Hi Fi 基礎談 三十八:揚聲器篇‧電動式揚聲器(四)

到現在為止,電動揚聲器的介紹只粗略談過各款電動式(或動圈式)單元的設計結構沿革,而且所講的都是單極發音有聲盆的“喇叭"形製作。其實,雙極發音(di-pole)屏風式揚聲器,一般人以為多屬靜電式設計,也不乏電動式。此外,重播高音的電動式單元中,扁帶(ribbon)高音也在過去 25 年間有重要影響力。

既知,高週單元的發音體—振膜—是質重愈輕愈好,英國 Hi Fi 鼻祖丹利.基尼(Kelly)是最早把扁帶高音號角(Ribbon tweeter horn)研究成功的。他把一條約 ¼ 吋闊、2 吋長的鋁質波浪式扁帶重重包圍在一個強力磁場中央。磁場因輸入訊號的變化產生活動,令鋁帶振盪發聲。扁帶高音振動線性較平直,由於沒有音圈、振動體本身兼具發聲功能,所以質重輕、響應亦臻達超高音範圍。瞬態失真以當時水平說,亦頗低。Kelly 扁帶高音的缺點,是效率低,動態不大,要用號角負載(Horn load)來增強音壓,但Kelly高音的淳和甜美音色,在 Quad 的彼德.獲加(P. Walker)發明靜電揚聲器之前,一度顛倒眾生。Decca 公司買入了 Kelly 的專利權後,推出了 Decca-Kelly 扁帶式高音喇叭。但相信玩 Kelly 的人多襯其他中、低音單元。當年我們在市上買跳樓的 Decca-Kelly 比單買 Kelly 更平一點。

Kelly Ribbon 是後來許多雙極發音電動式屏風揚聲器的啟蒙者,英國公私合營,以貝爾法斯特為基地的 Strathearn 首先創出了平面振動膜中、高音,其後 Infinity 採用了這基本設計。跟着來的,是 Magnepan、Apogee 等大面積平面振膜,Apogee 甚至採用大塊鋁質振膜,結構上幾乎是當日 Kelly 的扁帶高音之放大,而又不需加號角負載。

我在這裏一筆勾過了幾種屏風式電動揚聲器,因為它們都已先後在本刊裏有專文詳細介紹過。大屏風 Magnepan 和化整為零的 Infinity,在磁場控制方面屬推挽式,而 Kelly 原作則是跟圓錐型喇叭同出一轍的單端式。

Apogee Diva

聲箱負載技術

把揚聲器用不同方法安裝起來,以助其發揮更佳效能的術語,叫“負載"(Loading)。

最初期 Rice & Kellogg 和 P. Voigt 造出動圈式單元時,老早已經發覺單元要裝上一塊板上才好聲。自有揚聲器以來,科學家早就知道揚聲器發音體的前面與後面要隔離的原理。

發聲體前方與後方的空氣,若不分隔開來,聲波便會在振膜的邊沿上產生漩渦氣流、互相抵消。

杜絕聲波氣流漩渦的方法,是將這兩股聲波用一塊障板(baffle)隔離。障板的丁方面積,理論上要超過揚聲器所能重播最低週的半波。

以目前的技術指標舉例,一個功能重播滿度輸出 100Hz 的喇叭,要用一塊 6 呎 x6 呎的障板去保證 100Hz 半波之完整。重播 40Hz,便要 14 呎 x 14 呎障板。這個基本的障隔方式,稱為開放障隔(open baffle)。長過障板的半波,便在障板的邊沿上形成一個 6dB/oct 的滾降氣渦,低週重播大受影響。

各位看官,以上所言完全沒攪錯,是音響學基本物理定律,換句話說,凡沒有聲箱的屏風式雙板 open baffle 揚聲“板",都肯定在沿屏風邊沿的地帶產生每倍頻衰減 6dB 的低週滾降曲線,滾降點與揚聲“板"的面積成反比,面積愈大、滾降點愈低。

屏風式揚聲器的低週滾降物理物性,既然如此,早期的電動揚聲器就更加不能採用開放障隔式安裝了。

最徹底最沒有不良影響的安裝方式,是無限障隔式(Infinite baffle)。顧名思義,是把揚聲器前後的聲波絕對分隔開來。。無限障隔式在單聲道時代頗受 DIY(自己動手)人士歡迎,最簡單是在廳與房之間的牆上挖個洞,把揚聲器裝上去。當年有位著名英國音響寫稿佬,索性將與客廳相連的士多房之門改成安裝揚聲器的板,傳為佳話。

無限障隔式負載,基本上是聲盆後面的空氣活動不干擾前面。這裏,我們可以按物理需求計算出一個體積頗大的密封箱子,也符合“無限"的條件。但這個體積巨大聲箱就必產生諧振、箱內駐波等問題,絕對障隔負載因為不能一併利用聲盆後面的聲波,屬於低效率型。

氣墊.號角.線傳輸

低音反射(Bass reflex)是把聲盆後面聲波經導管或其他開孔設計“反射"出箱外的負載,效率高,變化巧妙無窮。為什麼叫低音反射?因為,聲盆後面發出的聲波高頻份量大大降低,經導管/開孔後引出的聲波就更加只餘中低頻成份。反射式開孔或導管的運聲作用,是將聲盆後方本質上與聲盆前方構成 180° 反轉的聲波倒相,使其與前方的聲波同相播放。

氣墊式負載(Air Suspension)是 AR 創辦人 Edgar Villchur 的不朽發明,本刊已多次講及。Villchur 是位先知先覺的出色物理學家,他的氣墊負載技術,連消帶打地將小聲箱的缺點變成優點,具有革命性。

一般人知道,將喇叭裝在體積小的箱裏時,箱內的空氣會因聲盆的活動而形成一道反氣壓,將喇叭的音圈諧振點提升,大大影響低頻質素。Villchur 設計一隻音圈諧振點低至在無負載狀態下不能工作的單元,把它裝進一個體積細到不能置信、但卻切合物理功能的無諧振聲箱內。這麼一來,音圈諧振點因此而升至一個理想週率,而密封箱內的空氣又對聲盆構成一股反氣壓,將聲盆的“分裂"畸變控制得很好,大大地改善了聲盆整體統一的活塞運動形態。

氣墊式臻至小聲箱出勁低音的突破,但是效率最低,需要最強勁的推策功率和最高緩衝系數的擴音器。

號角式負載(Horn Loading)是最具藝術氣質的“揚聲"法,卻也是人類歷史上最原始的揚聲器。

據說,石器時代以前,人類已懂得用手掌合成杯形套在咀前,以增加叫喊聲的傳輸強度。而最原始的樂器結構,又都懂得將聲波通過號角形開口而向更遠傳送的秘奧。電聲科技史上,最早致力於號角負載設計的幾位專家如 P. Voigt、Lowther、G. Fountain、P.W. Klipsch、J.B. Lansing……他們的名字都帶有濃厚的羅曼蒂克色彩。號角的作用,是在聲波擴散之前加以控制,使它向着一個預計的收聲區作更有效更優異的發射。

號角這門學問,隨着電腦的誕生而損失了部份神秘傳奇性。太空時代,Hi Fi 揚聲器採用號角負載已限於中、高頻。40 年代高逾7呎的龐然大物,或 DIY 族的 16 呎 Horn,已瀕臨絕種。新派電聲學家認為,號角負載令聲波在號角頸內產生反彈、折射作用,多少也有畸變。因此,金屬號角就會把聲音染上金屬色彩云云。

木製、手工精美的號角,是今天售價最貴的揚聲器之殺食部份(如 Westlake)。此外,公眾傳呼系統多採用號角揚聲,大型流行音樂會也不能沒有號角,取其高效率也。

線傳輸(Transmission Line)是反射式的變體。線傳輸的基本理論,是借重音響物理作用,將聲盆後方的聲波用一條長管負載,引至聲箱外,延續低頻重播。古人建造管風琴時,早已發現及制定了一套完整而實效的聲波負載定律。

線傳輸的一般負載方法,是用接近於喇叭音圈諧振點 ¼ 波長的“摺叠了的管"與聲盆背面耦合,管的出口,能提供比諧振點低一個八度的低頻。舉例:一隻諧振點約 30Hz 的單元,用 30Hz 音波的 ¼ 長度 3m 摺叠管負載,可重播 15Hz 低頻。

按:線傳輸的負載技術,變化很多,不能三言兩語說完,所以用「接近」和「約」等字眼。

線傳輸可重播極低頻,但由負載管發出的聲波是聲盆背面的延遲波,換句話說,它比聲盆前方的音波來得慢,因它而營造出場面龐大的感受。

迷宮式(Labyrinth)聲箱,也是用線傳輸(¼ 波長摺管)的負載方法,但管的表面卻滿鋪厚重的吸音物。迷宮之目的,是希望負載管可以將聲盆後方的能量完全吸乾。

(原文刊於 1991 年 6 月號《Hi Fi Review》,作者 雷明 先生)