扬声器元件大解析

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扬声器元件大解析


    你可曾听过「单体」(Speaker Driver)这个词？那个只要接上线、就能让音乐变大声的箱子裡，到底隐藏著多少祕密? 是什麽样的机关，让它可以恣意表现出各式不同的效果？

    从釐清音响发声的元件开始，再进入音箱如何影响声波的原理，科学小知识为你敲开音响世界的第一扇门。

扬声器的组成
    一般人大多会把音响设备中发出声音的方盒子称为「喇叭」，另一个较专业的用语则会称之为「扬声器」(Loudspeaker)。既然名为扬声器，就代表它在音响设备中所担负的工作是「发出声音」。这个发声的过程，需经由许多小部件共同运作而成，「单体」就是在盒子中发出声音、通常是黑色的、看起来有点像眼睛的圆形体，同时也是整套音响发声的起点。那我们就从单体构成的原理开始，来了解扬声器的点点滴滴。

单体剖面  奥祕藏在元件中
    每一个扬声器中必定藏有单体，单体是扬声器作动的最重要元件，而根据单体发声方式的不同，可分为动圈式、电感式、静电式、平面振膜式、铝带 式等等。目前市面上所看到的扬声器，95%皆採用 「动圈式」。

    动圈式单体的设计最早出现在 1887 年，当时并不普及，直至一战后，电影事业蓬勃发展，无声电影渐衰，有声电影兴起，扬声器的需求大为增加。 相较于其他种类的单体，动圈式单体发展时间长， 相关制造及投入厂商众多，至今仍是最普遍的单体形式。



声音是如何被我们听见的呢?
「磁电效应」赋予动圈单体生命

单体运作原理
    1819 年，丹麦物理学教授厄斯特(Hans Ørsted, 1777-1851)意外发现，一条通有电流的导线竟会使附近的磁针产生偏转，意味著载有电流的导线周围会产生感应磁场，且感应磁场的方向会随著电流的流向不同而改变。这个物理史上的重大发现即为「电流的磁效应」，也是动圈式单体运作的基本原理。

    动圈式单体的运作力量，来自于单体中间的永久磁铁与音圈。当音圈通上电流方 向不断改变的讯源后，音圈的周围会产生方向不断变动的感应磁场，这个感应磁场 与永久磁铁所生成的磁场交互作用，时而互相排斥，时而互相吸引，进而使音圈上 下运动。

有关载流音圈在磁场中的受力方向，可用「佛莱明左手定则」简单地判别。图 B 截取图 A 音圈与磁铁的一小段来作说明，大拇指代表导线运动的方向，食指代表永久磁铁的磁场方向(由 N 指向 S)，而中指则代表电流方向。当电流的方向为出纸 面时(如图 B 所示)，线受力向上运动;当电流的方向为入纸面时，导线则会受力 向下运动。





    由此可知，随著电流方向不停地改变，音圈会依电流反向的频率上下往复运动， 而与音圈相连的振膜也会跟著上下运动，进而推动空气产生疏密波，进而发出声 音。电流方向变化的频率越快，所发出的声音频率也会越高，这就是动圈式单体运 作的方式。

频率定位 各有专业表现
    了解动圈式单体作动的原理之后，更进一步来讨论不同种类的单体。

    辨别其差异，但在听不见的范围中，人们还是可以透过身体或其它的感官，感受 到声音的存在。例如:当大批动物跑过草原，站在远方地面上的人，会先感受到地 面的震动，才看到跑过眼前的动物、听见跑过时的嘈杂声，因此人类的五感是彼此 影响，进而促成脑中所出现的感受，这是一个複杂的生理运作过程，而追寻愉悦的 路上，正需要了解自己对五感的需求。

    市面上多以「频率」来区分动圈式单体，常见的种类如以下:

1. 超低音单体：工作范围大约在 15 赫兹到 200 赫兹。

30 赫兹以下人耳不容易听见，但身体会感受到。像电影中出现的地震场面，或是火箭发射的震撼感，超低音拥有足够的量感及衝击力，能让听者获得相当大的满足感。

2. 低音单体：工作范围大约在 30 赫兹到 3k 赫兹。

一般而言，低音单体需要较大的体积才能产生较好的表现，作动出厚实的低 音，因此低音单体的直径多在 8 吋以上，又以 12 吋或 15 吋最为普及，常见于 KTV、舞台等宽阔的场所。

3. 中音单体：工作范围大约在 200 赫兹到 4k 赫兹之间。

中音域是分佈在人耳最敏感并且讯源集中的区域，中音单体的发声表现往往能够做到逼真还原，音色乾淨有力，且让人感受到强烈的节奏性。

4. 高音单体：工作范围大约在 2k 赫兹到 20k 赫兹之间。

讯源中的乐器，像是小提琴、吉他等等的乐器都包含了泛音，所以高音单体通常都必须设计成 20k 赫兹才行。

5. 超高音单体：通常是指超过人耳听觉上限 20k 赫兹的高频，工作范围大约在 4k 到 40k 赫兹。

像是海豚、蝙蝠所发出的声波就是超高音。不过既然人耳听不到，为什麽还需 要超高音呢？那是因为超高音虽然听不到，但有助于定位，且让音场更为宽阔。现在的音乐格式例如 SACD，取样频率已经远远超过 20k 赫兹，如果想完整 呈现音乐内容并单就高频作提升，加装单独的超高音喇叭就是简单又立即的方法之一。

    另外还有二种单体的组成形式，这二者因为外观都是一个单体组成的扬声器，有不少人会将这二者搞混:

同轴单体：

    採取複合式的设计，先经过分音器将音频分成二音路（Coaxial）或三音路 （Triaxial），同轴是将高音与中/低音单体，装置在同一个单体中，由于採用同一条轴心线，因此称为「同轴」。採用同轴设计单体的好处是，因二/三音路单体共用相同的轴心，需在振膜面上重合，因物理定位接近同点的声源，所以重新演绎音乐之音场定位表现更为理想。

全音域单体：

    所谓全音域（Full-Range）是以一个单体，涵盖大部份的频率表现。因为没有经 过分音器，也没有声音的损耗、频率被分割与相位的问题，所以高低频到耳朵的时间一致。其强项在于中频的表现，曲线平顺自然，适合长时间聆听，人声、乐器的定位准确，可以听到音乐演奏的微小细节，因为只有一个振膜发出声音，且高低音音色一致，是全音域单体的一大特色。



单体部件材料形状定大局
在动圈式单体中，每一项元件都会影响该单体的表现，以下将针对不同元件的 材质及形状进行更详细的介绍，希望透过这些原理的说明，让您了解单体发声 时的奥秘。

振膜形状决定音域
    还记得小时候用两个养乐多空瓶，在瓶底挖洞后绑上一条线，就可以和朋友说悄悄话的游戏？振膜原理即类似如此，其制成材料及制作时的工艺技巧等，都会大大影响单体的发声品质。而振膜的材料与形状，也会影响单体发声时的状况，振膜的材料选择多元，从纸盆、陶瓷、羊毛到聚丙烯、金属、 木质等，每种材质皆有其特色及优缺点，可以依照每个人听音乐的习惯及喜好来做选择。

   此外，振膜的形状也会影响单体在高低音输出时的表现，或是发声时指向性的强弱。在形状上，可分为锥形、平板、球顶等四种。





悬边用过后才Q弹
    单体组成中，振膜与框架间透过悬边固定，振膜在作动时会进行前后运动，为了使振膜在运动时，音圈维持于中心位置，使单体发挥最佳表现，故悬边的弹性就非常重要。足够的柔软度，才能提供振膜运动足够的恢复力。若悬边的表现不佳，就会像没有上油的机器，无法协助单体进行最滑顺的表现。

    悬边过硬或过软，也会影响该单体在声音输出时的表现。所以全新的单体刚开始都需要进行一段时间的使用，才能使悬边软化，与这颗单体完成最完美的结合，一般将这样的过程称为「Break in」，就像新车上路时，也需要经过一段时间的磨合。





直接用单体发声不行吗?
音箱之必要性
    知道单体是根据「佛莱明左手定则」进行前后运动，挤压空气进而产生声音 的原理后，难免会思考，如果只有单体就可以发出声音，为何市面上的扬声器 却总是要将单体藏在音箱中呢?

    单体跟音箱彼此之间有密不可分的关係。振膜向前运动时，振膜前方的空 气被挤压形成密波，而振膜后方的空气鬆散形成疏波。反之，当振膜向后运动 时，振膜后面形成密波，前面形成疏波。

    如果让单体在赤裸裸的状态下运作，会感觉到发出的声音讯号很空洞，那是 因为在单体连续前后运动之后，前后声波以振膜为分界点进行反作用，并且互相削弱音量。较空洞声音的出现，是因为低音波长较长，造成彼此间容易互相削弱，使讯号仅留下高音的部分，这也让声音讯号变得薄弱。



为了防止这种情况发生，在制作扬声器时，常用 障板来隔离振膜前后的空间，以避免前后声波互相 抵消因而减弱的状况，使讯号能够被更完整呈现，而透过这种方式制作的扬声器，也更容易听到更为完整的声音表现。

但由于低音的波长比高音还要长，为了能够完整地呈现中低音讯号的表现，必须透过无限大障板才能完全阻隔声波，不过这仅是一个理想化的状况， 考虑到使用空间，并无法拥有一个无限大的障板。大约在 1920 年代，出现了将声音包覆在音箱中的 构想，也是你我现在常见音箱的起源。




音箱结构秀出声音魔法
音箱介绍
在寻找扬声器时，单看扬声器的外型，音箱内部的结构通常无法一窥 究竟，但扬声器的运作原理正隐含其中，以下就用剖面方式来解开音箱 结构的祕密。

虽然，听觉感受无法完全透过视觉来了解其差异，然而扬声器的发声 原理，正是物理现象的实作，来呈现完美的声音。

以不同元件及材质组装完成的单体，要有完美运作的表现，还需要搭 配上一个适合的音箱，才能够为不同层次的声音提供最真实的表现平台， 以下让你一览不同音箱设计的原理说明，了解运作及组合的原理之后， 将有助于理解，为何在挑选扬声器时，在听觉感受上会产生那些难以解 释的感受。

障板式（无音箱）


特色：高音清亮，人声表现佳。

原理：障板是最基本的音箱形式，单体要安装在障板的中心附近。透过障板，可以将单体前方与后方的声波隔离，越大的障板越能有效地隔离声波，并且能够听到更多的低音。


密闭式音箱


特色：忠实呈现单体的低音，而且低音反应迅速。

原理：将单体装在一个适当容积的箱子裡，使单体前后方的声波不会互相干扰。听众只会听到单体前方所发出来的声波，而制作音箱的关键就在于「箱体黏合时是否确实气密，不产生漏气」。



低音反射式音箱
特色：若将与密闭箱一样大小体积的两种音箱进行比较，低音反射式音箱 拥有更多的低频量感，因此成为目前市面上最常见的音箱形式。

原理：低音反射式音箱利用单体后方的声波，经过设计过的共振管，让声 波共振并反转相位，增强单体前方的声波，故又称倒相式音箱。

为瓶身空气腔的体积发生了变 化，影响到瓶口空气柱的共振频率，声音也就跟著不同。

传输线式音箱


特色：藉由内部传输管在音箱内摺叠，小音箱也能获得大型落地喇叭的壮 观气势、音场表现及低频延伸。

原理：音箱内部有著长长的「传输管」，单体装置在一端，声波通过传输 管最后到达「开口」。传输管的有效长度越长，越能完整呈现低音 的延伸。



被动辐射器


特色：被动辐射器(参见 P40 上图)从音箱外部看起来与一般单体无异， 检视音箱内部可看出没有驱动系统。特色是可以推动更多的空气， 拥有更充沛的低音。因为不需要电源，也能够发出声音，所以又称 为被动振膜、空纸盆。

原理：被动辐射器的设计方法和性能，与低音反射式音箱非常接近，被动 辐射器是倒相管的一种替代品，它本身也是一个发声器，但不包含 驱动系统，主要随著喇叭振动，音箱内部的空气随之压缩或舒张， 进而被驱动发声。


带通式音箱


特色：从外部触摸不到喇叭单体，只透过通气孔发出声音。好处是不需分 频电路，发声时只有管口的空气策动外接空气运动，造成声辐射。

原理：在长方形的密闭箱中，正中间装一块隔板，把箱体分成二个音室，其中一个音室装个共振管变成倒相箱，另一个就成了密闭箱，在中间隔板上开孔装设单体，单体的尾端在密闭室内，此箱体唯一的开 口就是一个管道，这样的设计常用于低频扬声器。