【转】Focal-JMLab喇叭设计理念

小李飞狐 · 发表于 2003-9-1 13:04:34

本文取自法国JMLab公司祥述Electra系列喇叭设计理念之相关文件。文件中清楚介绍了新一代Electra产品的最新技术层面，并且从若干先进领域中大胆引用最新元件与技术来生产制作。希望藉由本篇文章，可让读者们一窥JMLab喇叭好声的秘诀所在。本文已获JMLab原厂授权翻译刊登。
聚焦时序（Focus Time）
为了造就出一个具有真实空间感的实体音场，它必须能够精准传达时序一致的声音响应，并且无损于任何空间中的声音细节。
当声音分布的频谱被重新播放时，不可避免地会受制于某些事物理特性，为了理解这些现象，您得明白声音重播时的波长。
波长计算方式如下：

λ=v/f
V代表声音在空气中传播的速度（340 m/sec）。
F代表讯号重播时的频率。
所以100Hz的波长λ=3.4m
1,000Hz的波长λ=34cm
10,000Hz的波长λ=3.4cm
　
获得最精准原始讯号重播的唯一解决方法，乃是将讯号区分成为几个部份，再透过最理想的喇叭单体重播，而喇叭单体的直径则与频率有关。在特定频率范围内，喇叭单体的重播乃是被设计来获得固定传播指向。

多数单体都是被垂直安排在前障板之上，从单体中心发射点至聆听者耳朵的距离并不一致。只有单体被理想地安置于在半半圆形上，中频/低频才能和高频同时达到。

低频部份，由于尺寸上的限制，利用超过数公尺直径的喇叭单体明显是不切实际，所幸在波长较长的低音频域中，声波传达指向性的问题较不明显；不过在中频与高频部份，指向性就显得不能轻忽，所以扬声器势必采用多单体的形态。无论如何，尽管多单体配置乃是精准重播每个频域的理想方式，但它却会有声波传达时序难以一致的问题产生，因为不同单体所发出的声音必须同时到达聆听者耳朵（时序同步）。如果中频、高频或低频其中有领先到达的情形，自然地会产生声音失真的效果。所以要精准重现原始讯号，就得要求所有频率必须同时到达聆听者耳朵呈现出完美的时序同步传播。

排列在平面前障板上几个喇叭单体的发声，不可避免地会产生些微的声音失真：高频部份将会最先被听到，接着才会是中频与低频。时序错乱听来就如同暂态模糊一般，虽然它可经由单体相关位置改变的实验来补偿这个时序效应，但是高音单体明显的会发出最短（最具指向性）波长频率，所以必须被安排在聆听者耳朵的轴距上（等高位置）。当重播不同频域的单体被理想地安置于在半圆形上，其中心点与聆听者的耳朵位置等高时，这意味着中频、低频将能够和高频同时到达，这便是所谓的聚焦时序原则。其中，所有频率皆聚焦于聆听者，不论是低频、中频或高频域，各个单体对应至聆听者皆能以相同时间传播。

如同先前所提及，理论上最好的集中音源方法，总是不可避免会有某些物理所限制。对低频而言，最明显的就是当你要提升指向性和再生能量，一旦振膜直径减少时，来自于振膜的运动就会累进增加。
聚焦时序方式藉由时序一致和提升动态范围，对于所有相关问题提供了最佳的解决之道，不论它的辐射范围为何，最终所呈现的音像明显具有绝佳稳定特性。

此乃可行方案中最好的选择，让音色、动态与音像更加一致。

Electra 946侧面剖析图可以清楚看出聚焦时序的轮廓。

惯性：就是质量的问题
喇叭前障板在结构设计上，必须能舒缓单体运动时所衍生出的惯性问题，并提供足够的阻尼因素，才能在提供充裕动态响应的同时，免去低频声音所带来的音染问题。

r结构前障板乃是由5公分厚的结实中密度木纤板制成。

其实，整个喇叭可以视为一个电功率转换成声音的中心，其角色包含在音圈耦合振膜的电磁感应下，引发空气分子震动，进而对应音乐讯息的微量电流，在激励音圈（包覆在磁场之内）后，能依照音乐节奏而产生往覆运动，电流能量因此而被转换成声音能量。就理论而言，这只是一个基本原则，但实际让，为了能在能量转换后尽可能地接近原始讯号，完美固定基准的振膜运动就显得格外重要。当振膜运动时，单体框架必须不能震动，而且其加速度亦需为零，它必须形成完全惰性的机械结构基准。

单体框架被紧密地固定在扬声器的前障板上，可自由移动的组件（音圈、振奋膜）与结构（框架、前障板）的质量比例必须越高越好，此乃动态范围基本原则的运用：F= mr

“r”加速度等于音盆运动作用除以框架质量，理想数值必须是零，所以质理“m”就必须越高越好，无限量重乃是最终目标。因此，仅就刚性观点考虑，无论前障板选用何种材质，忽略了质量特性便会产生问题，各位应该可以简单想象得到，高阻尼系数的前障板虽能避免由[回授效应]产生的震动，但却得牺牲动态输出，只有高质量才能确保优异的暂态反应，阻尼始终无法取代质量的特性。

内部补强结构提升音箱强度，而且内部阻尼利用双层的不同材质组成。

单体的运动结构直接与内部支架机械式耦合。

最佳化结构为音盆提供良好的导引，形成如活塞一般的运动，而不会受到背波乱流所干扰。低音频域通常具有强大动能，低音单体会激起扬声器前障板的震动，进而干扰中音、高音单体产生交互调变真，尤其是振膜震幅特别小的高音单体，细节部份将因此而丧失，最好解决方式便是精准打造音箱结构与单体锁合的复杂制程。

Electra系列采用的“r”形式前障板具备以下双重特性的解决之道：
惯性是为了能真实重播低频的暂态输出，并保有不可或缺的震撼力。
抑制会造成中、高频域重播音染的前障板震动。

运用厚达五公分的扎实中密度木纤板，Electra系列超高质理的前障板便具备上述两项特性；这意味著，结构体的“r”加速度几乎等于零，因此可免于任何衍生的震动，Electra系列中音盆、音圈相对于单体框架、音箱结构的质量比例远达一般产品高出五倍以上。

背后间隔的五公分厚结构有着另一项决定性优点，仔细想想，它为低音单体背波提供了实质的声波导向，如引一来，振膜运动就像活塞一般，而不会在箱体内声波反射冲击时，经由扭转或滚动效应引发失真并产生妨碍，当运作得很理想时，低音单体重播就不会受起源于机械限制失真所影响。

这些努力都是为了消除各种震动根源，藉以造就出杰出的低音频动态反应。也由于彻底抑制了箱体的音染问题，使得音像更清晰、音色更精准，中、高频域有着更好的清晰度与透明度，如同丝毫没有任何遮蔽效应的精彩细节诠释。

“W”型音盆
革命性的振膜形态，最初是设计给Utopia系列运用，如今Electra系列也采用相同的单体。
[单体振膜必须具备三项极具重要性的特点：
高刚性，让音盆能在宽阔的音域中如活塞一般运动，特别是低失真的低频反应。
质量轻，能在暂态上释放出最大加速度，重现完整的声音细节。

“W”形结构核心泡沫体披夹着两层特殊玻璃纤维组织。

内部阻尼—消除了任何音盆结构的铃振或谐振降低音染问题的产生。

不同材质的振膜具有不同的特性。Paper纸是一种轻量的材质，虽然它不够坚硬，但内部阻尼特性还算不错，声音却经常会受到纸质影响而产生音染。Polypropylene聚丙烯/塑胶是质量相对较重的材质，但内部阻尼特性相当不错，刚性表现尚可，声音品质常倾向缺乏细节与精准度。Kevlar简单编织的功夫龙音盆（非三明治结构音盆），乃是利用树脂来胶封音盆，制造出符合需求的刚性，但却造成暗淡而无光彩的塑胶音染。

1980年，Focal-JMLab成功开发出一种结合了轻质量、高刚性、高内部阻尼等特性的新型态音盆，并取得相关专利，它就是[Polykevlar]三明治音盆。利用编织Kevlar功夫龙组织表面，和混合树脂的空心玻璃微粒子作为夹层核心。这种结构体展现出高刚性、低质量的特性，至于阻尼系数则可藉由核心成份来控制。

“W”三明治形式盆的诞生震撼音响业界，同时工业制程也获得独家专利。

http://www.hifi-china.com/2002/1/image015.jpg

利用雷射干涉仪计分析，显示“W”结构音盆具备最佳的刚性/阻尼/质量特性。

“W”三明治结构形式音盆的诞生震撼音响业界，工业制程也获得独家专利。从最原始的结构开始，制程不断地经过改良与开发，并发展出更新一代的Polykevlar三明治式音盆。音盆结构上最大的进化，乃是在树脂与玻璃微粒中利用特殊结构泡沫体，这种泡沫体主要是应用在太空领域，没有任何泡沫体具有一样高的刚性/质量比例。

各种材质的刚性/质量比。

取名为“W”是源起于Verre-Verre（Verre即是玻璃的意思），因为“W”形式音盆利用两层比Kevlar功夫龙更轻且薄的细致玻璃纤维组织，除此之外，泡沫体与玻璃纤维间的分子吸引力也比工夫龙来得更强，所以音盆结构有着稳定的机械性与绝佳刚性，而这种结构也让音盆中的声波传送导速度更为理想，新制造可藉由改变泡沫体厚度来精准控制音盆结构的内部阻尼：泡沫体越厚，阻尼系数就越高。

玻璃纤维组织与泡沫体间的厚度组成差异，让我们能针对不同用途或是播放频域，制作出最合适的音盆结构。“W”形式音盆能产生绝佳透明度与中性的讯号重现，毫无一般单体伴随而来的音染、失真现象，它唯一的天然限制就是制作成本居高不下，远比高品质的纸盆单体高出十倍之多。

Tioxid　5凹盆式高音单体（Tioxid 5 Tweeter With Inverted Dome）

传统凸圆音盆振膜高音单体有着音圈在振膜外圆之上的不良机械耦合形式，相当程度的机械作用力能量损失在悬边之上，最后以热能浪费掉。

Focal-JMLab的凹入式振膜高音单体：介于音圈与振膜的机械界面相当理想，作用力可正切进入振膜，所有能量传讯至振膜，并以声波辐射而出。

TRC高音单体横切面剖析图。注意后方音室是用来吸收背波：失真得以降低、动态毫无压缩。标示1、2、3对应于下方响应曲线。

这是特别为新款Electra系列开发设计的高音单体，主要特性就是具备Tioxid 5凹入盆式振膜、强力的双磁铁系统与吸收振膜背波的阻尼音室。

依循小型单体的制作原则，内凹式振膜结合中央固定式音圈结构，不仅能提高功率负荷能力，频率响应也可以下延至中频音域。由于这优异的延伸响应能力，分频点便能有充裕空间向下调整，藉以消除来自中高单体的[射束集中效应]。所谓射束集中效应，乃是音盆发出高频音域的声波指向性会增强，甚至形成射束。以165mm的单体来说，射束集中效应会在2.8kHz开始产生，由此推之，理想分频点就必须限制在此频率之下。
传统的凸盆单体理论上是以半圆体振奋动方式，将能量以180度辐射而出，其实却不尽然。不论重播的讯号大小，振膜始终维持不变的形态顺着圆周运动，这其中没有任何振动效应。从图中你可以看出，凸盆音圈是环绕在振膜与悬边的接处边缘，从音圈传达至振膜的能量是集中在边缘，因此将能量限制住而无法有效分散到整个结构，振膜扩散性就不甚理想。如此一来，传统凸盆振膜的高音单体势必难以克服这项缺点。由于它与空气耦合的不良模式，导致无法产生更向下延伸的频率，而附着在振膜上的音圈结构，也存在在着形成动态压缩的现象。藉此，各位可以清楚看出，实际上圆形振动观念与其均衡扩散的原则其实并不理想。若是采用内凹式振膜的高音单体，音圈位置等于提高了一半的振膜高度，藉此整个振膜可承受更一致的作用力，接着整个结构以最佳效率向外辐射，此乃理想的空气耦合方式。除此之外，与中音单体的衔接还能向下延伸至2.5kHz，进而提升中音单体的传播指向性。

Tioxid 材质演化缘起于Grand Utopia所采用的TGU高音单体，Tioxid 5有着与钛属相当的质量与刚性表现，并且却具备更好的阻尼特性，在仅有5 microns精密压制的振膜，Tioxid 5已较原始形式更为轻盈，并且藉由Tioxid 5更高的内部阻尼系数，大幅提升响应动脉卫，在没有金属音染的问题下，使得声音更为平顺、精确。最佳的双磁铁系统与背波阻尼音室。

为获得最大效能，高音单体结构中包含了双磁铁系统，使得磁束更为集中并且减少漏失，间隙中可产生高达1.5 Tesla的磁力强度，再经由特殊结构将背波能量引至充满吸音物质的后方音室，振膜背波将被有效抑制。如此一来，这就是一只具备延伸低频响应、极度低失真、深音场的理想高音单体。

Focal-JMLab独特内凹式振膜观念乃是累积20年的制造经验所形成，从中我们发现如何控制响应曲线。这项研究可避免再利用分频线路来作响应修正，千万别误信机械设计上的缺失可用电子线路校正，

TRC高音单体频响应，藉由以下三个区域的性能发挥来精准控制：
1、悬边/支撑架间的连结以及后方音室，关系向下延伸的响应。
2、音圈/振膜间的连结，关系中间部份的响应。
3、相位锥关系极高响应。

OPC最佳相位分频线路（Optimum Phase Crossover）
让原始设计的声波转换器具备最佳响应，那么分频线路就仅需针对基本的频率分配做考量，这就是OPC最佳相位分频波线路的基础。

高通与低通分频线路准控制电子讯号，以完全符合连结单体的频率响应范围。

分频线路可说是扬声器设计的重点之一，它的角色与设计确实相当复杂，并能造就出扬声器独特的个性。分频线路是负责将扩大机送入的讯号分配给单体：低音、中音、高音单体。毫无疑问，最重要的滤波区域就位于高频响应，高通滤波线路衰减了高音单体较低的频率响应。分频点通常被安排在2-5kHz之间，引致真实声音重播指向性的基准点底线。
用来重播中频音域的单体直径通常介于13公分与17公分之间，这个尺寸可以响应2kHz与2.6kHz音的频率。指向性意味着单体所辐射的声波角度，它随着频率提高而减少。当频率波长对比振膜直径还短时，声音指向性就变得很明显，音波辐射会形成越来越狭窄的射束。因此，依照在二度空间中重播真实音像的原则标准，这时单体所辐射出的声能就已失去平衡。藉由内凹式高音单体的设计与观念拥有绝佳特点，让它的频率响应足以向下延伸，避免中音单体射束集中的效应产生。

除了一般高音单体向下延伸反应不足的限制，还有另一个重要的观点，那就是扬声器的相位反应与结合重要音域的分频线路。耳朵与听感官对于2.5kHz间的频率相当敏锐，中音单体与其分频线路的振幅反应，必须精准对应高音单体与其分频线路。若是能符合这个标准，高音与中音单体间的相位便能契合一致，使得相互交叠的频域可以完美互补加成，进而产生平衡的音色表现。高音与中音单体间分频点的相位差必须为零，如此，在分频点的两个不同辐射源才能产生对称且深的凹陷。

根据先前述及的观点，造成就了OPC最佳相位分频线路技术基础。但若以为只要经过分频线路的技术研究发就能实现，这就太过于天真，因为它必须先精准掌握单体的反应与性能。这点仅有几个如JMLab自行研制单体的制造商才有此可能，每种单体都专为不为的产品所设计。

当频率提高时，中低音单体的辐射指向性便跟着升，所以分频线路必须在这现象开始出现之前就加入高音单体。

在分频点上，高音与中低音单体间的相位关系，将会产生具指向的叶片状声音辐射模式，左方是一般常见的三价Butterworth形态的分频线路，叶片状辐射区域并不一致，右方OPC分频线路显示叶片状辐射区域完全一致。

正、反相位的频率响应，Electra 906显示完全对称的相位低消状态，意味着实际相位反应完美一致。

藉由OPC最佳相位分频线路技术，我们在高音与中音单体间运用36dB/Octave分频衰减斜率，并维持完美的相位反应。转换成的声音时序不仅是完全一致，还具有纯中性的音色，精准的音像与宽广的辐射，让更广泛的聆听置能同时享受高水准声音品质。

转自《中国影音器材网》