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  自從85期的3-D方式電子分音器推出後,就一直收到大家的迴響,有的說很好,有的說不對勁!有的說分頻點有問題,有的說有相移,有的嫌副低音的輸出太小等等。究竟有沒有問題呢?請詳看本文,相信您在看過下面的文章後,就會明白事情的來龍去脈,而且能有自己動手修改的能力。

  凡玩過bass summing方式電子分音的讀者,都知道副低音對唱盤的超低頻反應是很頭疼的問題,抖動率大的唱盤、不平的唱片,造成副低音喇叭的紙盆做大幅度位移,使低頻的再生嚴重失真,也讓擴大機浪費大量的功率去推動紙盆做大幅度位移,更嚴重的是:隆隆的低頻聲破壞了整個曲子。

  一般解決的方法,是在副低音的輸出端加一次音頻濾波器(subsonic filter),以濾除20Hz以下人耳聽不到的次音頻。但這個次音頻濾波器的響應又是一個問題,如果不希望影響原有音樂中低頻的再生,這濾波器的衰減率必須做得很大,通常考慮三階以上,如此一來電路趨於複雜。

  而這個3-D方式的分音器,利用反相互消的原理,除去唱盤的擺抖聲,又不影響低音的再生,應該是相當不錯才對;實際聆聽時,也的確如此,見不到副低音紙盆作大幅度位移,低音很「純淨」。由於當時時間很急迫,許多測試時發生的疑點都未作交待,就匆匆交稿,當時我想:反正您裝了就聽就對了,何必管那麼多!沒想到音技的讀者如此強的求知心,再加上兩個線路板上的T點未做交待,才會被罵得七葷八素的。其實我相信不只是宋長波先生,這三個月來,我一定吃了不少「暗虧」!每一次碰到副總,總是在談3D的問題:你看,又有一個讀者來信......怎麼辦?設法「擺平」吧!

  首先要聲明的是:以下所講的,除了有理論上的根據和仔細的數學推導外,更經過實際的測試和試聽,以其您能相信我這「片面之詞」。

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對稱式二階分音器

  見圖一,分別劃出了二階分音器的電路圖、頻率響應圖、相角,及合成響應和合成相角,由高低通分別的相角顯示在分頻點的頻率時,高通和低通的相位剛好差了180o,正好相反,所以彼此抵消掉,造成在這個頻率時沒有輸出。為了避免這個缺點,一般都將高音反接,使得此時的高音和低音是同相,但這樣一來,相加後的電平變成原來的二倍,扣去分頻點時衰減3dB,形成一峯。所以以一個二階分音器,不論怎麼接,總是不平坦,電子分音器是如此,被動式也一樣,所以喇叭的分音器最好別用二階道理在此。

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對稱式三階分音器

  見圖二,分別劃出了響應及相位圖,值得注意的是這三階的分音器的合成響應非常平坦,如果後面所接的揚聲器相位正確(同相接法),則由喇叭輸出的信號是很平坦的,有問題的只是相位上的差異。雖然振幅是平坦,但相位卻一直在變化,分頻點設在100Hz,到了1KHz仍有11.5o的相位移。這樣的相位移,究竟會對聽覺造成什麼影響?很難下定論,有人說有影響,有人說沒有,不管怎麼說,有相移總是不好的。但這三階的響應已經比二階要強多了,至少它提供了一個相當平坦的振幅響應。

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  您會不會很灰心,竟然沒有一種分音器能合乎理想!而事實上這個微分式(differential)濾波器,就是85期推出而問題最多的這個分音器,就是您要求的最好的分音器。理論上說:如果喇叭的相位正確(同相),則這個濾波器的合成響應在它的頻帶寬內是毫無相移的。請注意我們重視的是合成的響應,因為您總不可能只聽高通或只聽低通吧!

對微分濾波器的解釋

  或許您仍不相信,這個分音器真的有那麼好嗎?且讓我證明給您看。

  這個電路一進來,IC 1B構成一個單增益Sellen-Key低通濾波器,其轉換函數為:

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  其中fo是分頻點,正確的講,應該是-3dB點的頻率。如果您單獨測IC 1B的輸出,會發現這是個很理想的二階低通濾波器;而IC 1A是一個倒相器,將輸入信號反轉180o,這種反轉對任何信號都是一樣,不像濾波器的輸出,含有虛數部分,相位角不停的變化。而IC 1A和IC 1B的輸出在IC 2B相加並反相,所以從IC 2B輸出低頻是被「減」掉了,因此從IC 2B輸出的轉換函數為:

  FH(f)=1-FL(f)

  這種形式的高通輸出,和傳統的Butterworth濾波器大不相同,在對稱式濾波器中,高通和低通是分開來設計,所以他們各自為政。我們說分頻點為110Hz,只不過是高通和低通的-3dB點設計在一起罷了,而事實上對各不同頻率的響應,是互不相干的,既然不相干,就很難預料加在一起會變成什麼模樣。而反觀這個微分濾波器,它高通部分的輸出,是牽住了低通,不僅振幅、相位也如此,從簡單的數學就能證明,如果把高通和低通的信號加在一起,得到的仍和原來信號完全一樣:

  FH(f)+FL(f)=(1-FL(f)+FL(f)=1(0o)

  這就是為什麼我說:如果高低音喇叭的相位正確的話,整個系統的輸出是無相移且平坦的道理。實際測試時,我在IC 2B和IC 2C的輸出再用另一枚TL071做成加法器,將高通和低通的信號相加,然後輸入1V的正弦波,頻率由20Hz至20KHz,輸出都維持在很準確的1V,這證明振幅響應是平坦的,再用示波器觀察相位,我敢保證在您聽得到的音頻內是沒有相移的。

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分頻點的疑惑

  整個微分濾波器的響應見圖三,這是將低通的-3dB點設計在150Hz時實測而繪出的高低通個別響應,由圖中可看出低通部分在150Hz時衰減了3dB很正確,但高通部分在分頻點出現一峯,-3dB點並未落在150Hz。您也許覺得奇怪,其實一點也不奇怪,這樣的響應才是微分式濾波器的正常響應。您若不相信測試結果,從理論上做圖,得到的結果也是一樣的,這是很多人覺得「分頻點」很曖昧的原因。像這樣畸形的曲線任何人看了都覺得很奇怪,但那並不要緊,只要您拋開傳統對稱式濾波器的觀念,就不會覺得這個濾波器有何不妥。在這裡我一直強調合成響應,因為我覺得我們該重視的是一個音樂信號經過分音器再從喇叭送出後,是不是沒有失真,喇叭既是高低音同時響,您聽到的當然是高低通的合成響應。既然合成後是平坦無相移的,那麼您還挑剔什麼呢?如果您有興趣,不妨測一測對稱式分音器的合成響應是否平坦,我保證二階一定亂七八糟,三階則得到平坦的振幅響應,但相位一直變化,而且不是線性的。

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副低音輸出太小

  原線路中IC 2A是一加法器,負責將左右聲道的低頻加在一起,如果您用兩支副低音,那麼R13//R14得到50K,將原信號衰減½再送至兩支副低音是很合理的。如果您只用一支副低音,那就不能衰減½,必須將那兩支100KΩ的電阻減掉一支才行。嚴格來說,副低音輸出的大小,和喇叭的效率及擴大機的放大率有關,也和唱片錄音師的修養有關。通常為了刻片的方便和容易生產,低頻在刻進唱片時,往往被錄音師不正常地衰減掉了,否則唱片母版會很難刻,像TELARC限量生產的1812就是以doublethickness方式刻了11次才成功!而且再用壓縮器將高達90dB的動態壓縮到唱片能容忍的程度時,低音也受到大幅度的衰減,而低音究竟衰減多少,那就隨錄音師高興了,所以宋長波先生在副低音的輸出端加一音量控制以控制副低音的音量是很合理的。

 重新繪製PCB

   這個3-D電子分音器既然這麼好,當然該好好將它發揚光大。重新繪製的PCB,副總說要貫孔鍍金,以提高其價值感,而且改成頻率可調的方式。初步決定三個頻率是:110Hz135Hz150Hz,其實這可依您的喜好而自行決定任何分頻點。在線路圖上,只要更換R5 R6 R7 R8四支電阻,就能達到改變分頻點的目的,其公式為:

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在PCB上,四個Molex插座分別接到波段開關的四組上,由於一般的三段式波段開關都有四組,所以並不成問題,Molex座底上的編號,代表的意義分別是:

  如果將0和2短路則100K//470K,分頻點135Hz。

  如果將0和3短路則100K//300K,分頻點150Hz。

  如果0不和任何線短路,則維持分頻點為110Hz。

  接往波段開關時,0即接在主線上,2、3號分別接在第二段及第三段的接點上,第一段的接點空接,如此即告OK!之所以設計成並聯電阻的目的,一方面簡化配線到最少程度,另一方面預防您買到的波段若不是短路式時(像三菱的波段開關),在轉換頻率時形成瞬間開路而造成危險!還有一個好處就是您若不喜歡可調式,那麼R5、R6、R7、R8就可直接決定分頻點,其他的都不必管。像我所用的「衛星喇叭」是Peerless大型系統,所以分頻點固定使用110Hz並不想可調,所以我將RA和RB空著不接。

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  另外PCB上的兩個T點,是應該用一段單蕊線穿過而兩邊焊上,並不是測試的意思,不過新的板子如貫孔穿鍍的話,那這個T點焊與不焊都無所謂了。但願我這麼說,您能清楚這個有別於傳統設計方式的PCB。

SF-106N改成100W

  SF-106N是個很優秀的線路,很多人表示希望能改成100W以驅動副低音喇叭,要將SF-106改成100W很容易,將正負電源提高至±50V,且將R9、R10改成24K即可。其餘的零件無須變動,在PCB上有兩支20K的電阻,線路圖上並未畫出,並不是留一手啦!是後來有人反應換用其他晶體裝時會振盪,所以加上這兩支電阻,以降低Q5、Q6的集極負載,這樣不論您換用任何型號的電晶體,都能確保Q5、Q6的集極負載在20K以下,達到Low TIM的要求。

  另外就是SF-106N在示波器上能「看」到哼聲,實際使用時把R24、R27改成390Ω,把C2、C3改成100uf/63V,保證您看不到哼聲!

實際裝配與試聽

  如果按照原圖裝配,這個電子分音器的增益是1,但是若調整R18、R24及R22,很容易調整整體放大率。其中R18、R22是控制左右聲道的增益,而R24控制副低音的增益,如果您已經有了完整的前級,可以完全按圖施工,而將此電子分音器加在前後級之間。一般而言,副低音喇叭的效率都較高,所以在subwoofer的輸出加一電位器是很合理的,但是有時也有例外的情形,像這次向副總借的BECKER超低音,效率就偏低,這時可以將R24改為200K,這樣一來副低音輸出較左右聲道高出6dB,應該能配合任一型式的副低音喇叭了。而其後接的電位器可採用10KΩB型,這樣只要電位器調在12點鐘位置,就表示電子分音器的輸出是平坦的。

  我在裝機時,由於不想多花一個機箱的價錢,所以將R18、R24、R22都改為470KΩ,使得這個分音器具有5倍的放大率,取代以往的前置放大。加上電源和EQ,就可以全部納入2002的小機箱內。如果您也想如法炮製,須注意EQ的輸入端、電子分音器的輸入端和輸出端,屬於三種不同階度的電平,地線不可以混接在一起。而EQ的輸出端和其他訊號源的輸入端和電子分音器的輸入端,屬於同一階度,地線可接在一起。當然這麼作不能達到分頻點可調的目的,除非您自己在2002的面板上鑿個洞,以容下選擇頻率的波段開關,所以最好還是為它裝一個專屬的箱子,波段的接法前面已經講得很清楚了,相信沒啥大問題才是。

  電源方面切記所加的電壓不可高於±18V,我用的是音技新出的IC穩壓板,濾波電容大道3300uf,效果非常好。本來還打算買二個ELNA 10000uf的以徹底濾除漣波,人家說AC不可能變成純DC,偏偏我就不信邪!如果真的用上了,大概是有史以來濾波電容用得最大的前級吧!

  試聽方面,反正很好就是了。須注意不同的喇叭適合的分頻點不同,如果您用的衛星喇叭是五吋中低音,那麼150Hz的分頻點是很合適的;如果和我一樣,本來就是大型書架揚聲器,那麼可將分頻點設在110Hz。在這裡特別對動態範圍作一解釋。

  愛樂的人總對TELARC不陌生吧!他的digital recording system可以處理高達90dB的動態,由TELARC出品的柴可夫斯基1812年大序曲就有64dB的動態範圍,64dB相當於1585倍,怎麼辦?如果最小音量時有0.1W的輸出,最大時勢必高達160W!如果最小音量時我開在0.2W呢?那就是最大時出力320W!很可怕是不是?!這還只有64dB而已,按目前漸漸流行的DAD雷射唱盤,用的皆為16bit取樣,如果其中1bit,作為指標用,那麼剩餘的15bit可形成215=32768,也就是90dB的動態(20 log 32768=90),如果您真的買了這麼一個唱盤,將會遺憾擴大機和喇叭無法處理90dB的動態範圍,怎麼辦?有辦法的!

  在學理上,兩個波(wave)合成時,其振幅相加,而能量卻和振幅的平方成正比,也就是說如果有一個音樂信號包含了30V的低頻和30V的中高頻,如果以電子分音器將其分開,則各需100W的擴大機,但是如果合在一起,則須60x60/8=450W的擴大機。很明顯的,二個100W的擴大機已經能取得和一個450W的擴大機相等的動態範圍。好吧!就算您不聽1812,事實上目前錄音好的唱片,具有45dB的動態是常事,放張理查史特勞斯的交響詩「查拉圖斯特拉如是說」,前面那幾聲定音鼓和大提琴,有副低音聽起來真的是很爽!再放張「梁祝」,這張還是數位錄音呢!小提琴手是西崎崇子,由日本群馬交響樂團伴奏。本來小弟那隻金耳朵總是抱怨低音不足,加上音控又覺得不自然,自從加上副低音後,這才點頭說:這樣的低音才像樣。

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  總而言之,說了那麼一大堆,就是為了告訴您,這個電子分音器是沒有問題的,而新的PCB方面,我已經將R14省掉了,如果您用一支副低音,那R13用100K~120K就很好了,如果用二支副低音,則R13改成50KΩ。您也可以試著用這個分音器,將中、高音分開,徹底解決被動分音器的響應和相位問題。當然如此一來所費的「$」就很可觀,但在理論上,這種超級的、無相位失真的喇叭系統是絕對可行的,有心人不妨一試,祝您好運!

轉載音響技術第89期MAY. 1983 3D式電子分頻器再製作/李孟育

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