何謂「單體」?看完馬上理解揚聲器--音箱結構秀出聲音魔法
在尋找揚聲器時,單看揚聲器的外型,音箱內部的結構通常無法一窺究竟,但揚聲器的運作原理正隱含其中,以下就用剖面方式來解開音箱結構的祕密。雖然,聽覺感受無法完全透過視覺來了解其差異,然而揚聲器的發聲原理,正是物理現象的實作,來呈現完美的聲音。
以不同元件及材質組裝完成的單體,要有完美運作的表現,還需要搭配上一個適合的音箱,才能夠為不同層次的聲音提供最真實的表現平台。以下讓你一覽不同音箱設計的原理說明,了解運作及組合的原理之後,將有助於理解,為何在挑選揚聲器時,在聽覺感受上會產生那些難以解釋的感受。
障板式(無音箱)
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特色:
高音清亮,人聲表現佳。
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原理:
障板是最基本的音箱形式,單體要安裝在障板的中心附近。
透過障板,可以將單體前方與後方的聲波隔離,越大的障板越能有效地隔離聲波,並且能夠聽到更多的低音。
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延伸閱讀:
也有人選擇將障板往後折,形成一個後開放式無背板的音箱,與障板相較之下,體積稍微縮小一些,但是低音的量感還是有其限度。
密閉式音箱
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特色:
忠實呈現單體的低音,而且低音反應迅速。
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原理:
將單體裝在一個適當容積的箱子裡,使單體前後方的聲波不會互相干擾。聽眾只會聽到單體前方所發出來的聲波,而製作音箱的關鍵就在於「箱體黏合時是否確實氣密,不產生漏氣」。
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延伸閱讀:
何謂「適當容積」的箱子?這必須根據單體的尺寸、大小與規格等參數進行搭配。由於是密閉式音箱,所以從單體後方所發出的聲波,會完全消失在箱體內,無法善加利用。另外在後面的〈聊經典〉單元,會跟各位談到音響歷史上的傳奇經典 LS 3/5A,就是密閉式音箱。
低音反射式音箱
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特色:
若將與密閉箱一樣大小體積的兩種音箱進行比較,低音反射式音箱擁有更多的低頻量感,因此成為目前市面上最常見的音箱形式。
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原理:
低音反射式音箱利用單體後方的聲波,經過設計過的共振管,讓聲波共振並反轉相位,增強單體前方的聲波,故又稱倒相式音箱。
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延伸閱讀:
共振管的位置及大小,是根據亥姆霍茲共振器(Helmholtz resonator)原理。想像對著一個酒瓶口吹氣,瓶口的空氣柱產生振動,振動的空氣柱與瓶身內的空氣腔相互作用產生了共振,因而發出嗚嗚的響聲。瓶子裡裝些水時,聲音也會有所不同,這是因為瓶身空氣腔的體積發生了變化,影響到瓶口空氣柱的共振頻率,聲音也就跟著不同。
傳輸線式音箱
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特色:
藉由內部傳輸管在音箱內摺疊,小音箱也能獲得大型落地喇叭的壯觀氣勢、音場表現及低頻延伸。
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原理:
音箱內部有著長長的「傳輸管」,單體裝置在一端,聲波通過傳輸管最後到達「開口」。傳輸管的有效長度越長,越能完整呈現低音的延伸。
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延伸閱讀:
為了擁有夠低的低頻延伸,傳輸管要盡可能延長。但這純屬早年的理論結構,以家用產品的實用大小而言,難以實現。這類音箱內部結構極為複雜,傳輸線的通道寬窄及內部阻尼(參見P40 小小聲觀察)結構等,需配合轉彎處而有所不同。
被動輻射器
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特色:
被動輻射器(參見 P40 上圖)從音箱外部看起來與一般單體無異,檢視音箱內部可看出沒有驅動系統。特色是可以推動更多的空氣,擁有更充沛的低音。因為不需要電源,也能夠發出聲音,所以又稱為被動振膜、空紙盆。
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原理:
被動輻射器的設計方法和性能,與低音反射式音箱非常接近,被動輻射器是倒相管的一種替代品,它本身也是一個發聲器,但不包含驅動系統,主要隨著喇叭振動,音箱內部的空氣隨之壓縮或舒張,進而被驅動發聲。
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延伸閱讀:
結構與標準的單體相似,擁有獨立的懸掛系統,框架、懸邊、彈波一應俱全。隨著微型喇叭的興起,這種設計被廣泛運用,但也被做了很大的簡化,僅保留了懸邊作為懸掛系統。
帶通式音箱
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特色:
從外部觸摸不到喇叭單體,只透過通氣孔發出聲音。好處是不需分頻電路,發聲時只有管口的空氣策動外接空氣運動,造成聲輻射。
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原理:
在長方形的密閉箱中,正中間裝一塊隔板,把箱體分成二個音室,其中一個音室裝個共振管變成倒相箱,另一個就成了密閉箱,在中間隔板上開孔裝設單體,單體的尾端在密閉室內,此箱體唯一的開口就是一個管道,這樣的設計常用於低頻揚聲器。
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延伸閱讀:
「帶通」意指這類型箱體本身對聲音訊號具有帶通濾波器的作用,只允許一定頻率的聲波輻射出來。箱體的作用和一般揚聲器的分頻器作用一樣,只不過這裡是聲學濾波而不是電路濾波。基本上有四階帶通與六階帶通二種,但是六階設計極為困難,所以很少見。
小小知識家:揚聲器的懸吊系統
「阻尼」源自英語 damping,指任何震動系統在震動時,由於外界作用或系統本身引起的震動幅度逐漸下降的特性,以及此特徵的量化表徵。
以車子為例,每台車子都會有懸吊系統來避免路面上的坑坑洞洞傷害到乘客,那我們可以用彈簧當作懸吊嗎?答案是不行的,如果使用彈簧只會使過坑洞時車子還是繼續彈跳。一套好的懸吊系統最重要的功能就是抑制彈跳和震動,揚聲器同樣也需要一套良好的「懸吊系統」,否則振膜會容易在共振時過度震動。單體的「懸吊系統」最主要的就是懸邊與彈波,再來音圈、磁氣路以及擴大機的輸出阻抗多多少少都能幫助提供阻尼。
箱體的阻尼就是裡面的吸音材料,要達到穠纖合度的阻尼量並不是件簡單的事情,像箱體構造與使用的單體種類都該被考慮進去。
如果單體設計不良,會導致阻尼過多或不足。當阻尼不足時,會導致發聲時產生多餘的波動,就很難再現瞬態訊號。如果阻尼過多時,低頻響應將會變差。
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音響入門誌 Soundbody
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德川音箱為減少消費者盲目摸索的過程,提供音響入門者的科普知識與音響設備資訊整合,所規畫的一系列音響入門雜誌。每期都結合了專業嚴謹的音響科學小知識與富含童趣感的音響玩具。一套共三集,分別是揚聲器、藍牙擴大機、DAC耳機擴大機,內容循序漸進,淺顯易讀,幫助您更輕鬆地進入音響世界。