号角喇叭的低端截止频率主要取决于号角喉口的面积

人生无奈 · 发表于 2010-7-25 20:21:09

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号角喇叭的低端截止频率主要取决于号角喉口的面积

在三大古董中，号角喇叭好像是最不受国内兴致者青睐的。究其原因，既有技术和商业因素（技术难度大、门槛高，国内几乎没有厂家生产，因此短缺宣扬热情），也有心理方面的因素（过去遍及城乡的有线播送喇叭大多是号角式的，拙劣的音质使号角喇叭申明狼藉，以至连累了发烧级号角喇叭）。因为缺乏推介文章，更因为当前市场上的号角喇叭大多是些只可远观而不可近玩的天价货，以至多数人对它的原理、优缺点和发展示状知之不多。笔者觉得：只管没有必要去掀起一场“号角热“，但作为一种曾经光辉一时、至今活力尚存的音响器材，有些兴致者可能希望对它有所了解。本文将以Avantgarde公司的号角喇叭为实例，介绍一下这种喇叭的前因后果，供有兴致的读者参考。
历史的回忆
大概在100多年前，Emil Berliner创造了机械留声机。唱针滑过唱片沟槽所产生的机械振动非常强劲，无法听到，当时又没有电子放大器，所以用一个号角把振膜的振动放大，使人耳可以闻声，这就是最早的号角喇叭。尔后，一些号角喇叭的先驱者如Gustavus、Webster、Klipsch和Voigt消费了数十年的时间探究号角技术的基本法则。1926年，Paul Voigt初次向英国专利局提交了tractrix号角的专利请求。
尔后就开始了号角喇叭的黄金时代。那时的电子管功放输出功率很小，必需应用高效率的喇叭与之配合，于是号角喇叭成为一时之盛。知名的经典产品有Altec Lansing设计的The Voice of the Theatre、Paul Klipsch的Klipschorn、Jensen公司的Imperial Hyphex Horns、Paul Voigt的Voigt Domestic Corner Horn以及英国Lowther公司的Acousta和Audiovector等。
1925年，Kellog和Rice创造了动圈式喇叭，当时把这种喇叭称为“没有号角的喇叭“，但在相当长的一段时间里，号角喇叭依然居于优势位置。直到1947年，贝尔实验室的Bardeen、Brattain和Shockley创造了晶体管。因为晶体管可以获得更大的输出功率，高效率的喇叭已经不再是不可缺乏的必要条件，随着电子管的衰败，号角喇叭也日益衰败了。但即便在今日，依然有一部分人觉得：高效率并不是号角喇叭的唯一优点，它具备一些其它扬声体系不具备的奇特优点，依然有存在的理由，并保持始终地推出新产品。
号角式扬声器所使用的是最基本的物理概念，它的工作原理正好与我们的耳朵相反。外耳道的直径是从外向里逐步减少的，声压也会随之逐步增长。这种构造可以协助我们听到更轻微的声音。耳聋助听器创造之前，听力不佳的人曾经把一个号角放在耳朵上以放大声音，这就是最原始的助听器。基于同样原理，用两只手掌放在耳朵旁边，也可以提高听力。
穴居的原始人就已经领会：用手围成一圈放在嘴上，声音可以传得更远。古希腊和古罗马人对此有了更深刻的了解，他们的半圆形剧场实际上就是一个宏大的号角：舞台相当于号角的喉部，演员相当于振膜。在这样的剧场里，即便坐在剧场的最后一排（与舞台相距113米），也可以清楚地听到演员的轻声细语。在中国，天坛的寰丘和回音壁也利用了同样的原理，制造出巧妙雄伟的声音效果。
号角喇叭的声音是由安装在号角喉部的振膜产生的。振膜在工作时需要克服因号角外形而增高的空气压力，所以在相同功率的驱动下，安装在号角上的振膜的振幅会比安装在音箱里时小，减小的水平取决于号角的尺寸和外形。由此，我们可以推导出这样一个命题：振膜的振幅减小得越多，声音的强度就越高。
这个命题好像是矛盾的，因为我们通常觉得振幅越大，声音就越大。但这是一种误会。利用能量守恒定理可以解释这个问题：施加在喇叭单元上的电能将等于辐射的声波所携带的能量与因摩擦而造成的能量损失（会转换成热量）之和。运动部件的行程变短时，这些部件与空气摩擦而造成的能量损失会降低，更多的能量将被转换成有效的声能，或许说，号角所产生的机械阻力会提高电－声转换的效率。对于高效的能量转化机构来说，高的机械阻力是必不可少的条件。这就好像是一个赛跑运发动，把他衣着平底的皮鞋在光滑的跑道上时的状况和衣着钉鞋在正式跑道上的状况相比，后者的能量转换效率显然更高。
除了能提高效率之外，行程变短的另一个益处是使瞬态响应得到改良。与安装在音箱中的喇叭相比，号角喇叭的行程会减小到无号角时的1÷10，运动速度则将因之而增长10倍。假如要在相同的时间内从静止状况启动而达到这一速度，加速度也必需增长10倍，其成果是所吸收的能量将增长100倍。
因此，号角喇叭具备非常疾速的瞬态响应，它所驱动的空气几乎没有惯性，这种疾速启动和刹车能力是非号角喇叭无法实现的。当驱动信号过去之后，振膜会极端敏捷地复原中立位置，厌恶的剩余振荡可以得到有效的抑制。因此，号角喇叭的解析力特别好，音乐细节特别丰盛。
指数号角与球形号角
号角的外形是非常重要的，必需通过繁杂的数学计算得到，不同的外形和长度会造成不同的声音。即便外形渺小的变化，也会使声音有明显的变化。我们可以想一想乐器中的小号和圆号，正是它们的外形和长度造成了各自不同的音色。号角喇叭的设计目标则正好相反：它所产生的声音必需是均衡的、没有失真、没有个性的。
号角的外形有许多种，过去主要有指数形、抛物线形、双曲线形等，其中最广泛的是指数号角。这种号角早在上世纪20年代就出现了，尔后曾长期占领主导位置。但Avantgard觉得：指数号角的实际基本是差错的，会引起严重的声染色。对于这个问题的实际推导比较繁杂，触及到一些难懂的概念，在此就不详述了。
该公司觉得球形号角是最优越的。从外观上看，当频率响应范畴相同时，球形号角的开口比较大，长度比较短。指数号角的开口约为90°，球形号角则扩大到180°。这种号角不只可以避免指数号角的声染色问题，而且低频响应特性也优于指数号角，由左上图可以看出：在低端截止频率（f0）邻近，指数号角的频响曲线有许多峰和谷，而球形号角的响应曲线则是比较理想的。
此外，球形号角的指向特性也优于指数号角。从左下图可以看出：指数号角在高频段发生了集束效应，而球形号角则没有。
CDC声学分频器
LC分频器的设计始终是一个令人头痛的问题：实际计算的数值并不牢靠，每个体系都必需经过当心的、多半是凭经历的调剂。这是一个非常繁杂而且费时的过程。
选择滤波器的类型和阶数也是很艰难的。在常用的滤波器中，切比雪夫（Chebyshev）滤波器的滤波效率最高，脉冲响应却是最差的。贝塞尔（Bessel）滤波器的脉冲响应和相位特性是最好的，但在转机频率区的效率是最差的。巴特沃斯（Butterworth）滤波器则是两者的调和，它的滤波效率和脉冲响应均居于其它两者之间。
随着滤波器滚降特性的不同（主要取决于滤波器的阶数）和滤波器类型的差别，会出现不同的交叠曲线，这就意味着喇叭单元必需在指定的频率范畴之外的一段区域也必需能保持线性工作状况。阶数越低，这个问题就越严重。而阶数越高，滤波器的相移就越大。
高阶的巴特沃斯滤波器或切比雪夫滤波器的滚降率较高，对喇叭单元带宽的要求可以低一些。但这种滤波器会伤害脉冲响应特性。想要改良脉冲响应，只能采取一阶滤波器，但一阶滤波器会使交叠区域变大，使得喇叭单元必需在其转机频率以外额定笼罩两个八度（倍频程）。
为了克服上述问题，Avantgarde的号角体系采取了一种特别的“CDC体系“。CDC的全称是“Controlled Dispersion Characteristic（受控辐射特性）“，这是一种声学滤波器，可以避免LC滤波器的缺点。它的工作原理并不繁杂：
号角喇叭的低端截止频率主要取决于号角喉口的面积，面积越大，低端截止频率就越低。在截止频率点以下的区域中，响应曲线将以18 dB／倍频程的斜率急速下降。因此，即便没有滤波器，号角喇叭也能自动地切除截止频率以下的响应。
高端响应则主要取决于驱动单元的特性和号角的声学特性。在喇叭单元与号角之间安放一个小空腔，这个空腔就是一个声学谐振器，其作用相当于一个带通滤波器。空腔的谐振频率取决于其中的空气体积，在高于谐振频率时，响应曲线将以6dB÷倍频程的斜率下降。假如选择一个恰当的喇叭单元，使它在这一频段的自然滚降率为6dB，就可以获得滚降率为12dB÷倍频程的声学频响而无须应用LC分频器。
CDC体系可以确保喇叭只工作在预定的区域中，而且在转机频率点以外的区域里陡峻下降。球形号角在低频转机频率处的陡峻下降及大功率承受能力使我们可以应用相位特性较好的一阶高通滤波器，而且在中低音频段可以无须应用任何滤波器。

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