音響系統與喇叭的搭配之二
2013.01.25

喇叭系統的組件:
一般喇叭系統可分成四大組件:(一)喇叭單體。 (二)喇叭外箱。 (三)分頻器。 (四)線材及端子。以下我就要針對前三項做個簡述:

喇叭單體:

一、喇叭單體如果以它的”特性”來區分,大概可分為:全音域、同軸式、組合式(又稱分離式)三大類。

全音域:顧名思義就是以一支單喇叭單體,可以涵蓋大部份的頻率(除了低頻及高頻)表現,故名全音域。

同軸式:喇叭的構成是在低音單體的軸心上,再加上一個高音或者再加上一個中音喇叭而型成,所謂的同軸二音路或同軸三音路喇叭即是。

組合式:喇叭是透過幾個大小不同的單體,在配合上由電容器、電阻、電感等電子零件,所構成的被動式分音器,來分配不同的頻率範圍,讓大小不同的單體,接受不同的頻率各司其職,稱之組合式或分離式喇叭(ND-100即是)。

二、 喇叭單體如果以它”發聲方式”的不同來區分,大概可分為下面幾種:
 

動圈式:基本原理來自" 佛萊明左手定律 " ,把一條有電流的導線與磁力線,垂直放進磁鐵南北極間,道線就會受磁力線與電流兩者的互相作用而移動,在把一片振膜依附在這根道線上,隨著電流變化,振膜 就會產生前後的運動。目前百分之九十以上的錐盆單體,都是動圈式的設計。市面上絕大多數的單體,都還是用傳統錐盆式單體的前後運動發聲,如果以較學術性的 說法,這些單體叫電動式( Electrokinetic Dynamic)或動圈式(Moving Coil)。

電磁式:在一個U型磁鐵的中間,架設可移動斬鐵片( 電樞 ),當電流流經線圈時,電樞會受磁化與磁鐵產生吸斥現象,並同時帶動振膜運動。這種設計成本低廉但效果不佳,所以多用在電話筒與小型耳機上。

電感式:與電磁式原理相近,不過電樞加倍,而磁鐵上的兩個音圈並不對稱,當訊號以電流的方式通過時,兩個電樞因為不同的磁通量,會互相推擠而運動。與電磁不同處是電感是可以再生較低的頻率,不過效率卻非常的低。

靜電式:基本原理是庫倫( Coulomb ) 定律,通常是以塑膠質的膜片,加上鋁等電感性材料真空氣化處理,兩個膜片面對面擺放,當其中一片加上正電流高壓時,另一片就會感應出小電流,藉由彼此互相 的吸引排斥作用,推動空氣就能發出聲音。靜電單體由於質量輕且振動分散小,所以很容易得到清澈透明的中高音,對低音動態力有未逮,而且它的效率不高,使用 直流電源又容易聚集灰塵。目前如Martin-Logan等廠商,已成功的發展出靜電與動圈混合式單體,解決了靜電體低音不足的問題,在耳機上靜電式的運 用也很廣泛。

平面式:最早由日本 SONY 開發出來的設計,音圈設計仍是動圈式為主題,不過將錐盆振膜改成蜂巢結構的平面振膜,因為少了空洞效應,所以特性較佳.但效率也是偏低。

絲帶式:沒有傳統的音圈設計,振膜是以非常薄的金屬製成,電流直接流進道體使其振動發音。由於它的振膜就是音圈,所以質量非常輕,暫能反應極佳,高頻響應 也很好。不過絲帶式單體的效率和低阻抗,對擴大機一直是很大的挑戰,Apogee可為代表。另一種方式是有音圈的,但把音圈直接印刷在塑膠薄片上,這樣可 以解決部分低阻抗的問題,Magnepang 是此類設計的佼佼者。

號角式:振膜推動位於號筒底部的空氣而工作,因為聲音傳送時未被擴散,所以效率非常高,但由於號角的形狀與長度都會影響音色,要播放低頻也不太容易,現在大多用在巨型廣播系統,或高音單體上。美國 Klipsch 就是老字號的號角喇叭生產商。

喇叭外箱:
        喇叭外箱的最基本作用,是將喇叭的前後聲場進行隔離,以防止所謂【聲短路】的現象。但音箱箱體決不是一個簡單的”盒子”,雖說它本身不發聲,但它的材質、 尺寸和結構,對於聲音的還原,起到了舉足輕重的作用。早期的低檔音箱,常採用塑料箱體,這種箱體在工作時,因為塑料殼的剛性不夠,而極易產生箱體諧振,放 音時有嚴重的音染,尤其是在大動態時更為明顯。箱體材料採用木質,則明顯優於塑料箱,而且,板材的密度和厚度越大越好。現在,一般的中低檔音箱,都採用 10mm 左右厚度的中密度纖維板,剛性較好且箱體穩重;一些高檔音箱甚至採用原木製作,更顯出對箱體材質的重視。箱體的尺寸也不是隨意的,它往往要受所用喇叭單體 的尺寸和等效容積的制約,只有當箱體的尺寸(容積)與揚聲器性能參數相對應時,才能獲得更好的諧振頻率。相比之下,箱體的結構則更有主觀性,可根據個人喜 好,製成密閉式或倒相式。以下就以這兩種箱體設計來做介紹。

密閉式音箱:
       即在封閉的箱體上裝上單體,也就是將箱體內部與外部的聲波,完全隔絕起來,相當於在一個無限大障板的一面聽音。(雖說是密閉的,但實際上一般在音箱的某個 部位還是有一個很小的漏氣孔,它的作用是使音箱內、外的大氣壓均衡)。對於密閉箱而言,箱體內的聲波是不被利用的,但是為了減少箱體內無用的聲波(駐波) 對揚聲器振動的干擾,一般要在箱內放一些具有較高效率的聲阻尼材料,如多孔棉等。這些阻尼材料不但可以吸收聲波,還可以降低空氣分子傳播聲音的速度,等效 於加大了箱體的體積、降低了在諧振頻率處的阻抗峰,另外還可使箱內的空氣處於等溫壓縮狀態,從而使箱體的有效容積增大。但相對的,密閉箱的效率較低,比起 倒相箱來,其靈敏度要小 5db 左右。密閉箱好在低頻有力度、瞬態好、反應迅速、低頻清晰,聽古典樂、室內樂效果極佳,但下潛深度有限,低頻量感不足。

倒相式音箱:
       倒相式音箱其箱體通過一隻倒相管(裝在前面板或者後面板)與外界相連,這只倒相管與箱內空腔構成所謂"亥姆霍茲共振腔",在共振頻率上產生逆共振,使得低 音揚聲器背向輻射聲的相位被倒轉過來,與前向輻射聲同相疊加。倒相箱的這一特點決定它有較高的靈敏度和低頻特性。倒相式音箱是按照”亥姆霍茲共振器”的原 理工作的。它與密閉式音箱的不同之處,就是在音箱的前面裝上筒形的倒相孔,使箱體內外的空氣溝通。如果合理的設計倒相管的尺寸和位置,可以使原來喇叭盆體 後面發出的聲波,再通過倒相孔在某一頻段倒相,使其和喇叭前面發出的聲波迭加起來,變成同相輻射,說的詳細些,就是倒相箱要借助音箱中的空氣,以及倒相孔 中空氣柱的振動,並且依靠音箱後板的反射作用,將揚聲器後面的聲波反相 180 度,再由倒相孔將這部分聲波傳送出來,以使這部分聲波與揚聲器直接發出的聲波同相,這就增加了低頻的輻射能量。

       倒相式音箱和封閉式音箱相比,具有以下優點:它進一步擴展了音箱的低頻下限,一般可達到 20Hz ,並減少了其下限處聲波的非線性失真。同時,由於倒相管的使用,還增加了箱內的體積,提高了效率。不但如此,同一隻單體裝在合適的倒相箱中,會比裝在同體 積的密閉箱中,所得到的低頻聲壓要高出 3db,就是更有益於低頻部分的表現。但是,倒相箱對於聲學設計的要求,遠比密閉箱高得多,因為倒相箱存在一個固有的問題,就是在回放頻率接近箱體的固有 頻率時,倒相聲波會與揚聲器正面聲波相抵消,從而導致聲壓急劇下降。以具體表現而言,倒相箱儘管低頻下限較低,但接近下限時聲壓下降極快,而且倒相箱的瞬 態即反應速度,往往要比密閉箱差,這就導致倒相箱設計不好時,低音雖然比較低,但很容易混濁,音質很差。此外,還必須保證箱體不能有非常規的聲洩漏,比如 螺絲不緊、揚聲器螺絲孔或板間的縫隙處有噗噗的漏氣聲等。倒箱孔的截面積必須與振動錐體的有效面積相等或略小一些,開口直徑太小,在倒相管中的空氣流速就 會加大,增加了摩擦損失。

       簡易的的揚聲器選擇方法,首先要看音箱材質,塑膠的最差,由喇叭發音原理中,了解單體是靠共振來發音的,而塑膠外殼的共振聲最差。木質音箱會比較好些,若 是甘蔗板作的音箱也不好,密集板的音箱會有較好的表現;密集板又分為二、四及六分,越厚共振干擾越小,但相對的成本也越高。一般書架型喇叭都採用四分,而 ND-100 卻採用六分密集板,因此,在選揚聲器時,可用手敲擊全部外殼,聲音越平均的音箱越佳,那代表音箱的構造密度較平均,故共振干擾較少。

分頻器:
       其實分頻器對整個 音響 設備來說,是一個很不得已的情況下,所採用的一項設備,因為到目前為止,還沒有一家喇叭單體的製造廠,能生產製造一個完美的全音域的喇叭,來完整詮釋一個 完整的音頻信號,所以不得不採用分頻器,將信號分成高、中、低頻信號,再傳遞給高、中、低音單體,雖然分音的目的達到了,但分頻器內部的被動原件,卻也消 耗掉擴大機的輸出功率。所以,如果一個喇叭單體,能做到完美的全音域,也就是說它能包辦全部頻率,那根本就不需要分頻器,可惜目前好像還沒有這種技術,可 以做出理想的全音域單體,所以市面上看得到的揚聲器幾乎都是兩音路、三音路及三音路以上的系統。

       由於高、低音單體間,必須有兩者皆可工作的頻率,但又不希望實際發聲時,同一個頻率兩者都一齊「全力」發音,所以就有了分音器的存在。如果拆開喇叭箱,您 會看到一些電線及一些被動式零件,例如電容、電阻及電感,而這些零件就是組成這個揚聲器的分頻網路,俗稱分頻器的主要元件。有些製造商是將這些零件焊在電 路板上,有些是直接焊在喇叭單體上,兩種方式各有優缺點, ND-100 經多方審慎評估後,決定採用後者,其實不管用何種方式組合,它們的功能就是分頻。所謂分頻器,顧名思義就是把" 20~20KHz " 的聲音分成幾個頻段,分別送往對應的高、中、低音不同的單體。由於音頻信號的頻譜範圍很寬,所以要使用同一個喇叭單體,來詮釋 20 ~ 20KHz 的整段頻率響應信號是不可能的,因為一般 12寸以上大口徑喇叭單體,低音特性很好,失真不大,但超過 1.5KHz 的信號,它的表現就很差了;1 ~ 2 寸的高音喇叭單體,播放 3KHz 以上的信號性能很好,但無法播放中音和低音信號。分頻網路就是利用電容電阻及電感,將擴大機發出的信號,在某一頻率以上過濾掉(Low PASS俗稱低通),或以下過濾掉(HI-PASS俗稱高通 ),或上下過濾掉(BAND PASS俗稱帶通),再傳送到揚聲器每一支喇叭單體,在最佳特性範圍內工作,發揮整體分工組合效果。有人稱呼這些不需外加電源之分音器謂之被動分音器。

何謂分頻點?
       分頻點是多少 HZ ?這關係著揚聲器計的命脈,二音路揚聲器只要一個分頻點,用以區分低音與中高音的界限;也就是當揚聲器接收擴大機的電流時,所得到的電流量有大有小,如何 將之用來啟動低音單體或高音單體,要有一個可依據的數據,這個數據就是分頻點,而決定這組數據的就是分頻器,而由分頻器的數量,可決定揚聲器是多少音路設 計,故分頻器設計的優劣,可直接影響揚聲器的性能。例如三音路喇叭,有二個分頻器,控制低音、中音及高音輸出,喇叭假設標示分頻點是 【400~4000HZ】,即400Hz以下的低音,由低音單體發音,400~4000Hz 的部份,由中音單體發音,4000Hz 以上屬高音,由高音單體發音,在精良的控制下,我們才可容易分辨聲音的高低,故分頻點的標示很重要。其實人聲和各種樂器聲,是一種隨機信號,其波形十分複 雜;可聽聲音的頻率範圍,一般可達20Hz~20KHz,其中語言的頻譜範圍約在 150HZ ~ 4KHZ 左右;而各種音樂的頻譜範圍,可達 40Hz~18KHz 左右。其平均頻譜的能量分布為:低音和中低音部分最大,中高音部分次之,高音部分最小 ( 約為中、低音部分能量的1/10 ) ; 人聲的能量主要集中在 200Hz~35KHz 頻率範圍,這些可聽隨機信號幅度的峰值,比它的平均值皆大 10 ~ 15db (甚至更高一點)。因此,揚聲器要能正確地播放出這些隨機信號,保證播放的音質優美動聽,揚聲器必須具 有寬廣的頻率響應特性,足夠的聲壓級和大的信號動態範圍。我們希望能用相對較小的信號功率輸入,獲得足夠大的聲壓級,就需要求揚聲器具有高效率的電功率轉 換成聲的靈敏度。此外我們還要求揚聲器系統,在輸入信號適量過載的情況下,不會受到損壞,即是要有較高的可靠性。
 

(摘自: 燈光燈光音響 資訊網)




參考文獻:
1壯振邦 2003 從年輕消費者觀點探討電子產品之介面設計
2王柏村、李雨軒、張志偉 2002 銅鑼振動與聲音特性之探討
3林振陽 1997 從消費者生活型態探討組合音響設計

資料來源:CRC Marlon LED / RFID 科技部落格


 

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