Hi-Fi音箱的设计理念与技术原理

Hi-Fi音箱的设计理念与技术原理作者:张百良首先介绍一下箱体设计。箱体设计常见有三种类型，即闭箱、倒相箱、传输线箱。闭箱最早是AR公司发明的技术，早先一直是采用障板式设计，也就在AR发明了所谓“气垫式”专利后（即闭箱）才名符其实地成为音箱了，闭箱的特点是低频力度好、反应迅速、低频清晰有力，但是下潜深度有限，低频量感不足。传输线箱是利用声导管的原理，将单元发出的后向声波经一段声导管后，在某一低频率处与前向声波同相迭加，从而得以获得较好的低频下潜深度。但是声导管的长度需为几十赫兹声波波长的一半，约需几米长，这样后向声波与前相声波之间虽然相位同相，但有一个几十毫秒的时间延迟，所以大多数传输线箱的低频量感虽然不错，但瞬态较差，低频较为混浊无力。纵观目前世界Hi-FI市场，传输线设计基本上很少看到了，笔者的个人观点是传输线箱或许会逐渐消亡，倒相箱与传输线的出发点是相同的都是充分利用后向声波来加强低频频下潜，但倒相式用的是用集中参数谐振工的倒相方式，来代替传输线式半波长声导管的分布参数倒相方式，这样虽然同样将声波倒相了，而附加的时间延迟却只有十毫秒左右，并且倒相式结构简单，易加工、易调节，故此目前倒相式与闭箱成为目前设计的两大系统，其它较常见到的还有空纸盆式（被动辐射式），其原理与倒相式相同，且超出本文的范围之外，故不作介绍。倒相箱与闭箱相比较，各有千秋。闭箱好在有力度、瞬态好、清晰，听古典音乐，尤其是室内乐极佳，所以像英国ATC等独钟于闭箱。而倒相箱好在低频下潜较深、量感足、承受功率大、灵敏度高，比较全面能胜任各种场合。熟优熟劣只能凭各人喜好了。监听一号音箱设计时为求低频下潜深度以及适应性采用的是倒相式设计（而实际上也完全可以作闭箱），为了保证低频大音压下不出现功率压缩，或气流声，则倒相管的直径不易过小。实际设计时，计算公式仅是一个参考，最终要用耳朵较声来调整。设计完箱体尺寸后，就要考虑箱体制作方面的要求：首先就是箱内吸声材料的选取，吸声材料的不同，能够显著改变箱体有效体积。有些发烧友受国内一些发烧文章的误导，迷信采用玻璃棉或石棉来作吸声材料，玻璃棉的吸音效果虽然较高，并且具有绝热膨胀的优点，但实际上，除非单元不合适，设计出的箱体体积过大，如国内一些低档的高Q、高等效容积喇叭那样，需要采用玻璃棉来减少箱体实际体积外，采用玻璃棉并无太大的优点，而且玻璃棉在音箱中的使用。采用普通海绵、晴纶棉或者长羊毛棉，可以很方便地设计出音质上佳的音箱。监听一号由于设计体积为18升左右，故在设计时选用的就是中泡通孔海绵。箱体板材的选取与处理对箱体音质的影响是巨大的。对板材的要求是相当的刚度与内阻尼衰耗特性。目前较好的选材是中密度纤维板（MDF），只是国产的中密板质量较差，要用高密板才能达到进口MDF的效果。但是中密板的内阻尼效果依然不够，我们采用内壁贴附特殊配制的沥青板的方法弥补。这种沥青板阻尼特性一年四季都较稳定，并且阻尼度极佳。先在开好料的箱板板材上涂上一层木工胶，将沥青板放置居中，并且大头的钉子间隔4-8cm钉牢，这样箱板与沥青板成为一个有机的整体，可以基本上做到“只有喇叭发声，绝无箱板发声”的理想。谈完箱体的设计，就要谈一下音箱的心脏部分分频器的设计，毫无疑问，分频器是一对音箱的灵魂，它直接决定了音箱的音色，但以往的一些发烧友对于分频器存在着一些机械的认识，如有人曾撰文“痛斥”一阶分频（-6dB/oct)，认为具有无限大衰减的理想滤波器才是最佳选择，也即滤波器的阶数越高越好，衰减斜率越大越好，这种看法一是只肤浅地看到了分频器“分”的作用，二是机械地看到了分频器由高低通滤波器组成这个问题。关于分频器，我想谈一点哲学，国内曾经片面地宣传“一分为二”，而忽略了“合二为一”，而实际上笔者觉得，“一分为二”为表，“合二为一”为本，高音单元音色明亮，可喻之为“阳”，低音单元音色低沉深厚，可喻之为“阴”。阴、阳有对立的一面，也有相互包容的一面，是故古代之太极黑白鱼的图形，并不是一个圆劈为两半这样简单，而是阳之尾就是阴之头，首尾相连，相生相化，并且黑白鱼的眼睛，更是阴中之阳，阳中之阴的所谓至阴至阳，回到分频器来说，其作用与其说是分割阴阳，勿宁说它是调合、融冶阴阳于一炉。试想一下，如果分频点以下，单是低音单元发音，分频点以上单是高音单元发音，那么音色岂不是被割裂了，音像定位也会上下跳动，决无可能达到较好的音质。相反，如果单元质量优良，则在分频点以下以低音单元为主，高音单元为辅，分频点以上则反之，则分频点处由于分频器的调度之妙，将高低音单元这两个音色等各不相同的“阴”与“阳”有机地融合为一体，可以得到较佳的音色。通过以上分析可以看出，在单元性能有保证的前提下，较低阶的分频器肯定是优于高阶分频器的，尤其是考虑到高阶滤波会带来的较大的相位变化与较大的时间延迟，低阶滤波的优点是不言而喻的。当然低阶滤波对单元要求相当高，如果分频点较低，而滤波阶数也较低的话，高音单元的功率负担就越大，这也是监听一号设计中高音滤波用了二阶，而低音用一阶的原因之一。决定高、低音滤波的阶数配合还要考虑到单元本身在分频点处相位的衔接问题。通过高低通滤波的相位差来弥补单元滤波会带来的较大的相位变化与较大的时间延迟，低阶滤波的优点是不言而喻的。当然低阶滤波对单元要求相当高，如果分频点较低，而波波阶数也较低的话，高单元的功率负担就越大，这也是监听事情设计中高音滤波用了二阶，而低音用一阶的原因之一。决定高、低音滤波的阶数配合还要考虑到单元本身在分频点处相位的衔接问题。通过高低通滤波的相位差来弥补单元之间的相位差，以获得较平直的相频响应，而平直的相频响应是中频音色纯美自然的必备条件，我在此推荐N601与T301配合时，分频点取在2.5-3KHz之内时，以高通滤波比低通滤波高一阶为佳。其次是阻抗补偿，由于低音电感在分频点的作用不可忽视，故加以适当的阻抗补偿电路为佳，但补偿一定不要过头，否则会对音色带来较大的劣化，以补偿后的阻抗不低于补偿前阻抗曲线的最小阻抗值为佳，对于高音灵敏度的调整以L型电阻衰减网络为佳，单个电阻衰减并不会节约多少成本，而对音色又无好处。最后还要提一句，一定是双线分音为佳，至于有些朋友讲有些单线分音的箱体改双线分音后高音过多的问题，是由于其原设计是单线分音，为了抵消低音串扰对高音的掩蔽效应而将高音的灵敏度调高了一点，改双线分音后，要将高音衰减加多一点，对于本身按双音设计的就无此问题，关于双线分音可以参考《音响世界》上我的一篇文章。设计后的音箱做出样箱后还需要进行一系列的测试调整，包括阻抗测试、幅频测试、相频测试以及失真度频响曲线、落水图或者瞬态响应等，发现问题进行改进，作为专业设计一定是在测试无问题后才进行人耳校声调整的，因为无科学的基础就谈不上艺术，“皮之不存，毛之焉附”。对于业余制作，如无测试条件，这一顶只能付之阙如，就一定要认真研究厂方提供的测试曲线，并且吃透原设计，并且在人耳校声一关多花功夫，才能弥补测试条件的不足。前面谈了很多，仅是音箱设计的技术部分，对于高级Hi-Fi来讲，这或许仅占四成，而人耳校声等艺术部分对于一个好的设计来说却占到六成。上面谈的那些技术部分虽然繁杂，却毕竟有迹可循，只要下一番功夫，是可以吃透掌握的。而“人耳校声”这部分不仅要求多听常听，对现场音乐有丰富的经验，对于高档知名器材有深切的了解，更关键的是要求具备较深厚的文化艺术根底，对哲学的了解或许不无帮助。正如欲语所言“功夫在诗外”，仅学做诗只能成为“诗匠”，只有博学人文地理等诸般学科，才能冶诸家之长于一炉，铸就磊磊大观的“诗才”，以此推之，我们或许可言，“功夫在Hi-Fi外”，这仅指校声，并且是顶级的要求（对于一般Hi-Fi或许只要适当的技术积累和Hi-Fi经验）。关于校声，为求得Hi-Fi所追求的中性，必须广泛的用各类音乐来校声，因为一种音乐往往只覆盖某一段或某几段频率，用各种音乐来校声，可以最大可能地把整个频段调至最佳。音乐信号中，我个人觉和人声可能是最复杂、最难重放的，古语有“丝不如竹，竹不如肉”之说，这“肉”就指人声，而同时人声又是人们最熟悉、最容易挑剔的。把人声重放好是非常关键的。并且人声对中频段的幅频平坦、均衡、相频的平直等都非常敏感，所以人声往往是设计师校声的最常用手段之一。听人声校声时，要注意口型、定位、韵味。口型聚焦清晰和定位准确稳定与频响的平直、左右声道的平衡都有很大关系。而人声的韵味则与相位曲线的平直有着莫大的关系，相位设计乃是这十年来国际上刚刚兴起的技术，监听一号的人声纯美，除了单元质量的贡献外，相位设计功不可没。其它，如用大提琴、炮声、鼓声来校低频，小提琴独奏来校中高频与高频的定音，而且打击乐中钹等来校超高频的泛音解析力，而大型的交响乐可以校音场的宽深以及大动态与复杂场面下的音像定位，而钢琴音域宽广，泛音丰富，其音粒的质感与泛音的音色对各频段的平直响应，有着极高的要求。在有条件时，校声可以拿一些国际知名有定评的音箱作为参考，比如用ATC20的高、低频作为参考，或者以它的均衡度为参考，以Harbeth的3/5A来为人声参考，以ATC和Alon的大场面重现为参考等等。这里提醒一下发烧友，校声是一个极为复杂的工作，一是要反复校多次，二次要测试与校声并行，不要校声出来的音箱背离了理论的指导，一定要校声、测试交叉进行，务求艺术与理论的高度统一。