原文與耳機無關故略…
八、分頻系統
吾人耳朵所能聽到的頻率是20Hz~20KHz,因此揚聲器只要能重播20Hz~20KHz就成了。但如果只使用一只喇叭單體的話,則它不但要隨著低頻做大振幅的振動,也要隨著高頻做快速的振動,那可真是難為它了。因此為了提高重播音質,我們常採用分頻系統,以兩只以上的喇叭來重播整個頻段。
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(a)二音路(2 Way)
二音路是最簡單的分頻系統,它包含高音單體(Tweeter)和低音單體(Woofer)以及二音路的分頻網路;實際使用上,該低音單體係重播中低頻之頻率。所謂兩音路並非指它只有兩個喇叭單體,因為其高音或低音單體有可能採(Series)串聯或(Parallee)並聯式;而被動輻射式兩音路揚聲系統就至少包含三個單體。圖五十五為喇叭單體並聯、串聯及以變壓器交連的情形,喇叭阻抗之並聯或串聯與普通電阻並聯或串聯完全一樣;而變壓器交連則用於PA的恆壓輸送法。
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二音路的喇叭單體,其尺寸大小通常不會差距甚大,例如高音為1吋軟球型,則低音一定會在8吋以下,不會選13吋的大喇叭配用。並且由於它的體積很小,故又稱為書架(Bookshelf)式喇叭。其分音器可簡單到只用一枚電容器,也可複雜到用13枚元件,圖五十六就是最簡單的高通濾波器(HPF),所接單體當然是高音喇叭。這種濾波特性是-6dB/oct,即每八度音程衰減6dB,這是一階設計,其頻率=160000/(C×Z),其中C是電容器容量(μf),Z是喇叭阻抗(Ω),Ft是截止頻率(Hz),也就是分頻點(Crossover Frequency)。圖五十七是一階設計的低通濾波器(LPF),分頻點Ft=160×Z/L,其中L是電感的值(mH)。只要高通和低通的Ft相同,將兩個網路串聯起來就是基本而完整的一階兩音路分頻網路。
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不過一階設計雖然簡單,但由於衰減率不夠,使得在分頻點附近的頻率重疊太多,故一般皆採用二階或三階式設計。圖五十八即是二階高通、低通和三階高通、低通的分頻線路,當然這都是最基本的。圖五十九是一階和二階的分頻特性,我們可以看出二階的衰減率要比一階來得陡。
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(b)三音路(3-Way)
三音路設計至少包含三只喇叭單體,它將中低頻段分由兩只單體來負責,因此比二音路多了一只中音喇叭(Squawker)。雖然僅多了一只喇叭,但分頻網路卻複雜甚多,而且製作時注意要點也甚多,例如中音喇叭是否需要反相等。圖六十為典型的二階式三音路分頻網路,這是日本YAMAHA NS-690 II所用的。
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(c)多音路(Multi-Way)
四音路以上就可以稱為多音路,一般的四音路多是加一只超高音單體,或者多加一只超低音單體。五音路以上的則可細分成超高音、高音、中音、中低音、低音,若再加上超低音就是六路分音。但有時從喇叭正面不易看出,因超低音有時是裝在背板上。
(d)分頻元件
喇叭音箱內的分頻網路通常係由三種元件組成:電阻、電容和電感,有於他們所處之地為音源必經之處,故不僅數值要準確,材質也非常重要。以電容器來說,其要求是:(1)一定是無極性的。(2)能承受大電流。(3)損失要小。(4)體積要小。不過要符合上述條件還真不容易,金屬化塑料電容品質最佳,特別是PP、PC、PS……等。但塑料電容的容量往往不超過10uF,故如果需要值是100uF,那就得用10枚來併聯。以西德名廠WIMA的PP電容為例,要併聯成100uF,至少花費NT:5000元,這是國外喇叭名廠都不願意做的事。圖六十一是四種電容器,下方是Mylar型,最上方扁扁的是MEF型,都要比電解質電容來得優秀。

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電感俗稱線圈,圖六十二即是各種電感,一般多使用空心線圈(Air Core),其要求是:(1)直流阻抗愈小愈好。(2)電流磁場不能影響到其他元件。(3)不能有諧振。所有分頻元件裡,電感是最難求也是最難控制的。
電阻幾乎用任何材質均可,碳膜、金屬膜都可買得到,但衰減高音電平的可變電阻器就非得用線繞型的不可,因線繞型才能容許大功率,而一般碳膜型的就不可用。
九:電子分音
剛才所談的音路系統,不論是兩音路或是多音路,他們都是使用被動式(Passive)分頻網路,元件係由電阻、電感和電容構成。現在要談的電子分音則是使用主動式(Active)分頻網路,其元件除電阻電容外(沒有電感),還有IC或者FET、電晶體,因此主動式分頻網路是要「吃電」的。圖六十三是三路電子分音連接系統,由於是三音路,故需要三部立體功率放大器。

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主動式濾波電路如果用於兩音路時就需要一組高通及一組低通濾波器,圖六十四是其基本線路,相信讀者們看了一定會很眼熟,這在音技已出現過很多次;如果是三路電子分音,則再加上帶通濾波(BPF)。由於電子分音系統是將功率放大器與喇叭直接連在一起,而且每只喇叭單體都僅負責某段頻率,故本身特性能發揮到極致。
但說歸說、做歸做,電子分音系統如果調校及匹配不當則反而會弄巧成拙;因電子分音極要求電平之匹配及效率之匹配,而且花費要付出甚多。3D電子分音是最省錢、最容易裝置的電子分音系統,其方塊圖見圖六十五,它的分頻器裡有兩組高通濾波器,但只有一組低通濾波器,故其低音輸出是L+R的合成訊號,因此另加一台單聲道的後級和一支副低音(Subwoofer)喇叭就行了。
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3D系統可彌補二音路密閉式小喇叭之低音不足現象,但製作時要注意:(1)分頻點不能高過150Hz,一般在100Hz~110Hz間,因為分頻點愈高方向性就愈明顯。(2)副低音後級放大器一定要有電平控制(或者分頻器上有),而且每張唱片在聆聽時都應調校,以求最適當的匹配。
特別注意市面上有兩種超低音不是正規的3D系統,一是根本不用副低音後級,一是有後級(裝在喇叭箱內)放大器,但也沒有電子分音器;其效果是不改變原有小喇叭的音色,他們的最大特點是省錢。
第四章:揚聲器的測試
我們在裝完前級或後級放大器時,常常會加上訊號產生器及示波器作波型觀測,揚聲器也是一樣,不過它牽涉的更廣,除了完成品要測試外,喇叭單體也要測試,當我們拿到一只喇叭單體時,有些參數(如果沒有原廠資料)是一定要測的,例如Fo(諧振頻率)。測Fo可用定電流法、定電壓法,在音技上蒲鴻慶先生、羅哲先生都曾談過(67~70期),或者用儀錶直接量測,頻率由低開始調,一直調到阻抗為最大時,此頻率即是該喇叭的諧振頻率……。而完成品也有幾項規格是要測的,但這非得由專業人員在專業場所測不可。
 
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一、頻率響應
要測揚聲器系統,首先要有無響室(Anechoic Room),無響室裡裝滿吸音材料,它是不產生迴音的,而且不受外界干擾(汽車按鳴聲、馬路震動…)。喇叭系統的頻率響應當然以20Hz~20KHz為最好,但這是達不到的,圖六十六是頻率響應測試方塊圖,其中麥克風距喇叭軸心位置1公尺遠,然後以分析儀和記錄器繪下響應曲線,右圖是YAMAHA NS-1000M的頻率響應和阻抗特性表。至於喇叭說明書上常僅標示頻率響應而不註明以何為標準,像JIS標準係以低頻Fo開始計算,IEC則容許低於Fo 10dB的頻率開始計算。
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二、聲壓水平(SPL)
聲壓水平的強弱代表喇叭效率的高低,聲壓水平的測試與頻率響應測試差不多,它常是輸入1W而計算輸出是多少dB,90dB/W/m即表示:麥克風距喇叭軸心1公尺,當輸入1W時得到90dB之音壓。SPL的高或低與音質無關,效率高的通常略為清朗,但也有刺耳的缺點;效率低則略為沉悶。這兩款喇叭如果一是90dB,一是88dB,那不一定前者的效率就高;因為廠商的原始標準不見得相同。就筆者所知,目前喇叭效率最低的是國產品──笙隆的小金剛,它至少需要80W的後級來推!
三、指向性(Directivity)
圖六十七是揚聲系統指向性測試方塊圖,麥克風雖距喇叭軸心仍然是1公尺,角度卻不是平直的,而是以30°、60°、90°等角度來測其頻率響應。低頻的頻率低,故無指向性,而頻率愈高則指向性愈強,故有些喇叭在高音單體上加裝擴散器。
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四、失真(Distortion)
有關揚聲器的失真,不管是諧波失真、相位失真還是暫態失真,製造廠商是不會公佈的。圖六十八是諧波失真測試方塊圖,一般高價喇叭的諧波失真都在6%左右,最好的也超過2%,故任何喇叭想重播完美的原音是不可能的。喇叭的暫態特性常用猝發波(Tone Burst)來測,見圖六十九,由輸出波形一看即知。喇叭的失真實在是太多了,有AIM失真,有DF失真,有CM失真。國外某些廠商在數年前已開始用雷射干涉儀觀察喇叭振膜振動情況,那種失真圖形才令人慘不忍睹!

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五、聆聽環境
上述各項規格都是在無響室中測試,因此亦有人大加反對,認為無響室完全不同於聆聽環境,故測試結果毫無意義。其實聆聽環境佔有極重要的地位,如果在小房間裡放一對24″的四音路大喇叭,那麼再好的喇叭都會被打折扣。聆聽環境第一要求是殘響時間(Reverberation Time)要短,最好在0.3~0.4秒內;第二要求是不能有駐波(Standing Wave)。

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第五章 揚聲系統的規格
在一份標準的揚聲器系統說明書上,它至少應包括有下列重要規格:
(a)系統設計方式
它不但要說明是幾路分音,也要註明是密閉式還是低音反射式;更有些會加上是落地型抑或書架型。所謂書架型並不表示一定要放在書架上,而所謂落地型也並不絕對表示可以直接放在地板上;負責任廠商都會加註此喇叭系統之低音單體應距地板40或60公分等。像Celestion的622,在說明書上就明白表示622應距地板及背板40公分,否則低頻會模糊不清。放置喇叭時高音部份不宜過高,距離聽者耳朵水平軸應不超過20公分,否則因高頻指向性關係,會讓聽者覺得高頻響應不夠。某些喇叭的排列是低音單體在上而高音單體在下,這種喇叭不適宜家庭用,除非你把它倒裝在天花板上。
(b)頻率響應
由0Hz~100KHz,當然是愈寬愈好,但這是不可能的,廠商的標示只能做參考,不可盡信。而有些說明書上或喇叭箱上還有該喇叭的頻率響應曲線圖,其可信度不超過60%!美國名廠JBL是不標明頻率響應這項規格的,愈是高價品愈是保留得多。
(c)系統標式阻抗
這一點非常重要,因為與喇叭效率及和功率放大器之匹配有關。此項規格一般都有兩個數字,好比最高8Ω、最低6Ω。此毆姆數是測出來的,它不是代表直流阻抗,故以三用表量取8Ω的喇叭,所得數字往往是7Ω。另外在與功率放大器匹配時要注意,如果喇叭是4Ω,那就更要小心功率放大器是不是直流放大設計。雖然降低喇叭阻抗可使輸出功率增加,但輸出電流也提高一倍,晶體是否有承受能力,電壓變壓器是否有供應能力等,都要先考慮。喇叭系統的串聯與併聯完全同一般電阻,但當你要串聯或並聯兩對喇叭時,還得注意效率是否匹配。
(d)分頻點
如果使用全音域單體那就沒有分頻點,兩音路的分頻點常在2K~4KHz間,也有低到1.3KHz;分頻點愈低表示高音單體要多負責中頻重播,分頻點高則表示由低音單體來負責中頻重播。三音路系統就有兩個分頻,低頻約在800Hz以下,高頻則在5KHz以上。由於分頻點與喇叭特性有關,故從數字上是看不出優劣的。如果分頻點與喇叭匹配不當(國外廠商也會設計不當),其高音單體在重播任何音樂時都只有「嘶──」聲,好像沒有作用一樣,英國喇叭常有這種現象。
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(e)分頻網路
它不可能會將線路及元件數值公佈出來,但一定吹噓自己的元件都是最好的,電腦級的無極性電解電容、大功率無電感電阻等。
(f)效率
或者是SPL,正如前文說過,此數值亦不可盡信,並且與音質無關。有些喇叭標明是90dB/2.1W/m,其效率就要比90dB/W/m低甚多,不可不察。
(g)承受功率
此規格常會使消費者感到疑惑,事實上廠商的標示也含含混混。如果某喇叭的最大承受功率是100Wrms,那麼用250Wrms的大功率後級來推是一點問題也沒有。有些廠商是標示「建議擴大機輸出功率」,但不論如何,後級之輸出功率要比喇叭承受功率大些才好。
(h)驅動單體
低音單體常是8吋、10吋或12吋,也有以20公分、25公分、30公分來標,也有少數廠商會加註磁通量,但較不常見。
第六章:耳機
把喇叭縮小到能塞入耳朵裡就可當成耳機來用,耳機有幾個特色:(1)是僅需小功率即可推動,而且低頻的失真較低。(2)是因振膜面積小,故質量輕,暫態特性佳。(3)是耳機不影響別人,也不受別人影響。(4)它可以從前級放大器接出。(5)攜帶方便。當然他也有一些條件,如重量要輕、左右聲道感度要一致、耳墊要柔軟等
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人耳的響應是不規則的,由圖七十一可看出對低頻不甚敏感,而目前的耳機差不多都是動圈式,品質也愈來愈高,其振膜以多元脂膜製成,圖七十二是我們最常見的型式,耳墊(Ear Pad)不但要軟,戴久也不能累;有些耳機還開有小孔,免得戴久會熱。
 

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圖七十三所示是全音域動圈式耳機結構圖,在振膜上印有導電線圈,也有兩音路設計。日本STAX曾推出Ear-Speaker,就是把兩個迷你喇叭掛在耳朵上聽。靜電式喇叭是另一種型式,它還要配合電源供應,而且價格也不便宜。放大器要接耳機時宜注意阻抗匹配,一般放大器接動圈式耳機皆可使用,靜電式耳機就要經過阻抗轉換。
轉載音響技術第99期MAR. 1984 喇叭單體與揚聲器系統 下篇/宋長波 譯述
來源蘇桑~

 

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