亥姆霍兹共振原理与倒相音箱

fashaozg · 发表于 2010-2-28 01:27:34

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　　昨天，为转贴的音响入门文章写评论的时候，突然萌发想法，想就此问题写一篇文章，来澄清一下在多媒体音箱用户特别是媒体中存在的相关错误认识。于是，今天赶紧提笔写了这篇东西。

　　倒相音箱，是我们非常熟悉的技术，在多媒体音箱中，除了部分X.1音箱的卫星箱和极少几款2.0音箱采用了密闭箱设计外，大部分都采用了倒相技术。但是，从各方面的反应看，我们发现，绝大多数用户，特别是大部分的媒体，对于倒相技术缺乏正确的理解，甚至是做了完全错误的理解。

　　其中，一个历史悠久的错误认识，就是——“倒相音箱就是通过在箱体上开倒相孔，使扬声器背面辐射的声波经过箱体内部反射后向前辐射出来，与扬声器正面声波叠加，从而增强了低音效果”。相当多的媒体评测和技术文章都这样写，但是我就始终不知道，这些作者是否认真想过：如果倒相箱仅仅是为了将扬声器背面的辐射声波“反射”出来，那么为什么还要倒相管的存在？直接在箱体上开一个硕大的孔不是能获得更高的能量利用效率？其次，众所周知，倒相箱的低音下潜深度是结构接近的密闭箱的0.7倍，如果倒相孔所出来的仅仅是“扬声器背面的声波”的话，那么理应只是在响度上相对密闭箱增强，凭什么下潜深度也会增加？

　　其实，这个问题早在我两年多以前的老文《揭开“金嗓子”和“鸭嗓子”的秘密》里就已经阐述过了，不知道是这些作者没有看过或是不能理解？也可能是我当年阐述的并不详细，那么这一次，我就用大篇幅来详细解释一下这个问题。

　　要说倒相箱的工作原理，必须从亥姆霍兹共振原理说起。当然，这个名词我当年也写过，而很多如上述文章的作者也会写这个名词，但什么是亥姆霍兹共振原理？一种常见的说法是“利用亥姆霍兹共振原理,在扬声器振动的时候减小振膜的阻力,增强低音效果”，倒相箱的确能够减小箱体内的气垫效果，从而降低回放的最低频率，但这和“亥姆霍兹共振原理”没有任何关系。

　　亥姆霍兹（H·von·Haimuhuozi），是德国19世纪伟大的物理学家和生理学家，我们大学所学的力学三大基本守恒定律之首的“能量守恒定律”就是他最大的科学成就。而亥姆霍兹共振原理，则是亥姆霍兹在声学领域的著名成就之一。

　　首先，建立一个由理想刚体构成的密闭空腔，这个空腔就叫做“亥姆霍兹共振腔”，在空腔的表面开一个面积相对于空腔表面积很小的孔，在孔上插入一根空心刚体管道，组成的结构就称为“亥姆霍兹共鸣器”。

　　对于一个亥姆霍兹共鸣器而言，当其内部空气受到外界波动的强制压缩时（无论强制力施加于空腔内的空气还是管道内的空气，施加的外力是来自声波还是腔体振动），管道内的空气会发生振动性的运动，而空腔内的空气对之产生恢复力（换句话说，共振腔内的空气是一个“空气弹簧”）。在声波波长远大于共鸣器几何尺度的情形下，可以认为共鸣器内空气振动的动能集中于管道内空气的运动，势能仅与腔体内空气的弹性形变有关。这样，这个共鸣器是由管道内空气有效质量和腔体内空气弹性组成的一维振动系统，因而对施加作用的波动有共振现象，其固有频率是。公式中f0是亥姆霍兹共鸣器的最低共振频率，c是声速，S是管道的截面积,d是管道的直径，l是管道的长度,V是空腔的容积。在强度为一定的振动作用下,在这个频率时，管道内空气的振动速度达到最大。

　　这，就是所谓的“亥姆霍兹共振原理”。

　　亥姆霍兹共鸣器是一种高效率的声能转换装置，它既可以在内部设计吸音材料，成为“共振吸音结构”，在管口处具有相当强大的消耗接近f0频率的外界声波的吸音能力，或者，也可以通过驱动其内部空气，将微小的振动转换为强度很高的声波从管口传输出去。

　　由于这是一种不需要任何独立能源，完全依靠外界振动激发的高效率声能转化装置，所以亥姆霍兹共鸣器的应用范围很广，作为吸声装置，其最典型的应用就是音乐厅、电影院吸音墙的微结构，而作为扩声装置，其最典型的应用就是各种乐器的共鸣箱。

　　回到倒相箱的设计上来，由亥姆霍兹共振原理，我们就可以清晰的认识到，在倒相箱上，从倒相管传出来的，并不是真正的“扬声器振膜背面的辐射声波”，而是因为倒相箱体内的空气在扬声器振膜背面的振动下被强制压缩，从而产生谐振，这种振动推动着倒相管内的空气发生高速的亥姆霍兹共振，剧烈而高速的管道空气振动在管道出口也就是倒相口处用力推动箱体外的空气，从而产生了强大的声波。实际上可以认为，此时，倒相口成了一个虚拟的扬声器振膜。而管道本身的规格决定了这个“第二扬声器”的各项参数（这也就是为什么需要一个倒相管而不是直接开口）。

　　在倒相箱中，倒相声真正的发声源是倒相管内高速振动的空气，扬声器此时只是起了一个驱动器的作用，虽然振动的最初来源是扬声器，但发声的却不是它。这就如同在普通的扬声器上，真正主动振动的，其实是扬声器内部的音圈而不是看得见的振膜。但发声的却是振膜而不是音圈。

　　实际上，真正最有可能从倒相管中直接“反射”出来的并不是低音，而是扬声器背面发出的中高音，在倒相箱箱体中填充吸音棉的目的之一就是为了衰减扬声器的中高音背面辐射（这和密闭箱有所不同，密闭箱填充吸音棉主要是为了虚拟无限大障板），有些箱子，例如惠威的T200A干脆将高音单元直接放到了独立空间内或放到了箱体外头。

　　倒相箱的设计是非常有学问的，要经过设计者根据扬声器的参数进行精细的计算，一般来说，扬声器确定了，箱体的容积、倒相管的长度、截面积也就基本确定了。不过在此基础上也可以做一些微调，如果加长倒相管的长度或减小倒相管的截面积，就可以降低谐振频率一些，但此时气流摩擦声也会明显增大，对倒相声的利用效率也会降低。

　　现在回过头来说，为什么倒相箱的最低频率比密闭箱要低？为什么倒相箱的效率比密闭箱高？为什么倒相箱的瞬态不如密闭箱？这都和倒相箱的结构和原理直接相关。

　　密闭箱本身由于箱体内部的密闭空气在受到压缩时，实际相当于一个“空气弹簧”，所以它在控制扬声器振膜的非线性位移，减小扬声器的失真的同时，也提高了扬声器的最低谐振频率。而倒相箱由于是一个开放的亥姆霍兹共振腔，所以不会发生类似的现象，而且，由于亥姆霍兹共振的存在，它可以将扬声器在接近扬声器最低谐振频率时的振动加以高效转换，使之分解为在该频率上下两个频率范围上较小强度的谐振，使得音箱能够在本来扬声器工作效率很低的频率乃至低于扬声器最低谐振频率的频率下发出可闻的声音（倒相管能输出的最低频率要低于扬声器的最低谐振频率）。这就使得倒相箱的最低回放频率能够明显低于密闭箱。

　　而倒相箱的效率要高于密闭箱，这就是非常好理解的。因为倒相箱充分利用了扬声器背面的振动能量，而不是将其在箱体内部消耗掉。加上亥姆霍兹共鸣器的高效率转换作用，这些能量能够充分转化为对外辐射的声音。所以其将电能转换为声能的效率要远远高于密闭箱。

　　但反过来，倒相箱的瞬态是明显低于密闭箱的，这是因为倒相口所辐射的声波，虽然与扬声器振膜所辐射的声波同频同相，但二者存在明显的时间差。也就是说，无论扬声器起振还是停振，都会有一个“慢半拍”的声音跟着搅和，自然瞬态就会比较差了。

　　倒相箱的箱体形状和倒相管的形状没有一定的严格要求。但是，一个理想的亥姆霍兹共鸣器应该是由一个球形的亥姆霍兹共振腔和一个圆管型的管道组成的。如果采用变形的形状，就多多少少会出现一些不好的影响。

　　很多倒相音箱回放的声音很闷，很乱，造成这种情况的原因就是箱体内谐振的空气在大动态振动时，由于箱体的特殊形状导致在箱体内部的多次反射中产生了大量的奇次谐波，这些奇次谐波产生了复杂而混乱的共鸣，这就是箱体设计不良的典型结果。

　　而倒相管的形状，虽然在理论上不影响回放的效果。但实际上，非圆形的倒相管，例如方形、条形等等，由于存在尖锐的棱角，会由于气流的高速运动产生剧烈的摩擦声。而有些倒相管采用了特殊的双曲线设计，就是因为双曲线管道在流过高速气流时，发生的摩擦最小，所以比较适合做一些超低频调谐的倒相管。

　　有些产品，如惠威的第二版T200A，采用了双倒相管的结构。双倒相管在理论上，等效于一个长度相同而截面积等于两个倒相管之和的大倒相管。在声学设计上二者没有任何区别。但使用双倒相管可以避免使用不安全的超大口径倒相管，另外，有时会将两个倒相管置于不同的箱体面上，以获得全面的低音扩散效果。

　　不过，有些音箱，使用的两个倒相管长度是不同的，这就不是双倒相管结构了，而是带通调谐结构，这里我们就不谈了。

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