分频设计详述

 前言

很多人都认为DIY喇叭比起前级，后级及DAC简单，因为它只是一个木箱加上分音及单元便可以了，真是没有技术可言。当然啦,做出来有声出的确很简单.但做出好声音就有点难度了。

一向以来，分音器、音箱的设计都是厂商视为秘密般的收藏.这样使得仅有很少数的DIYer可以进行喇叭的实作，实在有点可惜。我尝试在这里为大家解开这个秘密，希望大家看完这篇文章可以对设计有了初步的了解，然后可以做出自己的第一对喇叭。

还要多谢立民兄给我写这篇文章的机会。

本篇会有三个单元：

分音器篇 音箱篇 实作篇

简介

首先想给大家一个说明，对喇叭各部份有个初步了解：

超高音：负责22kHz以上的频率

高音：负责5000Hz~22kHz频率.

中音：负责1500~5000Hz频率

低音：负责1500Hz以下频率

超低音(增加)负责200Hz以下频率

分音器：指定的频率分配给各个单元工作。

音箱：分为密封式,倒相式及迷宫式

喇叭单元的结构在此不作说明了，因为太过复杂很难解释清楚，以后再利用篇幅讲解。

分音器篇

表面上分音器只是一个十分简单的电路,应该不会太难设计.可是在现实却是完全两会事了.其中所包含的测量,分析及所要的仪器的确是相当的复杂.

不过今次要讲的不是那么高深难明的测量…………….而是要从最基本开始,好有个完整概念.分音器可分为以下两大类:

主动分音及被动分音：两者的分别很大，主动分音使用在前级及后级之间，用OPA来达成分音的目的,须要多部后级才能使用。而被动分音(以下称之分音器)就是放在音箱内的分音器,要用电感零件来达成分音的目的。但只须一部后级便可以使用.也今次所要介绍的。

编注：主动分音，又称有源分音（香港方面的说法），Active Cross Over；被动分音，又称无源分音（香港方面说法），Passive Cross Over。其中又可以把分音器再分为：

二路设计有：

 

First - Order线路图

C1=0.159 / RH F L1=RL / 6.28 F

式中的:

RH = 高音阻抗值

RL = 低音阻抗值

F = 分频点

 

Second - Order线路图

Second - Order Linkwitz - Riley

C1 = 0.0796 / RH F L1 = 0.3183 RL / F

C2 = 0.0796 / RF F L2 = 0.3183 RH / F

Second - Order Bessel,

C1 = 0.912 / RH F L1 = 0.2756 RL / F

C2 = 0.0912 / RL F L2 = 0.2856 RH / F

Second - Order Butterworth

C1 = 0.1125 / RH F L1 = 0.2251 RL / F

C2 = 0.1125 / RL F L2 = 0.2251 RH / F

Second - Order Chebychev

C1 = 0.1592 / RH F L1 = 0.1592 RL / F

C2 = 0.1592 / RL F L2 = 0.1592 RH / F

式中的:

RH = 高音阻抗值

RL = 低音阻抗值

F = 分频点

Third - Order线路图

Third - Order Butterworth

C1 = 0.1061 / RH F L1 = 0.1194 RH / F

C2 = 0.3183 / RH F L2 = 0.2387 RL / F

C3 = 0.212 / RL F L3 = 0.796 RL / F

式中的:

RH = 高音阻抗值

RL = 低音阻抗值

F = 分频点

 

Fourth - Order线路图

Fourth - Order Linkwitz - Riley

C1 = 0.0844 / RH F L1 = 0.1000 RH / F

C2 = 0.1688 / RH F L2 = 0.4501 RH / F

C3 = 0.2533 / RL F L3 = 0.3000 RL / F

C4 = 0.0563 / RL F L4 = 0.1500 RL / F

Fourth - Order Bessel

C1 = 0.070 / RH F L1 = 0.0862 RH / F

C2 = 0.0719 / RH F L2 = 0.4983 RH / F

C3 = 0.2336 / RL F L3 = 0.3583RL / F

C4 = 0.0504 / RL F L4 = 0.1463 RL / F

Fourth - Order Butterworth

C1 = 0.1040 / RH F L1 = 0.1009 RH / F

C2 = 0.1470 / RH F L2 = 0.4159 RH / F

C3 = 0.2509 / RL F L3 = 0.2437 RL / F

C4 = 0.0609 / RL F L4 = 0.1723 RL / F

Fourth - Order Legendre

C1 = 0.1104 / RH F L1 = 0.1073 RH / F

C2 = 0.1246 / RH F L2 = 0.2783 RH / F

C3 = 0.2365 / RL F L3 = 0.2294 RL / F

C4 = 0.091 / RL F L4 = 0.2034 RL / F

Fourth - Order Gaussian

C1 = 0.0767 / RH F L1 = 0.1116 RH / F

C2 = 0.1491 / RH F L2 = 0.3251 RH / F

C3 = .2235 / RH F L3 = 0.3253 RL / F

C4 = 0.0768 / RL F L4 = 0.1674 RL / F

Fourth - Order Linear - Phase

C1 = 0.0741 / RH F L1 = 0.1079 RH / F

C2 = 0.1524 / RH F L2 = 0.3853 RH / F

C3 = 0.2255 / RL F L3 = 0.3285 RL / F

C4 = 0.0632 / RL F L4 = 0.1578 RL / F

三路设计有:

First - Order线路图

 

First - Order ( I ) 中音正相接

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C1 = 0.1590 / RH FH L1 = 0.0458 RM / FM

C2 = 0.5540 / RM FM L2 = 0.1592 RL / FL

First - Order ( II ) 中音正相接

C1 = 0.1590 / RH FH L1 = 0.0500 RM / FM

C2 = 0.5070 / RM FM L2 = 0.1592 RL / FL

Second -Order线路图

 

Second -Order ( I ) 中音增益2.08dB中音反相接

C1 = 0.0791 / RH FH L1 = 0.3202 RH / FH

C2 = 0.3236 / RM FM L2 = 1.0291 RM / FM

C3 = 0.0227 / RM FM L3 = 0.0837 RM / FM

C4 = 0.0791 / RL FL L4 = 0.3202 RL / FL

Second -Order ( II ) 中音增益2.45dB中音反相接

C1 = 0.78 / RH FH L1 = 0.3217 RH / FH

C2 = 0.3046 / RM FM L2 = 0.9320 RM / FM

C3 = 0.0248 / RM FM L3 = 0.0913 RM / FM

C4 = 0.0788 / RL FL L4 = 0.3217 RL / FL

 

Third -Order ( I ) 中音增益1.6dB 中音正相接

C1 = 0.0995 / RH FH L1 = 0.1191 RH / FH

C2 = 0.3402 / RH FH L2 = 0.0665 RM / FH

C3 = 0.0683 / RM FM L3 = 0.0233 RM /FM

C4 = 0.3125 / RM FM L4 = 0.4285 RM / FM

C5 = 148 / RM FM L5 = 0.2546 RL / FM

C6 = 0.2126 / RL FL L6 = 0.0745 RL / FL

Third -Order ( II ) 中音增益2.1dB中音正相接

C1 = 0.0980 / RH FH L1 = 0.1190 RH / FH

C2 = 0.3459 / RH FH L2 = 0.0711 RM / FM

C3 = 0.0768 / RM FH L3 = 0.1254 RM / FM

C4 = 0.2793 / RM FM L4 = 0.3951 RM / FM

C5 = 1.061 / RM FM L5 = 0.2586 RL / FL

C6 = 0.2129 / RL FL L6 = 0.0732 RL / FL

Third -Order ( III ) 中音增益0.85dB中音反相接

C1 = 0.1138 / RH FH L1 = 0.1191 RH / FH

C2 = 0.2976 / RH FH L2 = 0.0598 RM / FM

C3 = 0.0765 / RM FM L3 = 0.0253 RM / FM

C4 = 0.3475 / RM / FM L4 = 0.3789 RM / FM

C5 = 1.068 / RM FM L5 = 0.2227 RL / FL

C6 = 0.2127 / RL FL L6 = 0.0852 RL / FL

Third -Order ( IV ) 中音增益0.99dB中音反相接

C1 = 0.1158 / RH FH L1 = 0.1189 RH / FH

C2 = 0.2927 / RH FH L2 = 0.0634 RM / FM

C3 = 0.0844 / RM FM L3 = 0.0284 RM / FM

C4 = 0.3112 / RM FM L4 = 0.3395 RM / FM

C5 = 0.9667 / RM FM L5 = 0.2187 RL / FL

C6 = 0.2130 / RL FL L6 = 0.0866 RL / FL

 

Fourth - Order线路图

Fourth - Order ( I ) 中音增益2.28dB中音正相接

C1 = 0.0848 / RH FH L1 = 0.1004 RH / FH

C2 = 0.1686 / RH FH L2 = 0.4469 RM / FH

C3 = 0.3843 / RM FM L3 = 0.2617 RM / FM

C4 = 0.5834 / RM FM L4 = 1.423 RM / FM

C5 = 0.0728 / RM FM L5 = 0.0939 RM / FM

C6 = 0.0162 / RM FM L6 = 0.0445 RM / FM

C7 = 0.2523 / RL FL L7 = 0.2987 RL / FL

C8 = 0.0567 / RL FL L8 = 0.1502 RL / FL

Fourth - Order ( II ) 中音增益2.84dB中音正相接

C1 = 0.0849 / RH FH L1 = 0.1007 RH / FH

C2 = 0.1685 / RH FH L2 = 0.4450 RH / FH

C3 = 0.3774 / RM FM L3 = 0.2224 RM / FM

C4 = 0.5332 / RM FM L4 = 1.273 RM / FM

C5 = 0.0799 / RM FM L5 = 0.1040 RM / FM

C6 = 0.0178 / RM FM L6 = 0.0490 RM / FM

C7 = 0.2515 / RL FL L7 = 0.2983 RL / FL

C8 = 0.0569 / RL FL L8 = 0.1503 RL / FL

很复杂吗？不用怕只是举一点例子，实际使用时不是全部使用的。何况现在已经可以用计算机程序计算.所以大家不用担心。除了分频电路外还需加上以下电路使做出来分音器的效果更加完美：

降低高音灵敏度电路图

 

一般高音的灵感度都会比低音高出几dB,所以要用这个电路来使高,低音的灵敏度平衡.

编注：使用这个衰减网络时，要记得以下几点

打算衰减多少dB来配合？注意，就电压增益N倍来说来说，以dB表示的算式为

20LOG N。假设衰减十倍，则为衰减 20LOG10=20dB。反过来看，如果打算衰减6dB，则为衰减二分之一（20LOG0.5=-6dB）

衰减网络加入前后的总阻抗不变：假设我们原先设计分音网络时以

阻抗RL为假设，则加入两个电阻后的阻抗：

R1+(R2//RL)=RL，其中R2//RL表示为两电阻并联，其合成阻抗为1/(1/R2+1/RL)

高音阻抗补偿电路图

 

高音阻抗补偿电路 :

我们知道单元的阻抗不是直线而是曲线,所以我们要设法把这条曲线拉得比较平直点.

C = 0.1592 / (RE Qes fs )

L = 0.1592 (Qes RE ) / fs

R = RE + ( Qes RE )/Qms

式中的：RE, Qes, Qms, fs可以在单元的数据中找到。

只要代入式中便可以找到答案。

现在很多高音的阻抗都已经很平直了，所以也可以不用这个电路。

低音阻抗补偿电路 : 低音阻抗补偿电路图

 

上面已经提过单元的阻抗不是一条直线，而低音的阻抗曲线就更难看。在低音的阻抗曲线上，我们可以看到低频段及中频段两点的阻抗值更升到30 Ohm以上.如果要把低频段的阻抗拉到平直是很难的,所以一般都不会理会，我们主要是把中频段的阻抗拉得平直一点。

R = 1.25 RE

C = Le / R2

式中的

RE = 低音单元的直流电阻值

Le = 低音单元的电感值

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频率响应补偿电路: 频率响应补偿电路图A

 

这两个电路分别有两个作用.

电路是把频率响应增加(广大)而又把灵敏度提升。

电路是把频率响应增加(广大)而又把灵敏度降低。

频率响应补偿电路图B

 

L = 0.15916 / f

C = 0.15916 / f

式中f = 频率响应最小值而R的计算是比例难的。我们可以用10 ~ 30 Ohm电阻慢慢试.。试到自己认为好止。

 

 平行频率凹陷电路: 平行频率凹陷电路图

这电路的作用是把凸出来的某一频段(f1~f2)降低.使频率响应较为平直.

C = 0.03003 / f

L = 0.02252 / f2 C

R = 1 / 6.2832 C B

式中的:

f = 需要衰减某频段的中位数

g

(f1 = 2000Hz,f2 = 3000Hz.f = 2500Hz)

C = f1~f2需要衰减的灵敏度.

以上提及的公或及方法大都可以解决一般的设计使用.最重要的是多做实作便能了解其中的用处.我们用以上公式可能会得到很美丽的数值,但在实际使用(试听)时,我们还要凭经验做一些细节的改善.

分音器篇的介绍到始为止.

如有任何地方出错请大家指出改正.

参考数据:The Loud Speaker Design Cookbook (Fourth Edition)

音箱篇

音箱的设计比起分音器的设计就更复杂了，动用的仪器要测试的参数…..更多。大家不要小看这个箱子，往往是整个系统的关键.要设计一个好的箱子是难的，我尝试说明一下。

音箱的设计可分为三大类：

密封式

反射式

迷宫式

今次要介绍的是密封式，反射式两种。因为迷宫式的设计十分复杂，我们制造起来也很困难。

密封式

密封式的意思是把单元安装在一个密封的箱子内工作。其设计比反射式简单.只要几条算式便可以求出。

Qr = Qtc / Qts

Vr = Qr ^ 2 - 1

Vb = Vas / Vr

式中的Qtc , Qts ,Vas是喇叭的参数.Vb是音箱的容积.( L )。但计算好后还要加上单元及分音器的容积，才是最终的音箱容积。最后还要把阻尼物放满箱内，但不要放得太实。不同的阻尼物会有不同的音色，例如羊毛的音色比较厚、暖玻璃纤维的音色比羊毛薄，音色光辉。波浪棉的音色我认为最差，大家不用也罢！我最喜欢用的是冬天穿的外衣内的棉，反应快，清晰！

反射式

虽然设计比密封式复杂,但也不会太难.

Vb = 20 * Qts ^ 3.3 Vas

Fb = ( Vas / Vb ) ^ 0.44 * Fs

式中的: Qtc , Qts ,Vas是喇叭的参数.Vb是音箱的容积( L )

反相管的设计

Lv = (23562.5 * Dv ^ 2 * Np / (Fb ^ 2 * Vb )) - ( k - Dv )

式中的:

Dv = 反相管的直径(cm)

Fb = 频率 (Hz)

Lv = 反相管的长度( cm )

Vb = 音箱容积 ( L )

Np = 反相管的数量

k = 最后校正值(通常用0.732)

计算音箱的容积有很多方法,只是其中一种。我强调这只是一种方法,可能在实际中会有一点出入.我举个例：市场上的PRO XX书架型号大多是同一的容积.在数据上他所使用的不同型号的低音单元计出来的容积应该是不同的，但他却使用差不多是相同容积的音箱来安装不同的单元。再举个例：同一的单体在A厂安装在一个书架箱,但在B厂已经安装在一个落地箱.但在分音器上就完全不同了。我想大家已经明白我想说什么吧。

以下软件可以帮助我们设计。

FILTER 15

PXOVER

除了软件我们还可用一些测试硬件在计算机上作出很多不同的测量.

AUDIOMATICA S.R.L.( http://www.mclink.it/com/audiomatica/clioeng.htm)

还可在以下网站找到更多的软件

The Subwoofer Diy Page(http://205.214.207.99/audiodiy/sld/sealed4.htm)

音箱的设计到始为止.

参考数据:

The Loud Speaker Design Cookbook(Fourth Edition)

The Subwoofer Diy Page(http://205.214.207.99/audiodiy/sld/sealed4.htm)

The speaker Buliding page(http://www.speakerbuilding.com/)

实作篇

大家已经学得设计的基本.是时候做一些习作了，在实作篇中我会用一些KIT作为实习蓝本，再从中加以改良。(注意:我不是认为原厂的设计有问题/不好，请大家不要误会。)

原厂分音器线路图

 

今次为大家介绍的是SEAS EMBLA KIT这个KIT中使用的当然会是SEAS的单元啦。他所使用的单元为:

高音--- 25 TAF C/D ( H417) 金属膜高音

低音--- P17REX (H416) 胶盆低音

我们看到如此的线路图又怎能不好好改动一番呢!今次要改动的不只是线路,连高音及低音都一同更改.只用上KIT的音箱设计.为什么只用原厂音箱设计?在上一篇已经说明了.目标是使用不超过HK$3000来完成这个实作.经过各种改动后这个已经不什像EMBLA了.所以重新改名为SPEAKER ONE.以下是SPEAKER ONE所用的单元:

高音: 25 TFF (H519) 丝膜高音

低音: CC17RCY(H624) 纸盆低音

为何要改用这两个单元，我想大家一看都已经明白了。

丝膜高音的通透,细致，分析力好。

纸盆低音的人声甜美,动态大。

但最重要的都是价钱便宜，省下来的钱还可以买很好的箱内接线。SPEAKER ONE的分音器设计使用Two ways Second - Order Butterworth方式设计。

 

SPEAKER ONE的分音器线路图

新的分音器虽然比原厂的复杂,但看真点都只是多了数个零件。分音器中的线圈最好使用空气芯的。 6.4u,4.8u可用两至三只电容并出来再并上0.1u电容。至于使用什么品牌就视各位喜爱什么声音了。8Ω、7.1Ω电阻要使用5W以上。其中8Ω电阻是用来衰减高音的灵敏度，这里使用8Ω可能大了一点。如果觉得高音暗可使用细一点直到平衡。喜欢双线分音的话可依图中所画把高,低音的IN + IN - 分开。如不喜欢则可分别把高,低音的IN + IN - 接在一起便可。箱内的吸音材料使用我最喜欢的(大衣内的绵).如果大家找不到可使用玻璃绵代替，但使用时要小心，因玻璃绵会使皮肤敏感。音箱方面可找厂商代做,最好使用35mm MDF作为材料.

 

图中的尺寸是使用19mm MDF. 如使用35mm MDF便要把H,W,D的尺寸加大.反射管可使用PVC水管.在做箱时叫师专把PVC安装入箱子的背板反射管的长度为12cm比原厂的长,这里要注意.经过多日的制作终于可以试听了，大家不要期望一出来的声音会很好，因为使用的单元，零件，接线全都是新的，要经过一段时间run -in才可进入状态。这对喇叭的声音虽然不会有无比的分析力，气势磅礡的低频，晶莹通透的高音，但出来的声音自然,明快，音场合理，实是一对非常好的喇叭。最皇要的是这对喇叭只须约HK$2500的价钱就可做到，如此的喇叭已经却有如此的声音， 已是非常难得。

低音: H624 x 2 HK$ 920

高音: H519 x 2 HK$ 380

音箱: 1对 HK$ 800

分音器,接线柱,接线 HK$ 400

TOTAL HK$2500

心得

这是我第一对实作出来也是我最喜欢的一对喇叭。在制造时都没有什么特别困难，但要注意分音器的线圈不能太接近喇叭单体，线圈的放置也要小心，最好一个水平放，一个垂直放.最初试听时分音器可暂时不放在箱内，待慢慢试听及细改后才放入去.这样可省回很多时间。