Hi Fi 基礎談 三十五:揚聲器篇‧電動式揚聲器(一)

High Fidelity 一詞,據說是由一位英國家具商所創用,稍後才被電聲界借去。美國人最興將文字縮短,把它變成 Hi Fi,是戰後的事。美國 High Fidelity 雜誌,創刊於 1951 年,是地球上第一本純為音響發燒友而設的 Hi Fi 刊物。在此之前,用英文出版關於音響重播常識的書籍,已有很多本。其中最通俗、最吸引讀者興趣的,應該是初版於 1948 年 5 月,由世界 Hi Fi 鼻祖之一,英國 Wharfedale 揚聲器創辦人 G.A. Briggs 編寫的「揚聲器」一書。「揚聲器」篇幅不夠 90 頁,卻向音響迷提供了音響重播物理學的最基礎常識。它的副題「良好音響重播之根由」是這本天書的真正內容,但「揚聲器」的書名不僅做到了 Wharfedale 的宣傳形象,也反映了音響迷最感迷惑的Hi Fi環節。

的確,自有 Hi Fi 40 年以來,所有音響器材中最吸引、最具神秘性的,始終是揚聲器。因為,它是音響的來源,發燒友們往往把組合的一切好處和缺點統統集中於揚聲器身上,因為,一切好聲和衰聲都從這裏來。但,在整個 Hi Fi 鏈中,發燒友對揚聲器的知識又往往最膚淺,因為揚聲器的工作基礎是物理學多多、電子學少少。部份著書立說的發燒、發毛編輯們,講起揚聲器,除了「阿叔話靚」、「阿叔話填海」之外,對揚聲器的 Why 和 How 都或一竅不通,但他們懂得製造迷信,也增加了揚聲器的神秘性。

設計揚聲器的電聲學家們,對音響物理學當然有深厚功力,但他們卻志在對自己有利的條件下才向消費者灌輸一點真正知識。必要時,他們甚至會大力提倡似是而非的理論,以遂其商業性目的。事實上,揚聲器一般包含聲箱、分音器和單元三個主要部份。比起其他電聲器材,它算是體積大、用料少的空心老倌。所以,相對地,揚聲器是最能達致本小利大的 Hi Fi 器材。想想看,揚聲器設計專家若對你講真話,他的產品又怎樣標個天文數字的牌價。

揚聲器是電動馬達

揚聲器,是一件從擴音器取得訊號電勢,把它轉變為聲音的器材。

最流行的揚聲器結構,是電動式(Dynamic)又稱動圈式(Moving Coil)。這是從最原始的動鐵式(Moving Iron)結構改良過來而沿用至今的基本主流。

用較簡單的語言去描述,揚聲器是一具電動馬達(Electrical Motor),它的工作原理正好跟唱頭相反,後者是一具發電機(Electrical Generator)。所以,揚聲器的工作,是把由唱片紋所提供的音響(物理振盪)還原。換上了今日的 CD,揚聲器所要還原的,是那 CD 錄音未經數碼化的音響。你說這是直接了還是間接了?

揚聲器的結構主流,雖屬電動式,相信每位製造電動式揚聲器的電聲學家都心知肚明,在科技上電動式是落伍的。但是,直至今時今日,科學家們仍未弄得出一樣代替品能在製作成本、演出穩定、安裝便利及匹配伸縮性各項條件上勝過電動式。自有揚聲器以來,發音體的新設計是每隔若干年就有所謂「突破」出現。與此同時,電動式揚聲器本身則在一個基本概念之上不斷的改良。可以講,電動式揚聲器由 30 年代開始被採用至今,所有初期的嚴重缺點都有顯著的改善,有的甚至被消滅。科學家們一方面預知電動式揚聲器終有被淘汰的一天,不過,這日子看來仍未來臨呢。

理想的揚聲器

電動式揚聲器絕不是理想的揚聲器。因為,發聲體若要完整地重播與音源絲毫沒有分別的音響時,它本身必須是一件將能源由一種形式轉換成另一種形式的介體,而在換能程序中,絕不容許有任何加多或減少。電動式揚聲器,在換能程序中,基本上是把音響畫面的構圖也徹底改變了的。試幻想一件樂器在發出音響時音波擴散的圖形,它是一個以樂器為核心,向四周 360° 空間擴散的立體球形。雖然週率愈高的音波,就愈是有以 0° 直綫向前直射的傾向,但比起有塊障板將聲波兜截向前的電動揚聲器,兩者的輻射特性仍然有天淵之別。因此,任何電動式揚聲器都是方向性極強的換能器,聽音者只能在室內的一點指定位置上獲得「合理」的音響台畫面。這和聽真正現場音響有很大分別,現場環境容許聽眾有頗大的「合理」聽音區。就算在最偏右的位置,也能分得出來自最偏左的音源,最多音響台被扭曲而已,立體感是必定有的。

有不少電動式揚聲器,運用音響心理和反射、相位等原理,企圖把立體聲聽音區擴大及增加現場感,但由於揚聲單元本身具集射特性,效果不如理想中那末只有長處沒有短處。舉例,電動式揚聲器所播出的三角鐵音色,總欠缺真實感,集射特性影響關係很大。

此外,電動式揚聲器音圈的發音原理是靠抖動的活塞(piston)帶動一個以活塞為核心的圓形聲盆。振動要有足夠能力去推動、控制聲盆的質量。顯然易見,換能器的理想質量是 0,唯有零質量的換能器,在操作程序中才不會產生畸變。換能器要用空氣來製造才臻達零質重的條件,任何音圈、振膜、聲盆,都是有質量、有慣性、易放難收、產生瞬態失真的物料。

盆分裂令聲音散哂

再者,既然電動揚聲器是件以音圈為圓心控制聲盆的發音體,音圈施以聲盆邊沿的功率自然遠遠弱於近圓心的功率。聲盆直徑愈大,盆邊範圍所得的控制能量愈小。聲盆各部份分配能量不均勻的結果,是盆的近心部與邊沿振動不協調;盆邊不聽話,這現象叫盆分裂(Cone breakup)。盆分裂失真,是聲盆不依照音圈指令去產生準確的振動,而是四分五裂般在不同的部份產生不同的抖盪。

盆分裂帶來的惡果,是非常難於入耳的混濁聲音。一般廣東人口頭禪話喇叭「散哂」,是聲盆在負荷過高時呈現控制不靈現象,盆分裂是主要弊端。

上文說過,揚聲器的理想發聲體是空氣,只有利用空氣來發音,方才可以臻達零質量、零慣性、零瞬態失真的條件。但,在電動式揚聲器的實踐方面,零質量不僅是紙上談兵,而且,工程師更要精明地運用質量來令揚聲器更「好聲」。

因為,質量輕的聲盆重播低週效率很低。低週音波必需用面積夠大的聲盆去推動大量空氣才能完成。面積大的聲盆需要較高質重去替音圈的活塞作用加上適當的衝力,來製造出「勁」的低音。所謂衝力,物理學上就是慣性。所以,直徑愈大的聲盆慣性亦愈大。匹配大直徑單元的擴音器,不一定需要很大的功率,但就必需具有強勁的「制動力」,令單元動得快時也要停得快。高緩衝率(damping factor)擴音器提供較高的「制動力」,宜於推動大直徑單元。

分音器引致多類失真

推動中音的揚聲器,質重問題容易處理,中間落墨就成。高音單元發聲體的質重,卻就愈輕愈好了。Hi Fi 重播,理論上高頻上限起碼去到 30KHz。雖然這已是聞限以上的超聲波,不過,根據和差音(Sum and difference tone,最早期 Hi Fi 基礎談有解釋過:當兩個音波相遇時,會產生兩個新音波,一是它們的和,一是它們的差。)理論,扳至 30KHz 的揚聲器頻應有能力播出 20KHz + 10KHz 的和音 =30KHz。而這 30KHz 和音在聽音室空氣中又有機會與其他聲波混成新的和差音,從而提供更寬闊的音場及立體感。

但是,理想的揚聲器卻是要一個單元重播由 20Hz 至 20KHz(30KHz 更佳)的全頻域功能,電動式結構卻經常要將重播任務劃分多個區域,由專門設計的單元操作。例如三路三單元揚聲器,就是把音頻經分音器分成高、中、低三路,由專責單元處理的體系。這樣做好處的確多,不符理想的原因是分音器製造時間差誤、相位失真及瞬態失真。同時,發聲面加大了也違反「點」音源(Point Source)的理想。多路多單元體系頂多做到了「綫」音源(Line source)的第二選擇。

當然,以獨一單元結構重播全音域的電動式揚聲器理論早已存在,技術上它經歷數十年沿革,頻應範圍已經大為拓展。只是超低頻及功率負載兩方面未滿足某部份人士之需求而已。

把電動揚聲器分成兩路至多路,好處是拓展頻應、加強功力、增強音量,弊處是增加失真,單元愈多,失真愈多。同時發聲面加大了,音響畫面卻相應縮窄,深度感、定位感、解像力都有不良現象,這是各單元之間相位誤差而引起的混濁效果。(未完) (原文刊於 1991 年 3 月號《Hi Fi Review》,作者 雷明 先生)