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12月 07, 2021

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何謂「單體」?看完馬上理解揚聲器--音箱結構秀出聲音魔法

傳輸線音箱 繞出來更低音

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)

  • 特色:

    高音清亮,人聲表現佳。

  • 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。

  • 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

  • 特色:

    忠實呈現單體的低音,而且低音反應迅速。

  • 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」。

  • 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

  • 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。

  • 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。

  • 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

  • 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。

  • 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。

  • 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

  • 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。

  • 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。

  • 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

  • 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。

  • 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。

  • 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
音響入門誌 Soundbody

作者

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。


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