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。 … Read more
