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“寒假作业”----谈谈801配套音箱的设计

作者:zdj 日期:2012-02-23 人气:1762 来源:广播论坛 添加:5BCL.com 
R801音箱还在设计调试中,利用春节假期,这里谈谈我对R801配套音箱的一些设计考量。R801系列台式收音机在本坛上的用户近300人(含 801-3D和R803),不算一个小群体。由于801设计时,就是按照“收音”和“音响”两相宜来设计的,要充分发挥801系列的“音响”性能,外接一对好的音箱就成为必须。外接音箱在801初推出时就有规划,但是设计一对什么样的音箱是我一直犹在思考的。原因是要给大家带来什么样的声音。市场上有各式各样不同的性能、价格和外观各异,有许多可选择。如果我做,要给801的用户提供一个什么样的?无论怎样,我想有几点可以确定:1、合适的;2、声音很好的;3、外观协调的;4、市面上买不到;5、有设计思想的。

1、    合适。R801首先是一台收音机,应该对广播节目的人声和音乐有很好的表现。其次R801还是一台Hi-Fi级别的胆机,其声音的特色应该表现胆机的细腻与柔美。R801的输出功率大约为每声道20W(RMS)。相对收音机而言,功率相当不小;对音响而言,虽不算小,但也不是很大。为保证整体效果,我确定音箱的灵敏度应在88dB以上,这样收音、音响两者可以兼顾;箱体的体积不要太大,也不能太小,书架箱或半书架箱。
2、    声音必须好!声音要达到Hi-Fi级别,要有独特的魅力,要让聆听者坐在它跟前,愿意享受它,要有久久不愿意离去的感受。
3、    外观协调就。就是要与原801系列的外观保持基本的协调。对这一点是我最难抉择的。由于成本的限制,不能在外观上花钱多。原来参考天朗的设计,一对音箱加工费用在2500元左右(已经打了一对箱体回来)。对此,为保证性能,只能选用相对简洁的风格了。
4、    市面上买不到的。如果仅从字面上理解,这一点看似很容易做到。但我的意思是:市面可买到的音箱都不会比我自己设计的音箱在性价比上、声音风格上、适合度上更好。
5、    有设计思想的。这一点是非常重要的,是能体现我们配套音箱价值的。什么是设计思想,它的意义和价值在哪里?对此,下面将着重笔墨来讲讲。

传统的或主流的音箱大致分为以下两类:1、倒相结构的音箱(含采用被动盆的);2、密闭结构的音箱。市场上采用倒相的音箱大约占80%左右,密闭结构的音箱大约占20%左右。我们这里就有几个问题要问:1、为什么要用音箱,采用音箱后的优缺点是什么?2、倒相箱作用和优缺点是什么;3、密闭箱的优缺点是什么;4、不用倒相结构或密闭结构是否还有其他选择?下面我来说明这几个问题。

我们先看看扬声器(喇叭)的发展过程。扬声器的发明大约是在 1877年,经过前人的研究和实验,人们发明了多种扬声器,但是总是不能得到很好的低音效果。原因有二,第一是本身的原理造成得不到很好的低音表现;其次,也是最主要的原因是,扬声器都是双面发声,而且反相,如果只是简单将扬声器安装在一块面板上,在低频段的声音相互抵消了,所以我们听不到很好的低音效果。

下图是一只全频喇叭(注意不是801配套音箱的喇叭)在无箱体时测量的频响曲线,通过这个曲线可以看到,由于“声短路”现象的存在,在500Hz以下开始往下掉,在低频感受明显的100Hz左右下跌超过了10dB:




后来人们发明了音箱,就是将扬声器装在一个箱子内,让扬声器两面发出的声音完全隔离开,这样就避免了在低频段的声音相互抵消了,从而得到了比较理想的低音效果,目前市场上在卖的和一些场所用的许多都是这类有箱体的音箱(这就是闭箱)。

同一只喇叭,装入箱体后的频响曲线:




通过比较,我们可以看出扬声器装入箱体后声短路现象消失后,变得“有低频”了!





但是,音箱本身存在与生俱来的缺点,就是箱染和对箱体内多次反射声对扬声器的二次声调制问题。在扬声器上加装了音箱,我们解决了扬声器有低音的问题,同时音箱对扬声器的发声也无法避免的产生了负面影响。那么具体有哪些负面的影响呢?大致有以下几点:

第一,    扬声器背部发出的声音被控制在音箱内,不能传播出去,只有通过音箱内壁的多次反射经过箱内空气的摩擦自然衰减而消失,在这多次反射的过程中,会反复作用在扬声器的背部振膜上,从而影响了振膜的正常发声,产生了所谓对声音多次调制的问题。举一个极端的例子,扬声器收到一个信号而发声,如果没有任何外界的影响,振膜应该移动1毫米,但是由于1秒钟之前扬声器背部发出的声音还没有消失,作用在扬声器纸盆的背部,而扬声器的振膜因此只移动了0.5毫米,这样我们听到的音乐就和正确的不同了。而且,当我们再听一首乐曲时,扬声器收到的影响总是来自于之前的声音,而乐曲每个时间点的声音都是不同的,也就是说,扬声器收到的影响也是每时每刻都不一样的,那我们所听到的音乐都是不真实的,都是被前面的乐器调制过的。虽然这部分声调制的能量与放大器送来的能量比是要小不少,在远距离聆听时,这种“声调制”不会明显被感觉到,而到近距离聆听时,这部分“声调制”的声音就会被聆听到,进而影响了近距离聆听者的音质。人们在设计音箱时也想办法去解决这个问题,如在音箱内添加吸音棉,以图尽量吸掉扬声器背部发出的声音,消除对扬声器震动对声音调制的影响,但是这个只对中高频部分的声音相对有效,但对于中低频的声音是没有什么效果的。

音箱正面的频率相应:




音箱内部的中低频相应:





第二,    每个音箱做成后都有固定的形状和尺寸,都会产生一定的驻波,不同的只是驻波的频率和强弱不同,而驻波的信号的衰减时非常的慢。首先驻波会对扬声器振膜的振动产生影响,其次,驻波会通过音箱的壁传播到我们的耳朵,是的我们听到的音乐被动增加了原来没有的声音,最后,驻波会使得音箱产生杂音。人们通过音箱的形状结构以及增加音箱壁的强度(如加厚壁厚)来解决驻波问题,但是只能降低不能彻底消除。这些驻波会强化上面第二点所提到的问题。同样,因驻波产生的杂音,在远距离聆听时感受不大,但在近距离聆听时就比较明显了。

第三,    每个音箱都是近似于一个封闭的空间,那么在这个封闭空间内的空气就相当于一个弹簧,而扬声器的振膜就连接在这个弹簧上,所以振膜的振动不是自然状态的了,始终有一个弹簧再影响它。就好像箱体的空气对喇叭的纸盆存在“粘性”,阻止它向前或向后移动。并且这个弹簧的顺性C并不是一个常数,它并不遵守胡克定律。当这个弹簧被拉长(压缩)不同的位移时,它的顺性C 是不一样的。振膜发出高音是位移小,而发出低频时位移大,那么这个弹簧对振膜的影响也是不一样的。我们在听一首音乐时,肯定包含了低音中音高音等各种不同频率的声音信号,而这个弹簧对低音中音高音等各种不同频率的声音信号的影响是不同的,从而使得我们听到的音乐不真实。其次,这个弹簧的顺性还和温度湿度有关,也就是当你听同一首音乐,晴天和雨天不同,冬天和夏天不同。
      
通过以上分析我们看出,在扬声器装入箱体后在解决了有低频的问题后,又出现了许多负面的问题。即所谓的“成也箱体,败也箱体”。相对来说,箱体解决低频有无的好处超过了上述谈到的这些负面的东西。也就是说,这些负面的东西,虽然不是我们所需要的,但却是我们又不得不去接受和面对的。

我们再来看看倒相结构的音箱。倒相音箱是以上讲到音箱的一种特殊的形式,确切地讲是一种对低频再做提升的一种形式,也就是说,倒相箱除了有用箱体阻断低频的声短路的作用外,还另外对低频的某一段进行了提升。我们知道,倒相箱是利用了“赫姆赫兹共振腔”原理来提升低音的。关于提升的原理,有兴趣的可以进行相关搜索,这里不再赘述。

我们注意到,采用“倒相” 结构的音箱,对低频所进行的提升在音量稍大时,由于低频被倒相结构进行了强化,此时的低频会传输得较远,因此有些“不自然”。这就是我们经常有还没有聆听到由中高音构成的音乐旋律,便先有了音乐的节奏—低频的“咚、咚”声这样的感受。这就是我们收音机爱好者常说的“咚咚声”。在收音机的聆听环境里,由于聆听距离不是很远,我们不希望我们所聆听的音乐去干扰他人。也就是说,倒相结构对收音机而言,甚至对Hi-Fi音响而言,都不是一种特别理想的结构。

对于闭箱结构,实际上就是我们前面分析到的情况,由于没有利用“赫姆赫兹共振腔”相应,它的低频效果比倒相箱提升少,但少了在提升点附近的大幅振动和相应的失真,对Hi-Fi而言,除了低频量感少一点外,其余表现均好过倒相结构的音箱。同样在收音机上采用这样的结构,声音表现反而评价较高。例如 Grundig的S600和S650。但是采用这种结构的音箱,虽然没有采用倒相结构音箱的“咚咚声”,但也没有我们传统“德式”收音机那样的“蓬蓬声”。

通过以上分析,采用倒相结构的音箱和密闭式的音箱,都不是我们801配套音箱的理想选择,那么我们选用什么结构音箱好呢?

用过优秀德机的朋友都知道,这些音质很好的收音机,既不是采用倒相结构的,也不是采用密闭结构的,而是采用“半开箱”结构的。通过上面的分析得知,半开箱结构基本没有(或只是轻微存在)上面讲到的:箱体内声音的反射对喇叭纸盆的多次调制问题、箱体内驻波对喇叭纸盆影响的问题和箱体空气对纸盆存在“粘性”的等等问题。正是这种采用半开箱结构的收音机,由于箱体结构差异和很好的系统设计,也有非常不错的低频表现并有别于倒相箱和密闭箱的低频声音的风格,这就是被大家美誉为“蓬蓬声”。而这样的“蓬蓬声”比那些“咚咚声”反而有更好的聆听感受。正是这一点让我们在设计801音箱时就有这样的设计偏向的考虑。当然,我们要求801的配套音箱不仅仅是聆听收音机的,而是具有Hi-Fi音箱的素质,因此不能完全照搬原来801或801-3D的设计,不能是收音机音箱的再重复。因此还需要从Hi-Fi音响的角度来一些考虑。

我们通过上面的分析得知,箱体和喇叭决定了低频或中低频声音的风格。那么声音中高频的风格是由谁决定的?我可以告诉你,声音中高频的风格与箱体采用什么结构无大的关系。这里不卖关子,经验告诉我们,声音中高频的风格是由中高音单元起主导作用的,其次是放大器和电路等方面有一定作用。因此,在放大器和电路有保障的情况下,选用的高音单元就非常重要。通过试验,我们选用了在Hi-Fi圈里非常有口碑和经过我自己多次试验表现优秀的绅士宝的9500,这款单元被不少数万元的高级音箱都是采用这只单元。不过,这对喇叭的成本太高,价格在 1400-1500左右!为此,我们还提供了另外一个选择,即采用博良的一款口碑也非常不错的中高音喇叭单元,其声音表现虽然与绅士宝有一定的差距,但是性价比可以满足基本需要。

以下是绅士宝9500的频响曲线:


通过这张图可以看出,曲线非常漂亮!(黑色线条)


以下是博良的301频响曲线:




由于分频点是选择3K左右的,博良的301在3K以上,曲线也是比较平直的。

前面我们可讲到:这款音箱要对人声有非常好的表现。而对人声“声底”的表现,则主要是由中低音单元来体现的。根据经验,要对人声有很好的表现,非采用“纸盆”喇叭莫属。因此,我们的中低音喇叭原则上要选用采用纸质材料做“鼓纸”(纸盆)。另外,要有“蓬蓬声”喇叭的参数有一些特定的要求;要有Hi-Fi级的品质,喇叭需要有一定的动态范围和输出足够的声压级。有了以上的一些原则,低音喇叭的选择基本也就确定的。

声音的风格确定了,箱体的结构形式确定了,箱体的外形大致确定了,喇叭单元确定了,下面的工作就是喇叭单元参数的确定、分频器的设计与调整以及开工干啦!
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