【技術分享】一又四分之一頓的音響─號角

音響設備中,揚聲器問題最多,亦是音響美好的關鍵,不過,設計好的揚聲器並不簡單,因受限制太多,以致。產生結果大大劣於所能產生的。本文介紹家庭音響的揚聲器設計,對空間、重量、時間及精力的考慮均加放寬,如此音響效果才能近於完美,且使人更近於真正的滿足。

本號角的設計並非突然的觀念所成,乃是多次實驗,考慮多種不同號角和驅動器(Driver)組合以及經驗累積的結果。在此,我將提供導致最後系統的重要結論,使有經驗的混凝土製作者能完全地倣製出來。

目前,音響系統以電影院為研究的最佳對象,為了達成其聲色傳真立體感,電影院的音響設計是第一流的,其豐富的工程經驗,設備使用的著眼點均值得借鏡。一般的電影院均採用交頻點(Crossover)500赫芝(Herz)的雙音路號角系統;低頻道採用兩個15吋的驅動器及截止頻率(Cutoff frefuency)50赫芝左右號角,再結只頻率以下採用低音反射負載補償。高頻道採用一個或多個驅動器連接於分隔式號角(Multi-cellular)(註1),大戲院或講堂,常有多套的高低頻道組合,使輸出音量更大及分布更廣,目的乃是大輸出及低失真,因之,若將本套組合用於家庭起居室音響中,輸出可不必大,如此失真就異常地低,因為像揚聲器這種換能器(Transducer)的特性,失真與其振動膜的振幅大小城正比。

據音響文獻,揚聲器製作有下列三像原則:

(一)揚聲器系統最好使用兩音路,亦即只有一個交頻點,因為截至目前,有效的組合高低兩音路已相當不容易,若欲組合三個以上音路,更非業餘能力所及。因此,本系統採用最常用的交頻點500赫芝的兩音路,頻寬40Hz到16,000Hz(半功率點)(註2),此頻寬似乎窄些,但能高品質地再生(註3)此頻寬的揚聲器並不多見。

(二)驅動器內所有音圈或振膜(註4)應位於同一平面上且彼此緊靠,其次應佔有相同空間,如此,不同聲道長度造成的過度失真變為最小,而且交頻狀況最為平順。

(三)高低兩音路的號角,各個其軸均應為直線。

高頻號角

我們首先拿Altec公司產品288B驅動器及1005型分隔式號角實驗,發現高頻部份響應不理想(圖1),40赫芝到2,500赫芝的響應則相當完美,2,500赫芝以上急需改良,若詳細檢查驅動器,音圈振動膜組合很輕巧,至少在12,000赫芝以上仍有極佳的響應,問題就發生在號角結構上。非常幸運地,Altec公司另一產品Altec 30210號角,有長管並向外擴展6吋,專門給高音2,000赫芝以上使用,測試結果,特性甚好(圖1),很顯然地,Altec 1005分隔式號角在高頻(2,000赫芝以上)與驅動器發生干涉。根據上兩項實驗,綜合Altec 1005與Altec 30210號角的特點,可以製作一更好的號角。

另外,針對號角極性分佈的研究,亦即各方像傳送的響應,也發現號角有兩直邊及一曲形嘴(註5),亦即扇形號角,有最佳的效果,另外也證實扇型號角具有Altec 1005分隔式號角及Altec 30210號角的優點,高頻不與驅動器發生干擾。因此,扇型號角為最佳的號角設計,至於其曲面擴展方式,最有效率的兩種為雙曲線擴展及指數曲線擴展,兩者均具有不同特性: 雙曲線在截止頻率處有極佳的負載(註6),指數曲線擴展有較少第二諧振波失真(註7)。驅動器出口連接號角的喉部,振動膜產生高壓音源,以致號角喉部音壓甚高,該處氣體就處於非線性狀態,該非線性狀態與音壓高低成正比。對正弦波,此非線性可產生第二諧振波失真,因此,失真程度與在喉部的音壓大小成正比。對某定值音響輸出,號角喉部截面積大的,失真較小。另外,音壓經過喉部,即受號角擴展影響,擴展較快,音壓衰減也較快,在相同結只頻率,指數擴展較雙曲線快,因之有較小的失真(註8),此外,對定值強度,失真與頻率高低成正比,不過,很幸運地,一般因原材料振動強度在1,000赫芝以上同樣速率衰減,如此消弭了此效應。

為什麼號角有兩直邊及一曲嘴方最佳的效果呢?我們可以這樣解釋:

(1)將振動膜置於一空間,使振動發出聲響,像四方擴展,各方向的響應變化隨頻率增高而變大,若將該音源接一號角,則在號角的展開出口立體角範圍內,各方面的響應較不受頻率影響,而且大的出口比小出口較不受頻率影響,另外,小出口高頻率散佈角較寬,因之,綜合這些特性,號角在垂直方向,取15吋寬傳其涵蓋角度有30度,適合家庭使用。水平方向,取兩直邊,夾角100度。大多數號角設計專為平面波,能使平面波從驅動器直到出口處,均不受干擾。另外,號角結構有一號角係數,為頻率的函數,因之,在立體角內各方向的響應較不受頻率影響。

(2)號角擴展速率快(較高截止頻率),能增闊其散佈。因此,選用指數曲線擴展號角。此外,失真亦較小且在截止頻率處響應好。

(3)曲形嘴亦即弧形出口,能使平面波變成曲形波。若號角使平面波修飾成曲形波,向外擴展到其表面長度大於波長,則面所涵蓋立體角範圍內,均可聽到極佳的頻率響應。

因此,扇型號角,有極佳的頻率響應且多向性。

我們可以開始製造一號角,其尺寸: 兩直邊夾腳100度,長度26吋,曲形嘴半徑24吋,驅動器出口(亦即號角喉部)直徑1.4吋,圓形號角喉部在短距離內轉變成截面邊長1.7吋的正方形。截止頻率250赫芝及直邊長26吋,出口面積654平方吋,嘴的弧長41.9吋,高度15.6吋。(圖2)

使用材料的考慮: 任何揚聲器,作為界限的材料(即障板,號角等等)的輻射均應為零。否則,不必要的雙重或多重輻射會產生;在靠緊驅動器音源的界限物質可迅速吸收驅動器的聲波,傳導分佈吸收能量至空氣銜接的表面,像一極差的直接幅射器。另外,音波在物質內傳遞速度較空氣中快。這些不必要的雜音,均使到達耳朵的音色音質變得極差,原本界限物質是用來加強效果的,而反使這些不良現象影響音響娛樂效果,因此,應絕對去除此雜音,界限物質應採用相當硬,無吸收性及極高內部阻尼(Damping)的材料才可。我們應有一認識,揚聲器並非樂器,而只是一再生器而已,就知道,它本身不應有任何雜音產生。在所有材料中,很少能符合上述的特性,不過,可填附其他材料以增加其阻尼,降低共振,使獲得較接近的特性。但最好還是物質本身具有此特性,免得外加修正或補償。經實驗多次結果,發現混凝土似乎是作為揚聲器系統的最佳材料。在標準工程論文中,極力推薦它的功效,但卻一直很少被使用於音響系統,一旦使用,結果是相當突出。或許使用的阻礙是它的重量,雖然混凝土比鋁板比重稍小(鋁板2.7、混凝土2.6),但使用的體積較多,以致較重。

製造方法的考慮: 指數曲線扇形號角表面相當複雜,不能使用變曲平板作成,必須採用鑄造方法,這只需做好一模型,並依之作出外模,一旦外模完成,可鑄造出很多相同號角,當然,以混凝土為鑄造的材料。

如此,就可作成一個模型,外模及兩個號角。

我們作好了新號角,餅採用Altec 288B驅動器配合,以原測試分隔式號角相同的儀器測定,發現其特性與設計目的相符合(圖3),相當美好。

另外,我們也測定第二諧波失真,條件是音響輸入1,000Hz 1瓦特,在試聽室有110dB音壓電平。諧波失真測定為2.2%,至於其他頻率的失真,在定值音壓電平,失真與頻率成正比,在特定頻率,失真百分比值與音響輸出電平的平方根成正比。

我們又作一實驗,驅動器採用Altec 288C,其頻率響應可達16,000赫芝,並作一新號角,其尺寸如下(圖4): 截止頻率300赫芝,直邊長21吋,嘴半徑20吋,嘴面積552平方吋,弧長34.9吋及高15.8吋。

經測試結果,特性如下圖(圖5),相當美好,這兩次實驗,足以證實扇形號角的傳真性。

低頻號角

高頻號角特性相當突出,,就專心於低頻號角的設計和製造,雖然混凝土相當重,仍決定使用於低音號角。此外,在很多方面與高頻號角配合,再度選用指數型扇形號角,如此在音響上且在外表上有極佳的配合。

大多數戲院低音揚聲器系統並非純號角,而採用低音反射原理來擴展在截止頻率以下的響應。如此,號角軸為直線,比折疊式號角(註9)短些。

實際上,所有戲院揚聲系統(註10)均採用兩個密氣式15寸驅動器(註11)垂直疊放,其優點: 效率提高兩倍,驅動器失真降低,輸出功率增大,而且號角可做成小些,其響應仍然極佳。而為一的缺點是在較高頻率有不規則的頻率響應,不過,500赫芝以上才會如此,此已無關緊要。

我們採用截止頻率110赫芝及低音反射負載,兩個15寸驅動器垂直疊放,測試結果,為獲得最佳傳真性需在後密氣室內充塞吸音材料。另外,低音反射負載,使低音頻響應好,但卻使較高頻段音質變差。由此可知,在較窄頻寬內有好的響應比由各種互補組合的較廣頻寬來得好。因此,乃決定不採用低音反射負載,而加強號角設計合理負載,則純號角擴展有極佳的響應。

為使號角設計合理,乃從事下列幾項研究:

①為使號角有最佳效率負載,喉部面積深受驅動器振動系統效率影響。對定值振動膜直徑,喉部面積與振動效率成反比,亦即要高振動效率必須使喉部面積小。對一高效率15吋驅動器,最佳喉部與振動膜面積比為1比2,不過,號角尺寸太大些,欲使號角尺寸小,不妨使喉部與振動膜面積相等,在全部效率中只不過降低1到2dB而已,另外,有較大喉部面積的好處,有比較和緩的低頻截止狀況。對振動膜與喉部面積比為1比1的揚聲器,在500赫芝以上,有最大的效率損失3dB,由此較輕負荷(輕負荷使效率降低),振動膜的線性頻寬必需較寬,以彌補振動膜的大振動。

②由振動膜懸掛順應性(Compliance)和密閉後箱內空氣的順應性決定驅動器順應性。一定體積的空氣亦決定其順應性。為使低音號角截止處有最佳響應,驅動系統應取一最佳的順應性。對一號角,有較低自由空氣共振驅動器,則其後密閉箱體積較小,如此,所需建造材料亦減少。

我們採用一簡單光學設備來正確測量振動膜位置,這使得一些重要特性測定更容易: 間隙流通密度與間隙導管長度乘積(即所謂B1因素),懸掛系統的順應性及驅動器的線性。其中以線性測試最重要,所謂線性測試方法是以求得振膜振動與通入音圈電流的關係的測試法。我們測定許多驅動器的線性,發現不良線性原因,主要是音圈長度比磁場空氣間隙深度太長或太短。短音圈有好的轉換性,但除非它將其軸心正確地對準磁場中心線,線性必然會很差,一般說來,它不是容易擺置的,成功率約七比一。另外,短音圈即使擺正,其線性頻寬亦較長音圈的擺正時的線性頻寬窄。而且,長音圈易擺正,雖然它有較差的轉換效率,我們選用了Jensen P15-LF,自由空氣共振19Hz,最佳線性振幅±0.2吋(從中心線),可忍受尖峯值±0.5吋的振幅。

設計最後考慮: 採用喉部與振動膜面積比1比1,這一對號角喉部面積為250平方吋,全長50吋,其中10吋為放置驅動器,所有的系統驅動器垂直疊放,為使高頻號角軸不高於耳際,則低頻號角高度不應太高,乃設定為33吋,其出口高度為32吋,各號角出口弧型的圓心應排置於垂直長線上各驅動器音圈位於垂直的同一平面上,40吋號角長,截止頻率45赫芝,出口面積1,350平方吋,號角在截止頻率響應極佳。

陳  設

一般來說,號角組合放於密閉室內較放於空曠環境中響應來得好。

由於低頻號角長度較短,對其極性分佈不易控制,亦即各頻率的聲波向外擴散,號角不易控制其分佈。只有在號角長度大於輻射音波波長時才易控制。號角出口尺寸大約一波長,則該頻率音波型式最窄,若音波波長再長些,則號角完全失去控制。因此,低頻號角值邊夾腳採用64度以彌補低頻時的過度擴散,而主要目的,使號角的特性均完全配合。

後箱體積選定為3.7立方呎(每個驅動器),兩個驅動器的後箱分隔與否均無影響,不過,不分隔可使設計與製造簡單。

設計尺寸如圖5:

高低頻號角各自接有功率放大器,在功率放大器之前設有分頻器,為一高阻抗電子裝置。

房間體積約3,000立方呎,均為混凝土結構,地面尚舖以地毯,房間以3吋厚混凝土,則欣賞室相當完美了。

這套立體揚聲器系統,全重約1又¼噸,安放於室外,有極特出的效果,可使左右兩揚聲器分離25呎,欣賞地區可達到60呎,一般使用40瓦(最大音量輸入),傳真性相當良好,若家庭欣賞室內,1瓦的輸入可產生110dB音壓電平,其傳真性更加美好。

經統計結果,高頻道的電與聲的轉換效率為45%,低頻道為25%。另外,扇形號角外型柔和,可直接擺置,不必另加包飾。

此外,尚需說明的,本文的號角設計雖選用了Altec 288C驅動器與Jensen P15-LF驅動器,如果想接其它驅動器,只需根據原理,稍加變更即可。

(編註: 這篇文章,原載於Audio, JAN, 1964資料雖早,卻頗富創意。可惜的是缺乏照片,使我們難以想像這樣一對喇叭陳列在客廳時的模樣。)

 

 

 

轉載音響技術第4期 APR. 1976 一又四分之一頓的音響─號角/蕭明方

 

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