【HIFI杂谈】为什么扬声器需要箱体做载体？
【HIFI杂谈】为什么扬声器需要箱体做载体？
润丰名线坊
不可以把扬声器放在一个架子上嘛？为什么要箱体做载体？
如果说是为了美观，那就错了。美观确实是原因之一，但不是主要原因。
扬声器在振动的时候，并不只是正面有声波，由背面裸露的振膜我们可以想象出来，扬声器的背面也是有声波的。但是扬声器的正面和背面的声波是不同的——想象一下就可以知道，当振膜向前振的时候，从背面看，就是向后振的。这样，用声学术语来说，也就是扬声器前后声波的“相位”是相反的。
由于声波的绕射效应，我们可以认识到，如果没有阻隔，扬声器背面的声波绕射到前面来的时候，正好与扬声器前面的声波相互抵消掉了，那么声音自然不存在了，这种现象称为“声短路”现象。
解决这个问题的方法，就是使用一块大板子，将扬声器安放在板子的正中央。这样声波不就绕不过来了吗？这块板子的名字就叫做“障板”。有了这块板子，扬声器就可以正常发声了。
但是，这也有问题。那就是障板既大又难看，而且障板不可能是无限大的，这样总有一部分声波能够绕回来。
现在让我们来想像：假设有一块无限大的障板，我们把它上下左右弯曲……弯曲……挨在一块了！这时候，无限大的障板就变成了一个密闭的箱子，扬声器的背面声波被完全封闭在箱体里了——这就是最简单的音箱，封闭式音箱。
为了尽量加大音箱箱体的声阻尼，一般在音箱内会加装吸音棉材料吸收音箱内的声波。在一些HiFi音箱中甚至会在内部涂布沥青材料。不过在多媒体音箱中，出于成本考虑使用吸音棉的并不多，同时，由于国家安全规定对于音箱制造的规定，在带有功放的箱体内不允许使用吸音材料，以防止长时间工作后受热着火。
为了减小箱体谐振，对箱体的设计也有特殊的要求，一般来说就是要打上加强梁和加强筋，主要有三种——打在箱体正中的加强隔板（这种设计关系到箱体的声学设计，需要统筹考虑）、边脚的45度加强筋、大面积侧面内部的不规则形状加强筋，以改变箱体的共振频率。使用了加强筋的音箱的稳定性明显好于没有使用的音箱，但由于工艺复杂，在低档箱体中很少使用。
密闭箱的优点是声音清晰、效果好，但它的声音回放完全由正面的扬声器振膜来承担，这就造成当扬声器不大的时候，它的回放频率不会太低。而倒相箱就是为了解决这个问题而出现的。
但实际上，我们通常买到的多媒体音箱大都是带有一个开口的所谓“倒相箱”，那么，什么是倒相箱呢？
所谓倒相箱，其理论依据就是当音箱箱体足够结实的时候，可以将箱体视为一个力学上的“刚体”（即不会产生型变的物体），此时，音箱内部的空气在扬声器背面振动的作用下会被压缩产生共振，此时在箱体上开一个口，并接上一根管子，空气就会在这根管子内高速振动而发声，就象音乐中号角的发声原理一样。
这里我们特别可以看出，真正发声的是空气在箱体及管道里的振动，而不是扬声器，扬声器只是起到了一个“驱动力”的作用，就象扬声器上真正发声的是振膜而不是线圈一样。正因为如此，所以从倒相管里发出来的声音要比扬声器所发出的声音低得多而且与扬声器的大小无关，因为管道发声的频率要比振膜发声的频率低得多。
那么“倒相”又是什么意思呢？
倒相是指的经过箱体的反射，从倒相管里出来的声音相位与扬声器振膜正面声波的相位相同，即与扬声器背面声波相位相反，相位被“倒了过来”。但是要搞清楚的是，这些声波来源于空气的振动，而不应理解为扬声器背面的声波被“反射回来”。
正因如此，倒相箱与密闭箱相比，有如下的优点：
体积较小、低频下限是密闭箱的0.7倍、灵敏度比密闭箱高3dB、声压较高。所以在多媒体音箱这种小体积音箱上，倒相箱使用的非常多。
但是，倒相箱对于声学设计的要求远比密闭箱高得多，因为倒相箱存在一个固有的问题，就是在回放频率接近箱体的固有频率时，倒相声波会与扬声器正面声波相抵消，从而导致声压急剧下降。具体表现为倒相箱尽管低频下限较低，但接近下限时声压下降极快，而且倒相箱的瞬态，即反应速度往往要比密闭箱差。这就导致倒相箱设计不好的时候，低音虽然比较低、但很容易混浊，音质很差。
很多厂家只是在音箱上开一个口子加根管子就自以为是“倒相”了，其音质惨不忍睹。对于这种箱子，倒不如用一块海绵把倒相孔堵起来，可能倒会好一些。
一些音箱使用了特殊的双曲线倒相孔。这是为了取得好的低音效果，倒相管应该长一些，但长倒相管会在高速气流下产生摩擦声。双曲线管道的流体阻力最小，能够尽量取得高速气流和气流噪声之间的平衡。
在常见的书架式多媒体音箱中，其倒相结构有两大类——前倒相式和后倒相式，低音炮则又多了一种侧倒相式。后倒相式的音箱数量最多，因为这种箱体设计比较小，也比较美观。后倒相式音箱在背面有墙，且离墙至少30厘米的情况下才是有意义的。离墙太远，倒相的声音根本听不到，太近又会形成驻波（声波在遇到阻挡物后反射并与原来的声波叠加，会在某些频率有相互抵消或增强的现象，实际表现为某些频率的加强或减弱）。
好音箱就这么做的，HIFI师傅分享制作音箱理论
Hi-Fi音响设备中,担任人机界面的电声转换设备--音箱号称音响系统的喉舌,音响源的最终重新演绎,全赖于此,可见其于音响中的重要地位.无怪乎国外许多高档音箱耗资巨万,几十万元者亦不鲜见,而国内近年来的发烧热点亦多集中于此.
制作优质发烧音箱,除了采用优质的驱动单元(扬声器)以外,适宜的箱体结构和加工、处理工艺亦有极重要的意义.由于扬声器单元已由工厂制造定型,故箱体设计与制作已成为影响特定单元表现力的决定阶段.本文仅就有关制作材料和工艺方面,根据报刊文献介绍及本人制作实践,总结出以下几点,以食广大烧门同行,切磋为要。
音箱的主要作用在于消除声短路,提高低音声压和均匀度,从而改善扬声器低频段的声特性,但其介入亦会带来一些负面影响,如强化共振峰,中高频反射与衍射,等等,导至低音声染色和高音声染色.尽量消除负面影响,发挥改善低音的作用,是制作之根本。
音 箱 材 料
一.优质木材 如红木、花梨木、桃木、檀木等名贵硬木,最好是无接缝的整板,为音箱制作的顶级材料,但材料难觅,价格昂贵,加工不易,常用于极品音箱中.次之为花柳木、枣木、梓木等,以比重大,木质均匀者为佳.新材潮湿易变形,需干燥处理后方可应用.
二.中密度纤维板 此类板材采用最多,成本低,材料易购,加工方便.但实际制作中发现其强度较差,易产生声染色,起哄,且材质细碎松软,不能用木螺钉结合,而只能钉以铁钉,在高声压下可能被震松,刚性亦差,不利于箱体的坚固性。
三.中密度刨花板 亦称为压模板,强度较高,成本亦低,加工不太方便,很多商品音箱,包括许多日本套装机配套音箱均用此材料,但有人反映其压结不实,含气隙较多,隔音性能差.最好能作特殊处理,提高隔音能力.
四.高密度纤维板、刨花板以及胶合板 强度很高,隔音性能好,材料较易找,乃业余制作优质发烧音箱的首选材料,只是成本稍高,加工亦不容易,需要专用工具.特别是高密刨花板,硬度很高,不易着钉,本人制作中常拧断螺钉尖头而徒唤奈何,应用手电钻预打稍细孔后再上紧固螺钉。
五.无机物 如有混凝土浇铸成形,用石质板料(大理石、混凝土板、花岗岩石板、石膏板等)以特殊工艺成形,或干脆用厚重的大陶罐作箱体.具有音染小,声场稳定等优点,常为发烧高手采用,只是太重,移动调音甚为不便.并且箱壁须作特殊处理。
六.工程塑料、聚丙烯、增强改性环氧树脂、厚有机玻璃板等高密度高聚物(高分子聚合物)秉承现代先进的科技材料技术,许多欧美专业音箱厂商均用此技术创制出高档、高质音箱,如JBL MM系列音箱以高密度塑料做箱体,更有大名鼎鼎的JBLPROJECT K2 竟以厚达数英寸的有机玻璃制造高音喉.业余条件下断难实现。
七.金属材料 主要用于专业音箱和特殊场合,如舞台音箱、移动音箱、体育用全天候音箱、军事用全天候移动式音箱…….业余家们由于其金属箱体谐振频较高,声染色不易处理而极少采用.
八.纸质材料 多为初入烧道而经济拮据的烧友所采用,也不乏高手以此作箱体并以特殊工艺增强处理,例如以环氧树脂浸渍.如制作得当,效果亦佳.
制 作 方 法
一.板材结合 此为绝大多数音箱包括一些极品音箱所采用的方法.工艺成熟,简便,并适于工厂化生产
二.浇铸成型 此法最适于混凝(港称无缝石屎)及高聚物.
三.掏腔法 1.顶级发烧音箱,将整块名贵硬木或结实石料掏出空腔,作为箱体.可以想象此法难度很大,成本高昂.偶见于欧美纪念型产品中.2.土炮族的大地音箱.即将地上掏空,作好干燥防潮处理,再装上面板及喇叭单元.成本低,音质亦很好,作超低音重放恰到好处,唯不能移动,对住所有条件限制.高烧至此,真可谓烧到了“家”。
高保真音箱箱体内常处于急剧变化的高声压中,极易诱发杂音,谐振,造成音染,影响重放音乐的纯美.因此制作工艺十分重要.
“加固消振,避免音染”为制作工艺的八字“方针”
一.广泛合理使用加强筋 用于音箱中的薄弱环节.箱体内各个面所成结合角处,用足量的胶,宁多勿少,粘上粗壮的硬三角木或方木棒,再加木螺钉紧固,低音喇叭背部声压级最高,极易诱发箱音,于背面板正对此处粘上一块圆形硬木板加强,材料可利用面板开孔下的余料,对比较狭长的箱体,由于板料纵横比较大,强度及刚性变差,谐振点变低,渐近喇叭或箱体谐振频率,声染色危险极大,请不对称地胶上几块硬方木棒.此举在于消除缝隙漏气,加强箱体刚性,破坏谐振,避免诱发杂音和激起箱振。
二.箱内添加适量吸声材料 如超细玻璃棉、矿渣棉、纤维喷胶棉、真空棉、次者如泡沫海棉、棉絮、棉纸、柔软的卫生纸,吸收声能,控制音箱Q值,同时减轻箱振.对于密闭箱,需塞满整个箱体.对于倒相箱,前后左右上下壁敷三指宽厚的吸声材料,并于监听时作适量增减,以恰好抑制谐振峰为准.对于传输线式(即迷宫式),在易于产生驻波的声道拐折处敷设.对于号筒式(主要指后加载号筒式)音箱结构,于低音喇叭背后,及号筒中易产生驻波的地方安放少量吸声材料.其多寡均应依实际听音评价而定。
三.增加箱壁声阻尼性能 较简便的方法是箱体各里面浇一层1-2CM的沥青,贴敷多层高声阻尼材料(油毛毡、橡胶等).复杂但效果更好的方法是制作双层壁,中间装入干燥除尘细沙,或将箱体用高声阻尼材料浸润处理.此举阻断了声能向箱体的传播途径并大大降低了箱壁的Q值,对减轻甚至消除声染色十分有效.用无机物制作的箱体必须进行此项处理。
四.箱体支撑加固 此处指的是用硬方木、多孔木板或圆钢棒将前后壁及/或侧壁之间牢牢支撑,使箱壁不致被高声压激励产生讨厌的箱体声染色,多孔板兼有调Q的作用.钢棒可用具40号以上钢车成,Φ45mm以上,两端攻出Φ8mm固定螺丝孔,必要时(如箱体较大)可加焊法兰盘,用螺丝紧固于需加支撑的两壁之间,此法据一些前辈介绍,对消除因板材强度差而导致的箱音特别有效,故单独列书。
五.喇叭单元的固定 宜采用由外向里的固定方法,减小前腔效应.安装孔最好作沉孔处理,避免盆架凸出,造成绕射.盆架、箱体间以5-10mm橡胶垫密封隔离,以免声短路,并避免盆架振动传至面板辐射,干扰直接辐射声。
六.采用特别的箱体内形和外形 此处并非讨论音箱的声学方式,而是针对驻波,进行有效的予防.驻波的产生,会严重影响声学系统的性能.为消除驻波,破坏箱体内的平行性为其关键.如TANNOY SIX series采用了六边形体设计.许多专业音箱采用了扇形设计(JBL MM-SERIES、AC、等等).箱体外形对辐射特性亦有较大影响.过多过锐的棱角会产生衍射和干涉,可采用较钝的面过渡角.正面板的形状会影响服务角和相位特性,经特别设计的面板可改善之,包括曲面设计、阶梯状设计及其它特殊的形状.JBL 4208的正面板经过计算机辅助分析、设计,一反平面的传统而采用曲面,有效地改善了近声场的相位特性.BOSE301,是在精研直达、反射声技术后推出的Hi-Fi力作,它采用了独特的外形设计,在低音音箱的顶部削出一个斜面,安装上两只高音单元作前后不同方向上的辐射,有效地营造出均匀的音场,据称聆听立体声不再仅是安坐皇帝位时才有的"自私"享受.有消息说,一种形似大蜗牛的新型音箱,即将作为英国B&W公司的新旗舰面世.所以在设计音箱时,也应解放思想,打破传统,大胆幻想,勤于动手,善于思考。
七.面板上敷强吸声及强声阻尼材料 盆架余振能传递到面板上,直接声辐射会反射到面板上,箱内空气劲度所产生的振动亦会 在前面板反映,凡此种种,经面板辐射,与直接声叠加、干扰,引起频率特性曲线上出现更多的波峰与波谷,相位特性劣化,高音频下尤为严重,面板贴上"重声阻尼"材料是改善的有效方法.重声阻尼材料有高密度发泡泡沫塑料、特制毛毡、及工厂特制的音响专用吸音毡等。
八.完工后的音箱应加支撑,与地面"隔离"起来,避免声音虚胖、音场不稳、透明度差.支撑的方法有支撑架、金属脚钉、硬木脚钉等.可广泛采用不同的硬材料试验决定,以45°~60°锥度之锥尖与地面接触.
分 频 器 制 作
分频器在音箱系统中占有很重要的地位,要保证高、低音信号准确无误地传输到各自单元而不产生干扰、失真、交调,频响曲线上不致因此产生较大的峰和谷,无大的相位畸变.目前多采用LC功率分频.至于电子分频则不在本文讨论之列.
一.电感 业余条件下,难以找到合乎要求的磁芯,更不谈测试其线性、磁通等性能.即使是在专业条件下,亦不易找到理想的磁芯,故磁芯结构难为处处斤斤计较、过于苛刻的发烧友所容.为减小附加电阻,应尽量采用较粗的优质漆包线(无氧铜线、大晶体铜线、单晶铜线更佳),以Φ1.0~1.2mm较优,并采用计算机辅助优化设计,使在电感量一定的情况下,电阻最小,电阻阻值一般应小于十分之一的喇叭阻抗.因顺磁性物质会影响电感量,电感线圈应尽量远离喇叭磁头、固定用镙钉、支撑用钢棒等顺磁性物质,各分频元件用环氧胶胶粘方式固定,避免增加磁饱和失真,以及引起分频点漂移.电感线圈之间会通过空间耦合而造成相互电磁干扰,应尽量远离,互相以磁轴线垂直安放,高、低音分音网络各自单独置于一块电路板上并远离是绝佳的发烧法。
二.电容 首选有定评的无感聚丙烯、聚苯乙烯等无感薄膜无极电容.避免选用无极电解电容,更不宜用有极电解反向串联代用.多只小容量电容并联使用,较单独一只大电容,其卷绕电感小得多,速度亦快的多,有更好的高频性能和音质.节约而不损发烧的办法是,仅于高、低音喇叭的信号通路上,选用以上元件,而旁路电感、旁路电容稍降低要求,用普通无极电容,较细线径的电感。
三.接线 市面上有多种优质音箱线,均可酌情采用.以芯线较粗,股数较多,含铜量较高者,铜晶体较长大者更靓声,如银线最好.注意提防假货和伪劣产品.方法以双路线(bi-wire)或三路线(tre-wire)为佳.许多杂志均有介绍.注意引线不要影响箱体的密闭性.
结 束 语
音箱制作是一门较复杂的系统工程,是介于机械工程学、声学、心理学、人机工程学之间的边缘科学技术,既是技术,也是艺术.以上各项措施,相辅相成,应在实际制作过程中,根据具体情况,对症处方,综合施用,一定能作出较满意的作品.
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