與迴聲,則分音網路必須提供均勻的聲壓水準(SPL),尤其在分頻點區域,對相似特性的揚聲器,以第一階及第三階(跨越率18dB/八度音)定電阻濾波網路符合要求,尤其以第一階分頻網路(6dB/八度音)無論頻率或相位響應皆為線性,輸出保持著原來輸入之波形,但第三階分頻網路雖然有平坦的頻率響應,在分頻點有360°相位改變為相位的失真。此係根據耳朵對聲壓水準的小改變比相位線性的小變移(延遲失真)敏感之經驗所做的一種選擇(參考8)。相位失真可視為波形失真或聲譜不同部分,以不同時間抵達聆者位置。相位移通常要求其不可隨頻率做劇烈的變動,否則引起音源位置隨頻率不穩定的變動,破壞立體身歷聲效果,此在分頻點附近尤其重要。以二路分音為例,由揚聲器最佳被動分頻網路之分析得知較核市的分頻網路為奇數階Butter worth濾波網路的分音,尤其以第一階濾波網路為最佳,無論在振幅,相位延遲(phase delay)及暫態響應,皆很理想良好。在第三階及第五階(30dB/八度音)尚有較小的相位延遲失真響應,其第三階網路需揚聲器反相相接,若接相不當,則在分頻點會有很大的相位延遲失真。而偶數階濾波網路分音,例如第二階(12dB/八度音),第四階(24dB/八度音)等等就無法得到滿意的結果(參考9)。

  對偶數階濾波網路,例如二路分音用第二階(12dB/八度音)濾波網路分音,在分頻點的頻率響應即有明顯的下陷現象。E. Baekgaard於1975年在倫敦舉行之第50屆音響工程學會討論會,曾提出其解決第二階分頻網路分頻率響應下陷的辦法(參考10)是增加一補充揚聲器(filler driver),此即丹麥Band & Olufsen公司所宣布其重大的改進。如果稍為留意其分頻網路,非常近似把跨越率對分頻點上下全對稱的二路分音改變為分頻點上下跨越率非全對稱的三路分音,而補充揚聲器扮演著類似中音揚聲器的角色,填補中音在原分頻點的下陷損失。因此原為只有一個3dB分頻點的二路分音,經此改變,即成為二個1dB分頻點的三路分音,分頻點上下各採不同的跨越率,高低音分頻網路仍然保持原來第二階(12dB/八度音跨越率)網路型態,中音分頻網路則採用第一階(6dB/八度音跨越率)濾波網路屬於通帶(band-pass)性質。如果高低音分頻網路採用第三階(18dB/八度音)濾波網路,中音採用第一階帶通濾波網路,則原為一個3dB的分頻點即變成為二個0dB分頻點的三路分音,在原分頻點則有高出6dB之輸出峯以補充原來的頻率響應下陷,此時中音揚聲器的效應,必須為高低音揚聲器效應的二倍。通常被動濾波網路的分音很少採用第三階(18dB/八度音)以上的網路,由於成本增高,插入損失也大,頗不經濟。

  揚聲系統由於分音,系統內不同音域的揚聲器無法重疊在一起,即使能重疊在一起,對人的左右二個耳朵仍然有距離上的差異。音源與聆者一旦有距離的差異有引起相位的差異,對這種差異實在無法避免。因此揚聲系統內諸揚聲器的架設,為了減少因距離的差異引起的相位差異,多半要求其間距比分頻點之一個波長要小很多,錐膜振動中必也盡量力求能並列於同一平面以達到最小的相位差異,否則即使有最佳的分音網路設計仍難有理想的效果。

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  從以上的討論分析可知揚聲系統的分音,最好是採用第一階(6dB/八度音的跨越率)濾波網路的二路分音,可並接如圖a也可串接如圖b。串接的優點是元件數值的偏差對整個網路電壓響應,並沒有影響(參考7);而且對品質較差的高音揚聲器(Q值太高),串接的電感提供了高音揚聲器在共振時最大的阻尼,有效的降低其Q值。由於分頻網路皆根據二端為定電阻來設計,因此其二端實不能直接接上揚聲器,必須接上揚聲器的阻抗等化器(參考6),然後才能接上揚聲器。否則由於揚聲器的阻抗隨頻率在改變而非呈現一定電阻,以致最佳的分頻網路設計仍然不能達到預期的理想效果。

參考資料

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4.N.H. Crowhurst, Audio 44, 19, 1960.

5.J.R. Ashley and L.M. Henne, J. Audio Eng. Soc. 19, 7, 1971.

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8.G.L. Augspurger, J. Audio Eng. Soc. 19, 509, 1971.

9.A.N. Thiele, Proc. IREE (Australia) 36, 220, 1975.

10.E. Baekgaard,「Loudspeaker-the Missing Link」paper presented at 50th convention of the Audio Engineering Society, London, 1975.

  S.K. Pramanik,Wireless World, Vol. 81, No. 1479, pp. 529-532, 1975.

  弘發, 音響技術, 第9期, pp. 50-54, 1976; 第12期。pp. 91-94, 1976.

  鄒明松,無線電技術季刊,第6卷,第2、3期, pp. 33-39, 1976.

轉載音響技術第27期MAR. 1978 揚聲系統的分音處理/洪健藏

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