揚聲器箱體用料及吸音材料展望音箱吸音材料及其他
1、音箱填充材料
揚聲器錐盆發出的能量有一半是從它的背面傳出的。這種「反向波」是一定要去向某個地方的。某幾種箱體，如低頻反射式，積極地利用低頻成分，將聲波調整為倒相的有用的低頻輸出。
其它音箱，如密閉式音箱，有賴於吸音材料來增強空氣順性以獲得更多一點低頻響應。揚聲器箱里的聲能使吸音纖維相互摩擦（剪切作用）有部分能量轉變成了熱能。隨著與低音揚聲器相串聯的電容的容值增加，這種摩擦剪切已經用電子線路模擬建模了（如T-S參數或SPICE電路模擬程序）。機械學有一個力學的說明，玻纖填充材料能使被封閉在箱體里的空氣彈性變得比較不硬，因而箱體中的揚聲器的諧振頻率會有所下降——大約20%到40%。對於大型箱體設計填充材料的成本會相差很大，那是工程師要斟酌取捨的。對於低頻反射調音孔結構，吸音材料吸收高頻抑制箱共振模式，使高頻響應與瞬態響應變得平滑。在一定程度上增加密閉箱的吸音材料可以獲得好處，但是倒相式音箱如果用太多吸音材料的話會降低從導風管的有效輸出。
大多數平價的小型音響製品（如條形音箱，播放器擴充基座）省略了箱體內的吸音材料，這是一種不好的趨勢，明顯地誤解了吸音材料的重要性。原作者剛為一家流行音樂商業雜誌評審一對1200美元帶功放的可移動DJ音箱，竟驚訝地發現裡面完全沒有吸音材料，儘管它的低音揚聲器用了鑄鋁盆架與散熱片以及釹鐵硼磁鋼（都是高價部件），高頻部分是一個帶式平面揚聲器。其分頻點在2千赫，使帶式高音揚聲器可以達到高聲壓級面又不失真。但是可以聽到從低音揚聲器旁邊的倒相管發出的中頻反射波「雜訊」。
眾所周知，音箱里的吸音材料會影響低頻響應，但是它對中頻清晰度的影響卻沒有被普遍認同，特別是小型環繞衛星箱的情況。它們的低音揚聲器分頻點都比較高，在中頻頻段。那種三英寸或四英寸的低音揚聲器，錐盆背面有許多中頻聲能應該受到抑制。這種聲能反彈回來又會通過錐盆或者通過低頻反射孔散發出來。
2、吸音材料的選取
有兩大類主流吸音材質：發泡材料和纖維材料。各有優缺點。
結構疏鬆的聚醚和聚酯發泡材料的特性相似，而它們的發泡密度與微結構和聲學性能有很大關係。發泡材料的主要優點是便於處理。可將它切割成固定的不易碎的幾何形狀。使它容易倉儲管理、保存、搬運與安裝。發泡材料的低頻吸收能力較差，因此對於密閉箱的低頻吸收用途有局限性。如果曝露於紫外線、菌類、臭氧等壞境，發泡材料會損壞。對於密閉的的音箱，那些壞境因素一般不會造成問題，倒是揚聲器錐盆的發泡材料折環往往會先出問題。
用於音箱的纖維主要有丙烯酸、羊毛和玻纖。對於某種選定的纖維，它的長度、質地、粗細和包裝密度是導致聲學差異的主要因素。纖維的理想幾何形狀能提供最好的結果，然而會增加成本。
羊毛是一種比較貴的纖維，對大量生產的音箱不現實。另一方面，如果使用得當，它的確具有優良的聲學特性。羊毛容易聚成團，由於尺寸不穩定性，不容易將它做得包裝密度與體積一致。
玻璃纖維是一種中低價位的纖維，具有極好的性能。一般都將玻纖做成按規格裁切的片材，有規定的厚度與密度。任何一位曾使用過玻纖的人都知道，玻纖的主要缺點是，操作工人的不良反應（如皮膚髮癢與過敏反應）。
聚丙烯纖維屬於中價位的，它的很好的聲學性能，很大程度上有賴於纖維的幾何尺寸及包裝密度。與玻纖不同，聚丙烯纖維是穩定的不會引起人體過敏問題，也不需要特殊處理。聚丙烯纖維可以做成片狀襯裡，或者散裝的填充料。有時候會把聚丙烯纖維用熱熔的方法做成紐扣狀，用於球頂音膜後面的吸音用途。
3、HOFFMAN的鐵定原則
1960年代，Anton Hoffman（在KLH公司工作時）率先推出了Hoffman的鐵定原則。它是一個數學公式，後來為Thiele與Small完善。現在他們的工作形成了所有現代揚聲器設計的基礎。Hoffman的鐵定原則表述了一個低音揚聲器的效率與它的音箱容積及它的截止頻率的三次方（可以有效還原的最低頻率）之間直接成正比。為了以同樣的輸出水平還原更低的頻率，我們就需要一個更大的音箱。更大的低音揚聲器就是更好的低音揚聲器。更大的音箱效率更高，可以產生更低的低頻，更小的功率壓縮，如果願意放棄效率或頻寬就可以選用較小的音箱。
從前有音響的座右銘，「一個好的大音箱總是能打敗一個好的小音箱」，它反映了一個揚聲器設計的物理學核心：箱體內容積、低頻擴展與靈敏度之間的相互依賴關係。因為一個基本關係將三者相互鎖定，改變其中的一個，就會改變另一個或另兩個。實際上有幾種方法可以用較高的性價比，獲得更多的低音。某些訣竅，包括權衡增益與頻寬，以及神奇的音箱吸音材料。
參考資料【2】介紹了鐵定原則的公式：
4、新的音箱填充材料
Ed Vilchur在音箱里使用玻纖，因為它比只有空氣的音箱順性更好（可壓縮性）。有一種手段採用秘傳的內「填充物」使音箱內部容積顯得比實際容積大得多，儘管實際應用是難以捉摸的。還有一種精細而複雜的方法是一種「模塊」或裝有氣態與液態物質的袋子，它比玻纖的順性更好，更容易壓縮。大約在1975年Eugene Czerwinski獲得了一個包裝的兩相（氣/液）多孔囊專利，這種技術的商標為Thermo-Vapor。然後史雲威格在音箱里使用Thermo-Vapor包的S-1和S-2投產了。這種方法的有效性與長期的穩定性會是一個有趣的研究課題。在1984年的音頻工程協會大會（AES Convention）上，Ralph Marrs發表了一篇關於揚聲器音箱超順性（super compliance）的論文。
在1990年的音頻工程協會大會上他就這個題目作了更新。最初的設計需要輔助加熱使它在117.6℉沸點下工作。以後的版本不再需要加熱或其他支持系統，它的沸點會在65℉到80℉範圍內無源跟蹤環境溫度。它宣稱，其虛擬的音箱聲學體積可以擴大一倍，提供極好的阻尼。這看似太美妙了，反而不像真的了。
2004年前後，KEF推出了Acoustic Compliance Enhancement（ACE），利用活性碳的表面效應。活性碳顆粒具有複雜的表面結構，包含無數大小不同的氣孔。這些氣孔賦於材料很高的表面面積與體積之比，形成了許許多多可供分子附著或「吸附」在材料表面的位置（與吸收相比較，吸附是一種嚴格的表面現象，而吸收是一種物質被帶入某材料的內部）。某種活性碳的形態對空氣具有很高的親和力，ACE就利用了它的這種特性。一袋置於鬆散編織的袋子里的活性炭顆粒被放進音箱，然後組裝好揚聲器系統。當揚聲器音膜壓縮音箱里的空氣時，活性碳會吸附更多的空氣分子。結果音膜受到的運動阻力變小了，似乎音箱里的空氣體積變大了。當音膜向相反方向振動時，音箱里的空氣壓力降低了，活性碳就會釋放空氣分子（一種被稱為除解吸附的過程）。這樣對揚聲器來說，似乎它在一個較大的音箱里工作。
雖然這種音箱體積的增加是表面上的，而不是真實的，但它的確帶來了物理上較大音箱的同樣好處。那意味著以同樣的音箱體積低音的延伸以及（或者）靈敏度可以得到改善。或者說，保持同樣的低音延伸和靈敏度，音箱的體積可以縮小。KEF的研究表明，這種表面上增加音箱體積的實際效果相當於三倍大的音箱。獲得更大的放大效果有可能性，但是不太實際。因為活性炭會增加很大的內阻尼。KEF已經使用ACE技術八年了，現在仍然用於高端揚聲器系統，包括KHT9000和KHT6000（參見圖3.3）。手提電腦和手機的微型揚聲器以及其他移動音響產品都有這種需求(小音箱發出豐富的低音)。工程師們為改善低音孜孜以求，從「收縮膜包裝」("shrink-wrapped")到意外發現神奇音響填充材料(magic box stuffing)。
圖3：KEF KHT9000採用了ACE活性碳吸音材料
樓氏公司是一家助聽器與微型揚聲器的主要生產商，最近它為移動設備推出了，N』Bass虛擬後容積技術（N』Bass Virtual Back Volume Technology）。N』Bass是一種聲音增強技術，用以提升消費類電子產品的音質。通過小形化，它使智能手機、平板電腦與其他便攜媒體裝置的音箱設計最小化成為可能。N』Bass是一種根據客戶要求而研發出來的材料，樓氏宣稱這種材料可以使揚聲器後面的體積變大100%（圖3）。它可以提供較好的音效，具體而言是更豐富的低頻，或者使音箱體積縮小50%而維持同樣的性能。它也可以用於較大的音箱，在音箱體積不變的情況下獲得優越的聲音性能。有點像海棉，N』Bass材料吸附音箱里的空氣，以此增加揚聲器後面的有效容積（見圖4）。
圖4：N』Bass是一種定製開發的（白色）材料，與典型的微型揚聲器一起展示
圖5：一個有代表性的揚聲器箱體（a）與一個使用N』Bass的揚聲器箱體（b）顯示了不同的有效後腔容積。符號說明：Air molecules 空氣分子；N』Bass 吸附材料。
圖6示出了一個微型揚聲器系統的頻率響應，揚聲器的尺寸為11×15×3.5mm後腔容積為1立方厘米。最低諧振頻率的差異約為150赫茲。可以看到，使用N』Bass虛擬後腔之後，在諧振頻率以下聲壓提升了約3分貝。
圖6：揚聲器尺寸11×15×3.5mm,後腔容積為1立方厘米微小音箱，有無吸附材料時的頻響曲線，曲線VBV為添加吸附材料的頻響，Standard為原來音箱。
5、音箱吸音材料作為補救措施
恰當的音箱吸音材料可以極大地增強揚聲器系統的性能。當今有多種吸音材料可供選用。對更小的揚聲器和更小的音箱的急切需求仍然是揚聲器設計師必須適應的要素。為了音質，音箱吸音材料的好處，尤其是各種精細的高順性的音箱吸音材料技術，是必須要考慮的。它們提供了現成的有創意的方法以解決Hoffman鐵定原則。
遺憾的是，對某些揚聲器製造廠來說已經司空見慣了，它們把音箱吸音材料視為事後添加的東西，導致不當應用，有的甚至完全不用吸音材料。對於低成本音箱這種做法猶可理解，而事實上我們已經在更多的高端產品上看到這種令人不安的趨勢。
主要參考資料：
[1] 應正銘，鄧曉芳譯自美國Mike Klasco和Steve Tatarunis發表於AudioXpress雜誌2012年系列文章。
[2]楊定軍，「揚聲器的霍夫曼鐵定原則及有關討論」電聲技術雜誌2010年第3期。
TAG:電器沙龍 |