2013年9月12日 星期四

喇叭 Speaker ( 搬家文 move from yahoo blog , Day 8 )

(本篇圖文資料取材自 Hyperphysics Dynamic Loudspeaker Principle 等文)
(編按:本文中的 loudspeaker speaker,或「喇叭」均係指單體而言,與我們習慣的「喇叭」 – speaker system 有別。)

動態喇叭原理  Dynamic Loudspeaker Principle

音源如麥克風和唱片,會產生聲音的電子「映像(image)」。 也就是,它會產生相同頻率和諧振內容harmonic content的電子信號,而且信號大小反應聲音變化的相對強度。放大器的工作就在接收電子映像,並且把它放大 -- 大到足以驅動喇叭的線圈(coils)。

 

「高傳真(high fidelity)」放大器表示信號被放大,卻未改變它的任何特性。任何改變都會被當作聲音失真被察覺到,因為人耳對這些改變有著驚人的敏感度。當電子「映像」被放大到夠大時,被送到喇叭的音圈(voice coil)上,促使音圈隨著原始聲音的改變,跟著聲音模式產生振動。音圈的一邊與喇叭振膜cone)相連並驅動之,振膜再使空氣產生振動。這個加在空氣的動作,產生的聲音多少重現原來聲壓的變化。

不管是在家裡或劇院,喇叭始終是聲音重現傳真的限制因素。聲音重製的其他階段,大部分都是電子,而電子元件已經高度發展。喇叭牽涉到電子機械的處理過程,被放大的音頻信號必須推動喇叭振膜cone)或其他機械裝置,產生與原來聲波相同的聲音。這個過程面臨很多困難,而且常常是聲音再製中最不完美的步驟。小心選擇你的喇叭。一些關於喇叭音箱(enclosures)的基本觀念,或許有些幫助。

 

當你付錢從口碑不錯的廠商購買了一對好喇叭單體,你可能會有聆聽天籟的美好想像。如果沒有良好的音箱,你可能無法如願以償。因為下面這些問題,喇叭的音箱成為必要的一部分


前後抵銷  Back-to-Front Cancelation

當喇叭振膜cone)向前推動,空氣壓力增加產生聲波時,喇叭振膜後方的空氣壓力會減少。

 

因為低頻的波長比喇叭的尺寸大,而且這些低頻圍著喇叭振膜充分繞射,喇叭振膜後方的聲波傾向與從前方而來的聲波互相抵銷。大部分的 bass 低頻,波長遠大於喇叭的直徑,相位差接近 180°,所以前後互相抵銷,導致嚴重的低頻損失。這是為什麼即使最好的錐形喇叭,也必需要音箱來產生好聲音。


喇叭共振  Loudspeaker Resonance

直接放射錐形(Direct-radiating cone-type)的喇叭(單體),必須鑲嵌固定,以避免振動。由於這種鑲嵌是有彈性的,這個錐形喇叭組合存有天生的共振頻率 -- 就像彈簧上的物質一樣。

 

如圖示,對垂直頻率反應多一點的傾向,常被稱之為喇叭的「free-cone resonance
這個「free-cone」共振頻率,因為對接近它自然振動頻率的信號反應強烈,而導致聲音失真。不一致的反應,改變了頻率內容,以諧波的相對強度呈現,也因而改變了聲音的音色。因為錐體未受抑制,接近共振頻率時,會發出響鈴或多餘聲音,如果共振落在低頻範圍,那麼低音就會顯得「欣欣向榮」。


喇叭對空氣的耦合  Coupling Loudspeaker to Air

對一條手帕擊拳,你能打得多結實?沒辦法多結實,因為它的抵抗很微弱。喇叭也有類似的問題,當它試圖將聲音能量擊向空氣時。通常的說法是喇叭與空氣的「阻抗匹配」不佳

 

直接放射錐形(Direct-radiating cone-type)喇叭效率低落的原因之一,是對所推動空氣的阻抗匹配不佳。喇叭振膜cone)移動所遇空氣的阻抗,可以機械模型化。自由空氣的特定聲學阻抗大約每平方公分 42 ohms 喇叭振膜的最佳效率放射抵抗,也應該是 42 ohms/cm2,但是在超過喇叭直徑的聲音波長部份,阻抗掉得非常快速。喇叭越小,低頻再生越差。

 

沒有封箱的喇叭,對於波長大過喇叭直徑的聲音重現,表現很差。以一個 8 吋喇叭來說,喇叭直徑在 1700 Hz 時,與波長大約相等。即使是一個 16 吋喇叭,在 850 Hz 時,直徑與波長相等。除了嚴重的低頻損失以外,這樣的喇叭整體的效率非常低,大約 3–5%,而設計良好的家用喇叭約 25-50% 這是為什麼即使最好的錐形喇叭, 也必須要有音箱產生好聲的原因。音箱增加了喇叭的有效尺寸。


多單體喇叭應用  Use of Multiple Drivers in Loudspeakers

就算有好的音箱設計,也難以期待單一喇叭單體能夠均衡送出全音頻頻譜的聲音。要產生高頻,驅動單元應該小而輕,以便能夠快速對應所加上來的信號。像這樣的高頻喇叭稱為「tweeters」。另一方面,低音喇叭應該要大,以便與空氣有效率地阻抗匹配。這樣的喇叭稱為「woofers」,而且需要較多的功率供應,因為信號得推動較大的質量。

另外一個影響因素是耳朵的響應曲線,對低頻有差別性的對待,所以在低頻範圍需要供應更多的聲學能量。通常需要第三只 - 中頻範圍的 - 喇叭以求得平滑的頻率響應。適當頻率的信號,藉由分頻網路(crossover network)被遞送到各個喇叭單體。

 


喇叭單體的細部  Loudspeaker Details

今日動態喇叭的設計運用了大量的工程作業。一個輕的音圈(voice coil)鑲跨在磁鐵上,在強大永久磁鐵的內部磁場中,可以自由移動。喇叭振膜cone)一端與音圈相連,另一端以彈性懸邊附著於喇叭支撐的外緣。

 

因為喇叭振膜存在一個原本(home)的位置點,或均衡點(equilibrium position),而且懸吊結構也有彈性,不可避免的,其中存有「free cone resonant frequency」,像彈簧上的物質一樣。這個共振頻率可以藉由調整振膜和音圈的質量,和軟硬程度來決定,也可以經由結構的特性來抑制或擴大。好的音箱 enclosure 在減少共振頻率的衝擊上扮演一定的角色。


音箱的型態  Types of Enclosures

高度傳真喇叭的製造,需要將喇叭包覆起來。單單將一個動態喇叭,放到一個密封的箱子裡,都可以將它的聲音品質大大提昇。現代的喇叭音箱,通常涉及多單體與分音器的應用,以期得到音頻範圍較平滑的頻率響應。其他的技術如低音反射音箱等,也用來得到延伸有用的低頻。



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