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        喇叭工業為了能早日發掘喇叭的奧秘,總是不遺餘力的去使用新的測量儀器、新的測試方法。本文是敘述工業界中一種新的測試工具──雷射干涉儀(laser interferometer),利用它我們首次能定量的測量在高頻時喇叭錐面的振動情形,而不須要藉助任何機械性的輔助或修飾。在介紹這個儀器之前,先要簡短地介紹一下動圈式喇叭發展的背景和過程,以及從前使用來測試喇叭錐面的方法。

 

 

歷史背景

        動圈式喇叭在1920年代首次以Phonetron式喇叭獲得商業上的成功。這支喇叭具有一個很大的錐形振膜,並且從底部由一個活動的框架支持住。它的錐頂由一個同樣固定在框架上的動圈式馬達來驅動。在Phonetron式喇叭之後數年,美國奇異公司(American General Electronic Co.)推出了Radiola 104式喇叭。由於設計者RiceKellogg的卓越設計,使得這個喇叭在商業上非常地成功,更由於他們的卓見,而在喇叭內裝了一部放大器(輸出約為1瓦)來克服直接輻射式喇叭低效率的問題。雖然動圈式喇叭的發展可以歸功於許多位發明家(例如SiemensCuttriesReddingLodge),但是,無疑的RiceKellogg是第一位使動圈式喇叭在商業上大為活躍的功臣。

        RiceKellogg對如何造一支有效的無號角喇叭主要的研究都是屬於理論性而非實驗而得的結果。

        他們簡單的理論分析發現了一個其他發明家沒有注意到的因素,如果能將這個因素正確的控制的話,就能獲得一個比當時一般流行的動鐵式號角喇叭具有更良好的頻率響應的喇叭。Hunt這個因素所做的簡明清晰的解釋卻很難加以證明,他說:「聲音的輻射對固定在板上的小振膜的振動性運動會產生機械性的阻抗;這個輻射的音能在振動維持定速的情況下將隨頻率的平方而增加,但是振動速度的平方(同時也能決定輸出的音能)將隨著高於共振頻率以上的頻率的平方而遞減,因為在共振頻率以上的運動主要是由質量感抗(reactance)來控制。如果我們能將振膜系統的基本共振降到我們所能感受到的最低頻率以下,那麼這兩個隨頻率會產生變化而又控制音能輸出的因素,由於互補作用的關係能使從中頻到高頻這一個範圍獲得平坦的響應,直到本身高頻的上限為止。」

        這個由Kellogg發現的觀念,經過了半個世紀之後,今日仍然為製造直接輻射式喇叭的廠商奉為圭臬。今日的動圈式喇叭與RiceKellogg的原始設計比較起來,只有一些微小的差異,無疑的這是對這兩位傑出的科學家最大的獻禮。雖然在商業上也曾生產其他型式的喇叭單體,企圖來改進並取代動圈式喇叭,但動圈式喇叭仍然是喇叭工業中的主流。他的廣為接受可以從每週所生產的巨量的喇叭錐體獲證實,一個歐洲的主要製造商每週要生產五百萬支單體以上。許多對動圈式喇叭設計上的改進主要都是希望能改進單體在Hunt的理論不再適用的高頻範圍時還能保持平坦的響應曲線。在這些頻率以上時喇叭單體的振動不再是一個鋼體,反而錐體的不同部分由於驅動訊號的影響而產生不同振幅及相位的振動狀態。此外輻射的阻抗也開始隨錐體的幾何形狀及錐面的狀態而改變。由於這些因素的影響,所以在高頻範圍時錐體在不同頻率時的輸出不能保持均衡,而造成音質的惡化。

        在錐面振動的幾何分佈(即崩潰圖案)隨驅動訊號的頻率、錐體的幾何形狀、錐體的材料參數而變。因為直到最近對喇叭錐體崩潰圖案的計算及輸出音能的計算才能藉助高速電腦的協助而達成,所以在從前對如何選擇適當的幾何形狀及適當的材料參數以獲得平坦的高頻響應完全是依賴主觀的經驗,因此喇叭的設計者必須花上許多的時間來實驗各種不同的形狀及材料。

        從前的實驗通常是在無響室的條件下利用麥克風去測量一個由可變頻率的正弦波源所驅動的喇叭所發出的聲能。但是由於對喇叭在高頻範圍時錐體的機械性做為的興趣,驅使喇叭的設計者開始尋找新的工具或方法來測量錐體的振動形式。

        第一個被利用來觀察錐體振動的形式方法是採用Chladni1790年用來觀察玻璃板振動形式的方法。在振動的錐體上撒滿細砂或灰塵,則這些細砂會聚集在錐體上振動最小的區域。使用正弦波來驅動錐體時,任何具有足夠振幅的駐波會使灰塵聚集在節點。電子閃光測頻儀(storboscope)的發明使我們能更方便的來觀察振動的情形。使用時首先將閃光源投垂在振動的錐體上,而閃光的頻率比錐體的驅動頻率略為高或低一點,那麼振動的狀態會以慢動作的形式出現以便觀察。可惜的是利用灰塵或是閃光測頻儀都必須在振動的振幅很大的情況下能使用。由於振動的振幅與頻率的平方成反比,所以這些方法都只能限制在觀察最低的頻率時才能使用。N. W. McLachlan在他非常傑出的論文中曾敘述過幾種非常特別的方法來測量大振幅時振動的狀態,其中包括了使用一種由一根細繩子懸掛的推動器所構成的「聲規」(acoustic compass),McLanhn同時也敘述利用交流電橋來測量錐體的在不同頻率時的輻射阻抗。這個阻抗隨著錐體的機械行為而變,因此可以提供一些振動形式的資料。可惜的是,這個測量本身的結果並不夠充份以便幫助我們推測振動的形式。

        CorringtonKidd兩人第一次較成功的測量在高頻時錐體的振動形式。他們的測量儀器包含了一個放置在錐體表面測量點上方的電容探針。這支探針的電容隨著背面塗有導電漆的錐面的位移而變。所以將探針放在錐面待測點的上方測量探針電容的變化就可以知道在錐面上任一點的位移。利用這種工具CorringtonKidd沿著喇叭錐體的半徑測量了大約12個點的振幅及相位。

        Nimara利用了類似的探計測量了錐體及懸掛裝置的振動與頻率的關係。他們同時也敘述了利用探計麥克風來測量喇叭錐面聲壓的分佈,藉以決定振動的狀態。

        1960年代初期Yorke建造了一部儀器,利用一個小的矩形光束來測量錐面上任一點的位移。這個光束照射在錐面的待測點上,並且使光束投射入光束分割器(beam spliter)從光束分割器輸出的兩束光被引進光電二極體,而使光電二極體輸出的訊號電平將隨著錐面的位移而變。為了保持錐面上光點的一致,Yorke又建造了一個伺服馬達系統來控制光點的位置,以及光源及錐面間的距離。控制後者的目的是使得光電二極體的總輸出能保持最大。因此當光點橫掃體錐面時,這個裝置就能自動地描繪出錐面的形狀。使用這個裝置Yorke沿著半徑測量了一個12吋喇叭錐體上18個點的振幅及相位與頻率的關係。雖然Yorke的裝置首先能不藉助線或任何對喇叭錐面的改裝就能定量的測量錐面的振動,但由於S/N比的限制,使得其測量的頻率只能達到4KHz

        對錐面位移的測量隨頻率的升高越趨困難,因為由於質量的影響,位移及振幅與頻率的平方成反比。利用立體攝影機來記錄錐面崩潰圖形的影像可以大部份解決這個問題。方法之一是利用雷射光來照射整個錐面,並且把從振動錐面反射的光投影在底片上,同時將部份的入射光也照在底片上,那麼在幾秒之內一個連續變化的干涉圖形將顯現在底片上。將底片沖洗之後,我們可以利用雷射光來觀察平均的干涉圖形。亮紋代表錐體靜止的部分(如節點)。暗紋即為振動的部分,由於雷射光的波長非常短(約0.6μM),所以立體攝影的方法可以測量到1μM左右的振幅。這種程度的靈敏度可以使我們輕易地測量到聽覺的範圍以外。立體攝影最大的缺點是從立體攝影圖中沒有辦法得到定量化的數據,雖然理論上我們可以利用圖中明暗的對比來估計振動的情形,但是其精確度還是個問題。

 

雷射干涉儀

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        1978B&W研究部位於英國的Harwell的原子能研究中心購買了一部振動干涉儀(vibration interferometer)後,終於能如願以償地測出錐面在高頻時振幅及相位的結果,這部干涉儀與立體攝影同樣都應用了雷射光的干涉性質,但是在原理上卻有顯著的差別。圖一是整個測量系統的簡圖。一束低能(5mW)偏極化的氦氖雷射光,通過一個光電頻率偏移裝置(electro-optic frequency shifting device)及一個透鏡,然後投射在錐體表面待測的位置上。從錐體表面散射的光由相同的透鏡收集後與由入射光所取出的參考光束混合。然後利用一對光電放大器(photomultiplier)將混合光束轉換成電子訊號。這個電子訊號又送入頻率鑑別器(frequency discriminator)然後輸出的電子訊號會隨著錐面的運動速率而變。光電頻率偏移裝置(electro-optic frequency shifting device)是屬於Kerr電池的一種,他能允許通過的大多數光束保持原來的頻率及偏極方向,另外的一部分光束的偏極方向將會與主要的光軸成90,並且頻率發生偏移。這一個部份(約佔總光能的5%)再利用偏極光束分割碞將其分離而藉以產生參考光束。參考光束的強度可以利用一個可轉動的偏極板來控制。在參考光束比散射光束的強度高510倍時,可以獲得最好的結果。當散射光束與參考光束混合時,因為他們的偏極方向恰好正交(orthgonal),所以不能直接產生干涉。因此必須先把這個混合的光束投射在與散射光束及參考光束的偏極軸成45角的一個偏極光分割。從分割器的兩組輸出都包含了具有相同偏極方向的散射光束及參考光束,所以之兩組輸出直接產生干涉。這兩組輸出光束的干涉訊號會有180的相差。我們可以利用這個結果將這兩組光訊利用光電放大器轉換成電子訊號,然後利用差動放大器(difference amp.)將這兩個訊號相減,最後才把這個訊號送入鑑別器。這種平衡式的安排與使用單一的探測器比較起來,較不易受到光束強度擾動的影響。

        干涉儀在正常的操作情況下參考光束的頻率偏移大約都是5MHz。當錐體表面靜止時,散射光束與參考光束的頻率差恰好是5MHz,所以從差動放大器的輸出訊號會包含一個5MHz的差拍。如果錐體表面在運動,由於都卜勒效應的影響散射光束的頻率受到錐面運動的調制。這個經調變的散射光束又調制了從差動放大器將拍訊的頻率轉換成相對應的電壓,我們就可以獲得隨被照射錐面運動速度而變的電壓訊號。

        使用具有定量頻率偏移的參考光束使得干涉儀能測出錐面的運動方向(向前或向後)。如果沒有這個頻率的偏移,那麼從鑑別輸出的波形將類似會被全波整流後的結果。了解錐面運動的方向之後,只要計算拍訊頻率的週期及偏移頻率的週期,然後將它們相減得到它們的差就能算出錐面運動的位移。我們可以連續地計算他們之間的差,然後將這個差轉換成類比電壓。Harwell系統中,他的鑑別率的極限約為雷射光束波長的1/4,亦即對氦、氖雷射而言約為0.16μM

機械結構

 

        如果要測量小到1μM的錐面的位移時,必須將雷射光束相關的光學儀器及待測的喇叭堅固定在一個共同的基座上時,才能獲得有意義的結果。如果只是要測量運動速度,那麼固定的裝置就沒有那麼重要了,雖然散射光束的雷射光源相對位置的穩定性,可以提高速度輸出訊號的S/N比,但對結果的影響並不很大。

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        Harwell雷射的主要光學組件都裝置在一底150mm2、長500mm的柱形箱中,其餘的電子及電源裝置裝在另一個單獨的盒子裏,然後利用數米長的電線接到雷射光源中,雷射光源及喇叭都堅固的固定在一塊底為0.5m21.3m的水泥基座上,在塑鑄水泥塊的過程中,在水泥塊裏裝上一些大螺絲,以便於固定喇叭及雷射光源。為了將地面的振動與基座隔絕,所以在基座下又裝上避震器,這個避震器的硬度經過適當的選擇使得它與基座質量的共振頻率約為10Hz左右。

        雷射光源及被測喇叭都利用精確的螺旋式導溝滑座裝置在基座上,而其中的螺旋式導清滑座由步進式馬達所驅動。利用這個滑座我們可以調整雷射光源至錐面間的距離以及照射在錐面上的光點的徑向位置。前者可以幫助我們對雷射光聚焦,在幾公分的範圍之內,這個調整並不是絕對重要的,所以往往在開始測量前調整一次就好了。要調整光點在錐面的周圍的位置,只要利用一個旋轉台再將喇叭裝上旋轉台上沿徑向旋轉的滑座就好了。這個旋轉台也是利用步進式馬達來控制。這個旋轉台還附有一個三頭的拑挾裝置使我們能很輕易的固定各種形式及大小的喇叭。這個裝置所能測量的喇叭的最大直徑為350mm,旋轉台的固定支架上還有一個垂直高度的調整,藉此我們可以調整被測點的高度,使它能與入射雷射光線成垂直。這樣可以保證散射光大部分都向雷射光源的方向反射。因此而測得的位移和速度都是與錐面垂直的度量。

與電腦的連接

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        上述的系統能使我們測量錐面上任一點的運動隨著輸入至音圈的驅動訊號而發生的變化情形。為了測量錐面在每一個頻率下的運動情形,我們使用正弦波做為驅動的電壓。藉著投射光束掃描過錐面時錐面的變化,我們能測出在任一頻率下的崩潰圖案,為了更深入了解錐面的振動行為我們必須在各種不同的頻率下選擇數個位置做測量,例如圖三中所繪出在錐面上同心圓與半徑的交點,這種網式的排列使用起來很方便。因為在錐面上的投射點可以利用馬達來調整徑向滑座或使其沿線移動或調整旋轉台使其沿著圓周移動,決定了網狀分佈的線與點間的距離後也就決定了測量崩潰圖案的鑑別率。所以複雜的崩潰圖案比簡單的崩潰圖案須要詳細的測量點以獲得較好的結果。由於崩潰圖案的複雜程度隨頻率而增加,所以要獲得理想結果的最小的測量位置數目都由被測的頻率上限決定。例如10cm的紙盆在頻率3KHz時約須對300個點做測量。對每一個不同的頻率做這麼多的測量使得紀錄的數據非常驚人,也因此電腦成為一個不可或缺的助手。B&W研究部所裝設的PDP-11電腦系統配備有資料獲取的裝置,並且還附有操縱測量及貯存紀錄電壓的軟體結構。輸入喇叭音圈的輸入電壓及雷射測量系統的輸出電壓都送入電腦系統對同時獲取及輸出訊號資料的取樣率可以高達每秒50000個取樣。我們可以像前面部份所敘述的利用正弦波驅動然後利用電腦來測量及計算錐面的崩潰圖案,但是如果利用測量錐面上每一個點的速度衝量(velocity impulse response)的響應,我們可以減少許多的測量及處理的時間,這一個單獨的測量就包含了錐面在所有頻率上錐面振幅及相位的資料。將一個寬度很窄的矩形脈波(10-25μS)輸入喇叭,我們就可以測量喇叭的衝量反應,如圖四

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把這個輸入的脈波所測得的速度輸出脈波取樣並輸入電腦,我們就可以利用電腦內所貯藏的快速傅立葉轉換(fast FouriertrunformFFT)將脈波訊號轉換成頻率的函數然後找到喇叭的輸入訊號與錐面速度輸出訊號間的關係,並且將輸出脈波的聲譜除上輸入脈波的聲譜。為了獲得較好的S/N比我們可以重覆輸入的訊號(例如1Hz),然後取得計算輸出訊號的平均值。如果我們取幾個脈波來平均那麼在脈波訊號中的散亂雜音(random noise)會降至1/開方n倍。FFT程式在許多不同的頻率下所計算出的頻率響應資料是由對輸入及輸出訊號的取樣而決定的。利用電腦來測量並貯藏頻率響應資料的好處是可以省下大量的時間。例如圖四中所示的喇叭錐面上一點所測得的平均輸入、平均輸出脈波。對脈波取樣的速度是每秒50000個脈波中選取1024個,並且在半分鐘之內每秒重覆一次。接著電腦中的FFT就開始工作,首先決定轉換方程式,然後對500個不同的頻率計算錐面速度的振幅及相位,並且把結果輸向電腦的終端機上。

        圖五表示由利用圖四中的資料計算出在不同頻率時的振幅及相位。每一個計算的結果都貯存在電腦或磁碟中待以後使用時再取出。

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        雷射光源照射在錐面上的測量位置也可以由使用者來操作步進式馬達而加以控制。如果測量位置的數目很少的時候這種方方法可以使用,一旦數目增多時再這樣做就很浪費時間了。為了解決這個問題,我們在電腦及步進式馬達之間加入了控制的界面,這樣我們可以利用設計好的軟體同時來控制投射雷射光束的焦距、徑向的距離及周圍的位置,所以我們必須有一個程式能包含在一個測量位置記錄輸入及輸出脈波的資料,計算並且貯藏這個位置的轉換方程式,控制光源的徑向距離然後對另一個點做相同的處理,直到結束。圖六是整個測量系統主要裝置與電腦連接的方塊圖,圖七是實際的圖形。在本文的連載部份我會詳細的敘述如何地分析崩潰圖案、失真及計算聲壓的計算方式。

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(取材自Audio8月號,1981年,原作者為G..J. Adams

※本篇感謝網友kanghave幫忙打字完成始能PO上供大家參考。

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