喇叭音箱的設計與特色

[專題]淺談喇叭音箱的設計與特色

喇叭的音箱外型跟精緻作工總是吸引著我的目光,漂亮的喇叭也有助於提升家裡裝潢的美感,而每家廠牌的喇叭的大小跟外型差異很大,這些差異究竟跟喇叭的聲音表現有沒有關係呢 ? 這一篇就來聊一聊喇叭音箱的設計吧 !

HARBETH LS3/5A
HARBETH LS3/5A 英國紳士般的外型 聲音就像音箱外型般的醇厚迷人

揚聲器 (喇叭)決定了一套音響的音色,當然揚聲器的單體影響的比例很大,但音箱的設計也是會影響整體音色的走向喔 !

為什麼揚聲器需要音箱呢 ? 

我們先來了解聲音如何產生 ? 假設下面這張圖,藉由敲擊鼓的表面,會產生震動,而使空氣產生變化,形成疏密波,進而發出聲音。

vibrate drum
敲擊鼓的表面產生了疏密波

而揚聲器的原理也是一樣,當喇叭單體震膜向前運動的時候,前面空氣被擠壓形成密波,而後面的空氣鬆散形成疏波,反之,當震膜向後運動的時候,而後面的空氣被擠壓形成密波,前面則鬆散形成疏波,所以我們可以知道聲音是經由疏密波的方式在傳遞的。

另外揚聲器前後發出的聲音正好相位成180度相反,這樣會發生甚麼事呢 ? 可以用下圖來說明,如果喇叭不隔離前後輻射的聲音,將會產生相位相消的情形,會使單體輸出的聲音會大大降低,尤其對於波長較長跟低頻率的中低音部分更加明顯。

為了改善這種情形阿,可以藉由障板或者音箱的方式如圖所示來隔離前後的聲波互相干擾,確保不會發生相位相消的情形,但如果以障版來隔離的話,理論上以低頻 20Hz,音速 340m/s 來計算的話,需要 17公尺長的障板才能完全隔離,這可能國家劇院都放不太下 8-O,所以主要還是以音箱的作法來改善。

障板的設計無法完全抵擋聲音相位相消的問題

 

音箱的種類

音箱除了前面所說的障板(Open baffle) 之外,還有密閉式音箱 (Sealed Cabinet)、低音反射式音箱 (Bass Reflexed, Ported)、傳輸線式音箱 (Transmission line)、背號角式音箱 (Back loaded horn, rear loaded horn),都各有特色跟優劣,分別來介紹一下吧 !

密閉式音箱 (Sealed Cabinet)

密閉式音箱
密閉式音箱

顧名思義就是在封閉的箱體中裝入喇叭單元,由於內部的空氣阻尼較大。優點來說,單元的反應速度得到提高,低頻十分乾淨和清晰。但缺點來說相對來說音箱的靈敏度比較低,所以密閉式音箱對於前端擴大器的功率需求會較高,通常需要出動怪獸級的擴大機。

AR3A
美國1958發行AR-3a,由Edgar Villchur發明氣墊式低音喇叭,發音原理為長衝程喇叭單體音圈在密閉小型音箱藉空氣彈性幫助產生低頻

低音反射式音箱 (Bass Reflexed, Ported)

低音反射式音箱
低音反射式音箱

最常見的音箱設計,透過低音反射管來達到較佳的低頻量感與延伸,因此反射管的面積、長度、音箱容積都會影響低頻的延伸與量感,這種設計的音響通常會看到一個圓形或長條型的孔,而這個孔可能在音箱的前面、後面、下面、上面甚至側面,沒錯,六個面都有可能,低音反射設計為音箱設計的大宗。聲音特性跟密閉式相反,有量感豐滿、下潛出色的聽感,不過缺點相比較密閉式音箱,倒相式音箱往往有著更差的瞬態表現跟因為氣流的流動可能會造成轟隆隆的聲音與失真是該設計的缺點。

JBL
JBL最暢銷L100的最新書架式版採前置被動式音箱設計  

被動輻射式音箱(Passive radiator)

Passive_radiator_enclosure
被動輻射式音箱

被動輻射式音箱是低音反射式的另一種延伸性設計,被動輻射式是一種沒有磁性迴路的假單體,不用接電驅動,最主要的優點有兩種,一是它跟低音反射式音箱一樣提供較佳低頻量感與延伸下潛度,且不會像低音反射式一樣,會有從反射孔溢出的中音,二是對於小音箱的設計,低音反射孔長度可能無足夠的空間放進箱體,這時使用被動輻射盆設計就可以解決。

缺點則是比低音反射式音箱更陡峭的音頻截止曲線、更低的截止頻率和更加混亂的瞬態穩定性。另外,由於被動輻射式音箱幾乎可以等於密閉式式的音箱,所以通風散熱並不突出,需要經過精密計算跟設計,所以也很少看見這種形式的音箱出現在專業音箱上。

Sonus Faber Lilium
Sonus Faber Lilium 最底下跟頭頂上都是被動式輻射單體喔

傳輸線式音箱 (Transmission line)

傳輸式音箱
傳輸式音箱也稱迷宮式音箱

傳輸線式音箱延續低音反射管的設計,箱體內一段段折疊的氣道,讓背波在氣道內移動,漸漸吸收能量,最後只有繞射性強的低頻能夠從開口端溢出,產生的低音特別乾淨及沉,且幾乎沒有箱音(音箱共鳴的染色)問題,設計良好的音箱,低頻的下潛和控制相對於低音反射式更好

傳輸線式音箱缺點也是超長低音反射管造成的當低音從長長的管道中跑出來的時候基本上低音單體也運動結束,這樣會造成傳輸式低音有拖的這種問題,但經過良好計算設計的音箱,是可以克服的。

PMC transmission line
知名傳輸式音箱 PMC OB1 的剖面圖,可以清楚看到傳輸線的通道,裡面還裝置了各種阻尼物,厚薄與材質都略有不同,這些都是PMC的秘密呢 !

背號角式音箱 (Back loaded horn, rear loaded horn)

Back loaded horn
背號角式音箱

除了密閉式音箱,幾乎所有的音箱設計目的,都是要從背波擷取低音,但是背波利用效率最高的,非背號角式莫屬,單體的背波經過一個漸漸增大的氣道,所有的反射聲波都會往號角開口的位置溢出,低音反射式音箱的背波利用效率約 5%,大部分能量都轉換為熱能,而背號角式可以高達 75%

所以背號角式的設計常見於全音域喇叭,因為全音域喇叭低頻缺乏量感,加強低音可達到三頻均衡的需求,設計良好的背號角式音箱,能讓全頻喇叭的低音量感可跟分頻喇叭相比喔 ! 背號角的聲音最大的特色就是極為輕鬆舒服,但低頻比傳輸式更拖,更濁,而且拳拳到肉的速度感與能量感比較感受不到

Technics SST-1 Sound Space Twin Load Horn
1992 Technics 推出的 SST-1 Sound Space Twin Load Horn 現在看起來還是十分前衛
Tannoy Westminster
著名的Tannoy Westminster天朗西敏寺音箱,不但有背號角式的設計,同時也有一個前置號角

 

箱體的材料種類選哪種好 ?

音箱就材質來說,主要有塑料、金屬、木質這三類。那麼,不同的材質有哪些特點呢?

塑料材質音箱

塑料是新型的音箱材質之一。塑料材質的音箱外觀大多高光華麗,體重輕盈,便於隨身攜帶,顏色多變,外形可塑性強且不怕濕氣。相對較低的價格,市面上大部分電腦多媒體喇叭、迷你音箱、甚至不少是戶外的藍牙喇叭的市場,也吸引了許多年輕人的喜愛。但這種箱體在工作時,因為塑料殼的剛性不夠,而極易產生箱體諧振,播放聲音時有嚴重的音染,尤其是在大動態大音量時更為嚴重,因此大多數塑料音響,更適合於低端的娛樂選擇。

木質材質音箱

木,是最古老的音箱材質。也是目前使用範圍最廣的音箱箱體製作材料。但是,實木對濕度非常敏感,不適合比較潮濕的氣候環境使用。目前市場上最多的木質音箱採用的是中密度纖維板 (MDF),主要以木質纖維或其他植物纖維為原料,經打碎、纖維分離、乾燥後施加膠粘劑,再經熱壓後製成的一種人造板材。密度均勻,表面光滑,厚度為5-30毫米。這類板材有著優良的物理性能,易裝飾和加工。

除此之外,還有採用刨花板、膠合板等其他材質製作的音箱,也屬於木質音箱,但密度和硬度不如MDF板,內部結構粗糙,成本低廉,做出的音箱音質當然也比較不好。

採用好木質材料製作的音箱,可以有效減少諧振和回聲,使音質飽滿純凈,這種材質的音箱普遍用於書架、落地等中高端市場,是發燒友選購揚聲器最喜歡的材料。

金屬材質音箱

金屬音箱也是在近幾年才開始出現帶有比較高技術含量的產品。這類音箱的價格往往不菲,音質比木質音箱有更色的地方,尤其高頻部分的能力,通透性非常好。大家都知道,鐵的密度比MDF版高很多,而且硬度也更強,更能夠大大減少諧振的產生,將低、中、高三頻還原的更精準。

但這類音箱的內部電路設計通常比較複雜,且廠家的金屬加工能力和設計能力的要求更高,所以生產金屬音箱的廠家有限,但相對於一般木質外觀的音箱,有設計感的金屬音箱也是融入家裡裝潢的另一種選擇。

B&W 鸚鵡螺的音箱設計理念

想必每個燒友都有自己心目中的揚聲器逸品,DZ 就非常想要一對 B&W Nautilus 鸚鵡螺揚聲器,特殊的音箱造型會讓人好奇其中的設計理念,剛好可以利用本篇的專題來解析一下B&W Nautilus 鸚鵡螺的音箱設計。

B&O Nautilus
B&O Nautilus 鸚鵡螺揚聲器

Nautilus 的設計理念為了要實現播放出最純淨,在箱體的設計上花了很大的功夫,破除陳規地實現了箱體接近零振動的揚聲器產品,在當時可是世界首見。Nautilus鸚鵡螺是封閉式的音箱設計,但看起來與一般揚聲器完全截然不同,外觀上,中高音單體後面是由直式錐狀與低音螺旋型漸細導管設計而成,一開始為了利用聲音導管將單元背後不必要的震動噪音消除,使聲音變得純淨,而頻率越低,導管長度越長,但低音單體後面無法設計太長的導管,設計團隊突發的靈感借鏡鸚鵡螺的造型來設計,於是就有了今天見到的模樣。

這些導管以創新但精密計算的管型,裡面填覆吸音纖維的技術,才能夠足以吸收每一單體背後無用會干擾聲音純淨的聲波,確保了從前面傳達到你耳朵的聲音,是最最最純淨的狀態。而鸚鵡螺狀造型不僅是師法大自然的創意,也有效解決了低頻的輸出迫切需要直徑為300毫米、長度三米的非錐形管的誇張理論。

另外這個造型特異的揚聲器製作材料,來自一家配製纖維增強複合材料的專業公司Raceprep,由於其形狀複雜,殼體幾乎是由Raceprep工程師完全手工製造,確保了喇叭的強度和耐用性。

看完了上述的音箱設計與功用,是不是覺得非常有趣呢,當然音箱還有很多的設計跟延伸,都是為了獲得特定的音色或更好的音質,希望這篇文章有讓你更了解音箱設計的原理。

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *