由於傳統的永磁電動式喇叭,必須具備大型的永久磁鐵及音圈,所以聲能變換效率極低。最近已發展成功一種高音喇叭,利用壓電效應的方式以代替傳統式的設計,因為在人們對陶瓷晶體特性的不斷努力研究下發現,此類晶體物質所具有的換能特性較之其他器件所製成的喇叭有過之而無不及,更由於近來此類晶體在實際應用中得到良好的反應,而這一進步的事實促使了這方面喇叭製造和應用的蓬勃發展,因此在此,本文將對這種功能較為不尋常而且性能極為優越的壓電效應式喇叭,做更進一步的探討,希望由此對各位讀者於應用時有所裨益。
壓電效應
其實陶瓷(Ceramic)晶體的壓電效應現象早再一八八０年即被Pierre和Jacque Curie發現,並且很早就開始將它應用到各種功能轉換器上,至於拿它來製造喇叭則是近幾年的事。所謂壓電效應(Piezoelectric effect),即應用某種特殊材料,當其被施以壓力後,即會在元件的邊緣上產生電荷;反之,我們將它放入電場內,它就會產生機械應力和變形。在這裡我們要討論的,即是利用這種特性將它製成喇叭,通常這種壓電效應式喇叭,其推動器所用的材料,大都是由一個圓盤型陶瓷類晶體所構成,它是一種合成物,具有鋯酸鹽(Zirconate)和鈦酸鹽的化學成份,係以此兩者為基本組成,添加副成份雜質以獲得良好穩定性,它的製作過程是先將原料以濕法混合後,脫水乾燥,並以高溫加熱處理,然後使其在冷卻過程中,置於直流電場極化(Polorized)若干小時,待其永久極化後,它將表現顯著的壓電效應,以後將此等試料鍍上鎳金屬作為電極後,再用細輭的導線與鎳電極連接而引出。此時這些陶瓷晶體元件,我們將它放入電場中,它將隨著外加訊號電壓大小的變化,而產生相應的機械振動,此機械振動再藉著振膜推動空氣的作用,而將能量有效地轉換成音波擴散到空氣中成聲。
通常壓電效應式喇叭,當加上電壓後,產生機械振動,其振動幅度與器件結構形狀尺寸和外加電壓大小都有關,一般其最大輸入峰值電壓可達55伏特,超過此電壓值,增加電壓喇叭輸出並不增加。此外,壓電式喇叭如欲獲得較大的音量,尚有一法,即在製造過程中,可將二片晶片重疊一塊,而成所謂的疊型晶體(Bimorph),利用此法即可增大輸出。
直接放射式和號角式喇叭
壓電效應高音喇叭自從大量生產以來,其類型大致上可分為下面幾種：
(1)直接放射式高音喇叭(Direct Radiating Tweeter)：
這種喇叭係以單層晶片(Monomorph)或雙疊式晶片(即將兩片晶片重疊一起)作推動器,將所生的機械振動藉用直接交連方式,連接一個圓錐形的紙盆而發聲,其口徑大部分皆以3 1/2吋為標準尺寸,它的外型及尺寸見圖一所示。直接放射式喇叭的優點,即在於固有的壓電特性中能播放最直接清晰的聲頻響應,如圖二即為一標準直接放射式喇叭,在正常功率之下其阻抗和頻率與失真間的關係曲線圖,由圖中顯見高頻範圍內的失真皆為很低(平均諧波失真皆在1%以下)此外,由圖三所顯示的頻率響應曲線,即足以保證此類高音喇叭所具有的良好暫態響應,可媲美任何最高級的高音喇叭。
(2)超擴散性號角式喇叭(Wide Dispersion Horn)：
它的外型及尺寸規格可分為 2 5 Inch(見圖四-a)及3 1/2 Inch 圖四-b兩類,符合於EIA的標準尺寸規格,號角係由特殊的人造纖維藉模具成形,非常堅固定型,這種號角式喇叭設計的目的,主要係在獲取較高的音壓,大約4伏特的輸入,即能產生100dB的音壓輸出。此外,號角式喇叭在某一頻率範圍內仍保有平滑的指向性,如圖五所示即為號角式喇叭所具有的超指向特性圖,圖六則為此類喇叭的頻率響應曲線圖。
高效率的電聲轉換
通常表示壓電效應的喇叭,在線路上所用的符號如圖七所示。至於它的等效電路,可用圖八來說明,是一個由電阻及電容所組成的網路,圖中左方的Z代表其總阻抗,其阻抗和相位與頻率監所發生的關係,可由圖九來表示,圖中可看出,阻抗在低頻端時數值極大,當頻率愈高時其阻抗值愈低,由此可知,在等效電路中,總組抗Z大部分皆為極大的電容抗,而純電阻R在阻抗中所佔的比例不超過10%,因此這種幾乎為純電抗性的喇叭,在工作時,只需要消耗極少的功率,也就是具有非常好的功能轉換率。
此外,陶瓷晶體其壓電特性非常良好,這種材料在製作揚聲器推動器時,不需用磁鐵,也沒有音圈,只需藉助一個振膜(當然,其大小、張度亦須做精密程度的考慮)來發聲,所以在能量轉換上操作就簡易多了,因為它的發聲過程,不再由電能變為磁能,再轉變機械能,而是由電能直接轉變為機械振動而發聲,所以效率提高。
應用上與傳統式的差別在哪裡？
已往我們常把擴大機與喇叭分開來單獨分析,這是比較簡單的問題,但如果一但將它們之間並接起來一塊討論,問題就麻煩了,因為幾乎所有的喇叭都屬於電抗性的元件,何況我們有時還常在喇叭加上分音器、附屬物等玩意,更增加了它的電抗性,於是在某些頻率上形成更複雜的事件,因為這些電抗性的元件,將導致擴大機輸出的相位移動,產生不穩定現象,尤其當擴大機的負回授不大或本身就不太穩定時將更為嚴重,最甚者,我們常會發現擴大機持續振盪或輸出級驟然燒毀。為了防止這種現象的產生,於是擴大機在設計之初,就必須考慮一些安全係數,並加以實驗,尤其相位邊際(Phase Margin)與增益邊際(Gain Margin)是所有安全係數中最重要的兩項,所謂相位邊際是指一回授網路在Open loop與Closed loop時分別量得輸出相位之差,通常以度數表示之。所謂增益邊際是指一回授網路的Open loop增益與Closed loop增益之差,通常以dB數表示之。而設計時,相位邊際至少要在40~50度之間,而增益邊際則必須大於10dB以上,如此,擴大機才能得到穩定,因此面臨這些喇叭與擴大機間交互作用的困難,只要我們善加設計及運用,仍然是可將問題簡化成單純而可解決。
目前傳統式喇叭系統對高音、低音所做的改善措施,大致說來並不十分理想,但通常仍舊必須採用分頻網路的方式,將高低音分開,然後用大口徑的喇叭來播放低音,小口徑的喇叭來重播高音頻的任務,這樣,分頻網路雖然解決了高低音喇叭各司其職的問題,但本身卻又帶來了新的問題,究其原因,由於分頻網路的元件,大都是由電感、電容所組成,這些元件不論採用多高的品質都會先天存在失真的因素,或造成阻尼的特性不佳,或降低喇叭效率......等,尤其是分頻網路中的電容器將高音喇叭與擴大機隔開,結果損失高音喇叭的阻尼,而引起喇叭在自由諧振頻率處發生鈴聲(Ringing)與較差的暫態響應。
另外,再高級的揚聲系統中還常設置一個高音喇叭的電平調整旋鈕,以調節高音喇叭的音量輸出,如果簡單地用一個可變電阻來控制,則於控制時會同時改變了原來的負載阻抗,而引起額外的失真,所以一般都必須採用特別設計的「T型衰減器」運用在喇叭系統中。
倘若使用壓電效應喇叭時,則會減少許多以上的困擾,因為它應用起來非常簡便,只需將壓電式喇叭與傳統式的喇叭做簡單的並聯連接即可,無需使用分音網路,其電路接線圖可參考圖十。當然,在使用這種電路之先,首先我們得設定壓電效應喇叭只應用於中、高音頻放音,另外再選用一支永磁電動式喇叭擔任低音重播,這種喇叭可以是8或16歐姆,但一定要符合擴大機所需的額定負載。
而圖十一即為採用這種網路設計時所呈現的頻率響應曲線,曲線A代表低音喇叭的頻率響應,B則表示壓電效應喇叭的頻率響應曲線。另外,參照圖中所示,在設計這種網路時,我們得考慮需將低頻段與高頻段都提升若干程度,尤其值得注意的是高音和低音喇叭在4,000Hz時,必須考慮互相配合的問題,圖中顯示,八吋的低音喇叭在0°軸方向上有一小段和高音喇叭的低頻部份重疊,但在30°軸的方向上,低音喇叭的高頻段衰減的很快,結果使我們在重疊的地帶,聽起來仍舊平滑得很,不會感覺到有尖峰(Peak)的地方。
但仍需注意,以圖十為例的電路,在圖十二喇叭系統的相移與阻抗曲線中,仍有三個地帶使得喇叭系統出現阻抗峰值,此處的輸出相移亦會產生最大,第一點出現在100Hz的地方,這是由於低音喇叭處於自由諧振頻率(Free Air Resonance)所產生。第二點出現在13KHz附近,是壓電效應高音喇叭處於其機械諧振頻率所產生,第三點約在300~500KHz間,是由於系統的雜散電容與電感所造成的諧振而產生。通常如果所使用的擴大機能在400Hz處尚能保持它的穩定度,那麼在13KHz處的相移就不會發生問題。如果擴大機產生嚴重振盪時,就必須大量衰減高頻以求穩定,開始衰減的頻率大約在20KHz附近,衰減速率可為-12dB/Octave或者-6dB/Octave,為求擴大機保持一定的穩定度,在此所推薦的參考通頻帶特性圖,見圖十三所示。
此外,若要調整壓電效應喇叭輸出時,亦極方便,只要在線路上串接一支3瓦特的繞線電阻即成,其連接方式如圖十四(蘇桑註:原文未附圖十四),如果圖中R1的電阻值超過200Ω以上,那麼最好多採用一支R2的電阻與壓電喇叭並聯,以增加它的阻尼,同時可改良暫態響應。
以上我們比較出壓電喇叭與傳統式的差別後,即不難發現壓電喇叭所具有的優越特點,線將它綜合說明如下,以便設計喇叭系統時可做參考：
1.不使用音圈──喇叭不使用音圈後,即大大改良了喇叭的傳真度,即免除了音圈在磁隙裡產生摩擦或扭曲紙盆,而且壓電式高音喇叭的推動器能供應比一般電動式喇叭較好的瞬態響應。
2.沒有大型的永久磁鐵結構體──僅使用具有壓電效應的推動器,免除了雜散磁場,同時也減少了整體的體積和重量。
3.阻抗高──通常壓電效應喇叭阻抗皆在1,000Ω以上(在1KHz測試時),如改在40KHz測試之下,仍有20歐姆以上的阻抗,此外,壓電喇叭的另一個特性,即在使用時並不增加擴大機的負載,同時也不需使用一個分頻網路來隔絕高電流的低頻訊號。
4.諧波失真低──在整個音頻頻段內,平均諧波失真大約僅有1%,所以重播音質極佳。
5.優越的瞬態響應──優良的瞬態響應,同時也將Ringing減至最小的程度,以產生不失真而清晰的聲音。
6.高功率輸出──壓電式喇叭構造簡單,效率又高,甚至通過極弱的電流,亦能產生極大的振動,故此種喇叭的靈敏度極高,對外來訊號接受的能力也較強,使其成為理想的高音喇叭。
壓電效應喇叭的致命
壓電效應喇叭雖然先天上免除了永久磁鐵和音圈所造成的種種失真,照理講它的音響特性是應該較傳統式為佳,可是美中不足,壓電效應喇叭對某一頻率範圍內(尤其低頻),目前尚無法使其獲得較大的振幅,來滿足低音所需的幅度,因此目前利用它所製成的喇叭也只適於高音頻範圍,但是在此頻段範圍內所測試的頻率響應則是非常優越,高音清脆悅耳,而且價格也不貴,每支售價僅二百多元,的確論音質、論價錢都會令人覺得滿意的。
轉載音響技術第16期APR. 1977 沒有音圈的壓電效應喇叭/丁琳
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