扬声器的几种发声方式 - 基础理论室 - 声学楼论坛

目前绝大多数的扬声器(俗称喇叭)都还是用传统的锥盆式单体前后运动发声，比较学术性的说法，这些喇叭叫电动式（Electrokinetic Dynamic）或动圈式（Moving Coil）。早在一八七七年德国西门子的Erenst Vemer就获得了动圈式喇叭的专利，不过真空管迟至一九0七年才正式运用，而爱迪生最早的唱机是唱针直接带动振膜而后经号角放大发声，所以西门子的专利一直没有用上。一九二0年美国奇异公司的Chester Rice与 Edward Kerrog还有爱迪生贝尔公司的P. G.Hokuto才首度发展出实用的动圈式喇叭，七十多年来，除了材料不断改良外，你记为喇叭科技真的有进步吗？下面是几种常见的喇叭发声方式：
一、动圈式。基本原理来自佛莱明左手定律，把一条有电流的道线与磁力线垂直的放进磁铁南北极间，道线就会受磁力线与电流两者的互相作用而移动，在把一片振膜依附在这根道线上，随著电流变化振膜就产生前后的运动。目前百分之九十以上的锥盆单体都是动圈式的设计。
二、电磁式。在一个U型的磁铁的中间架设可移动斩铁片（电枢），当电流流经线圈时电枢会受磁化与磁铁产生吸斥现象，并同时带动振膜运动。这种设计成本低廉但效果不佳，所以多用在电话筒与小型耳机上。
三、电感式。与电磁式原理相近，不过电枢加倍，而磁铁上的两个音圈并不对称，当讯号电流通过时两个电枢为了不同的磁通量会互相推挤而运动。与电磁是不同处是电感是可以再生较低的频率，不过效率却非常的低。
四、静电式。基本原理是库伦（Coulomb）定律，通常是以塑胶质的膜片加上铝等电感性材料真空汽化处理，两个膜片面对面摆放，当其中一片加上正电流高压时另一片就会感应出小电流，藉由彼此互相的吸引排斥作用推动空气就能发出声音。静电单体由於质量轻且振动分散小，所以很容易得到清澈透明的中高音，对低音动力有未逮，而且它的效率不高，使用直流电原又容易聚集灰尘。目前如Martin-Logan等厂商已成功的发展出静电与动圈混合式喇叭，解决了静电体低音不足的问题，在耳机上静电式的运用也很广泛。
五、平面式。最早由日本SONY开发出来的设计，音圈设计仍是动圈式为主题，不过将锥盆振膜改成蜂巢结构的平面振膜，因为少人空洞效应，特性较佳，但效率也偏低。
六、丝带式。没有传统的音圈设计，振膜是以非常薄的金属制成，电流直接流进道体使其振动发音。由於它的振膜就是音圈，所以质量非常轻，暂能返应极佳，高频响应也很好。不过丝带式喇叭的效率和低阻抗对扩大机一直是很大的挑战，Apogee可为代表。另一种方式是有音圈的，但把音圈直接印刷在塑胶薄片上，这样可以解决部分低阻抗的问题，Magnepang此类设计的佼佼者。
七、号角式。振膜推动位於号筒底部的空气而工作，因为声音传送时未被扩散所以效率非常高，但由於号角的形状与长度都会影响音色，要重播低频也不太容易，现在大多用在巨型PA系统或高音单体上，美国Klipsch就是老字号的号角喇叭生产商。
八、其他还有海耳博士在一九七三年发展出来的丝带式改良设计，称为海耳喇叭，理论上非常优秀，台湾使用者却很稀少。压电式是利用钛酸等压电材料，加上电压使其伸展或收缩而发音的设计，Pioneer曾以高聚合体改良压电式设计，用在他们的高音单体上。离子喇叭（Ion）是利用高压放电使空气成为带电的质止，施以交流电压后这些游离的带电分子就会因振动而发声，目前只能用在高频以上的单体。飞利浦也曾发展主动回授式喇叭（MFB），在喇叭内装有主动式回授线路，可以大幅降低失真。这些设计目前都不是主流，我们有机会再来探讨。
传真：Hi-End音乐永远无法达成的梦想？
在Hi-End这个名词没出现时，音乐圈内流行的用语是「高传真」（High-Fidelity，简写Hi-Fi）但是到今天我们扪心自问，我们到底离这个标准带有多远？
举个例子：如果你走过大街上，啊到旁边大楼里某一间房间中有人在窗口吹萨克斯风的话，我们就算不知道那是哪里在吹萨克斯风，我们也可以在第一时间内判断出那是个真正地萨克斯风，而不是音响内播放出来的。为什么？那甚至不是立体声，只是一个物体在空气中发出来的声音啊！我想这是因为我们人耳能够捕捉到最细微变化，而在迅雷不及掩耳的速度下将它分析出来。
这们说来，要达到高传真的声音要有那些条件呢？
第一是要有够强的量感。为何一台钢琴在音响上播放总是和真的钢琴有差别？因为真正的钢琴有庞大的体积作为共鸣箱，而一般的喇叭不管如何，很雄厚有像钢琴一般的声体积或表面积（大要忘了真正在发音的是单体而非音箱）。
第二要有够快的反应。喇叭单体虽然已经可以极快速的运动，但是有振膜就有质量，有质量动作就会迟缓，所以，平面振膜发出的声音总是能让人「几乎忘了它的存在」，道理就在这里。但是平面振膜的能量感又不及传统喇叭，为了求强大的能量又要加大振膜面积、加大质量，反应快的优点就没有了，够矛盾吧！
第三当然要有足够的细节。CD所损失的细节大一箭双雕人耳可以查觉的地步，所以至今仍有许多人认为LP较为传真。
第四音质色要能够真。这也是Hi-End一直强调的部份，如果有任何的音染，人耳可以很清楚的辨别出这不是真的。
第五要有够安静的北景。空气中本来就存在许多环境噪音，如果录音中再加入背景噪音，不自然的感觉就出现了。当然还有很多因素不过这些就够我们好好返省了，我们花了大钱投资的器材到底做到了那些？其实以目前的科技来说，这是不可能做到的，首先你使用的录音够不够资格就是个大问题。有什么录音能够让您判别传真度？这里举出一个不错的例子：Sheffield Lab最新推出的A2TB「My Disc」（10045-2-T/极光）这张测试片第十九段中收录了一个人从一数至二十五，虽然是这么简单的片段，却考倒不少系统，可见要「传真」有多难！Coda纯净无杂质的音响特性使很多录音听起来都格外传神，朝向真的目标更进一步了。
单比特与多比特
数码转换器的基本构造，通常分为接收、数码滤波、数/类转换、I/V转换、类比放大等机个部分。以下仅就数码滤波与数/类转换作一浅释。
CD的取样频率为44.1KHz，这个规格的制定是根据Nyquist的取样理论而来，他认为要把类比讯号变成分立的符号（Discrete Time），取样时的频率至少要在原讯号的两倍以上。人耳的听觉极限约在20KHz，所以飞利浦在一九八二年推出CD时就将其制定为 44.1KHz。取样是将类比讯号换成数码讯号的第一步，但精密度仍嫌粗糙，所以超取样的技术就出现了。一般八倍超取样就等於将取样频率提高到 352.8KHz，一方面提高精度，一方面经过DAC之后产生的类比讯号比较完整，所需的低通滤波器（滤除音取样时产生的超高频）次数与斜率都可大幅降低，相位误差与失真也都会获得巨大改善。不过CD每隔0.00002秒才取样一次，超取样后样本之间就会产生许多空档，这时需要有一些插入的样本来保持讯号完整，而这样的任务就落在数码滤波器身上（Digital Filter）。比较先进的设计是以DSP （Digital Signal Processor）方式计算，以超高取样来求得一个圆滑曲线，例如Krell的64倍超取样，但目前只有Theta、 Wadia、Krell、Vimak拥有这样的技术。另一类数码滤波是事先将复杂程式与在晶片中，有类似DSP的功能，日本Denon、Pioneer 皆有这样的设计。最普通的方法是利用大量生产的晶片，NPC、Burr-Brown都有成品供应，当然效果会受一些限制。
在数码滤波之后，就进入DAC了，从这里开始有单比特与多比特的区别。多比特是数码讯号通过一个电流分配器（Current Switch），变成大小不同的电流输出，因为数码讯号是二进制关系，所以DAC的电流也以1、2、4、8的倍数排列。每一个比特分别控制一个电源分配器，随著音乐讯号变动，输出电流也跟著改变，接下来是一个速度很快的I/V转换线路，把这些电流变成电压，再接下来经过低通滤波器，完整的类比讯号就出现了。一个二十比特的DAC，其输出电流变化是1，048，576个，解析度已经相当高了。现在最常用的二十比特晶片有Burr-Brown的PCM-63与改良型PCM-1702，最贵的大概是Ultra-Analog的模组。
比特流（Bitstream）是飞利浦八八年提出的技术，构造很单位。首先二进制的数码讯号进入一个有参考电压的模组中，输入讯号比参考电压高输出就是非曲直，反之则为0；第二个讯号再与第一个讯号比较，更高的就输出1，较低输出0…以此类推。因为它只比较间的大小，所以样本要增加，需要更高的取样频率，从早期的256倍到最新的384倍就是个好例子。只有一个比特的讯号会进入一个叫开关电容（Switched Capacitor）的DAC中，还原成类比讯号。常用的单比特晶片都是飞利浦制品，最早有SAA7320，现在则把SAA7350与TDA1547合在一起称为DAC7线路，Crystal也有类似产品。
何者为优并无定论，唯一可以肯定的是绝大部分高价机种都是多比特设计。
德国喇叭高音比较多？
你如果问德国汽车马力比较大吗？得到的答案应该都是肯定的。德国有无速限的高速公路，时速150公里以下的车通常都还不敢开在内侧车道，偶尔一个闪亮的身影擦身而过，令心理紧张得猛然一缩，不禁要怀疑那急速远去的小黑点是不是马表早就超过200了。在佩服德国人守法的道德之馀（想想台湾如呆有这种高速公路，你敢开吗），对那坚固异常，性能卓越的德国汽车更是崇仰得不得了。
接下来问德国的喇叭高音都比较多吗？这要找答案就不太容易了。基本上，德国人设计音响就跟制造一样，在尽可能范围内要发挥其极限能力。德国汽车开起来安全、耐用，却不一定很舒适。德国音响看起来雄伟、看起来规格优异，却也不一定都很好听。从标示的物理规格来看，任何一对德国25KHz的更不在少数，的确德国喇叭的高频延都比较大厉害。并不是德国人天生都长著一对蝙蝠耳朵，需要听那么高的声音，这样的发展其来有自。
根据Elac老板Wolfgang John的说法，在LP时期因为大部分的黑胶唱片都经过压缩等化，高频的响应曲线绝不平整，要再生极高频的讯号也几乎不可能。任何是都毫不妥协的德国工程师於是想出一个方式，他们把喇叭的高频以上强调一些，刚好和LP的缺陷互补，即使是压缩严重的DG金属刻板LP，在这样的喇叭上播放一样能把失去的空气感找回来。当然，这个时候德国音响多数还是内销，德国人都能接受这样的声音美学。
进入数码时代后，一些来不及，或不知道修改的设计继续贩卖，而再烂的CD唱盘也能重播20KHz的极高频，因此那些德国喇叭就像雪上加霜，让人留下很不好的印象。但是新一代设计的德国音响早就没有这些问题了，他们还是保持非常好的延伸效果，整个频段也修饰得平顺无比。好的德国喇叭在延伸之外，细致的质感与高雅的韵味也是加紧的民族很难学得来的，目前只有一些廉价产品受成本所限，比较无法考虑到「美」的层次。附带要说的是，德国人所标列出来的规格你最好相信，他说有30Hz的低频延伸，就不会缩水成40Hz；他说有100瓦的输出功率，也肯定不会让你漏气。德国喇叭高音比较多吗？不多！不多！说不定是别人太少了呢。
有关同轴喇叭
在任何一种平面振膜喇叭（铝带、静电、音圈贴覆式）上，由於高频到低频发声动作都是同时进行的（如果有高低分音又另当别论），发出来的声波像一条线一样往前方扩散，我们称之为「线音源扬声器」。传统有音箱的喇叭，为了求得更精准的定痊与相位，并假设自然乐器发声是在一个点上，因此利用喇叭箱的特殊构造，让每一个单体的磁铁与音圈都在同一个垂直轴线上排列，我们称这为「点音源喇叭」。Duntech与Hales是「点音源喇叭」最好的范例，而Pioneer 或JBL K2等上下两个低音夹的新潮流，一些小型喇叭将两个单体尽量靠近摆放，也可获得类似点音源的效果。在这两种设计之外，还有种历久不衰，多年来一直有人支持的「同轴喇叭」（Co-Axial或Concentric）。
同轴喇叭的启始者是Tannoy，他们在五0年代就设计出第一个同轴单体。顾名思义，同轴就是指高音与中低音的单体发声点是在同一条水平轴线上，这比点音源喇叭的垂直轴线似乎更能提供正确的相位、振幅与最佳的扩散角度，只要聆听时耳朵的位置与单体的轴线对齐，整个频段的声音会同时到达聆听位置。在 Tannoy之后，也有不少广家跟进开发同轴式单体，不过最有成就的仍是英国KEF，他们的设计称为「同时同轴」（Coincident）。原来 Tannoy新一代的同轴单体，低音与高音的音圈、磁铁不仅分离，位置也不相同，高音比低音略前，而还加上一个金香型的道波器，有类似号角的扩散作用。 KEF发表的Uni-Q单体则是将低音与高音结合在同一块底盘上，如此除了发声点「同轴」外，也具有「同时」的作用。美国Soundwave的同轴设计也很特别，他们将一个传统高音用「悬吊」的方式，直接挂在低音单体的正中前方，一方面有同轴的优点，一方面又减少了传统的同轴单体因为「大号角作用」引起的极高频衰减。
同轴嗽叭可以得到很精确的中音，却一直很难空破极高频与极低频的极限。Tannoy的GRF必须使用十五寸的特大单体与强力的Al-ComaxⅢ磁铁，才获得理想的低频延伸。DEF则发表了空腔耦合设计，利用多个低音单体的动作来取得进一步效果。

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