Hi Fi 基礎談 三十七:揚聲器篇‧電動式揚聲器(三)

揚聲器重播低音的下限,是與聲盆之空氣耦合面積(air coupling area)成正比,此為永恆不變的物理定律。無論科技進步到甚麼田地,面積細小的聲盆仍然無法「推」得出真正低頻。試看,凡是出低音的樂器必定件頭大,便知人不能勝天的真理。以前,玩 HiFi 要有低頻,就採用大直徑單元去做工夫。15 吋是個開始,30 吋殊不稀奇。但,直徑愈大的單元運作起來慣性愈大,低頻放而不收,產生混濁不清之瞬變失真。新設計便喜歡聯用多個直徑較小的單元來獲得足夠的空氣耦合面積,同時改善聲盆收放速度。製造聲盆的材料也力求輕而堅,進一步配合新開發的磁鐵。

現在先粗略拉雜談電動式喇叭之沿革。

平面式電動揚聲器單元,在重播低頻方面做得相當成功。著名的 KEF「大球場」B139 單元,以振動板的形狀像一個圓角長方形足球場而得名。它 9 吋 x 13 吋的平面振膜,質堅而輕,400Hz 以下的重播效能超卓,更兼售價相宜,一直以來都深受用家歡迎,連 Wilson Audio 的世界最貴揚聲器 WAMM 體系也採用 KEF B139 為低音,令 B139 聲價百倍。

英國 KEF 揚聲器廠,也是在研究更硬更快振膜的科技方面成就超卓的機構。揚聲器振膜,由最初期用紙造開始,發展到今日,實在已千變萬化。目的都是要臻達完美之活塞動作,消滅「分裂」失真,瞬態失真,提供綫性響應等。

聲盆材料

採用金屬為原料,製造振膜的技術,早在 50 年代已開始。英國人以鈦(Titanium)(60 年代英國首先出現鈦膜全音域聲盆)及其他塑料製造聲盆的歷史,可算最早。我們應該記得 Jordan Watts、Lowther、Leak 等不尋常的科技突破,是今日鈦半球、Polypropylene、蜂巢式聲盆等等的先鋒。50 – 60 年代英國揚聲器科技百花齊放,在聲盆物理方面研究得很深入。如今看來,似乎只有碳纖維(Carbon fiber)的應用技術比較新鮮而已。

80 年代,最流行的低音聲盆材料,是 polymer 原質混以碳纖維、石墨等成份。至於以輕而堅硬蜂巢結構為夾心,而表層鋪上 polymer 或輕金屬箔的平板式設計或圓錐形設計,都是沿革了四份一世紀的配方了。

上文說過,揚聲器的單元屁股不宜大,太大了就會引起音波反射/折射問題。此外,揚聲器單元的支架(frame)也十分影響它的發音質素。不過,大多數人士就不理會這結構上的差異。揚聲器單元支架,分壓鑄式及壓模式兩大類;前者(die cast)用加熱熔化了的金屬鑄出來,成本較貴。後者(pressed)用高壓力把金屬片壓成錐形而開孔的「鑊」。換言之,die cast 架的支撐物是金屬柱,而 pressed 支架的支撐卻是金屬片。無疑,壓鑄式支架產生諧振及反射的機會都比壓模式少得多。理論上,價錢貴的單元都應份用壓鑄式支架。但,你以為啦!

磁液冷卻

音圈的設計與製作,幾十年來改進良多。繞音圈多數用銅綫,綫芯的口徑及繞的圈數,就要憑單元的阻抗值、效率、及負載功率、諧振、頻應範圍等的連鎖關係計算出來。單單這門學問已夠你讀十年書,但發燒友仍然說音響學是可以無師自通盲人摸象般摸出來的撞彩東西呢。

低音單元音圈可以採用質重較高的銅綫,中、高音的音圈要求輕質重,反應敏捷,就有不少採用鋁質綫。有些大功率單元為了臻至更高磁通量密度,遂有採用扁帶式沿邊繞(edge wound ribbon)的音圈以增加磁力綫的飽和度。(在同樣口徑、同樣長度的條件下,沿邊繞扁帶式音圈可繞更多圈數。)

音圈與磁鐵之間的磁隙(magnetic gap),是舉足輕重的部份。磁隙愈狹窄,製造愈精密,成本愈貴。效率、綫性及其他性能都相應提高。一般平價喇叭或戶外露天喇叭、汽車喇叭等,由於使用環境濕度、溫度變化大及震盪問題等,磁隙要留相當寬度,質素的妥協當應較大。

音圈在震動發音時,產生熱量,若不在適當時間內將積熱散去,音圈就會燒毀。一般玩喇叭開太大聲時燒音圈,主要原因是過熱。磁鐵本身,原是一個最佳散熱器,但有時仍不夠效率。在音圈磁隙間注入磁性液體(magnetic fluid)的技術,將音圈的即熱(instant heat)迅速散去,改善音圈的工作效能,直接拓展動態範圍,是一項值得考慮的科技。目前世界上有多家揚聲器廠已廣泛採用磁液注入的中、高音單元。

音圈發音的動作,是有個飽和點的。在抵達這個頂點後,即使輸入功率再加強,喇叭也不會提供更響的音量。音圈飽和點是決定一台揚聲器由最弱音至最強音動態比例的關鍵。揚聲器之間的動態範圍差距可能很巨大,它的響應綫性在不同響度時也大不相同。例如,一些書架式的二路喇叭仔,其高音單元的飽和點來得快,低音卻仍可繼續增加響度。結果是大聲時高週不夠響,深度、平衡度、層次都隨着響度改變。這些不是好喇叭。

CD 時代來臨後,揚聲器的響度被要求得更嚴格。響度極限,或叫最高音壓電平(max. SPL),是一樣最昂貴的東西。揚聲器設計,會因為增加 3dB 音響而花費很多錢。現時,電動式單元的 max SPL,一般局限於磁力綫強度、音圈耐熱度、功率負載、換能效率等問題。80 年代前,家庭用揚聲器若能提供 105dB/m 之 max SPL 已經足夠,數碼時代的發燒友卻追求起碼 120dB/m、20Hz – 20KHz。這是對聽覺有損害的音壓,但專家們都爭先恐後要攀上這高峯。新趨勢是更強的磁鐵,更高效率的散熱,和更快速的響應。

高音擴散

直至現在為止,揚聲器篇仍然在談有聲盆(或平面發音板)的設計。以下要談中、高音所慣見的半球形 dome 揚聲器。

上期介紹 AR3a 喇叭翻生,已報導過有關 AR 創辦人 Edgar Villchur 的事迹。在揚聲器發展史上,Edgar Villchur 和 Paul Voigt 是兩位最有影響力的人物。Villchur 除了發明氣墊式聲箱之外,又是半球形擴散器之父。

音波的擴散特性,是週率愈高集射性愈強。100Hz 以下的音波,以 360 度幅射向四面八方擴散。5KHz 以上的音波,發射方向已具直綫性。受聲體在對準音源(0º)及有偏差角(例如 15º)來接收的音壓等閒有 3dB 或以上的差異。

如果把高音、中音的重播職責也交給同一個大直徑單元的話,那中、高週的擴散角度便更受影響而變得更狹窄。最合乎經濟的改良方式,是把高音分出來,由一隻直徑細小的單元(Tweeter)施專責(這麼一來,就引入了分音器、相位、效率等匹配問題。)

初期的高音單元,樣子更似今天的中音,磁鐵更細的,尤似現時用在手提機內的小喇叭。小直徑聲盆加上輕質音圈,就可令到喇叭出不到低音,但高頻上限仍沒法往上推得太高。稍後,專家們把音量頻段分為低、中、高三部分,據說是最理想的重播全音域方式。因為,再分為四、五路的話,分音器設計就面對非常複雜的問題。

但,甚至用聲盆非常細小的單元重播高音,集射性能仍然很刺耳,而且,揚聲器的重播綫性在軸心 0º 點上跟偏斜角有極大的相差。

那時,人們千方百計想辦法把高頻擴散角度拓寬,有的在單元前面套上「鏡頭」(acoustical lens),將聲波散佈開來;有的利用反射方式,將高週射在一個弧形反射表面上。但,最基本辦法仍是從發音體本身着手,創造出擴散角寬闊的中、高音重播單元。

圓球體揚聲器是理想的重播方式,而且,全音域的圓球形振膜就更理想。Edgar Villchur 的半球形擴散器,就是根據這理想概念發明出來了。半球形振膜的擴散角,闊至 110º,大大降低了高頻集射的刺耳音色。對很多發燒友來說,AR3a 是歷史上第一台能提供龐大音壓和柔順中、高頻的 Hi End 電動式喇叭。

Edgar Villchur 所創的 dome 振膜為軟性物質。近年電聲界似乎覺得硬 dome 快過軟 dome。於是,金屬 dome 遂大行其道:鋁質、鈦質……軟硬之爭,就有勞耳仔收貨了。

(原文刊於 1991 年 5 月號《Hi Fi Review》,作者 雷明 先生)