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235 0 0 2021-10-7 20:52

各种音箱类型和发声原理介绍

  扬声器的组成  一般人大多会把音响设备中发出声音的方盒子称为音箱,另一个较专业的用语则会称之为「扬声器」(Loudspeaker)。既然名为扬声器,就代表它在音响设备中所担负的工作是「发出声音」。这个发声的过 ...

  扬声器的组成

  一般人大多会把音响设备中发出声音的方盒子称为音箱,另一个较专业的用语则会称之为「扬声器」(Loudspeaker)。既然名为扬声器,就代表它在音响设备中所担负的工作是「发出声音」。这个发声的过程,需经由许多小部件共同运作而成,「单体」就是在盒子中发出声音、通常是黑色的、看起来有点像眼睛的圆形体,同时也是整套音响发声的起点。那我们就从单体构成的原理开始,来了解扬声器的点点滴滴。

  每一个扬声器中必定藏有单体,单体是扬声器作动的最重要元件,而根据单体发声方式的不同,可分为动圈式、电感式、静电式、平面振膜式、铝带 式等等。目前市面上所看到的扬声器,95%皆採用 「动圈式」。

  动圈式单体的设计最早出现在 1887 年,当时并不普及,直至一战后,电影事业蓬勃发展,无声电影渐衰,有声电影兴起,扬声器的需求大为增加。相较于其他种类的单体,动圈式单体发展时间长, 相关制造及投入厂商众多,至今仍是最普遍的单体形式。

  声音是如何被我们听见的呢?

  「磁电效应」赋予动圈单体生命

  单体运作原理

  1819 年,丹麦物理学教授厄斯特(Hans Ørsted, 1777-1851)意外发现,一条通有电流的导线竟会使附近的磁针产生偏转,意味著载有电流的导线周围会产生感应磁场,且感应磁场的方向会随著电流的流向不同而改变。这个物理史上的重大发现即为「电流的磁效应」,也是动圈式单体运作的基本原理。

  动圈式单体的运作力量,来自于单体中间的永久磁铁与音圈。当音圈通上电流方 向不断改变的讯源后,音圈的周围会产生方向不断变动的感应磁场,这个感应磁场 与永久磁铁所生成的磁场交互作用,时而互相排斥,时而互相吸引,进而使音圈上 下运动。

  有关载流音圈在磁场中的受力方向,可用「佛莱明左手定则」简单地判别。图 B 截取图 A 音圈与磁铁的一小段来作说明,大拇指代表导线运动的方向,食指代表永久磁铁的磁场方向(由 N 指向 S),而中指则代表电流方向。当电流的方向为出纸 面时(如图 B 所示),线受力向上运动;当电流的方向为入纸面时,导线则会受力 向下运动。

  由此可知,随著电流方向不停地改变,音圈会依电流反向的频率上下往复运动, 而与音圈相连的振膜也会跟著上下运动,进而推动空气产生疏密波,进而发出声 音。电流方向变化的频率越快,所发出的声音频率也会越高,这就是动圈式单体运 作的方式。

  频率定位 各有专业表现

  了解动圈式单体作动的原理之后,更进一步来讨论不同种类的单体。

  辨别其差异,但在听不见的范围中,人们还是可以透过身体或其它的感官,感受 到声音的存在。例如:当大批动物跑过草原,站在远方地面上的人,会先感受到地 面的震动,才看到跑过眼前的动物、听见跑过时的嘈杂声,因此人类的五感是彼此 影响,进而促成脑中所出现的感受,这是一个複杂的生理运作过程,而追寻愉悦的 路上,正需要了解自己对五感的需求。

  市面上多以「频率」来区分动圈式单体,常见的种类如以下:

  1. 超低音单体:工作范围大约在 15 赫兹到 200 赫兹。

  30 赫兹以下人耳不容易听见,但身体会感受到。像电影中出现的地震场面,或是火箭发射的震撼感,超低音拥有足够的量感及衝击力,能让听者获得相当大的满足感。

  2. 低音单体:工作范围大约在 30 赫兹到 3k 赫兹。

  一般而言,低音单体需要较大的体积才能产生较好的表现,作动出厚实的低 音,因此低音单体的直径多在 8 吋以上,又以 12 吋或 15 吋最为普及,常见于 KTV、舞台等宽阔的场所。

  3. 中音单体:工作范围大约在 200 赫兹到 4k 赫兹之间。

  中音域是分佈在人耳最敏感并且讯源集中的区域,中音单体的发声表现往往能够做到逼真还原,音色乾淨有力,且让人感受到强烈的节奏性。

  4. 高音单体:工作范围大约在 2k 赫兹到 20k 赫兹之间。

  讯源中的乐器,像是小提琴、吉他等等的乐器都包含了泛音,所以高音单体通常都必须设计成 20k 赫兹才行。

  5. 超高音单体:通常是指超过人耳听觉上限 20k 赫兹的高频,工作范围大约在 4k 到 40k 赫兹。

  像是海豚、蝙蝠所发出的声波就是超高音。不过既然人耳听不到,为什麽还需 要超高音呢?那是因为超高音虽然听不到,但有助于定位,且让音场更为宽阔。现在的音乐格式例如 SACD,取样频率已经远远超过 20k 赫兹,如果想完整 呈现音乐内容并单就高频作提升,加装单独的超高音喇叭就是简单又立即的方法之一。

  另外还有二种单体的组成形式,这二者因为外观都是一个单体组成的扬声器,有不少人会将这二者搞混:

  同轴单体:

  採取複合式的设计,先经过分音器将音频分成二音路(Coaxial)或三音路 (Triaxial),同轴是将高音与中/低音单体,装置在同一个单体中,由于採用同一条轴心线,因此称为「同轴」。採用同轴设计单体的好处是,因二/三音路单体共用相同的轴心,需在振膜面上重合,因物理定位接近同点的声源,所以重新演绎音乐之音场定位表现更为理想。

  全音域单体:

  所谓全音域(Full-Range)是以一个单体,涵盖大部份的频率表现。因为没有经 过分音器,也没有声音的损耗、频率被分割与相位的问题,所以高低频到耳朵的时间一致。其强项在于中频的表现,曲线平顺自然,适合长时间聆听,人声、乐器的定位准确,可以听到音乐演奏的微小细节,因为只有一个振膜发出声音,且高低音音色一致,是全音域单体的一大特色。

  单体部件材料形状定大局

  在动圈式单体中,每一项元件都会影响该单体的表现,以下将针对不同元件的 材质及形状进行更详细的介绍,希望透过这些原理的说明,让您了解单体发声 时的奥秘。

  振膜形状决定音域

  还记得小时候用两个养乐多空瓶,在瓶底挖洞后绑上一条线,就可以和朋友说悄悄话的游戏?振膜原理即类似如此,其制成材料及制作时的工艺技巧等,都会大大影响单体的发声品质。而振膜的材料与形状,也会影响单体发声时的状况,振膜的材料选择多元,从纸盆、陶瓷、羊毛到聚丙烯、金属、 木质等,每种材质皆有其特色及优缺点,可以依照每个人听音乐的习惯及喜好来做选择。

  此外,振膜的形状也会影响单体在高低音输出时的表现,或是发声时指向性的强弱。在形状上,可分为锥形、平板、球顶等四种。

  悬边用过后才Q弹

  单体组成中,振膜与框架间透过悬边固定,振膜在作动时会进行前后运动,为了使振膜在运动时,音圈维持于中心位置,使单体发挥最佳表现,故悬边的弹性就非常重要。足够的柔软度,才能提供振膜运动足够的恢复力。若悬边的表现不佳,就会像没有上油的机器,无法协助单体进行最滑顺的表现。

  悬边过硬或过软,也会影响该单体在声音输出时的表现。所以全新的单体刚开始都需要进行一段时间的使用,才能使悬边软化,与这颗单体完成最完美的结合,一般将这样的过程称为「Break in」,就像新车上路时,也需要经过一段时间的磨合。

  直接用单体发声不行吗?

  音箱之必要性

  知道单体是根据「佛莱明左手定则」进行前后运动,挤压空气进而产生声音 的原理后,难免会思考,如果只有单体就可以发出声音,为何市面上的扬声器 却总是要将单体藏在音箱中呢?

  单体跟音箱彼此之间有密不可分的关係。振膜向前运动时,振膜前方的空 气被挤压形成密波,而振膜后方的空气鬆散形成疏波。反之,当振膜向后运动 时,振膜后面形成密波,前面形成疏波。

  如果让单体在赤裸裸的状态下运作,会感觉到发出的声音讯号很空洞,那是 因为在单体连续前后运动之后,前后声波以振膜为分界点进行反作用,并且互相削弱音量。较空洞声音的出现,是因为低音波长较长,造成彼此间容易互相削弱,使讯号仅留下高音的部分,这也让声音讯号变得薄弱。

  为了防止这种情况发生,在制作扬声器时,常用 障板来隔离振膜前后的空间,以避免前后声波互相 抵消因而减弱的状况,使讯号能够被更完整呈现,而透过这种方式制作的扬声器,也更容易听到更为完整的声音表现。

  但由于低音的波长比高音还要长,为了能够完整地呈现中低音讯号的表现,必须透过无限大障板才能完全阻隔声波,不过这仅是一个理想化的状况, 考虑到使用空间,并无法拥有一个无限大的障板。大约在 1920 年代,出现了将声音包覆在音箱中的 构想,也是你我现在常见音箱的起源。

  音箱结构秀出声音魔法

  音箱介绍

  在寻找扬声器时,单看扬声器的外型,音箱内部的结构通常无法一窥 究竟,但扬声器的运作原理正隐含其中,以下就用剖面方式来解开音箱 结构的秘密。

  虽然,听觉感受无法完全透过视觉来了解其差异,然而扬声器的发声 原理,正是物理现象的实作,来呈现完美的声音。

  以不同元件及材质组装完成的单体,要有完美运作的表现,还需要搭 配上一个适合的音箱,才能够为不同层次的声音提供最真实的表现平台, 以下让你一览不同音箱设计的原理说明,了解运作及组合的原理之后, 将有助于理解,为何在挑选扬声器时,在听觉感受上会产生那些难以解 释的感受。

  障板式(无音箱)

  特色:高音清亮,人声表现佳。

  原理:障板是最基本的音箱形式,单体要安装在障板的中心附近。透过障板,可以将单体前方与后方的声波隔离,越大的障板越能有效地隔离声波,并且能够听到更多的低音。

  密闭式音箱

  特色:忠实呈现单体的低音,而且低音反应迅速。

  原理:将单体装在一个适当容积的箱子裡,使单体前后方的声波不会互相干扰。听众只会听到单体前方所发出来的声波,而制作音箱的关键就在于「箱体黏合时是否确实气密,不产生漏气」。

  低音反射式音箱

  特色:若将与密闭箱一样大小体积的两种音箱进行比较,低音反射式音箱 拥有更多的低频量感,因此成为目前市面上最常见的音箱形式。

  原理:低音反射式音箱利用单体后方的声波,经过设计过的共振管,让声 波共振并反转相位,增强单体前方的声波,故又称倒相式音箱。

  为瓶身空气腔的体积发生了变 化,影响到瓶口空气柱的共振频率,声音也就跟著不同。

  传输线式音箱

  特色:藉由内部传输管在音箱内摺叠,小音箱也能获得大型落地喇叭的壮 观气势、音场表现及低频延伸。

  原理:音箱内部有著长长的「传输管」,单体装置在一端,声波通过传输 管最后到达「开口」。传输管的有效长度越长,越能完整呈现低音 的延伸。

  被动辐射器

  特色:被动辐射器(参见 P40 上图)从音箱外部看起来与一般单体无异, 检视音箱内部可看出没有驱动系统。特色是可以推动更多的空气, 拥有更充沛的低音。因为不需要电源,也能够发出声音,所以又称 为被动振膜、空纸盆。

  原理:被动辐射器的设计方法和性能,与低音反射式音箱非常接近,被动 辐射器是倒相管的一种替代品,它本身也是一个发声器,但不包含 驱动系统,主要随著喇叭振动,音箱内部的空气随之压缩或舒张, 进而被驱动发声。

  带通式音箱

  特色:从外部触摸不到喇叭单体,只透过通气孔发出声音。好处是不需分 频电路,发声时只有管口的空气策动外接空气运动,造成声辐射。

  原理:在长方形的密闭箱中,正中间装一块隔板,把箱体分成二个音室,其中一个音室装个共振管变成倒相箱,另一个就成了密闭箱,在中间隔板上开孔装设单体,单体的尾端在密闭室内,此箱体唯一的开 口就是一个管道,这样的设计常用于低频扬声器。


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