音箱的设计与制作

Lynn Olsen是美国著名的发烧友，其文章经常见于报章，近段时间，他为他的朋友们设计了Ariel音箱---一种介于低效率发烧音箱和高效率的号角音箱之间的哑铃传输线（迷宫）音箱，并发表在他的个人网页上，供世界各地的DIY爱好者参考制作，组织了Ariel俱乐部。同时根据各地朋友反馈的改进意见，促使Ariel不断升级改良，发展到MK5，有3个不同迷宫出口的版本。最近发表的MK6，改进了出口和单元后部的空腔。同时还衍生出ME2（请参考其网页）---采用相同的单元和分频器的小型倒相箱箱体，在大房间使用需要辅助低音音箱。
ARIEL MK3的外观                                ARIEL MKV外观图

             

设计原则
本设计遵循以下3点原则：
1、高于一般的效率并拥有自然逼真的声音、宽阔的音场和音色中性略偏暖和。

2、尽量简洁的设计，分频器设计足够简洁以至可以通过更换不同的电阻、电容、线圈等和改变迷宫里的阻尼材料的填充来微调声音。

3、比较容易的木工工艺，设计里多处采用黄金比例以减少因为迷宫设计和面板衍射等引起的频响波动。

单元选择
一开始就以“简洁”的精神指导本设计，因此在单元选择时多下功夫，避免使用一些需要特殊的频率均衡电路去修正频响的单元。

VIFA的P13WH-00-08是聚丙烯振膜、导磁柱有出气口的5.5英寸中低音喇叭，没有典型7、8英寸聚丙烯喇叭的略先显浑浊的中频（原因是口径小，振膜做得比大口径要坚硬），更引人注目的是其频率响应，平直的中频响应直到5KHZ，然后以12 db/Oct平滑下降，因此可使用简单分频器并摒弃频率均衡电路。其实，人耳对至关重要的中频十分敏感，设计者发现传统的喇叭在中频有许多峰谷，HIFI音箱通常使用频率均衡电路去修正中频频响，直到前几年，才出现不需要这种电路的个别喇叭（作者指出另外的唯一选择就是Focal 的6V415，但它在4.5kHz有小小的峰）。但VIFA的P13WH-00-08的缺点是低频量感略小、下沉深度不足，所以设计者用一对P13WH-00-08装在6英尺长的传输线里，可以把低频F3扩展到60HZ（作为对比：安装在QB3响应的倒相箱内，F3在80HZ并以24db/oct下降），采用一对单元还提高了声辐射阻抗，因此灵敏度提高了将近6db。（从88db/W/M上升到平均92db/W/M），功率承受能力也增大了一倍，好处是不言而喻的，缺点是多使用一个单元，成本上升，并由于哑铃式排列，最小听音距离要求是2米。

下面是VIFA的P13WH-00-08的外形、频响图

 

有人会认为本箱子的F3偏高，其实本箱子的设计目的是拥有非常自然的声音，中频和高频绝对一流，而且F3以下的衰减较缓慢。在$1000 到 $5000的中价位HI-END音箱中，通常采用的折衷方式是满足一些发烧友所需要的：放弃极度清晰的中频，继而产生较强烈的低频。因此若采用6.5" 或 8"的喇叭，低频可以得到改进，但也要采用频率均衡电路修正其起伏的中频频响---这并不能明显改善中频音质。

高音喇叭的选择相对容易一些，不象好的中低音喇叭那样贫乏。因为材料科学、声学全息科技、计算机模拟技术的发展，软球顶高音向前迈了一大步，例如Scan-Speak D2905/9500 和 D2905/9700就超越了目前最好的金属球顶高音。Scan-Speak D2905系列共有9000、9300、9500、9700、9900等共5款，越后的型号价格越高，最初设计时设计者使用9000，后来经过测试、改良，设计者认为在Ariel中最适合使用的是9500（使用9000、9300性能有轻微下降，并不推荐使用9700和9900--虽然更昂贵，但分频器是为9500设计的，除非你有精密的测量工具去重新设计分频器 ），它是9300的改进版，使用磁流体阻尼、冷却，使用了与最高型号9900相同的无共鸣的振膜后腔。

下图是9500外形、频响图

客观地说，VIFA P13WH-00-08、Scan-Speak D2905/9500是世界上最自然的、频响最平直的喇叭之一，频率响应、群延时图、瀑布图也是格外的优秀。[page]

开发过程
最初的版本（MK1）比较简单，三个喇叭装在同一声学腔里---没有分隔开，采用折叠为两段的传输线，出口在音箱后边的上方，这个版本的低音比较缺乏，但中、高音还是比较满意的。为此设计者和朋友进行了探讨和改进，尝试把出口放在离地板几英寸高的位置（把传输线折为三段，出口在下），结果低音出来了，他们认为是地板对低频起到反射、提高了低频效率、功率承受能力并降低了失真，而且声学响应与房间的联系更密切了。后来采用了Randy设计的新型的传输线，它的特点是：1、混合了1/4波长谐振式（TL）和迷宫式设计，总长的1/3-1/2点以后为迷宫管道。2、将喇叭单元的位置从传输线开始点移动到总长的1/5位置，并在0点到1/5点填充阻尼吸音物体，其余的适当位置也填充一些薄的阻尼物体。这样就产生了MK2。

MK2是Ariel历史的较大转折，这个版本提出使用混合1/4波长谐振（TL）、迷宫式的观念，传统的1/4波长谐振式很难处理80-200Hz的频段，该频段会有一些谐振产生峰谷，填充太多的阻尼物又会引起动态的压缩----这是很难处理的问题。MK2较好的解决了该问题，两个低音单元有相对分隔的腔体，一开始是1/4波长谐振式，喇叭单元后倾斜、扭转的隔板减少了该阁板的反射影响，然后到了迷宫部分再合并起来。

大家都抱怨扭转15度的隔板较难加工定位，因此MK3改进了喇叭后面的隔板，并稍微修正了迷宫，得到的结果是上低频部、低中频部的频响平滑了。

根据Ariel俱乐部成员的提议，MK4的每一个单元采用了完全独立的管道（MK3是在迷宫部分合并了），降低了两个单元之间的相互影响和因为距离不同而引起延时干扰。而且迷宫部分之前的1/4波长谐振管的截面逐渐减少，显著的改善了100-500HZ的中低频部分的声染色。

有一个问题是在低于8英尺高的房间里低音会偏多，经过试验发现，可以把音箱离地近一点以调整出口的大小，来改善这个问题。

因此衍生出MK5B、MK5R、MK5S三个略有分别的版本，MK5B的出口在下方，调整大小时要将音箱上下移动，MK5R的出口在后面，可以用另外的木版调整出口的大小，MK5S的出口在旁边，而且是分布式的，理论上，三个版本没有分别，但由于出口位置不同，跟房间的声学特性综合后，总特性是有一点点差异。

最新发表的MK6，后面板使用不同的木头材料，并允许填充铁沙、铅弹之类的物品，进一步降低了箱体的谐振。同时改进了迷宫出口，使得很容易调整出口的大小。

箱体的设计、制作
 本箱体的结构跟号角不同，传输线里的截面变化是较凌乱的---优点是可以降低传输线里的空气流动速度，而普通的号角截面过渡越平滑越好。

高音喇叭的安装中心不在面板的垂直中线，而是位于黄金分割点，目的是为了减少面板左右转角衍射引起的上中频段波动、染色（面板左右转角的急剧变化的边缘在声波的作用下产生衍射，该衍射干扰了喇叭发出的声波并又作用在喇叭的振膜上，引起中频频响的波动、染色）。同样，低音喇叭的安装轴线也偏离垂直中线。制作时要注意，左右声道音箱喇叭排列是镜像的。同时，前面板跟侧板的过渡应使用圆弧过度，圆弧半径为3/4英寸。

前面板使用两块3/4英寸（19mm）的特级MDF粘合起来，另外的外板使用3/4英寸特级MDF（后面板厚度可以增大，例如1英寸或更厚）。里板使用多层夹板，多层夹板的强度是MDF的3到4倍。当没有合适厚度的板材，应保证箱子的里面尺寸相同，在没有MDF或多层夹板时，里板应使用较坚硬的板材，外板应使用相对软的板材。里板与外板最好用入榫、涂胶粘合的方式固定，不推荐用螺丝来固定，应该用精确的木工工艺来保证固定牢度，即涂胶水前先嵌起来，看看是否已经十分牢固。

中低音单元外部直径是5.53(5 17/32)英寸，边缘深度是3/16英寸，开孔尺寸为4.56(4 9/16)英寸，高音单元外部直径为4.125英寸，边缘深度0.156(5/32)英寸，开孔尺寸为3.25英寸.安装螺丝的角度最好在45、135、225、315度，这里不推荐用木螺钉安装，因为木螺钉不能提供统一的扭矩、而且不能经历多次拆卸、安装。应该使用T型螺母固定在孔的另外一边，再使用内六角螺栓固定喇叭。

安装时喇叭时应用衬垫材料，保证没有漏气，而且高音喇叭的安装腔体跟中低音喇叭腔体是隔离的，所以它的引线应该用玻璃胶等密封。两单元的面板不能突出在箱体面板，否则会引起严重的可测量的失真、频响波动。

                             
 

阻尼、吸音材料的放置
测试面板阻尼的简单方法是：放一段动态大的如合唱、管弦乐，把耳朵贴到音箱的离喇叭近的前、后侧面上，聆听是否有不良的振动和讨厌的嗡嗡声。Ariel内部的隔板已经对箱体起到了很好的加强作用，如果你的木工水平好的话，振动是很小的，否则要检讨你的木工水平并采取相应方法来改善。

然后适量放置一些较薄的海绵、羊毛等材料在中低音喇叭的后面（不要把喇叭的后部的空气出口堵死）。再象音箱结构图那样在隔板的表面贴上1/2英寸厚的羊毛毯（注意，前视图中左侧板里表面没有画阻尼材料，其实同样要贴）。在迷宫管道里可以按试听结果蓬松地放置一些吸音材料。[page]

分频器的设计和改进、试听
正如期望的那样，由于单元本身的特性就很平滑。一开始Ariel使用了真正简单的设计，用2UF的电容串联在高音单元，再用16 OHM的电阻并联在高音单元上去降低单元阻抗变化引起的影响，理论上是非常完美的，测试结果也非常的好。但听起来却不是很好，就象平常的音箱一样有点不自然，产生的高音较多。设计者多次调整了C、R的值，但没有太大的改善，因此说流行的并不总是最好的。后来找到了问题的根源---高音喇叭的最大线性位移很小，一阶分频器在分频点及以下的频段衰减太慢，造成过大的功率进入高音单元，造成较大的振膜位移超出线性位移。产生了较大的失真。因此改用12db/Oct的两阶高通分频器，高音正接。（另外说一句，其实最初设计的一阶分频器的高音应该反接以对准相位，设计者更喜欢使用不同斜率的滤波器令高音可以正接，达至更佳的群延时特性）。

重新设计的高通部分如下：

C1、L1组成低Q两阶滤波器，R2为阻尼电阻，R3、C3组成感抗补偿。

低通滤波器也需要进行改造，虽然中低音单元频响很平滑，但相对来说，中频还是有点突出，因此设计者设计了阻抗补偿回路，并尝试改变元件的数值得到很好的效果，最终的设计如下：

左边的LCR电路用来吸收2KHZ附近的30 OHM的阻抗峰，使用后，阻抗峰被限制在8 OHM，10HZ-100KHZ间的阻抗在3.5 OHM到8 OHM之间，200HZ到800HZ间阻抗为4.5 OHM,所以使用胆机时应接在4 OHM端口。使用新分频器后频响如下：

（测量距离2米，0轴），可以发现100HZ-10KHZ之间非常平滑，约有2 db的下降，并在3.8KHZ分频点左右达到最低点（有点类似人耳的等响度曲线）。

高通的电容是可以微调的，影响了声场的远近，在乎于个人的喜好和实际环境、摆位等，设计者建议如果觉得声像太远，可以把C1改为6UF，如果觉得声像触手可及，则保留在4.7UF。还建议C1不要使用一般如SOLEN等聚丙烯电容，强烈建议使用Teflon 材料的North Creek牌、Hovland牌、或 VTV牌的银油电容。虽然很昂贵，但这是本音箱最重要的元件，作用十分巨大---其重要性比CD机、前置放大器还要重要！！！该电容应该在1%内配对。并注意电容的方向（虽然薄膜电容没有极性，但正反方向还是存在一定的不同）。另外建议尝试用4.7UF的聚丙烯电容再并联0.47UF的Teflon电容。

除了C1电容可以微调外，高频的电平也可以通过改变R1、R2的值进行微量调整。（注：在图纸里R1由R1A、R1B并联而成）例如去掉R1、R2改为16 OHM可以得到较多的高音，R1为1 OHM、R2为8 OHM得到较少的高音，设计者偏向使用R1为0.5 OHM、R2为10 OHM。电阻值的轻微变化引起音色的变化是非常大的，因此每次改变的增量要小，而且要通过听大量类型的音乐来确定其数值。Lynn Olsen设计、改造、调试分频器用了3个月时间，并利用MLSSA、LMS等检测设备得到了15个稍微不同的版本。

建议没有测量仪器时，播放粉红噪音来测试箱体阻尼和分频器，这样对某一频段的声染色较敏感，但不能聆听出频谱的谷点（除非谷点很深）。有条件的可用MLSSA, FFT, LMS等测试、改进。请参考公布的MLSSA测试结果与近场测试结果。

MLSSA测试结果

近场测试结果(可以看到在房间里，F3向下扩展了)

分频器应安装在独立的木盒子里，并隔离电容的振动，离大的铁/钢物体至少12英寸远，线圈之间应相隔6-8英寸以上并互相垂直放置，线路采用星型接地，并使用双线分音。

摆位的要求
建议将Ariel往内旋转一定的角度（喇叭0轴线跟两喇叭连线夹角为50-55度，即喇叭的投射交点在聆听位置前的1到2英尺），可得到最佳的声像和声场，Ariel要求最少有1.5米半径的空置地方，箱体周围尽量不要摆放其他东西，房间尽量少用阻尼吸音材料。适当调整内转的角度、喇叭之间的距离、离后墙的距离和聆听位置以防止声场中间的空洞，处理得好Ariel提供一个扇形的声场而且左右超出喇叭范围2-3英尺，声场高度为5-10英尺，声像也十分稳定。

效率和放大器的要求
Ariel平均效率为92db/W/M，比一般的小型监听音箱高多了，实际上8W的三极管胆机就能工作得很好，20-30W的胆机就能满足所有的需要。建议使用反馈系数少的中小功率的推挽胆机来推动。