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Hi-Fi音箱的设计理念与技术原理

博良电子公司 张百良?? 2010年06月13日 ?? 收藏0

  首先介绍一下箱体设计。箱体设计常见有三种类型,即闭箱倒相箱、传输线箱。

  闭箱最早是AR公司发明的技术,早先一直是采用障板式设计,也就在AR发明了所谓“气垫式”专利后(即闭箱)才名符其实地成为音箱了,闭箱的特点是低频力度好、反应迅速、低频清晰有力,但是下潜深度有限,低频量感不足。

  传输线箱是利用声导管的原理,将单元发出的后向声波经一段声导管后,在某一低频率处与前向声波同相迭加,从而得以获得较好的低频下潜深度。但是声导管的长度需为几十赫兹声波波长的一半,约需几米长,这样后向声波与前相声波之间虽然相位同相,但有一个几十毫秒的时间延迟,所以大多数传输线箱的低频量感虽然不错,但瞬态较差,低频较为混浊无力。纵观目前世界Hi-FI市场,传输线设计基本上很少看到了,笔者的个人观点是传输线箱或许会逐渐消亡,倒相箱与传输线的出发点是相同的都是充分利用后向声波来加强低频频下潜,但倒相式用的是用集中参数谐振工的倒相方式,来代替传输线式半波长声导管的分布参数倒相方式,这样虽然同样将声波倒相了,而附加的时间延迟却只有十毫秒左右,并且倒相式结构简单,易加工、易调节,故此目前倒相式与闭箱成为目前设计的两大系统,其它较常见到的还有空纸盆式(被动辐射式),其原理与倒相式相同,且超出本文的范围之外,故不作介绍。

  倒相箱与闭箱相比较,各有千秋。闭箱好在有力度、瞬态好、清晰,听古典音乐,尤其是室内乐极佳,所以像英国ATC等独钟于闭箱。而倒相箱好在低频下潜较深、量感足、承受功率大、灵敏度高,比较全面能胜任各种场合。熟优熟劣只能凭各人喜好了。

  监听一号音箱设计时为求低频下潜深度以及适应性采用的是倒相式设计(而实际上也完全可以作闭箱),为了保证低频大音压下不出现功率压缩,或气流声,则倒相管的直径不易过小。实际设计时,计算公式仅是一个参考,最终要用耳朵较声来调整。

  设计完箱体尺寸后,就要考虑箱体制作方面的要求:首先就是箱内吸声材料的选取,吸声材料的不同,能够显著改变箱体有效体积。有些发烧友受国内一些发烧文章的误导,迷信采用玻璃棉或石棉来作吸声材料,玻璃棉的吸音效果虽然较高,并且具有绝热膨胀的优点,但实际上,除非单元不合适,设计出的箱体体积过大,如国内一些低档的高Q、高等效容积喇叭那样,需要采用玻璃棉来减少箱体实际体积外,采用玻璃棉并无太大的优点,而且玻璃棉在音箱中的使用。采用普通海绵、晴纶棉或者长羊毛棉,可以很方便地设计出音质上佳的音箱。监听一号由于设计体积为18升左右,故在设计时选用的就是中泡通孔海绵。

  箱体板材的选取与处理对箱体音质的影响是巨大的。对板材的要求是相当的刚度与内阻尼衰耗特性。目前较好的选材是中密度纤维板(MDF),只是国产的中密板质量较差,要用高密板才能达到进口MDF的效果。但是中密板的内阻尼效果依然不够,我们采用内壁贴附特殊配制的沥青板的方法弥补。这种沥青板阻尼特性一年四季都较稳定,并且阻尼度极佳。先在开好料的箱板板材上涂上一层木工胶,将沥青板放置居中,并且大头的钉子间隔4-8cm钉牢,这样箱板与沥青板成为一个有机的整体,可以基本上做到“只有喇叭发声,绝无箱板发声”的理想。

  谈完箱体的设计,就要谈一下音箱的心脏部分分频器的设计,毫无疑问,分频器是一对音箱的灵魂,它直接决定了音箱的音色,但以往的一些发烧友对于分频器存在着一些机械的认识,如有人曾撰文“痛斥”一阶分频(-6dB/oct),认为具有无限大衰减的理想滤波器才是最佳选择,也即滤波器的阶数越高越好,衰减斜率越大越好,这种看法一是只肤浅地看到了分频器“分”的作用,二是机械地看到了分频器由高低通滤波器组成这个问题。

  关于分频器,我想谈一点哲学,国内曾经片面地宣传“一分为二”,而忽略了“合二为一”,而实际上笔者觉得,“一分为二”为表,“合二为一”为本,高音单元音色明亮,可喻之为“阳”,低音单元音色低沉深厚,可喻之为“阴”。阴、阳有对立的一面,也有相互包容的一面,是故古代之太极黑白鱼的图形,并不是一个圆劈为两半这样简单,而是阳之尾就是阴之头,首尾相连,相生相化,并且黑白鱼的眼睛,更是阴中之阳,阳中之阴的所谓至阴至阳,回到分频器来说,其作用与其说是分割阴阳,勿宁说它是调合、融冶阴阳于一炉。试想一下,如果分频点以下,单是低音单元发音,分频点以上单是高音单元发音,那么音色岂不是被割裂了,音像定位也会上下跳动,决无可能达到较好的音质。相反,如果单元质量优良,则在分频点以下以低音单元为主,高音单元为辅,分频点以上则反之,则分频点处由于分频器的调度之妙,将高低音单元这两个音色等各不相同的“阴”与“阳”有机地融合为一体,可以得到较佳的音色。

  通过以上分析可以看出,在单元性能有保证的前提下,较低阶的分频器肯定是优于高阶分频器的,尤其是考虑到高阶滤波会带来的较大的相位变化与较大的时间延迟,低阶滤波的优点是不言而喻的。当然低阶滤波对单元要求相当高,如果分频点较低,而滤波阶数也较低的话,高音单元的功率负担就越大,这也是监听一号设计中高音滤波用了二阶,而低音用一阶的原因之一。


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