音响设备:喇叭、音箱的设计与特色

音响设备:喇叭、音箱的设计与特色

喇叭的音箱外型跟精致作工总是吸引着我的目光,漂亮的喇叭也有助于提升家里装潢的美感,而每家厂牌的喇叭的大小跟外型差异很大,这些差异究竟跟喇叭的声音表现有没有关系呢? 这一篇就来聊一聊音响设备中的喇叭与音箱设计!

HARBETH LS3/5A音箱

HARBETH LS3/5A 英国绅士般的外型声音就像音箱外型般的醇厚迷人

扬声器(喇叭)决定了一套音响的音色,当然扬声器的单体影响的比例很大,但音箱的设计也是会影响整体音色的走向!

为什么扬声器需要音箱呢?

我们先来了解声音如何产生?假设下面这张图,由敲击鼓的表面,会产生震动,而使空气产生变化,形成疏密波,进而发出声音。

敲击鼓的表面产生了疏密波

敲击鼓的表面产生了疏密波

而扬声器的原理也是一样,当喇叭单体震膜向前运动的时候,前面空气被挤压形成密波,而后面的空气松散形成疏波,反之,当震膜向后运动的时候,而后面的空气被挤压形成密波,前面则松散形成疏波,所以我们可以知道声音是经由疏密波的方式在传递的。

扬声器的原理图

扬声器的原理图

另外扬声器前后发出的声音正好相位成180度相反,这样会发生什么事呢? 可以用下图来说明,如果喇叭不隔离前后辐射的声音,将会产生相位相消的情形,会使单体输出的声音会大大降低,尤其对于波长较长跟低频率的中低音部分更加明显。

为了改善这种情形,可以由障板或者音箱的方式如图所示来隔离前后的声波互相干扰,确保不会发生相位相消的情形,但如果以障版来隔离的话,理论上以低频20Hz,音速340m/s来计算的话,需要17米长的障板才能完全隔离,这可能大的剧院都放不太下8-O,所以主要还是以音箱来改善。

障板或者音箱加持的扬声器

障板的设计无法完全抵挡声音相位相消的问题

障板的设计无法完全抵挡声音相位相消的问题

音箱的种类

音箱除了前面所说的障板(Open baffle)之外,还有密闭式音箱(Sealed Cabinet)、低音反射式音箱(Bass Reflexed, Ported)、传输线式音箱( Transmission line)、背号角式音箱(Back loaded horn, rear loaded horn),都各有特色跟优劣,下面就分别来介绍一下!

密闭式音箱(Sealed Cabinet)

密闭式音箱

密闭式音箱

顾名思义就是在封闭的箱体中装入喇叭单元,由于内部的空气阻尼较大。优点来说,单元的反应速度得到提高,低频十分干净和清晰。但缺点来说相对来说音箱的灵敏度比较低,所以密闭式音箱对于前端扩大器的功率需求会较高,通常需要出动怪兽级的放大器。

气垫式低音音响

美国1958发行AR-3a,由Edgar Villchur发明气垫式低音喇叭,发音原理为长冲程喇叭单体音圈在密闭小型音箱借空气弹性帮助产生低频。

低音反射式音箱(Bass Reflexed, Ported)

低音反射式音箱原理

低音反射式音箱原理

最常见的音箱设计,透过低音反射管来达到较佳的低频量感与延伸,因此反射管的面积、长度、音箱容积都会影响低频的延伸与量感,这种设计的音响通常会看到一个圆形或长条型的孔,而这个孔可能在音箱的前面、后面、下面、上面甚至侧面,没错,六个面都有可能,低音反射设计为音箱设计的大宗。声音特性跟密闭式相反,有量感丰满、下潜出色的听感,不过缺点相比较密闭式音箱,倒相式音箱往往有着更差的瞬态表现跟因为气流的流动可能会造成轰隆隆的声音与失真是该设计的缺点。

L100前置被动式音箱

JBL最畅销L100的最新书架式采用前置被动音箱设计

被动辐射式音箱( Passive radiator)

被动辐射式音箱原理

被动辐射式音箱原理

被动辐射式音箱是低音反射式的另一种延伸性设计,被动辐射式是一种没有磁性回路的假单体,不用接电驱动,最主要的优点有两种,一是它跟低音反射式音箱一样提供较佳低频量感与延伸下潜度,且不会像低音反射式一样,会有从反射孔溢出的中音,二是对于小音箱的设计,低音反射孔长度可能无足够的空间放进箱体,这时使用被动辐射盆设计就可以解决。

缺点则是比低音反射式音箱更陡峭的音频截止曲线、更低的截止频率和更加混乱的瞬态稳定性。另外,由于被动辐射式音箱几乎可以等于密闭式式的音箱,所以通风散热并不突出,需要经过精密计算跟设计,所以也很少看见这种形式的音箱出现在专业音箱上。

Sonus Faber Lilium被动式辐射单体音响

Sonus Faber Lilium 最底下跟头顶上都是被动式辐射单体

传输线式音箱( Transmission line)

传输式音箱(迷宫式音箱)原理

传输式音箱也称迷宫式音箱

传输线式音箱延续低音反射管的设计,箱体内一段段折叠的气道,让背波在气道内移动,渐渐吸收能量,最后只有绕射性强的低频能够从开口端溢出,产生的低音特别干净及沉,且几乎没有箱音(音箱共鸣的染色)问题,设计良好的音箱,低频的下潜和控制相对于低音反射式更好。

传输线式音箱缺点也是超长低音反射管造成的,当低音从长长的管道中跑出来的时候,基本上低音单体也运动结束,这样会造成传输式低音有拖的这种问题,但经过良好计算设计的音箱,是可以克服的。

PMC OB1音箱

知名传输式音箱PMC OB1的剖面图,可以清楚看到传输线的通道,里面还装置了各种阻尼物,厚薄与材质都略有不同,这些都是PMC的秘密 !

背号角式音箱(Back loaded horn, rear loaded horn)

背号角式音箱原理

背号角式音箱原理

除了密闭式音箱,几乎所有的音箱设计目的,都是要从背波撷取低音,但是背波利用效率最高的,非背号角式莫属,单体的背波经过一个渐渐增大的气道,所有的反射声波都会往号角开口的位置溢出,低音反射式音箱的背波利用效率约5%,大部分能量都转换为热能,而背号角式可以高达75% 。

所以背号角式的设计常见于全音域喇叭,因为全音域喇叭低频缺乏量感,加强低音可达到三频均衡的需求,设计良好的背号角式音箱,能让全频喇叭的低音量感可跟分频喇叭相比!背号角的声音最大的特色就是极为轻松舒服,但低频比传输式更拖,更浊,而且拳拳到肉的速度感与能量感比较感受不到。

SST-1 Sound Space Twin Load Horn音箱

1992年Technics推出的SST-1 Sound Space Twin Load Horn音箱,现在看起来还是十分前卫!

Tannoy Westminster天朗西敏寺音箱设计原理

著名的Tannoy Westminster天朗西敏寺音箱,不但有背号角式的设计,同时也有一个前置号角!

箱体的材料种类选哪种好 ?

音箱就材质来说,主要有塑料、金属、木质这三类。那么,不同的材质有哪些特点呢?

塑料材质音箱

塑料是新型的音箱材质之一。塑料材质的音箱外观大多高光华丽,体重轻盈,便于随身携带,颜色多变,外形可塑性强且不怕湿气。相对较低的价格,市面上大部分电脑多媒体喇叭、迷你音箱、甚至不少是户外的蓝牙喇叭的市场,也吸引了许多年轻人的喜爱。但这种箱体在工作时,因为塑料壳的刚性不够,而极易产生箱体谐振,播放声音时有严重的音染,尤其是在大动态大音量时更为严重,因此大多数塑料音响,更适合于低端的娱乐选择。

木质材质音箱

木,是最古老的音箱材质。也是目前使用范围最广的音箱箱体制作材料。但是,实木对湿度非常敏感,不适合比较潮湿的气候环境使用。目前市场上最多的木质音箱采用的是中密度纤维板(MDF),主要以木质纤维或其他植物纤维为原料,经打碎、纤维分离、干燥后施加胶粘剂,再经热压后制成的一种人造板材。密度均匀,表面光滑,厚度为5-30毫米。这类板材有着优良的物理性能,易装饰和加工。

除此之外,还有采用刨花板、胶合板等其他材质制作的音箱,也属于木质音箱,但密度和硬度不如MDF板,内部结构粗糙,成本低廉,做出的音箱音质当然也比较不好。

金属材质音箱

金属音箱也是在近几年才开始出现带有比较高技术含量的产品。这类音箱的价格往往不菲,音质比木质音箱有更色的地方,尤其高频部分的能力,通透性非常好。大家都知道,铁的密度比MDF版高很多,而且硬度也更强,更能够大大减少谐振的产生,将低、中、高三频还原的更精准。

但这类音箱的内部电路设计通常比较复杂,且厂家的金属加工能力和设计能力的要求更高,所以生产金属音箱的厂家有限,但相对于一般木质外观的音箱,有设计感的金属音箱也是融入家里装潢的另一种选择。

B&W鹦鹉螺的音箱设计理念

想必每个烧友都有自己心目中的扬声器逸品,站长就非常想要一对B&W Nautilus鹦鹉螺扬声器,特殊的音箱造型会让人好奇其中的设计理念,刚好可以利用本篇的专题来解析一下B&W Nautilus鹦鹉螺的音箱设计。

B&O Nautilus 鹦鹉螺扬声器

B&O Nautilus 鹦鹉螺扬声器

Nautilus的设计理念为了要实现播放出最纯净,在箱体的设计上花了很大的功夫,破除陈规地实现了箱体接近零振动的扬声器产品,在当时可是世界首见。Nautilus鹦鹉螺是封闭式的音箱设计,但看起来与一般扬声器完全截然不同,外观上,中高音单体后面是由直式锥状与低音螺旋型渐细导管设计而成,一开始为了利用声音导管将单元背后不必要的震动噪音消除,使声音变得纯净,而频率越低,导管长度越长,但低音单体后面无法设计太长的导管,设计团队突发的灵感借镜鹦鹉螺的造型来设计,于是就有了今天见到的模样。

这些导管非常创新并且精密计算的管型,里面填覆吸音纤维的技术,才能够足以吸收每一单体背后无用会干扰声音纯净的声波,确保了从前面传达到你耳朵的声音,是最最最纯净的状态。而鹦鹉螺状造型不仅是师法大自然的创意,也有效解决了低频的输出迫切需要直径为300毫米、长度三米的非锥形管的夸张理论。

另外这个造型特异的扬声器制作材料,来自一家配制纤维增强复合材料的专业公司Raceprep,由于其形状复杂,壳体几乎是由Raceprep工程师完全手工制造,确保了喇叭的强度和耐用性。

看完了上述的音箱设计与功能,是不是觉得非常有趣呢,当然音箱还有很多的设计跟延伸,都是为了获得特定的音色或更好的音质,希望这篇文章有让你更了解音箱设计的原理。


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