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音箱的基礎知識
作者: 發布時間:2014-09-15 瀏覽次數:642 本文來源:

音箱的結構組成


1、揚聲器



揚聲器有多種分類式:按其換能方式可分為電動式、電磁式、壓電式、數字式等多種;按振膜結構可分為單紙盆、復合紙盆、復合號筒、同軸等多種;按振膜開頭可分為錐盆式、球頂式、平板式、帶式等多種;按重放頻可分為高頻、中頻、低頻和全頻帶揚聲器;按磁路形式可分為外磁式、內磁式、雙磁路式和屏蔽式等多種;按磁路性質可分為鐵氧體磁體、釹硼磁體、鋁鎳鈷磁體揚聲器;按振膜材料可分紙質和非紙盆揚聲器等。


A、電動式揚聲器應用最廣,它利用音圈與恒定磁場之間的相互作用力使振膜振動而發聲。電動式的低音揚聲器以錐盆式居多,中音揚聲器多為錐盆式或球頂式,高音揚聲器則以球頂式和帶式、號筒式為常用。


B、錐盆式揚聲器的結構簡單,能量轉換效率較高。它使用的振膜材料以紙漿材料為主,或摻入羊毛、蠶絲、碳纖維等材料,以增加其剛性、內阻尼及防水等性能。新一代電動式錐盆揚聲器使用了非紙質振膜材料,如聚丙烯、云母碳化聚丙烯、碳纖維紡織、防彈布、硬質鋁箔、CD波紋、玻璃纖維等復合材料,性能進步提高。


C、球頂式揚聲器有軟球頂和硬球頂之分。軟球項揚聲器的振膜彩蠶絲、絲絹、浸漬酚醛樹脂的棉布、化纖及復合材料,其特點是重放音質柔美;硬球頂揚聲器的振膜彩鋁合金、鈦合金及鈹合金等材料,其特點是重放音質清脆。


D、號筒式揚聲器的輻射方式與錐盆式揚聲器不同,這是在振膜振動后,聲音經過號筒再擴散出去。其特點是電聲轉換及輻射效率較高、距離遠、失真小,但重放頻帶及指向性較窄。


E、帶式揚聲器的音圈直接制作在整個振膜(鋁合金聚酰亞胺薄膜等)上,音圈與振膜間直接耦合。音圈生產的交變磁場與恒磁場相互作用,使帶式振膜振動而輻射出聲波。其特點是響應速度快、失真小,重放音質細膩、層次感好。


2、箱體


箱體用來消除揚聲器單元的聲短路,抑制其聲共振,拓寬其頻響范圍,減少失真。音箱的箱體外形結構有書架式和落地式之分,還有立式和臥式之分。箱體內部結構又有密閉式、倒相式、帶通式、空紙盆式、迷宮式、對稱驅動式和號筒式等多種形式,使用最多的是密閉式、倒相式和帶通式。


落地音箱屬大型音箱,箱體高度在750MM以上,書架音箱的箱體高度在750MM以下,450MM~750MM之間的為中型書架音箱,450MM以下的為小型書架音箱。



3、分頻器


分頻器有功率分頻和電子分頻器之分,主要作用均是頻帶分割、幅頻特性與相頻特性校正、阻抗補償與衰減等作用。


功率分頻器也稱無源式后級分頻器,是在功率功放之后進行分頻的。它主要由電感、電阻、電容等無源組件組成濾波器網絡,把各頻段的音頻信號分別送到相應頻段的揚聲器中去重放。其特點是制作成本低,結構簡單,適合業余制作,但插入損耗大、效率低、瞬態特性較差。


電子分頻器也稱有源式前級分頻器,是由各種阻容組件與晶體管或集成電路等有源器件組成,它昌置于前置放大器和功率放大器信號線路中的一種模擬電子濾波器,能把前置放大器輸出的音頻信號分成不同頻段后,再送入功率放大器進行放大處理。其特點是各頻段頻譜平衡,相互干擾小,輸出動態范圍大,本身有一定的放大能力,插入損耗小。但電路構成要相對復雜一些。


分頻器按分頻頻段可分二分頻、三分頻和四分頻。二分頻是將音頻信號的整個頻帶劃分為高頻和低頻兩個頻段;三分頻是將整個頻帶劃分成高頻、中頻和低頻三個頻段;四分頻將三分頻多劃分出一個超低頻段。


分頻點與分頻斜率是直接影響分頻品質分頻頻率(交頻率)。

分頻點是指兩個相鄰揚聲器(如二分頻中的高音與低音,三分頻中的高音與中音,中音與低音)的頻響曲線在某一頻率上的相交點,通常為兩個揚聲器中功率輸出的一半處(即-3dB點)的頻率,要根據音箱和每個揚聲器的頻率特性和失真度等參數決定。通常二分頻分頻器的分頻點取1KHZ~3KHZ之間,三分頻取250HZ~1KHZ和5KHZ兩個分頻點。

分頻斜率(也稱濾波器的衰減斜率)用來反映分頻點以下頻響曲線的下降斜率,用分貝/倍頻程(dB/oct)來表示。它有一階(6 dB/oct)、二階(12 dB/oct)、三階(18 dB/oct)和四階(24 dB/oct)之分,階數越高,分頻點后的頻率曲線斜率就越大。較常用的是二階分頻斜率。高階分頻器可增加斜率,但相移位大;低階分頻呂能產生較平緩的斜率和很好的瞬態響應,但幅頻特性較差。決定高、低音濾波的階數主要應考慮到揚聲器本身在分頻點處相位的良好銜接問題。



音箱的分類


音箱的外形五花八門,常見的大多是長方形,對箱體結構主要有密閉箱、反射箱、傳輸線、無源輻射器、耦合腔和號筒等幾類。


1、密閉式音箱(Closed Enclosure)是結構最簡單的揚聲器系統,1923提由Frederick提出,由揚聲器單元裝在一個全密封箱體內構成。它能將揚聲器的前向輻射聲波和后向輻射聲波完全隔離,但由于密閉式箱體的存在,增加了揚聲器運動質量產生共振的剛性,使揚聲器的最低共振頻率上升。密閉式音箱的聲色有些深沉,但低音分析力好,使用普通硬折環揚聲器時,為了得到滿意的低音重放,需要采用容積大的大型箱體,新式的密閉音箱大多選用Q值適當的高順性揚聲器。利用封閉在箱體中的壓縮空氣質量的彈性作用,盡管揚聲器裝在較小的箱體中,錐盆后面的氣墊會對錐盆施加反動力,所以這種小型密閉式音箱也稱氣墊式音箱。


2、低音反射式音箱(Bass-Reflex Enclosure)也稱倒相式音箱(Acoustical Phase Inverter),1930年由Thuras發明。在它的負載中有一個出聲口開孔在箱體一個面板上,開孔位置和形狀有多種,但大多數在孔內還裝有聲導管。箱體的內容積和聲導管孔的關系,根據茲共振原理,在某特定頻率產生共振,稱反共振頻率。揚聲器后向輻射的聲波經導管倒相后,由出聲口輻射到前方,與揚聲器前向輻射聲波進行同相疊加,它能提供比密閉式更寬的帶寬,具有更高的靈敏度,較小的失真。理想狀態上,低頻重放頻率的下限可比揚聲器共振頻低20%之多。這種音箱用較小箱體就能重放出豐富的低音,是目前應用最為廣泛的類型。


3、聲阻式音箱(Acoustic resistance Enclosure)實質上是一種倒相式音箱的變形,它以吸聲材料或結構填充在出聲口導管內,作為半密閉箱控制倒相作用,使之緩沖,以降低反共振頻率來展寬低音重放頻段。


4、傳輸線式音箱(Labyrinth Enclosure)是以古典電氣理論的傳輸線命名的,在揚聲器背后設有用吸聲性壁板做成的聲導管,其長度是所需提升低頻聲音波長的1/4或1/8。理論上它衰減由錐盆后面來的聲波,防止其反射到開口端而影響低音揚聲器的聲輻射,但實際上傳輸線式音箱具有輕度阻尼和調諧作用,增加了揚聲器在共振頻率附近或以下的聲輸出,并在增強低音輸出的同時減小沖程量。通常這種音箱的聲導管大多疊呈迷宮狀,所以也稱迷宮式或曲徑式。


5、無源式輻射式音箱(Drone Cone Enclosure)是低音反射式音箱的分支,又稱空紙盆式音箱,是1954年美國的Olson和Preston發表的,它的開孔出聲口由一個沒有磁路和音圈的空紙盆(無源錐盆)取代,無源錐盆振動產生的輻射與揚聲器向前輻射聲處于同相工作狀態,利用箱體內空氣和無源錐盆支撐組件共同構成的復合聲順和無源錐盆質量形成諧振,增強低音。這種音箱的主要優點是避免了反射出聲孔產生的不穩定的聲音,即使容積不大也能獲得良好的聲輻射效果,所以靈敏度高,可有效地減小揚聲器工作輻度,駐波影響小,聲音清晰透明。


6、耦合腔式音箱是介于密閉式和低音反射式之間的一種箱體結構,1953年美國的Henry Lang發表,它的輸出由錐盆一邊所驅動的出聲孔輸出,錐盆另一邊則與一閉箱耦合。這種音箱的優點為低頻時揚聲器所推動的空氣量大大增加,由于耦合腔是個調諧系統,在錐盆運動受限制時,出聲口輸出不超過單獨錐盆的聲輸出,展闊了低頻重放范圍,所以失真減小,承受功率增大。1969年日本Lo-d的河島幸彥發表的A·S·W(Acoustic Super Woofer)音箱就是一種耦合腔式音箱,適于用小口徑長沖程揚聲器不失真重放低音。


7、號筒式音箱(Horn type Enclosure)對家用型來講,多采用折疊號筒(Folded Horn)形式,它的號筒喇叭口在口部與較大空氣負載耦合,驅動端直徑很小,這種音箱的背面是全密封,箱腔內的壓力都多在揚聲器錐盆的背面上。為保錐盆前后壓力保持平衡,倒相號筒裝置于揚聲器前面。折疊號筒音箱是倒相式音箱的派生,其聲響效果優于密閉式音箱的一般低音反射式音箱。



揚聲器的種類


1、低頻揚聲器——對于各種不同的音箱,低頻揚聲器的品質因素—Q0值的要求是不同。對閉箱和倒相箱來說,Q0值一般在0.3~0.6之間最好。一般來說,低頻揚聲器的口徑、磁體和音圈直徑越大,低頻重放性能、瞬態特性就越好,靈敏度也就越高。

低音單元的結構形式多為錐盆式,也有少量的為平板式。低音單元的振膜種類繁多,有鋁合金振膜、鋁鎂合金振膜、陶瓷振膜、碳纖維振膜、防彈布振膜、玻璃纖維振膜、丙烯振膜、紙振膜等等。采用鋁合金振膜、玻璃纖維振膜的低音單元一般口徑比較小,承受功率比較大,而采用強化紙盆、玻璃纖維振膜的低音單元重播音樂時的音色較準確,整體平衡度不錯。


2、中頻揚聲器——一般來說,中頻揚聲器只要頻率響應曲線平坦,有效頻響范圍大于它在系統中擔負的放聲頻帶的寬度,阻抗與靈敏度和低頻單元一致即可。有時中音的功率容量不夠,也可選擇靈敏度較高,而阻抗高于低音單元的中音,從而減少中音單元的實際輸入功率。

中音單元一般有錐盆和球頂兩種。只不過它的尺寸和承受功率都比高音單元大而適合于播放中音頻而已。中音單元的振膜以紙盆和絹膜等軟性物質為主,偶爾也有少量的合金球頂振膜。


3、高頻揚聲器——高音單元顧名思義是為了回放高頻聲音的揚聲器單元。其結構形式主要有號解式、錐盆式、球頂式和鋁帶式等幾大類。


A、號角式高音單元由于指向性強,在號角正面能聽到強大的商音,多用于大功率的擴聲、會議音箱和一少部分的監聽音箱。


B、錐盆式高音單元由于振膜面積過大、過重,高頻特性不如其它類型的高音單元,故而多見于老式音箱上,近年來已逐步被淘汰。


C、球項式高音單元是目前在家用音箱和小型監聽音箱中最常用的高音單元。球頂式高音單元從球頂結構上分,可分為正球頂單元和反球頂單元;從球頂材料上分,又分為硬球頂和軟球頂兩大類。


D、硬球頂高音的振膜材料有鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈦合金復合膜、玻璃膜、鉆石膜等數種。硬球頂高音單元所回放的高音,音色明亮,具有金屬感。適合播放流行音樂、電影音樂及效果音樂。制作優秀的鋁合金、鈦合金復合膜球頂高音,也能較好地表現古典音樂及人聲。


E、軟球頂高音的振膜材料有絹膜、蠶線膜、橡膠膜和防彈布膜等數種。軟球頂高音單元重播音樂時的高音靈巧、松弛,具有很好的自然表現力。在表現古典音樂、人聲等具有標準聽音概念的音樂時,尤為得心應手。尤其是近年來的絹膜、絲膜球項高音,其回放上限頻率已達到40KHZ。從理論上講,高音單元的上限頻率至少要達到20KHZ,越高越好。但高頻上限優秀的單元,其價格也要貴一些。


F、正球項單元在播放音樂時,其水平擴散角度要大一些;反球項高音單元在播放音樂時,水平輻射角較小,但音色較純,承受功率也較大。


如果你是一位古典音樂愛好者,又對回放時撞色要求很嚴格,你不妨選擇絹膜等軟球項高音單元。如果你的音箱在使用中還要兼顧卡拉OK和播放電影,選擇硬球頂單元會好一些。當然這并不是絕對的,因為音箱的回放音色,除與反選用的單元有關外,還與分頻器的設計,箱體的制造等諸多因素有關。


揚聲器與功放的適當搭配


選擇一款揚聲器與你的功放配搭有幾點需要注意,首先承載功率能力,有人說這點很簡單,揚聲器的承載力與功放輸出功率相等相可。不錯,但也不是這樣簡單,需知道一部小功率功放在其他條件配合下一樣可驅動承載力大揚聲器產生充足的音量,例如揚聲器靈敏度高和阻抗特性容易負荷,號角式揚聲器即具有這種特性。它們有能力負載大功率,但靈敏度可高至96dB/w/m的揚聲器比較,所需的驅動功率只有它的幾分之一。


相反,大功率功放適當使用下亦可配搭承載力較小的揚聲器,這點雖然有悖于常理,但只要小心控制音量并無問題。例如用一部每邊100W的功放配搭承載力只有50W的揚聲器以正常音量聆聽不會有危險,反而大功率機可避免發生削波,更增加工作的安全性。


實際上使用小功率功放驅動承載力較大的揚聲器并不安全,這點大出一般初入門的發燒友意料之外。因為小功率機當回放大能量的音樂訊號時供電器供不應求導致超出額定功率時產生削波,這時會出現大量失真,對揚聲器大有威脅,嚴重時可燒毀喇叭音圈。


揚聲器的阻抗特性是另一值得考慮的一點,揚聲器的阻抗分為電阻性和電容性兩種,電阻性表示在整個頻域中阻抗變化大,甚不規則。我們首先需要知道,揚聲器的阻抗是根據頻率改變,在產品規格上印著的阻抗只是廠方給予的額定阻抗,或者是平均值,實際上在整個頻域內的阻抗可描繪成一條不斷改變的曲線,觀察這條曲線才能清楚了解阻抗的變化。一個8ohm阻抗的揚聲器在某些頻率可能低于4ohm,或高至20ohm,這樣的變化十分普遍不足為奇。一般音箱的電動揚聲器阻抗變化不太大,額定阻抗通常為4ohm至8ohm,靜電和平面揚聲器的阻抗變化較大,尤其是靜電式,它的阻抗變化十分劇烈,有時低至1ohm以下,給予功放一種電抗性負荷,低電流功難以勝任。


現在的功放大多數都適合4或8ohm抗負荷,具有大電流能力的功放才能負荷4ohm以下阻抗,負荷阻抗較低可以輸出較高的功率,例如一部功放在8歐姆負荷時額定輸出功率為50瓦,4歐姆負荷時最佳應為100瓦,但不能無限制降低負荷阻抗,到某一點時即超出這部機器的負荷能力,假如你有一部大電流輸出能力的功放,可以選擇8歐姆以下阻抗的揚聲器,否則最好使用8歐姆或最多低至4歐姆的揚聲器才安全。


一個設計理想的揚聲器應該收聽各種音樂都適合,這種揚聲器沒有本身的音色,只是忠實回放錄音,對原音不增加亦不減少,這就是所謂的中性聲音,但真正做到中性聲音的揚聲器甚少。


理論上,揚聲器頻應平直曲線愈平直愈佳,但實際上一個頻應平直曲線的揚聲器未必動聽。我們可以見到大多數揚聲器的測量頻應曲線在某些頻率都有起伏,不同的揚聲器頻應曲線均不相同,這也就形成了聲音的分別。兩款揚聲器如分音點不同,即使其他全一樣,聲音亦有分別。


選擇揚聲器之前這些問題應考慮。房間大小與環境,與功放的匹配,甚至外形亦成為選擇重點。


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