詳解全頻帶揚聲器
邱立祥 于 2005.09.06 11:04:32 | 源自:音響知識進階 | 版權:轉載 | 平均/總評分:10.00/90

本文作者為臺灣的邱立祥先生,文章措辭均為臺灣習慣
文章中有許多不同于大陸同行的觀點,相當新穎。
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為什么連二期“音響知識進階”都在談喇叭單元?簡單,因為你聽到的聲音就是發自單元。無論用了多么厲害的喇叭(或不用喇叭),和多么完美的分音器,若是少了好單元,一切還是白搭。所以單元是很重要的,這點應無庸置疑。

那么,一個中音單元,高不上低不下,有什么了不起?但有很多人都說中音是音響發聲最重要的頻段,這我舉雙手贊成。如果你曾像我這么無聊,嘗試用單獨一只高音單元聽蔡琴唱歌,或用單獨一只低音單元聽帕格尼尼的小提琴曲,就會深切的體認到中音單元的可愛。我想你也會同意,若強迫你只能用一個單元聽音樂,你一定會選一個看起來長得像中音單元的東西。原因無他,因為你知道(或猜想)它會發出中音域的頻段,而我們地球人的聽力主要就是在這個范圍內,音樂的構成主體也是在這兒。

中音單元的設計

  • 上回說的“一指蔣”高音的概念,可以繼續延伸至中音的范圍,因為任何發聲單元都可以解構為發聲振膜、振膜懸掛以及驅動系統。只不過因為工作頻段的不同,這些構成要素在這么多年的演化下漸漸演變到一個特定范圍的大小。然而,其形狀和材質等卻有較多的變化,尤其是振膜材質,近年來可說是花樣百出。

    我們就先來一一檢視:

    紙盆振膜

    這應該算是最古老的材質了。簡單的說,把紙漿懸浮液流入事先設計好的盆型網狀模子上,紙漿便沉積其上,將沉積至適當厚度的紙漿抄出,再行干燥等后續加工處理,便成了一個紙盆振膜。而其中紙漿的成份,如纖維的種類、長短,及填料成份,和抄紙的制程及后段處理方式(如風干或熱壓等),都會影響最后成品的特性,也直接影響了發聲特性,這些當然就是各家不外傳的商業機密了(注1)……。

    (注1:多年前曾讀過一篇洪懷恭先生現身說法所寫的一篇有關紙盆制作的文章,除了浩嘆紙盆所含的學問博大精深之外,更令我深深佩服洪前輩的研究精神。我在本文中輕描淡寫的幾句話,可是無法道盡多少年來先賢先烈們流血流汗所累積的精髓。)

    一般來說,紙盆的聲音特性為平順自然,明快清晰而不神經質。因為內含無數的纖維相互交織,因此在其中傳遞的能量可以很快被吸收掉,形成很好的阻尼,因此在發聲頻域的高階造成的盆分裂共振不明顯,滾降的截止帶也就很平順。這可說是一種很好的特性,因為這樣就可以用很簡單的分音器,不需額外的剪裁,系統的整合也就很健康。

    另外,紙盆的剛性頗佳,對于瞬時反應和聽感的細節表現有很好的成績。別看手邊常見的紙張都是軟軟的,在適當的形狀和厚度下,紙的剛性是能夠做得很不錯。再者,若設計和制作得當,紙盆可以做得很輕,比最輕的塑料振膜還輕15%以上。雖比起最新的高科技合成纖維材料,紙質還是稍重了點,但其實相差不大,因此發聲效率高。audax的6.5吋紙盆中音pr170系列,效率便高達100db/w。

    紙盆可能的弱點是其特性會隨環境濕度而變化,因紙吸收了濕氣后其密度會變高(變重)、剛性會變差(變軟),所以發聲的特性也會受影響。至于這樣的改變是好是壞也很難說,英國的lowther俱樂部成員便宣稱在下雨天時,家里的lowther喇叭特別好聽。

    較令人擔心的應該是干濕循環次數多了之后,可能會造成材料本身的疲勞,進而改變其原本的特性。但君不見許多古董紙盆單元在工作了數十年后還是照樣唱得很好,所以這種情況應該還算輕微而漸進,有點像是熟化后進入另一個穩態的階段,對我們用家來說應該是不成問題才對。

    近年來生產的紙盆單元,有一大部分便在這方面有各種改善的方式,使紙盆的特性可以更加穩定。常見的有表面涂膜,或是在紙質配方上作文章,有些廠家就宣稱他們的紙盆能防水,從某些戶外用的pa喇叭看來,應該有相當的可*度。當然,就像先前提到的,對于這類事情,我們一般人頂多看看熱鬧,要瞧出門道就不是那么容易了。另外,千萬別把紙盆的悠久歷史和“落伍”劃上等號。若以整體音響產業的視野來看,紙質錐盆喇叭單元所占的比重穩居各類單元的首位。不信瞧瞧你家的電視、手提收錄音機、床頭音響、計算機……等等,是不是大部分都采用紙盆單元的小喇叭?你說,嗐!這些東西怎么能跟我的高科技high-end喇叭相比!但換個角度看,若這些“次級品”都換用非紙盆單元,保證更難聽,而且更貴。這是因為紙盆這種材料可說已經發展得相當成熟,所以能夠獲得很好的成本效益比。再者,更有許多經得起時間考驗的傳奇老喇叭和超級制作的新世代霸主都有紙盆的身影:we/altec

    755a全音域、goodman axiom 80全音域、altec a5/a7、ar3a、lowther全音域、tad……等等族繁不及備載。一些熱愛此道的資深玩家更是直接了當的說:“給我紙盆,其余免談!”很多人也認為,將紙盆的制作稱為科學還不如說是一項藝術,足見其引人入勝之魅力。

    塑料振膜

    因石化工業的發達,在我們日常生活環境中便隨處可見塑料制品,低廉的原料和加工程式簡便自然就獲得了各種產業的青睞,其中當然也包括音響工業。

    這里說的塑料振膜,是指用塑料射出成型或其它方式做出的一體成型錐盆,最常用的材質應屬聚丙烯(polypropylene,簡稱pp)。這種pp材質,我們最常接觸到的應該就是微波爐用容器和保鮮盒一類制品,都是屬于射出成型的。另外,常用于各類紙箱外加強用,黃色或灰色的打包帶也是由聚丙烯纖維制成。由此我們可以體認到一件事,這種材料實在是非常的強韌。多數高分子聚合物的物理特性便是韌性特強,因為分子結構巨大且排列不規則,所以機械能在其中傳遞時會很快的被吸收消耗,阻尼特性很好。這項優點和紙盆類似,就是高階的滑落很平順,除了聽感上柔順自然外,能夠使用低階、簡單的分音器也是一項利多。我們可以從許多歐系二音路小喇叭上感受到這些良好的特質,

    proac所采用的6.5吋透明pp振膜的scan中低音單元,就可稱之為這類單元當中最佳的典范。

    然而,相較于其它振膜材質,pp的剛性不甚佳,質量也較重。雖然用保鮮盒往腦門上k下去是很痛,但并不表示它在微觀的高速小范圍運動下就有很好的剛性,而這樣的工作條件才是我們在單元振膜選用上所在意的。

    pp材質較弱的剛性造成了高速微動作時(高頻段工作時),音圈發出的動能無法完全且一致的傳達到整個振膜,也就是發生了“盆分裂現象”。雖然有良好的阻尼止住了盆分裂共振,但畢竟已無法作完美的活塞運動,失真率相對提高,聽感上便是柔順有余,解析力及動態卻不足,有些以8吋pp振膜中低音單元為基礎的二音路喇叭,

    會在中音到中高音域容易出現遲緩呆滯的癥狀,病因便在此。若在低音部份不要太貪心,選用較小口徑的單元,便可在某種程度上減輕這樣的問題。因為雪上加霜的是在大面積下要做到足夠剛性所需的厚度相對較大,整體質量便水漲船高。所以,另一方面你也找不到高效率喇叭是采用pp振膜的單元。

    雖不像紙盆那樣有吸水氣的問題,但pp振膜會有隨溫度改變特性的傾向。幸好這點應該不至于困擾我們,因為就像紙盆和濕度的問題一樣,這樣的變化應屬緩慢而漸進,就別太擔心了!

    綜觀以上,pp好象因為剛性較差和質量較高的關系而不適于制作振膜,其實應該說是看我們如何在諸多妥協下作取舍了。就像前面提到的scan單元,雖然用上被我批評得很慘的pp振膜,但一樣還是可以做出很成功的產品,整體表現一樣很出色。

    或者,更積極的作法是對這種材質加以改良,也就是以pp為基礎,再混入一些添加物,以加強其剛性。這個動作的確能帶來一定程度的改善,使得制作出來的單元在動態、失真率、細節表現,和發聲效率上都有不同程度的進步。如dynaudio和infinity/genesis都有采用此類處理的單元,雖然混入的添加物和制作方式不盡相同,但成效都頗明顯。

    另外,既然石化原料和射出成型是這么的方便,所以當然有人會開發不同于pp的新材質,如bextrene、tpx,或neoflex的材質,其化學成份不詳,雖看起來和pp很像,但這些材質的較佳剛性和較低質量能帶來更好的動態及解析力,你應該能從各家喇叭的廣告和型錄上看到上述的材質,不妨有機會時驗證一下。

    金屬振膜

    既然剛性較弱會導致動態和解析力的缺失,那么利用高剛性的金屬材質來制作振膜,應該會得到很好的效果才對。若不談號角喇叭用的壓縮驅動器,一般能看到用于直接放射的中音或低音單元所用的金屬材質,應屬鋁金屬或其合金產物為最多,最大的優勢便是剛性很強,在一定范圍的工作條件下不會變形,其結果便是很低的失真和很好的細節解析力。但是剛性強的另一面便是內損低,就像我上次提過的“一指蔣”高音一樣,能量不會被振膜材質本身吸收,所以發生盆分裂時會有很明顯的共振峰出現在頻率響應的高階,若不妥善處理,就很容易出現“金屬聲”。

    所謂妥善處理,首先可以在分音器的設計上盡可能將此共振峰壓制,也就是把共振峰安排在濾波的截止帶或以外,讓進入單元的訊號不要含有會激起高頻共振的頻率,于是共振峰便會被分音器所“隱藏”起來,我們就不會聽到金屬聲了。為達此目的,通常必須要采用至少二階以上的分頻斜率,才能有效濾除;若用一階,斜率太緩,不足以有效壓制。若再把分頻點往低階移動,又會犧牲掉可用的頻寬,這樣的作法不太健康。因此,高階分頻和慎選分頻點是采用金屬振膜單元所必須特別注意的。

    或者,相對于消極的避讓,也可積極的改進缺點,那就是加強振膜的阻尼:三明治夾層結構、涂布阻尼物都是不錯的方式。市面上這類的產品已經愈來愈多,其中也不乏相當成功的例子,如上一期“徹底研究”介紹的elac,或是聲音和價錢都很高貴的瑞士ensemble。

    除了高頻共振不好對付之外,振膜重量是另一項不利因素。因為成本的關系,還沒見過用鈦金屬制作的中音單元。所以,金屬盆的中音或低音單元雖可在強勁驅動下表現出色的動態,但整體的發聲效率事實上還是偏低,一般需要較大的功率來伺候。

    合成纖維材質

    歷來似乎最先進的材料都會先用在殺人武器上,真是好斗成性的人類之最大悲哀,要是拿來用在音響上讓大家聆賞音樂,豈不是一片祥和?在硼碳纖維及蜂巢式三明治結構應用于戰斗機上獲致極佳成效的多年以后,才有人將這類的材料用在音響上。

    既然是航空級的材料,當然就兼具了質輕和高強度的雙重優點,可以做到比紙還輕,剛性比金屬還強,而且強度不只超過鋁很多,甚至還高過鋼鐵(注2),用來制作喇叭單元的振膜應該是再理想不過了!所以各家制造kevlar或碳纖維單元的廠家,無不用力的標榜其高剛性、低質量、還有高阻尼的特性。前二項優點是成立的,但自體阻尼這一項則要視條件而定,并不一定就比較好。

    (注2:這是指其它的成形方式所能得到的最佳成果,并不是指薄薄的單元振膜可以會你家的菜刀還硬,至少目前還做不到。)

    若沒有妥善處理,這類高剛性的人造纖維會和金屬盆面臨類似的問題,也就是高頻盆分裂共振。雖不至于像金屬振膜那么嚴重,但這個盆分裂共振的確存在,也輕易地達到擾人的程度。在沒有妥善處理之下,聽感上容易造成硬質的中頻上段和高頻下段,更厲害些便開始刺耳了。我在幾年前曾讀到一篇器材評論,其中主筆對kevlar中音的表現便是頗有微詞。

    在加強阻尼處理(如三明治夾層或涂膜等),加上適當分頻的條件下,這類單元就能夠展現非常好的細節解析力、停動自如的瞬時響應、極佳的大動態及微動態,而且這些好表現只需一點點的功率。如focal的audiom 7k,采用kevlar及聚合物發泡三明治夾層振膜加乳膠涂布,效率可達98db/w,即使稍遜于audax紙盆的100 db/w,也算表現相當突出了(注3)。

    (注3:比較一下這二個單元的資料,發現focal audiom 7k的磁鐵明顯較大(1132g vs. 880g),振動部分質量也較低(7.3g vs. 9.1g),結果發聲效率還是比“火力”較小的audax低,可見其它環節如懸掛順服性、磁路系統的設計、音圈、振膜形狀……等還是有許多的學問和妥協。)

    在較常見的carbon和kevlar fiber單元制品以外,另有一種特殊的人造纖維振膜在數年前問世 ─ had(high definition aerogel),由audax所推出,使用壓克力聚合物凝膠和多種合成纖維(包括carbon及kevlar)所制成(注4),特性表現極佳,由測量上可看出非常好的瞬時響應,失真極低,同時又能得到平滑的高頻滑落特性,完全沒有出現高頻共振峰,目前的制成品雖在發聲效率上不如紙盆或kevlar,但應該是磁路系統的設計企圖心造成的差別,而其它項目的實力確也不容小覦。swans請來stereophile名主筆martin colloms所設計的三音路allure便采用了此種單元,我自己的短暫聆聽經驗是輕松自然有如上好的紙盆單元,解析力及動態表現又更加的現代化,聽不出任何不良的僻性,稱得上是非常成功的單元設計(當然,系統整合得當也應記一功)。

    (注4:這種凝膠與纖維的混合制程非常特殊,從制程的初期到完成,凝膠的體積會縮小至原來的十分之一。更妙的是,在此過程中聚合鍵結的長煉狀分子會順著事先加入的纖維而成長,所以其分子排列方向是可控制的,極佳的剛性和自體阻尼便由此而來。)

    其它材料

    其實,除了上述的四大類材質外,其它還有很多質輕強度佳的材質皆可制成喇叭振膜,如玻璃纖維、賽璐絡纖維、石墨纖維、電木、絲質纖維、發泡聚苯乙烯、各種發泡塑料,以及真空燒結精密陶瓷……等,其中許多材料都大有可為,有些適于做高音,有些適于做中音,有些適于做低音,有些高中低音皆宜,各擅勝場。

    甚至還聽過在日本有人研發出一種利用某種特殊的植物(就是霉菌啦),順著設計好的模子,“長”出一個錐盆來!據稱其發聲之自然超乎任何材質。不過,我想這樣的逸品應該是很難導入量產,因為成本實在太高(時間成本)。

    (在此要提醒一點的是,很多單元的振膜會做得讓你看不出到底是什么材質;或反過來說,做得『很像』某種材質。基本上,這已幾近仿冒行為,身為無助的消費者,我們只能小心為上)

    磁路系統

    看過了形形色色的振膜,我們再來看看磁路系統。前二期陳運雙先生已介紹了許多的磁鐵材質,在此便略過,而將討論重點放在磁路系統的整體設計上。嚴格說來,磁路系統應包含音圈的部分,而不是只有磁鐵和磁極結構,因為它們是一起動作,也應該在設計時一并考慮。

    簡單的說,音盆之所以能動作就是*音圈,而音圈的動作是*其中電流變化的改變所產生之磁力與磁鐵、磁極所產生的固定磁場相互作用而動作,這個原理大家應耳熟能詳。其中,音圈的設計和磁隙的寬度、長度等有許多值得探討的地方。

    音圈設計顧名思義,音圈就是發聲用的線圈,是由漆包線加上特殊接著劑緊密整齊的纏繞在音圈筒上而成。漆包線的材質有銅、鋁、銀或其它合金,其橫截面的形狀大多做成長方形或六角形,以期能夠達到最大的纏繞密度,也就是說在一定的音圈長度(注5)下能繞出較多的圈數,而較多的圈數便意味著更大的磁力,驅動力也就更好,音盆的加速度系數也就更高,結果便是能有高效率、大動態的能力。以扁線音圈來說,若橫截面的形狀做成長寬比1:5的扁長方形,繞制時以短邊*在音圈筒上,做出來的音圈將可提供比圓形截面的音圈高出30%的加速度系數、效率和動態。

    (注5:音圈長度是指繞好的音圈在軸向上的長度,而不是繞線展開的長度。)

    音圈繞在音圈筒上,其壓力總和是非常可觀的。你可以做個簡單的實驗:用一段細繩(縫衣綿線、尼龍釣線或牙線皆可),使三分力氣密密的繞在手指上,繞上十圈就好,看看有什么結果?相信不用幾秒你就會急著將它松開。有些單元的音圈在高張力的纏繞下,對音圈筒所施加的總壓力可達到以噸計!所以音圈筒必須是要非常的強固,同時,為抵擋音圈的發熱,音圈筒也要相當的耐熱才行。一般是用鋁(合金)、kapton,或其它質輕、高強度且耐熱的材料來制造圓筒。一些較講究的廠家會將繞好的音圈組合做多重熱處理,以達到更佳的穩定性。

    klipsh的jim hunter便曾在“speaker builder”的專訪中提到,他們曾收到顧客送修的喇叭,其中高音號角驅動器已從燒熔的塑料質號角喉部掉下來,可見當時整個驅動器實在是燙得不可開交,但拆開后其中的音圈組竟然還是好的!

    音圈尺寸的決定存在著兩難,若求驅動力以達到高效率及大動態,大直徑的長音圈應該能擔當大任;但這么一來,重量增加,電感量也增加,又將不利于瞬時和高頻響應。而長音圈便代表了音圈只有一部分被磁隙涵蓋,如此磁隙中的磁場對音圈的控制力較弱,也較容易被音圈產生的磁場所調變,造成失真較高。若音圈做得很小,雖本身很輕,但驅動力又太弱,達不到理想的發聲效率和控制力,承受功率也受限。所以,音圈的大小和振膜面積、形狀,及磁鐵的磁力大小等因素應該要有一個最適化的妥協。

    磁鐵及磁力系統

    再來看看磁鐵及磁極的結構。傳統上喇叭單元中的磁鐵都是軸向極化,也就是磁鐵的兩極方向和空心圓柱形磁鐵的中心軸方向平行,然后再使用導磁材料做成的磁極將磁力線引導至磁隙中,構成回路。而音圈動作所需要者便是磁隙中的徑向磁場,也就是磁場方向平行于半徑方向,呈向心收斂或離心放射。磁隙中的總磁力強度和磁束密度便是源自于磁鐵的磁力,而這其間和磁鐵種類、大小有關。絕大多數單元采用的磁鐵便是鐵氧陶瓷磁鐵(三氧化二鐵),因為這種材質的抗溫度變化力很好,對抗反充磁的能力很強,機械強度和抗蝕性也佳,最重要的是成本低。但缺點是獲得單位磁力強度的體積和重量都很大,所以為了要達到高效率,你總會看到巨大的磁路結構。高音單元或號角驅動器就不用說了,磁鐵的直徑一定比振膜大得多。而有些6吋到7吋的中音單元,其磁鐵直徑也可做到和振膜差不多大。甚至有些專業的10到12吋的中低音,磁鐵直徑也和振膜一樣大!

    高磁力是我們所希望的,因為它能帶來高效率、高動態、高控制力等好處。但是大體積的磁鐵除了看起來比較雄狀威武,其它便不見得有什么好處,甚至于對音波的傳播會有一些不良影響。因為巨大直徑的磁鐵直接擋在振膜后方,背面的音波就只好從四周的側面擠出來,有一部分還會直接被反射回振膜。若這個單元又是固定在很厚的障板上,情況就更雪上加霜了,因為振膜和磁鐵間的距離也許和障板厚度差不多,若無額外的加工處理,那么背波就會從剩下的一圈窄縫間“噴出”。此時振膜背面所面臨的,就是很強的近距離反射波和劇烈的壓力變化,對整體的頻率響應和失真都有很嚴重的不良影響。

    所以若是用上了磁鐵結構特大的單元,就必須要將障板的內面做適當的加工,削出信道讓背波可以順利導

    出,如theil的喇叭就有這類處理。或者就使用高強度而較薄的金屬障板也可避開這個問題。其實,更進一步看,單元的框架設計同樣也會面臨類似的難題,像舊式以鐵板沖壓成型的框架,就有著較寬的支撐部分,若同時又和音盆本身*得很近,就會增加背波的反射而造成音染。新的鋁質鑄造框架則能做出較為理想的形狀,同時兼顧強度、美觀,及低音染的實用性。

    或者,使用高磁力小體積的磁鐵來使單元背波得以充分地舒展。大約五年前,vendersteen(注6)推出的三音路喇叭中所用的中音單元便是特別向vifa訂制,采用小型的neodymium磁鐵。而wilson benesch的旗鑒bishop,因為采用特殊的面對面isobaric低音設計,單元的磁鐵直接朝外,所以除了采用更新的強磁小型化鎳鐵硼磁鐵,磁極還做成圓弧流線形,就連框架也在高強度的前題下做到了最小的正投影面積,解決先前提到的問題可謂面面俱到。而我多次提到的傳奇性全音域單元lowther,雖問世已數十年,一樣很細心的注意到這個問題。雖然lowther所采用的磁鐵很大,但在形狀上已盡可能流線化,巧妙的讓出了音盆后方的空間,框架支撐部分也設計成以窄邊面對發聲方向,減低背波阻礙的努力可說無所不用其極。

    除了上述的問題,還有一項影響單元性能的因素,就是音圈在磁隙中的動作還有與磁鐵的交互作用。嚴格說來,音圈和磁力系統的動作實際上是互推或互拉,只因磁力系統被框架和障板固定住,所以看起來好象是磁鐵在驅動音圈。

    ( 注6:vendersteen這家喇叭廠的設計理念頗為正確健康,總將成本花在看不見的地方,外觀包裝極為簡單節省,聲音表現中規中矩,音樂性也佳,應是愛樂者的良伴。可惜體形較不討好,始終不得本地代理商及消費者的青睞)

    認清這個事實后,衍生出來的問題有:一、音圈本身產生的磁力會對磁鐵進行反充磁,所以磁鐵必須要挺得住,動態、驅動力和效率才不會打折扣。而磁鐵對抗反充磁的能力和特性也會影響發聲的特性,使用alnico磁鐵的喇叭在中高音域音色迷人,相信便和這個因素有關。 二、音圈本身產生的磁力會擾亂磁隙中原本琠w的磁場,造成失真。這個問題可以采用鍍銅的磁極或插入銅質短路環來消除磁場的調變,進而大幅減低失真。這個技術對于中低音單元互調失真的改善尤其明顯,因低音域發聲需要運動沖程較長,同時又要發沖程短而快的中音,這會使磁場調變的復雜度大增。

    磁力系統的兩難 vs. 創新的極化方向及磁極結構

    一開始談到磁力系統的時候,我便提到傳統上喇叭單元中的磁鐵都是軸向極化,但無論如何到最后音圈需要的是徑向的磁場。那么,為什么不一開始就把磁鐵的磁場做成徑向?因為制作上難度高、成本昂貴,一直到大約四、五年前才有人提出用徑向極化的方式來制造喇叭單元。

    首先,傳統的軸向極化結構有何缺點?一、體積較大;二、不易做到高磁束密度且深長的磁隙。體積大的問題先前已談過,再來談談磁隙有啥蹊蹺。

    傳統磁力系統的磁隙長度就可說是等于上極板在磁隙端的厚度,在相同的磁鐵條件下,要做到較高的磁束密度,首先可縮小磁隙寬度,但此舉將使音圈的組合困難,增加成本;況且極板內的磁通量不可飽和,所以又要考慮極板材質和厚度。

    另外,若想做到長磁隙短音圈的組合,便勢必會面臨磁束密度降低的窘境,加上較短的音圈,整體發聲效率將會降到很低。雖這樣的組態可得到較佳的功率線性,但想同時兼具高效率,可要克服眾多的兩難。如altec 515系列和tad 160x系列,采用了短音圈長磁隙的架構,獲致極佳的功率線性,同時又具有超高的效率,實在是非常的不容易,只能說這又是另一個人定勝天的例證。

    若使用徑向極化的磁鐵,兼具高磁束密度和長磁隙的磁力系統便輕易達成(成本還是不低,只是物理上的兩難較少),等磁束密度的磁隙長度可比傳統結構超出數倍,意味著單元的線性沖程也多出數倍!在高音壓操作下的失真也就非常低。這樣看起來便很適合于低音的再生,現在已有這樣的產品,是一種用于專業領域的18吋低音(注7),據稱其最大線性音壓已讓人耳無法忍受,而此時的失真仍非常之低!

    ( 注7:aura sound 1808,請注意這不是b&w的副牌aura,而是另一家公司。)

    可惜到目前為止,還沒聽說有用這種方式做成的中音單元。雖然中音不用長沖程動作,但這樣的架構可以做到體積很小、磁力很強,對于中音發聲一樣是兩大利多。相信在某家喇叭廠的實驗室里便有這樣的東西,很快的應該就會有量產品問世,我們拭目以待。

    跨入全音域

    咦?這篇文章不是要談全音域單元嗎,怎么光是中音就說了大半天?

    莫怪,莫怪!實在是因為全音域發聲所面臨的問題太多,無法一次說清楚,因此我想由中音切入,再往二端延伸,如此整體概念會比較清楚。因為一個理想的喇叭單元(無論高中低)要具備的條件應該是:一、低失真;二、功率線性佳;三、高效率;四、有效工作頻段愈寬愈好。若我們把第四項發揮到極致,便是一個全音域單元了。

    下期我將會介紹如何以中音單元為基礎推展到全音域發聲,其中所會面臨到的眾多兩難和各家廠牌的巧妙解決也是非常精彩,請拭目以待。

    乍看之下好象也不很復雜嘛,只要讓一個中音單元再多發出一些高音和低音,不就成了全音域單元嗎?你看那些汽車音響、計算機喇叭、手提收錄音機、床頭音響用的,不是到處可見那種不知名的“全音域”單元?好象也沒多了不起嘛,窮嚷嚷的!

    事情可沒這么簡單,你可知道上述用途的那些不知名單元能發多寬的頻段嗎?我想不需要提供測量的數據你也可以輕易地聽出,那些喇叭若能發出清楚的人聲已屬佳作,鼓聲及鐃鈸也常僅供辨識而已,bass聲及高音打擊樂器聲更是常在虛無飄渺間。管風琴?弦樂器泛音?鋼琴殘響?別鬧了!

    至于如何才稱得上是全音域發聲,請參考邊欄的說明。接下來我們要來討論的是,要讓一個單元去負擔所有的音頻范圍在設計上會面臨哪些問題和兩難。

    低階延伸問題

    以外觀而言,若尺寸相近,如同為6吋或7吋左右,錐盆中音和低音單元的差異實在有限,頂多是低音單元因需要較大的工作沖程而具備了較寬大而松軟的懸邊,其它的部分似乎“看起來”都差不多。但這也只是一般性法則,不見得放諸四海皆準。

    那么,若給你一個6吋至7吋的中音單元,是否有辦法把它改成能發低音?若只求發得出低音而不管音壓和失真程度,應該是可以的。一般來說,單元的操作頻率下限一般可以粗略地由它的自由共振頻率看出來(注1),也就是一般習慣性標注為“fs”者。

    那么,要如何調低這個頻率呢?聲學(音響)阻抗(注2)、振動部分質量、磁力強度,和懸掛順服性等幾項應是關鍵要素。其中,聲學阻抗(或簡稱為『聲阻』)與發聲面積和工作頻率直接相關,若以同尺寸直接發聲和同頻段工作而言,這項因素可視為相等而不必考慮(聲阻這個概念對于低音的再生和全頻段的發聲效率息息相關,下次有機會再來談這個主題)。所以,我們先來討論其它的幾項要素。

    讓我們回頭看看低頻段工作時,單元振膜的行為。其實粗淺的說低頻動作就是“慢速”的往復運動,單位時間內往返的次數少,這就是低頻了。那么,就基本的物理學觀念來看,在一定的施力大小之下,物體的加速與其

    質量成反比。所以,在其它條件相同或相似的情況下,振動質量愈大的單元,其自由共振頻率就愈低。所以,若你稍仔細一些,去比較一下各種單元的數據資料,就會發現這項因素可說八九不離十。15吋以上的低音單元若自由共振頻率在25hz以下,則振動部分質量常高達100公克以上。

    要調低一個單元的自由共振頻率,最簡單的就是增加音盆的質量了。但是,這實在不是個好主意,因為重的音盆勢必會帶來低效率和很糟的高頻延伸。所以,看起來此路不通。那么,接下來我們可以減少音盆的外部阻尼 ─ 主要有機械性阻尼和電氣性阻尼二個因素。無論是哪一種阻尼,都是對音盆的動作施與制動力,阻止其原本的動作。

    對此,我們可以用汽車的懸吊系統來作個比喻:傳統的美國大車常為了舒適性而將懸掛調得非常軟,要做到這點,簡單說就是要用低彈性系數的彈簧和柔順的避震器(減震筒),這樣的組合便具備了很低的系統調諧頻率(注3),因此就可以船過水無痕的吸收掉絕大多數的坑洞顛簸,因為這些外力都是短暫時間內的脈沖響應,轉換成頻率領域就是中高頻,所以能夠有效的被吸收而不會激起系統的共振。但遇上波長很長(也就是頻率很低)的脈沖,如橋面的起伏,就常會產生二到三周期的緩慢上下晃動,這便是整套系統的共振頻率被外力激發而引起的共振。

    同樣的,在喇叭單元上,要調低系統的共振頻率也可以從懸掛的順服性上面著手。將阻尼減弱,共振頻率就降低了,直接了當。但采用此法還是會面臨一些問題,我們再細看下去:

    機械性阻尼方面:指的就是音盆懸邊及音盆和音圈筒相接處附近黏附的波狀折紋懸掛所施予音盆之制動力。這套懸掛系統除了對音盆整體的運動產生阻尼之外,另外對音盆的盆分裂共振也有抑制的作用,尤其是外圍懸邊。所以一個單元若換用不同的懸邊,將會大幅改變其音色,因為整體的共振控制及音染的模式和程度都已不同。若為了調低系統共振頻率而貿然大幅減低懸掛阻尼將會帶來音染程度的增加,尤其是中音域部分。所以,調整機械阻尼須小心從事,適可而止。

    電氣性阻尼方面:指的其實是單元磁力對音圈的控制力。當然,單元的磁力愈大,驅動音圈的動力就愈大,同時制動力也愈大。強大的驅動力是我們所希望的,因為可以帶來高效率低失真,但是如影相隨的高阻尼卻使得系統共振頻率無法降低;這里,進退兩難的態勢便明明白白擺在眼前,因此我們只能取一個妥協。若再加入高階延伸的問題,這個妥協就更是不易取舍了。

    高階延伸問題

    影響一個單元高階工作狀況的主要因素和低階一樣是“電氣因素”和“機械因素”,只是情形不盡相同。所謂電氣因素指的就是音圈所造成之電感性負載,我在先前的文章就曾提過這件事,現在讓我們來看得更深入些。

    顧名思義,音圈就是一個電感線圈,若音圈單獨存在,便是一個空心電感,此時,這個電感的電感量不高,而且很線性。不幸的是,音圈要在磁路結構內才能工作。沒有例外的,音圈內就是中心磁極,這種結構就成了名符其實的鐵心電感,這么一來電感量大幅提高,而且根據電感先天的低通特性,高頻訊號在這里就直接被大量衰減。更糟的是,隨著音樂訊號起舞的音圈與中心磁極的相對位置又不斷改變,電感值和磁隙中的磁場便起了復雜的互動,嚴重的互相調變著,這種情況在大音量、寬頻域發聲時尤甚。此時,各種失真就直線上升,聽感上便是模糊、粗糙、聲音的紋理細節被抹平、立體音像潰散、音場扁平壓縮。解決的方法是,在磁極上鍍銅或插入銅片環,以使磁場短路,大幅減少相互調變,音圈的電感值也可大大的減低。此舉可同時增加高頻的延伸和降低失真。

    另外,所謂機械性因素就可以從物理學的基本原理來討論:施力的大小等于質量和加速度的乘積(f=ma),其中加速度也就是速率的改變率。想象一下,一片振膜要在往前推的過程中減速,最后在沖程的終點停住,然后再加速往另一個方向后退,若是在20khz,這全部的過程要在四萬分之一秒完成!有興趣的讀者不妨自設一個沖程值,然后算算這樣一個半周期簡諧運動的頂點加速度值有多大。我想,不用去算就可以想見在四萬分之一秒當中作180度方向改變的運動是有很大的加速度值!

    所以,要做到這等高頻響應,就要使振膜達到這么高的加速度。從上述簡單的定律,途徑只有二:減輕振膜質量和加大驅動力。但這么一來,許多的兩難和矛盾也隨之而來。

    難解的兩難和矛盾

    振膜質量

    先前提到,要降低系統共振頻率最簡單的就是增加振膜質量;當然,這是很容易做到的。但是,為了高頻響應和發聲效率,這樣又算不上是好方法。那么,我們不要硬碰硬,讓單體在低頻時“看到”較重的音盆,而在高頻時就只看到較輕的音盆。

    聽起來有點詭異?

    這是全音域單體的設計中非常巧妙的一招,也就是“機械性”分頻。實際操作時的情況是,低音時,整個音盆一起動作,漸往高頻時,利用盆分裂特性使得音盆較重且聲阻較大的外圍“來不及”跟著一起動。此時,真正隨著音圈動的只剩下較內圈部分,相對上這個“局部”區域的音盆比起整個面積當然就輕得多了。所以,這樣一來,隨著頻率的不同,音盆“實際有效”的運動質量就不同。如此,高頻到低頻的響應就可以同時達到。

    剛剛提到的“盆分裂”,說來輕描淡寫,但稍微想想就可以體會到其中的重重困難。如何在某個頻率以上使得一部分的振膜“來不及”跟著音圈動就很難控制了,再者,要讓這些部分“既然跟不上就干脆別動”也不簡單,因為,最怕的是跟不上音圈的驅動而自己亂動,徒然增加音染。而且要注意的是,單體實際在播放音樂時其中包含的頻率很廣,且時時刻刻在變。所以一旦這樣的盆分裂不在控制之內就可以想見其失真之恐怖!

    驅動力

    先前有提到,若要讓高頻延伸,勢必要有很強的驅動力來使音盆的加速度達到高頻的需要。而驅動力的來源有二:音圈及磁力系統。把音圈的圈數繞多些就能產生較大的磁力,以便和磁力系統相互作用而產生較大的驅動力,但圈數多就意味著電感量的提高和質量的增加,這二者又都不利于高頻,所以此路不通,音圈的設計仍要取一妥協。在此,“小而美”顯然比“大而不當”要好得多。

    再來,我們只好增加磁力了。雖然先前提過,強大的磁路系統會造成很強的阻尼而使得自由共振頻率不易降低,但是為了要達到高頻發聲所需的振膜加速度,磁力的強度還是要比一般單體強上許多,才有辦法將“不輕”的音盆(注4)推出那種級數的加速度值,否則就和一般的中音單體沒多大分別了。至于阻尼過度的問題,只好由放松機械性阻尼來做補償了。

    系統整合問題

    不就只有一只單體,何來的“系統”整合?這里的系統整合指二方面:一是音域平衡的微調,二是裝箱調諧的設計。此二者常相互牽動彼此。

    理論上,一個理想的全音域單體應該是在裝箱后或固定在適當的障板上就可以直接連上后級,沒有任何阻隔的發出天籟。但想想先前提過的種種進退兩難的窘境,在設計者絞盡腦汁、嘔心瀝血,好不容易做出一只能夠全音域發聲的單體后,你還希望它能“全面性”毫無妥協的發出你想要的一切?請記住,在各種的進退兩難中,絕大多數的出路便是“妥協”。

    若你對stereophile熟悉的話,應該對他們刊出的各種器材測試圖譜有些印象。一般來說,擴大機的頻率響應圖在20hz─20khz之間幾乎就像是尺畫的一樣平直,若是管機,頂多在頻域二端有些微的滾降;而喇叭的頻率響應圖譜就崎嶇得多,用壞掉的鋸子來畫還比它規則些。若再看衰減瀑布圖和離軸響應,那就更糟糕了,各種奇形怪狀的高山深谷遍布全頻段。

    為什么喇叭的頻率響應沒辦法作到像擴大機一樣的平直?因為喇叭是機械性動作的組件,一動起來各個部分的能量傳遞、釋放和儲存會非常復雜,且相互關聯。如此,免不了會存在許多的能量堆積或相互抵消的狀況 ─ 能量堆積處形成共振峰;相互抵消處形成凹陷,這么一來崎嶇的頻率響應就不足為奇了。較佳的情況是崎嶇的形態較緩和且均勻,如此可避免集中在一個特定的范圍而形成明顯的音染。若起伏很大或集中在一處就不妙了,強烈的音染不但扭曲了音域平衡,其共振峰處的能量不但較強,而且久久不散(常可在瀑布圖上看出),所以會嚴重掩蓋其本身和臨近頻段的解析力和微動態表現,就算用高q值陷波器來加以衰減還是無法解決不干凈的殘余共振。

    另外,單體的阻尼狀況也常會表現在頻率響應曲線的走勢上。若高階上揚,則是中低音域的阻尼相對上有些過度,聽感上便是緊瘦結實,稍偏明亮;若是反過來低階上揚,則是中低音域的阻尼相對上有些不足,聽感上就較為肥胖寬松而昏暗。

    說了這么多喇叭單體的“黑暗面”,不外是要提醒大家,就算歷年來各“傳奇”的全音域單體各自在不同的領域理皆有其“超級制作”之處,但在無可避免的眾多妥協之下,免不了有其取舍,而很難做得面面具到。就連樂器的制作都要投注極大的心力,才能獲得音色的完美和全音域響度的平均,更何況是喇叭單體這個“二線”的模仿者。

    所以,一個全音域單體,雖可以做到全音域發聲,但不見得一定平直。常見的問題有:中音部分(有些是中高,有些是中低)有寬而緩的凸出,造成聽感上某種程度的音染;還有部分是高階有緩和的滾降,造成聽感上較為昏暗;當然還有過度阻尼造成的低階滾降,聽感上自然是又瘦又緊,低音沒有量感。

    若是頻率響應有些微的凸出,而這個音染又令人無法忍受,只好用一個陷波器來將這個凸出壓平。若癥狀不嚴重,這個方式多半能有令人滿意的結果。別瞧不起這樣的組合,雖然這樣一來后級到單體之間有了一些“阻礙”,但這算只是頻率響應的修整,比起多路分音的喇叭中頻率響應復雜的交疊和扭曲的相位,這還是單純多多。而且,這類陷波器線路其實在許多喇叭的分音器上都可以找到,所以也不算什么見不得人的東西。

    若是高階滾降,則多半是因為相對上磁力系統不夠力所致,或者是音盆太大,用上“機械分頻”的技倆還是拖累太重,如早年的12吋甚至15吋的全音域單體或多或少有這樣的問題。此時,除了加個高音單體,別無他法。你會說,唉,這算是哪門子的全音域!別急著下定論,若妥善處理,將高音單體的響應從16─18khz處(或甚至更高),以每八度-6db的斜率緩緩切入,還是能夠得到很好的結果,因為分頻銜接處已避開了人耳敏感的音域,且一階分音能保持相位一致,所以還是保有全音域的“大部分”好處。(若你手上剛好有altec 412c,又嫌它們沒高音,請趕緊通知我,我很有興趣購買。等我弄出好聲,你就別想再買回去)

    最后一種情況就是低音部分的滾降,這類全音域單體具有較強的阻尼,低音的聽感常緊縮而短促,好處是細節清晰。此時若能使用適當的裝箱調諧或甚至用號角負載來提升低音部分的聲阻而提高效率,整體響應便很理想。若制作得當,這樣的組合能提供最佳的全音域發聲表現。

    既然提到了裝箱調諧,我們就順勢談下去。一般市售的喇叭,90%以上都是密閉喇叭或開口調諧(一般俗稱『低音反射式』)。只要是箱型喇叭便大致脫不了這二種設計及其衍生物,只有少數例外。對于全音域單體來說,應該要使其低音域發聲時的振幅愈小愈好。因為振幅愈大,不僅低音本身的失真大增,同時中高音更大受影響。想象一下大振幅全音域發聲時會是怎樣的情形:中高音的小幅度快速運動“騎”在大幅度慢速的低音運動上,中高音的振動時而向你*近;時而離你遠去,可想而知會帶來很高的互調失真和都卜勒失真。雖說任何單體都會面臨類似的問題,但全音域單體的工作頻域遠大于其它單體,所以這種情況會更明顯而應極力避免或減少。

    在剛剛提到的二種主流裝箱方式中,開口調諧應是較適合全音域單體的,因為這種方式可在系統共振頻率附近(一般是30─50hz,視設計情況而異)大幅減少音盆的沖程。如此便一舉三得:失真降低、承受功率較高、發聲效率也高。因為這個緣故,絕大部分的全音域單體都可以用這種裝箱方式得到大致上不差的效果。

    另外,有些純粹主義者認為,這么好的單體裝在箱子里會被箱體共振所玷污,所以不用箱子,直接裝在開放式障板上。某些本身低音部分就足夠的單體便適于如此使用,可以獲得最無染純凈的聲音,如we/altec 755c。據稱,其中音瞬時快若閃電,比之靜電喇叭毫不遜色,又有更佳的動態表現。但這個方式有一些缺點,首先當然是占地太大,因為系統的低音延伸取決于障板面積,為取得適當的低頻響應,小則需要1公尺見方,大則沒有上限,要將椈屨鶪G個洞來裝也可;再來是效率和承受功率都會較低,低頻響應也會較弱;最后是雙面發聲會使得空間因素更形復雜難解,而二片大門板矗立眼前實在也不容易被大多數人接受。

    最后,便是最復雜的號角負載方式了。關于號角的種種,我們擇期再詳談,現在只能大略的介紹一下。簡單的說,號角就是一個呈喇叭狀展開的管道,寬的這邊稱為“號角開口”,窄的那邊稱為“喉部”。號角的形狀會造成喉部的聲阻大于開口,使得位在喉部附近的單體振膜和空氣分子間有很大的壓力,也就是說這之間的能量可以的耦合得很好,因此發聲效率很高。

    使用背載折疊號角的型式,在適當的制作下,中低音到低音部分的效率會有效的提升,剛好和之前提到的阻尼過度的單體能有幾近完美的配合。

    注1:當然,實際應用時會因為裝箱調諧方式而有很大的變化,所以在這里便略過這項變量很多的因素而只看單元本身的表現。

    注2:譯自acoustic impedance,其定義為空氣粒子的壓力與速度的比值。

    注3:在其它的地方,如lp唱盤或cd唱盤的機械懸掛,通常一樣需要很低的系統調諧(低于1hz),設計時要考慮的因素其實和汽車懸吊系統也有共通之處。

    注4:就算是用上了“機械性”分頻的妙招,最終高頻段工作時的等效質量還是比起一般的1吋直徑高音單元要重得多了。

    注5:“看起來很好聽”正是李建德兄的名言之一,因這個單元的因緣,特此引用。

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    發表于2018.01.17 09:24:39
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    發表于2012.04.05 14:23:25
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    讀了好幾次啦,依舊很樂意再讀
    發表于2011.11.13 22:58:32
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    發表于2010.04.11 19:01:15
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    發表于2009.04.22 15:47:32
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    博世的喇叭就愛采用全音域揚聲器,不過確實效果非常不錯
    創新新出的旗艦T3也是采用全音域揚聲器。小巧的身材達到不俗的效果。
    當然它們的價格都是2000往上。
    發表于2009.04.22 09:19:54
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    發表于2006.04.09 07:03:11
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    發表于2005.09.12 13:06:50
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    發表于2005.09.06 18:34:09
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