HiFi 基礎談 九:自然規律,永恆不變

HiFi 基礎談 九:自然規律,永恆不變
五月 02 12:44 2017

音響學上,每一個音響的音高(pitch)都以它的基週(Fundermental)頻率為計算及稱呼的標準。今日全世界樂器所採用的國際音準,均以 A=440Hz 作準。換句話說,一枝雙簧管(或其他樂器)在發出 A440 音時,它便不應該產生比 440Hz更 低的音波,雖然 440Hz 可能只佔它總諧波結構的一個極少比率,而且,人耳聽到這個 A=440Hz 的音調反應,也會因不同音色不同樂器而異。舉例,一個由小提琴奏出的 A220Hz,聽起來好像比由大提琴奏出的 A220Hz 高一個八度。而由管風琴奏出的 A55Hz,聽來卻又好像比大提琴的 A55Hz 低一個八度。愈是對音樂有認識的發燒友,對音準的判斷力應該愈高。不過,玩 Hi Fi 並不需要對音準有超級判斷力,而是對低音的質素及骨幹有某些程度之認識。

一般人喜歡勁而量大的低音,而不大注重那低音的綫條骨幹是真或假。這聽覺上的缺點,給喇叭設計者運用來影響發燒友的抉擇。市上不少平價喇叭,都以勁而量大之低音來吸引買家。而他們這些所謂低音,其實是 120Hz 之間的“箱聲"(Cabinet Resonance)大混合。其實,120Hz 的音響算不上稱為“低"音。但揚聲器製造商卻有把握弄出 120Hz 的強勁箱聲,令聽者迷醉於一時,不能抗拒。很多低音聽來很勁的喇叭,其實低頻響應並不低,但卻賦有所謂“一字低音"的效能。一字低音(One note bass)特性,是揚聲器把低過它所能處理的頻率統統變為一個單一頻率重播出來。這單一頻率,通常是這喇叭的箱聲諧震頻率。一只 100Hz 諧震的喇叭,會把任何低於 100Hz 的訊號,管它是 60Hz 或 50Hz,統統變為 100Hz 播出來。可想而知,它肯定能提供最勁最肥最濃的低音,但調子都是 100Hz,這就是 One note bass。

高科技揚聲器製作,儘量消滅“一字低音",寧願把力有不逮的低週除去,也不要一舊舊沒音準的混濁低音。新高科技書架式揚聲器,追求低頻之綫條骨幹,而犧牲“一字低音",對一些發燒金耳朶來說,這些書架揚聲器之低音音色就變成“單薄";又是領先時代科技的弊處之一。

要了解揚聲器怎能重播低音,就必先要接受一些基本音響物理。一個世紀以來物理學家對音波之產生及特性已經知道得好清楚,但卻仍然未能 100% 控制它。音響物理學是辣鷄友所不屑一顧的項目,一位著書立說的發燒音響專家,曾對我說過一句令我打冷震的名言:

「人類對音響學的認識,到而家都仲係盲人摸象。所以,我地發燒友個個可以亂摸!」

說這句話的人,不錯仍在亂摸。但他卻有句口頭蟬:「有冇根據㗎?」

希望這位小弟弟以此句為座右銘。

書架喇叭,為何要加超低音

話說,我們且將 100Hz 以下的音頻稱為低音。而 100Hz 音波長度已超過 10 呎,最低聽頻 16Hz 的波長,就有 32 呎。要製造出一個可聞的低音,已知是要最低限度弄出此低音之半波。100Hz 的半波是 5 呎多,50Hz 的半波就長 10 呎多。

朋友,你估一只喇叭單元要有多大直徑才可以與足夠的空氣耦合,才產生一個 50Hz 音響呢?

同是低音,特性卻粗略地可分兩種。一、是大量空氣作短距離移動,例如太鼓的敲擊。二、是小量空氣作長距離移動,例如低音吐巴管(bass tuba)。當然,有些低音樂器是兼具上述一、二兩種發音形態的,例如低音提琴撥弦及弓弦發音的物理形態便不同。

OK,若然上述物理定律是對的話,書架型小喇叭的單元(假定 6½ 吋以下)就只能再造出小量空氣作長距離移動的低音。換句話說,書架式喇叭或者可以準確重播吐巴管的低音,但就一定不可能準確重播出大鼓的低音。講句真話,任何 6½ 吋或以下的低音單元,無論它的音圈是如何的“長衝程"(即前後移動幅度大),它的重播低音效能都是“老鼠生痔瘡",大極有限。

設計者可以利用箱聲,一字低音,或抑制中高音的各種方法去獲得較響的相對低音音壓,但無論如何也突破不了物理學上天然規律的極限。

最不妥協的設計,是讓 6½ 吋低音的跌 3dB 點放在 50Hz 部份,寧願放棄更低頻,也不要一字低音。

當然,更長的衝程,更強的磁力綫,也可以臻達更低的響應。但請勿忘記 6½ 吋直徑的音色永遠不會是 8 吋或 10 吋直徑的音色。相反地,採用多只 8 吋或 10 吋單元結合,才可以吐巴管及太鼓兩種音色兼備。

這解釋了為甚麼書架式喇叭要加超低音才可改善低音音色單薄的特性。

就算是一百年、一千年後,音響物理自然定律都不會變化。6½ 吋低音耦合得到的空氣面積仍將一樣,屆時人類或能以 6½ 吋直徑的聲盆發出 100dB 響度的 16Hz,但肯定不能用 6½ 吋單元準確重播出太鼓音色。

發燒友,任你摸,也摸不出自然規律的框框之外。

膜前膜後空氣須絕對分隔

揚聲器所造出來的聲波,若以振膜為前後兩個擴散面的分界,就不難看到膜前與膜後的聲波相位形態是相反的。我們要用障礙物將膜前與膜後的聲波分離,才可以免除兩個反相聲浪的互相干擾。理論上,膜前膜後的空氣必須絕對分隔,膜前擴散的低音才可以免除抵消作用。振膜的抖動,令聲盆邊沿的空氣產生對流,把低週音波消滅。低頻滾降曲綫,是每倍音程衰減 6dB(6dB/Oct)。發音面愈大,那開始滾降的週率便愈低。從前的 Quad 靜電揚聲器,約由 100Hz 開始就以每倍音程 6dB 的數字衰減,即到 50Hz 時已是 -6dB。舊款 Quad ESL 的低頻響應,遂比今日 50Hz,-3dB 的書架喇叭還不如。(實際應用時,聽音室環境可能酌加低音響度)

圓錐形喇叭,如果不施障隔,膜前膜後空氣對流會造成更混亂的後果。因為,對流作用是愈接近圓週盆邊部份愈利害,而圓錐形電動式喇叭的推動力來自圓心,盆邊受對流干擾,除了損失低頻之外,更產生不規則的“盆分裂"現象,所以,電動式圓錐形揚聲器應該採用障隔(baffle)方式承裝。用塊丁方6呎的大板,或聲箱(cabinet),其他千變萬化的承載方式,就牽涉成噸音響物理學。

關於靜電揚聲器及其他平面振動板發聲方式的 6dB/Oct 低音滾降曲綫,好多發燒友根本否定它的存在。他們認為一些平面揚聲器(或雙面,dipole)都有本領重播最低頻率,所以,對流作用理論是多餘的。最「頂唔葡」的是一位“心水清"發燒友,他說若音響學上對流作用抵消低音的話,一切大鼓、低音提琴等低音樂器豈不是沒可能產生低音?

俗語說得好,不見棺材不流淚,眼不見的東西便不信。要明白上述雙面揚聲器和低音樂器怎會有低音,好簡單,因為它們本身有充份能量補足 6dB/Oct 滾降的損失,所以有“多餘的"低音讓聽者聽得到。

有位只聽音樂不識 Hi Fi 的朋友,套傢生超過十萬,但對發燒友口頭蟬“20 至 2 萬"非常反感,認為揾笨。有次飲茶,他大大聲質問:「雷明,你班友成日講 20 至 2 萬,有冇攪錯,你一秒鐘震 2 萬次俾我睇吖!」

圓錐形電動式喇叭,也可以用來做雙面揚聲器的,加一個“有功"均衡器(Active EQ),用 6dB/Oct 提升曲綫去平衡滾降特性是其中一個辦法。不過,喇叭就必須特別製造,否則對流作用引起的盆分裂會帶來惡果。

(原文刊於 1987 年 1 月號《Hi Fi Review》,作者 雷明 先生)

標題圖片來源:wikimedia.org

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Hi Fi音響 (Hi Fi Review) 於 1986 年 4 月創刊,以月刊形式發行,至今逾 30 載。

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