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音箱通用原理

1、 引言
目前音箱是按其構造分類的，例如閉箱、倒相箱、空紙盆箱（無源輻射箱）、迷宮箱、二級倒相箱、前號筒箱、後號筒箱、箱式低音炮、管式低音炮、載入式、傳輸線式、管道式等等約有10餘種形式，而每一種音箱都不得有各自的原理解釋，絕大多數解釋的不完全不全面。
人們知道，設置音箱的目的有兩個，一是因爲頻率在1~200Hz以下的低音無方向性，振膜前後方的聲波呈反相狀態，會引起低音聲短路，致使低頻聲壓大跌，因此需用音箱隔離前後聲波；二是單個揚聲器的頻響範圍有限，爲拓寬頻響，需用2只以上揚聲器分別工作在不同的頻段，以達到對高低音向兩端延伸的要求。防止聲短路問題，但背輻射聲波的能量沒有利用起來。爲改善這一弱點，人們又發明了10餘種形式的音箱，在防止低音聲短路的前提下，充分利用背輻射聲波的能量，提高電聲輪換效率，拓寬低頻回應。這10餘種音箱都有各自的工作原理解釋，有些解釋較清楚，有些解釋較籠統，甚至還有一些片面的誤解。這種設計製作各種音箱帶來了難度，爲此，筆者提出一種全新的通用的音箱原理——消音與半消音原理。在充分理解的基礎上，就能舉一反三，設計製作好任意結構的音箱。

2、 音箱的分類
傳統的分類是按箱體的結構分類，而根據消音與半消音原理分類，是按背輻射聲波的處理方式分類，這就將所有的動圈式揚聲器歸納爲一個共同的原理——消音與半消音原理。並分爲兩大類箱形，即消音箱和半消音箱。
2．1 消音式音箱
消音式音箱就是對箱內聲波作消音處理，閉箱就是典型的消音箱，此外，大障板箱、背開口箱、對稱驅動箱、前號筒箱等均爲消音式音箱。通過消音二字，對其工作原理就能大體略知，消音的好壞，直接關係到放音質量的好壞。這裏可把背輻射聲波分爲兩個頻段，分別對待。一段是低音揚聲器裝箱後聽諧振頻段，另一段是低音單元除去諧振頻段後的全部頻段即非諧振頻段。
對諧振頻段來說，未加入吸聲材料時，聲波能量被吸收的較少，能量被轉移消化的較少，因此諧振能量較大，低音單元在諧振頻率處的諧振未受到太多的抑制，振幅依然很大，造成很強的自感電勢，自感電勢與信號電勢共同參與電聲雙向反應（筆者在另一文章提出了電聲雙向反應論），對諧振頻率處的聲波造成最大的波形失真，這是危害之一。危害之二是當電信號停止時，慣性導致大振幅具有較強的餘振，造成聲波拖尾變長，使低頻變得拖泥帶水，産生隆隆聲。這個隆隆聲就是餘振拖尾造成的，是電信號中沒有的新聲波。危害之三是強烈的振幅産生較高的聲壓，該聲波失真又大，又會使頻響曲線的低端凸起，破壞了聲壓的平衡。對音箱來說，減少這3點危害的有效方法就是增加吸聲材料。但吸聲材料的加入量並非越多越好，過多的吸聲材料，雖然減少了前兩個危害，但又造成低音力度不足。這就需要折衷處理，如何掌握吸聲材料的加入量，以什麽爲標準呢？應以反映諧振峰阻尼特性的Q值爲標準，將音箱Q值調整在0.6~0.7之間爲好。當Q值<0.6較多時，阻尼過量，低頻清晰無隆隆聲。如果Q值>0.7較多時，阻尼不足，低頻聲壓雖上升，但是瞬態特性變差，低頻伴有隆隆聲，聲波不清晰。
影響音箱Q值的因素有兩點，一是單元裝箱前的Q值，由揚聲器廠家設計確定，用戶一般只能挑選不能調整。二是箱內吸聲材料的品種和數量可選。這兩個因素是互相影響的，一個方面的不足，可用另一個方面給予補償。但這種補償是有限度的，例如一個自身阻尼不足的低音單元，品質因數Q值過大時，是無法通過增加吸聲材料來使其工作在最佳狀態的，只能使其轉好一點而已。
揚聲器的諧振頻率裝箱後會向上漂移，漂移量的大小，受箱容積和吸聲材料的影響。箱容積越大，吸聲材料越多，向上漂移量越小，反之相反。所以消音箱諧振峰的頻率，由單元、箱容積及吸聲材料共同決定。單元諧振頻率低，箱容積大，吸聲材料多，諧振頻率就低。值得注意的是單元的諧振頻率，這是起主導作用的。如果單元諧振頻率偏高，就不能指望通過加大消音箱容積來延伸低頻回應，因爲單靠增大消音箱容積只能獲得減少向上的漂移量，並不能使音箱的諧振越過揚聲器自身諧振點向下延伸（半消音可以）。一對音箱的低頻表現，應該是頻率低、聲壓足、無隆隆聲。而頻率和聲壓兩者很難同時照顧到最佳值，只能折衷考慮。追求低頻的最佳方案是，單元口徑大（口徑略小但線性衝程長），諧振點低，適當的大容積，適量的吸聲材料。低頻回應的下限值，主要由單元諧振點所決定。任意一隻低音單元，可以配用不同容積的箱體，箱容積偏大時，諧振峰向高峰漂移小，頻響箱容積偏小，諧振峰向上漂移大，頻寬變小，能量較爲集中，使低端聲壓有所上升，箱容積小到一定程度時，會在低頻段的頻響曲線上出現一個上凸區。人們希望在保持聲壓頻響曲線儘量平坦的前提下儘量拓寬低頻下限。

對諧振峰以上頻段的背輻射聲波，即非諧振頻段聲波，則要做最大程度的消音處理，消音越徹底，背輻射聲波對振動體的調製干擾越小，聲染色就越小，下面聲波就越清晰。爲了使消音更徹底，增加吸聲材料的數量是必要的，但不是唯一的，消音需注意以下幾點。

（1） 品種的選擇
不同材料具有不同的吸聲材料，同一種材料在不同的頻率下吸聲係數也不同，吸聲係數大的作爲首選。應該選擇諧振頻段吸聲係數小、其他頻段吸聲係數大的。這樣可在保證最佳Q值的同時，盡可能地加入更多的吸聲材料，對背輻射有害聲波給予更多的吸收，減少有害聲波的影響，提高正面聲波的清晰度。
（2） 吸聲材料的放置方式
這個問題容易被除數大家忽視，例如有的品牌音箱將吸聲材料紮成一個小布袋，隨意丟在箱內，還有不少文章推薦在中間。筆者認爲，放在中間有兩種狀況，一是填滿空腔，二是不填滿，同爲中間效果不同。將吸聲材料分散佈滿各個反射面是最佳方案，好處有兩條：一是分散佈置可降低厚度，使低頻吸收係數降低的幅度大於中頻吸收係數降低的幅度，在保證相同Q值的前提下，可放入更多的吸聲材料，進一步加大中頻波的吸收，從而獲得更清晰的下面聲波；二是分散放置時，反射到箱內各處的聲波都能得到有效吸收。如果將吸聲材料做布袋狀，隨意置於箱內，就會有部分聲波被箱壁反射回到振膜（除非吸聲布袋充滿箱內空間，但這種機會不多），使干擾變大。
（3） 音箱結構設計
傳統觀念比較重視箱板厚度和正面兩側棱角及減少駐波的內尺寸，但忽略了一個非常重要的問題，那就是要將減少背輻射反射回到振膜爲首要目標.筆者見過發燒友將面板做到一寸厚，箱體厚實牢固，但聲染色依然存在。採用特厚的面板，表面看是好事，其實搞不好會弄巧成拙，音染更大了。原因在於揚聲器的背輻射聲波剛出窗口就撞上厚厚的面板孔邊，近距離的大量反射波重返振膜勢必造成更大的音染。對現有過厚的面板，低音單元的面板開孔要由90°垂直邊改造爲45°左右斜邊，減少空氣振動阻力。
只要充分理解了消音式音箱的含義，再融入傳統的設計公式或電腦輔助設計，不難製作出滿意的消音式音箱。
2．2 半消音箱
消音式音箱具有設計調試簡單的特點，音質也很好，但背輻射聲波未能利用起來，低頻失真較大，且低頻下潛不深。而隨後發展起來的半消音式音箱，對這兩條缺陷有所改進，既能減少低頻失真又能拓寬低頻回應，但調試複雜一些，如果沒有對音箱原理的深刻認識，沒有簡單的儀器幫助，很難將低頻和中頻及中高頻部分做好，尤其是中頻和中高頻。
倒相式、兩級倒相式、空紙盆式、迷宮式、帶通式（低音炮）、管道式、後號筒式、1/4波長載入式、傳輸線式、科爾頓式等等，均爲半消音式音箱。它們都有一個共同特點，那就是充分利用背輻射聲波在諧振頻段的能量。通過箱腔空氣諧振與揚聲器諧振的互相耦合，最大限度地將揚聲器諧振能量較變爲箱腔諧振能量，再通過開口或空紙盆將諧振能量輻射出去，從而提高低頻聲壓並拓寬了低頻回應。由於揚聲器諧振能量通過諧振波這根本看不見的空氣彈簧從開口大量輻射出去，加大了振膜的負載，有效抑制了振膜在諧振頻段的大幅振動，從而減少了揚聲器感應電勢的産生，使失真顯著減少，並能大幅提高低音揚聲器的功率承受額。


半消音式音箱的種類雖然很多，結構各不相同，但其工作原理大同小異，例如兩級倒相式，就是在倒相式基礎上，又增加了一個諧振腔，兩個箱腔諧振與揚聲器諧振互相耦合，使諧振頻率處的交流阻抗曲線形成3個小峰，3個阻抗峰比2個阻抗峰更優一籌，能使諧振輸出聲波頻帶進一步展寬，拓展了低頻。調試良好的箱腔諧振，使振膜在此頻段的輻射阻抗大爲提高，負荷的大幅提高使振幅更小，自感電勢更低，失真因此更小，振動衝程的壓縮使其具有更大的功率承受額，比單級諧振（倒相）箱性能更佳，只是調試更加複雜罷了。空紙盆箱與倒相箱原理完全一樣，只是調試方法不同罷了。
帶通式低音炮有兩種結構，一種是閉箱加倒相箱的合成，另一種是兩個倒相箱的合成，工作原理一樣，都是利用2個諧振峰工作在不同的頻段，一高一低，高端一般設計在120Hz~180Hz，低端一般設計在20~60Hz，2峰又疊加後從而輸出一個頻率爲帶通狀的聲波。這兩種箱型原理一樣，但效率不一樣，雙倒相合成的效率略高一些。還可以將一個倒相箱和一個兩級倒相箱組合成3腔式低音炮，讓揚聲器阻抗峰呈3峰的小群峰狀，進一步拓寬輸出頻響，使輸出的頻段更寬更平坦，並得到更高的功率承受額，更高的電聲轉換效率，更低的失真，更低的低頻。管式低音炮和箱式低音炮儘管造型不一，實際工作原理是相同的，但兩者效率略有差異，管式效率更高些。不同的管徑也略有差異，圓管內截面與振膜振動面積接近時效率最高，相差越大效率越低。倒相管的尺寸也關係到效率高低，大而長的比小而短的效率更高些。
科爾頓式是閉箱加帶通箱的合成，而迷宮式、管道式、後號筒式、1/4波長載入式、傳輸線式，儘管形狀不一，名稱不一，內涵卻是一致的，具有與倒相箱相同的工作原理。都是利用箱腔諧振與揚聲器諧振的互相耦合，將揚聲器諧振能量耦合到箱腔諧振，再通過開口輻射出去，同時降低了揚聲器在諧振頻段的振幅，減少了感應電勢，從而改善了失真，並提高了功率承受額。
半消音式音箱的背輻射聲波，同消音式一樣，也是分爲兩個頻段，即有用的諧振頻段和有害的非諧振頻段。相同的是，對有害聲波要盡一切手段，最大限度地做消音處理，減少有害聲波對內對外的干擾，從而提高下面聲波的清晰度。不同的是對諧振頻段的處理，消音式只是作簡單的部分消音，讓反映諧振峰阻尼特性的Q值保持在中等程度。半消音式除對諧振給予部分消音，讓Q值保持在中等程度外，同時還對諧振波作最大限度的利用，達到拓寬低頻回應，減少失真，提高功率承受額的目的。
3、 總結
綜上所述，消音式與半消音式，都遵循一個共同的原理，即消音與半消音原理，對諧振頻段作有限消音，對非諧振頻段全消音處理。遵循這個原理，就能做好任意結構的音箱。
低音炮沒有非諧振頻段信號輸入，故不存在消音和自身的聲壓平衡問題，因此也不存在半消音問題，所以低音炮不需加入任何吸聲材料，只要將阻抗峰調整到等高狀即可。放音時的聲壓平衡由音量控制。