现代号角喇叭的新发展

centian · 发表于 2006-7-13 20:57:00

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现代号角喇叭的新发展

喇叭厂家音响器材有三大古董：胆机、LP和号角喇叭。这些古董之所以可以存活至今，真正的原因并不在于它们的珍藏价值或人们的念旧情结，而是因为依然有人始终地用新技术、新材料、新理念在改造它们，使它们的生命周期得以延长。今年的CES展有一些用新技术武装起来的“古董“亮相，例如VTL公司的Siegfried参考级电子管放大器和Avantgarde Acoustics公司的号角喇叭等。Avantgarde 号角喇叭有许多独到的创新之处，与传统的古董号角喇叭已有很大不同。

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。

centian · 发表于 2006-7-13 20:58:00

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。
制造工艺
号角喇叭就像是一个放大镜，无论是美妙的东西还是漂亮的东西，在它下面都可以看得清清楚楚。它不只会突出音乐中的正面因素，而且使平常不易发觉的缺点也浮现出来。它对设计、制造方面的任何渺小差错都非常敏感，某些对于普通音箱无须特别当心的问题，在号角喇叭上却有可能造成严重成果。尤其是号角的制造，必需非常精致。
制造号角的材料和工艺有许多种，其中最容易的方法是用车床将木材切削成号角的外形。但是，木头会随环境温度、湿度及气压等的变化而伸缩，导致号角的外形偏离正确设计的曲线。较好的材料是用玻璃钢，但是用脱模工艺制造的玻璃钢制品表面非常粗糙，必需用手工将其打磨光滑。手工打磨无法保证尺寸的精度，打磨得越多，误差就会越大。
既要制造出优异的、毫无让步产品，又要把成本控制在肯定范畴内，就必需寻找新的材料和工艺。Avantgarde采取了注塑法来制造号角。所用的钢模具重达8000kg（950mm口径的号角），模具的尺寸公差小于±0。05 mm，融化的树脂（ABS塑料）加以2500吨的压力注射到模具里。这样制造出来的号角非常正确，其外形可以长期保持不变，外表光亮，产品的一致性也非常好。
Avantgarde一共推出了四款号角喇叭：两分频的DUO和UNO（连同低音音箱则为三分频），同轴式的SOLO，以及三分频的TRIO（连同低音音箱则为四分频）。TRIO是该系列中的旗舰，其低中音单元型号为L3，具备特别高的效率（107dB÷1W÷1m）和极大的功率承受能力。因为采取了CDC技术，所以无须外加分频器就可以自然地工作在预定的频率范畴内（100－600Hz）。中音单元M3的工作频率范畴为600－4000 Hz，低音单元H3则工作在4000Hz以上的区域中。
价格最低的SOLO是为家庭影院设计的，同时统筹了音乐重放的能力。它由一只305mm（12英寸）的低音单元和一只25。4mm（1英寸）的低音单元组成，所以无须另配低音音箱。低音单元安装在低音单元的中央，造成一个同轴体系。两者都设备了球形号角。
低音的重放
号角喇叭的最低重放频率取决于号角的尺寸，频率越低，波长就越长，相应的号角尺寸就必需越大。假如要重放频率为30至50Hz的声音，做出来的号角将非常宏大，难以应用。1889年，Avantgarde曾开发了一种号角式低音喇叭，号角开口的面积竟达6m2，由9只203mm（8英寸）的低音单元驱动。这个庞然大物无法整体运输，只能拆成部件，而后在用户的房间里重新组装，极不方便。因此，这款低音号角从未投入商业销售。
应用折叠式的号角可以减少喇叭的总长度。在折叠号角中，声音流传时要经过屡次转机，总的流传长度与一个直号角相同。典范的例子是前面提到过的那种有线播送喇叭。这种构造会引起一个严重的问题：每一个转机都会引起频率响应的极大峰谷（>10dB）和相位偏移。这也是以往的号角式喇叭声音不好的原因之一。
另一种方法是用非号角的普通音箱来播放低音，这样配置成的“混血“体系会有一个问题：号角喇叭的速度快，而低音音箱的速度慢。在两种不同喇叭的交接处，声音的整体性和连贯性将被毁坏。该公司所开发的专门与号角喇叭配套应用的低音音箱采取了一些办法以加快响应速度，包含采取大音圈、大磁钢的喇叭单元。此外还采取了一种“速度反应电路“。这种电路与普通负反应电路的不同之处在于：它不是将输出信号与输入信号相比较，而是将振膜的速度与输入信号相比较，这样的负反应环路不只能清除放大器本身的偏差，而且可以清除喇叭单元的偏差。一旦发现偏差，电路就会立刻调剂输出功率。经过这样的调剂后，不只响应速度得以提高，而且在全部响应频段内的偏差可以降低到0。8dB。
只管采取了这些办法，非号角喇叭终究很难与号角喇叭搭配得浑然一体。为了清除这个遗憾，Avantgrarde终于在2000年底开发出了一款真正具备实用价值的号角式低音喇叭BASSHORN。汲取前一款号角低音的经历教训，新的型号采取了两项办法以减小体积：一是采取模组化构造，每个模块的外形尺寸为104（宽）×99（深）×71（高）cm，重量为75kg，比较便于运输。用户可以依据自己的需要选择2个、4个或6个模块来组成自己的低音体系。每个模块由两只305mm（12英寸）的低音单元驱动，并内置有一个输出功率为350W的功率放大器。六个模块堆叠在一起时，外形尺寸为206（宽）×99（深）×211（高）cm，重量为450 kg，在较大的房间里还是可以摆放得下的（该公司引荐的房间面积为25m2）。照片所示就是六模块组合的样子。
第二项办法是采取ADRIC技术（Active Dynamic Radiation Impedance Compensation，主动式动态辐射阻抗弥补）。这是一种特别的电路，在它的弥补作用下，号角的开口面积可以做得比较小而不致影响低频延长。这款BASSHORN的开口面积仅为0。84m2，号角长度为1。4m，低频下限却可以达到18Hz。同时，这种电路还可以使截止频率以下的低频响应线性化，使重放的低音更加正确。因为此项技术的专利正在请求中，所以该公司没有泄露更多的细节。
所应用的低音单元采取了大磁铁、大音圈、长行程的构造：音圈直径为102mm（4英寸）；磁铁直径为226mm（8。9英寸），每个磁铁的重量达9kg；行程为18mm。每只喇叭的可承受功率为600W。
因为采取了上述的一系列办法，使它达到了较高的总体指标：频率响应范畴为18至250Hz，单模块的敏锐度为102dB，六模块组合时的敏锐度可达到109。5dB。电子分频器的分频点可在40至200Hz的范畴内调剂，以便与中低音喇叭匹配。

centian · 发表于 2006-7-14 02:53:00

号角喇叭的主观听感
号角喇叭的声音特性是动态宏大，声场定位正确。另外，号角喇叭受房间的影响比较小。这是因为它的辐射角度比较小，在特定角度之外的区域中，声压将急剧下降，这就大大减少了房间的反射声。在房间里倾听球形号角时，我们听到的声音中大概85％是直达声，只要15％的反射声。因此，号角喇叭对摆位及房间的要求比较宽松，在不同的房间里，无论是大房间还是小房间，声音差别不会很大。而且，它不会像辐射角度很大的普通音箱那样有大量反射声迭加在原始录音上，从而使声像模糊不清。号角音箱的声场清楚正确，可以保持原始录音的空间感和现场感。可以觉得出每件乐器的位置。
此外，正如前面已经说过的：号角喇叭具备很强的解析力。它就像一个放大镜，会把体系中的所有优点和缺点都暴显露来而不会加以掩盖和美化。所以，要用号角喇叭获得好声音，也不是一件容易的事。
为何低音号角难度高
为什麽低音很少採用驱动器加上号角的设计呢？前面说过，拥有强力磁铁的低音驱动器难寻，再者，低音号角的长度与开口都非常大，假如然要遵照实际製造低音号角，其体积不是一般家庭所可以包容者的。举例来说，号角的长度至少也要有最低截止频率波长的四分之一，假若要让低音号角再生30Hz，30Hz的波长大概为11。3公尺，四分之一波长大概为2。8公尺。假若您要使用二分之一波长来设计号角长度，想要再生30Hz的低频更需要长达5。6公尺的号角，您想想看，谁家可以包容那麽长的号角？
号角长度是一个问题，号角的开口大小则是另外一个问题，号角的开口大小可以用公式来计算：其中Afm是号角开口面积，单位是平方米，C是音速，每秒大概340公尺，F0是最低截止频率。按照公式计算，30Hz的最低截止频率需要大概10。2平方米的号角开口面积，这是多大的号角啊！就算退一步说，我们只需求最低频率为50Hz，那也大概要3。8平方米的开口面积。
因为低音号角的长度与开口面积对于一般家庭应用而言都是不实际的，所以就产生了许多「代替性方桉」，例如Lowther的背载折叠号角，Klipschhorn的牆角号角，以及採用传统动圈锥盆单体做驱动器的低音号角（这已经不是真正的号角，因为此处的号角只不过具备导波Waveguide作用而已。），甚至有些号角喇叭採用分离的锥盆主动式低音（如Avantgarde）。
号角的品种
前面说过，一般常见的扁号角通称为指数型（Exponential）号角。其实，号角按照从喉部到开口的由窄渐宽的扩大曲线设计，可以分为指数型、双曲线型（Hyperbolic）、指数÷双曲线溷合型（Exponential÷Hyperbolic）以及曳物线（Tractrix）等四种，其中开口曲线最大的是曳物线号角。究竟设计号角喇叭时要採用哪种扁号角？这就看各家设计师的功力与诉求了。
与扁号角相同的是，圆号角也有不同的扩大曲线，造成不同角度的向外开口。也就是因为这样，几乎每家圆号角製造工厂皆声称拥有世界专利，但它们之间却仍能保持「互不侵占」的状况，因为只需把扩大曲线更改一点角度，就可以避免侵权了。事实上，要请求圆号角的专利几乎是不可能的，因为早在音响用的圆号角出现之前，乐器裡早已存在许多「圆号角」。假如专利局要发给专利权，也应当发给创造小号与法国号的那个人。
号角喇叭的优点
号角喇叭的优点在哪裡？我们都知道号角喇叭的效率很高，其实效率高并不是号角喇叭的优点，许多锥盆喇叭的效率也达九十几dB啊。号角喇叭的优点是因为只需振膜往复运动一点点间隔，就可以推进很大的空气能量，因为振膜往复运动的间隔很短，失真率就低很多。而锥盆式喇叭想要推进很大的空气能量，就必需做激烈大幅度的往复运动。当锥盆在做激烈大幅度的往复运动时，失真往往非常高。换句话说，表面上看号角喇叭的优点是效率高，其实真正的优点是失真非常低。
1980年代以后，市面上开始出现圆形号角（Spherical Horn），这些圆号角的喉部比指数型扁号角更短，但开口曲线更大，而且开口是圆形。圆号角有什麽益处呢？依据德国AvantGarde所宣布的白皮书，他们实验证明圆号角的声波分散角度远比扁号角大，而且扁号角在低端截止频率邻近区域会有锋值出现，圆号角却依然可以保持平坦的频率响应曲线。
既然号角喇叭有失真极低的优点，为何目前的主流喇叭依然是动圈锥盆喇叭呢？最主要的原因是动圈锥盆单体廉价好用，製造成本低。而号角喇叭製造难度高，数量也少，售价通常居高不下，自然难以普及。再者，号角喇叭的体积通常都要比动圈锥盆喇叭还大，这也是号角喇叭不利之处。第三个原因是：号角喇叭的低频段延长能力通常不如动圈锥盆喇叭，而製造不良的低音号角又尖利生硬，以至于号角喇叭的美声形象不易树立。其实，只需可以拥有真正优质的号角喇叭，再配上恰当的扩大机，号角喇叭所表示出来的高度传真、直接、活生、宽广、细节特性真会令人终生难忘。

richdoor · 发表于 2006-7-14 03:20:00

不错，分享了，谢谢楼主的发布，我收藏了！

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[卡拉OK音箱] 现代号角喇叭的新发展

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