浅谈号角喇叭

音频应用 · 发表于 2015-12-29 15:26:39

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浅谈号角喇叭

喇叭设计千百种，有一种喇叭的外型很有趣，从喇叭外观看到的不是喇叭单元，而是像喇叭花开口一样的号角，这种外型奇特的喇叭就叫做「号角喇叭」。为什麽要在单元的外面套上这个号角呢？套上号角之後对声音产生了那些影响？是变得比较大声了是比较好听？为什麽有人对号角喇叭总是念念不忘？在众多的问号之下，就让我带领大家进入号角喇叭神秘的世界。

为什麽会有号角？

记得在上中学的时候有一个有趣的自然实验，用厚纸板卷成圆锥状，然後把嘴靠在纸筒的锥部讲话，结果发生了一个很有趣的现象。那就是面对纸筒的直线位置上，听到讲话的音量变大了，而且变清楚了。这个现象大家都习以为常，自然而然的把它视为常识的一部份，并且实际运用于一般的生活当中。例如我要隔街叫

人，一定会很自然的把双手合拢靠在嘴巴上喊话，因为这样可以让对街的人可以听得更清楚些。就是因为利用这个简单的原理，不但可以让声音传得更远，而且也可以让号角投射的地区声音更集中、音量更大些，这就是号角的好处。

古人老早就知道号角的好处，发明大王爱迪生，就把他生产的爱迪生留声机，用竹针从腊筒的刻纹上拾取声音讯号，传到小小的发声振膜，没有加装号角的情况下，只能把耳朵靠在振膜旁听到叽叽喳喳的微小声音。这时如果在发声振膜外面套上一个号角时，音量突然钜增数十倍，不但扩大了响应的频宽，也可以让整个房间充满音乐的声音。

喇叭使用号角的理由

Paul Klipsch可以说是研究号角喇叭的先驱，他在实验室中发现，单元振膜加上号角之後，由于空气压力的阻抗匹配良好，因此可以使得发声的效率大为提升十数倍甚至高达五十倍！这样一来就意味著要达到相同的音压，使用号角技术可以大大的降低单元的输出，相对之下单元在小振幅的运动中可以获得更低的失、更线性的表现。就片面的音响特性而言，使用号角就是提高最大音压的上限、降低失真、增加动态范围以及控制声音的扩散角度，对使用小功率单端电子管机的用家而言，由于号角喇叭的效率都很高，所以只须使用只有七、八瓦的300B电子管机，一样可以享受爆棚的聆赏乐趣，这就是号角喇叭的最大优点。

Paul Klipsch是一个声学科学家，对于号角的研究更是倾尽心力，当然会利用科学的实验数据来证明号角的好处。他的实验是这样子的：在无响室中拿出一个单元，并用扩大机对这个单元输入两个不同频率的正弦波讯号，然後分别利用频谱分析仪测试这个单元在发出相同音量的时候，加上号角与拿掉号角之後的各项差异。这个实验的结果发表在美国AES（Audio Engineering Society）期刊上，由于加装号角之後的工作效率较高，因此发出相同音量的时候，有装号角的输出只需没装号角的几十分之一功率，因此各项谐波失真的比例便大大的降低。利用单元在低功率下工作以降低失真的原理，就好比现在大型喇叭系统，喜欢用多数的单元并联，以求取每个单元较低的输出，是完全相同的道理。使用号角不必多个单元并联，只需一个单元即可，更是大大的降低了制造成本，这就是Paul Klipsch致身努力的目标。

低音号角遇到的问题

虽然知道了号角有增加效率以及降低失真的优点，不过号角的长度以及开口大小，密切关系著号角的声学特性。要详细说明号角展开时的数学方程式是非常艰深且困难的，因为需要运用到大量的指数式运算。对于吾辈一般用家而言只需了解号角计算的原理就行了。

首先，号角开口的大小面积，影响著该号角能够产生的最低频率截止点。简单的说，就是号角的开口面积越大，低频就可以延伸得越低。这个数值大约多少呢？延伸至35Hz 3dB时的开口面积，大约是一个标准办公桌的桌面大；如果要设计一个可以延伸至28Hz的号角呢？它的开口面积大约要大到福特重载卡车的车头才够！

开口要那麽大，那我乾脆直接把号角展开的角度加大些不就得了？当然没有那麽简单，因为这儿又牵涉到一个问题，那就是号角的展开角度是要套公式的。依照不同号角的特性，基本的公式是一个指数方程式、抛物线方程式或是混合的双曲线方程式，配合单元机械特性的不同，分别在方程式中加入不同的系数而成。利用公式计算出来的数据显示出一个号角的展开原则。

以能够产生球面波的号角方程式而言，从单元发声的振膜位置开始算起（这个地方我们称为号角的喉部），每增加单位距离，号角的截面面积就会成指数性的速度增加。指数的特性是这样子的，开始的时候数值增加的速率很慢，但是越接近到後面，数值增加的速度会越来越快，最後几乎呈直线上升向无限大冲去，这就是指数的特性。

基于此，因为号角每增加单位长度，其号角的截面积就会呈指数性增加，所以您见到的号角形状，越接近单体的喉部就呈细细长长缓慢展开的样子，而开口的部份就和喇叭花瓣一样快速弯曲展开。所以您可别自以为聪明要亲自动手将单元加个号角，没有经过精密计算的号角，其频率响应、扩散波型、扩散角度等等因素都会受到严重的影响。

如此一来，号角展开的弧度要套公式，加上延伸够低的低音号角体积十分巨大，大到家居聆听室根本塞不下。所以从「Stereo Sound］杂志上看到的超级号角玩家，其低音号角不是从聆听室的後墙穿墙而来；就是像鹦鹉螺或低音号般的把号角管路卷起来。发烧过头的玩家如果聆听室无法施展「隔壁穿墙术」当然只好把整只长度超过两层楼的号角吊起来，从三楼向下直拉到一楼的聆听室了。

摺叠式的低音号角

Paul Klipsch厉害的地方就在这里，既然号角的开口要大到一个程度低音才沉得下去，但是开口大到一个程度之後，其号角长度势必不短。Paul Klipsch为了这个问题无法解决而伤透脑筋，听说有一天Paul Klipsch在午睡中突发奇想，何不把号角给「折起来］，利用精密的计算与调整，把低音单元藏在音箱最内层的密闭空间中，然後利用巧妙的木头隔间，组装出一个经过计算的通道，这样一来既不损号角开口的面积，又可以大大的缩减体积。这位科学家又开始了一连串的计算与实验，终于制造出了摺叠式低音号角的鼻祖Klipschorn（即Klipsch与Horn的连写）。

当时Paul Klipsch的想法是这样的，他把Klipschorn的低频截止点设定在35Hz -3dB，但是即使摺叠起来之後的体积也像个大木柜般，所以他把号角的开口设计在喇叭的两侧。但是Klipschorn并没有侧板，用家使用的时候必须把它确实的靠紧在三个面互呈直角的坚硬墙壁上，把接触的墙壁视为喇叭设计的一部份。

由于Paul Klipsch把摺叠号角实用化，所以後来也有不少号角设计师依照这个构想，推出不少类似的设计，只不过大部分的设计迁就于设计时计算的难度。他们遇到最大的问题在于木板隔间是平面构成的通道，但是号角的展开延身是呈指数性增加的，所以难免会遇到一些妥协。摺叠式号角的设计有一个变形的设计，那就是传输线式设计，相同的地方是利用拉长声音通道的长度，达到低频延伸的效果，只不过开口的大小、以及管道延伸的截面积并没有号角喇叭这麽严谨，所以声学特性上当然也必须有所妥协。

高音号角与低音单元的效率协调

大部分号角喇叭迁就于体积限制，折衷的采用两音路设计。其中中高音使用纯号角设计，而低音部份就使用大尺寸的高效率传统单元取代，因为中高音号角喇叭的效率十分地高，动不动就有1m 、110dB的超高效率，相较之下低音单元就无法与中高音单体取得效率上的平衡。解决之道就是刻意在分音器上动手脚，把号角单元的输出强制降低，以取得中高音号角单元与低音单元效率相同的基本要求。

普遍的作法有三种：最简单的作法是在号角单元上串一个低阻抗的无感电阻，藉著增加单元阻抗的方式，达到降低的单元的效率。不过在单元上串电阻降低效率是很不卫生的作法，因为单元的阻抗特性是集合机械与电气的综合阻抗，串上电阻只能片面的降低效率，整体的表现将会受到严重的破坏。比较讲究的方法是在分音器的高音输出部份，加入一个号角专用的降压变压器，把号角单元的效率刻意降低。最发烧的方式当然是采用电子分音的方式，不但不必加入额外的零组件，藉由主动式的电子分音器，不但分频点可自由调整，每只单体的增益也在掌握之中，最大的缺点当然需要多部扩大机来伺候。

以Klipschorn来说，它是三音路全号角设计，高音及中音单体的输出使用一个特制的自藕变压器，来降低效率过高的号角单元，使三只单元发出的音压相同，达到高、中、低频音压平均分布的要求。即使刻意降低中高音号角的效率，整体的效率仍然高达104dB，把喇叭靠在CD唱盘的RCA输出座上，就可以发出声音，这就是它神奇的地方！而它的最高连续承受功率达100W，使用两对Klipschorn塞在体育馆的四个角落，就可以当作高品质的播音系统了！

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