怎样开始音箱的设计之“驱动单元”

驱动单元

    在音箱里驱动单元确定了音箱能达到的最终效果（当然是其余部分都设计正确的话），并在整个HIFI系统中扮演最重要的角色。正如前述，世界上根本没有完美的驱动单元（可能在十年后或更长时间内会出现）。因为完美的驱动单元其振膜要求密度跟空气一样，全频范围内有极佳的统一的线性运动，全无各种类型的失真 ---要达到这点我们还有许多的路要走，不过不要灰心，随着材料科学的迅猛发展，我相信每隔2、3年都有重大的突破促进驱动器的发展。这要多谢大量的计算机模拟应用于材料力学、航空科技等领域，研究出高性能的材料代替原来昂贵、沉重的材料。现在已经广泛使用Kevlar、合成碳纤维和铸铝等材料，我们正期待合成钻石、超低密度硅玻璃胶体、新的金属和单晶碳等材料在振膜的应用。

    所有类型的单元设计者要权衡的问题，主要是振膜既要保持良好的活塞运动（需要刚性），而又不会在中高频产生谐振（需要良好的自阻尼），而且还带来两个附加问题：空腔共鸣和磁力的非线性。

活塞运动：

刚硬的振膜意味着音圈的加速度能快速精确地传送到锥盆、球顶的整个表面上，具有快速的脉冲响应，低调制失真和和非常清晰透明的声音，即通常说的“快”，但通常“客观流派”的设计者会疑问：“经过分频器后，电感阻挡了脉冲上升的速度，低音、中音单元为什么会快呢？”，这实际是误会，他们没有说到一块了，其实这里的“快”是指单元在较大范围有活塞运动，而且其频响平直、对脉冲能快速响应、余振的衰减快。那么是不是够硬的物体都能做振膜，当然不是，例如青铜，够硬而且容易成型，古代用其来做铃、钟等，它有很长时间的谐振，衰减十分缓慢，一方面因为钟本身需要足够长的时间的振动衰减，所以结构做得比较特别以达到目的；另一方面钟的振动通过空气进行衰减，其与空气的耦合程度较低，因此空气带来的阻尼就很小。

自阻尼：

    同样地，我们要求音圈能对锥盆和球顶进行制动，不想让它们在无信号经过音圈时自己振动，但不幸的是，目前所有的材料都只有一点点自阻尼，振动的持续时间是非常长的（即振动的Q值较高），一个方法是使用非常重的橡胶环粘贴在振膜上，但这会使频响不平而且灵敏度大大降低，因此不可行。

    目前最好的防弹纤维、碳纤维和铝盆单元最少也有一个高Q的谐振点在其工作频率的高端，在这点，声压很高，余振非常大导致声染色很大，因此有时也称为盆分裂点。而且防弹纤维、碳纤维、纸盆单元的盆分裂不是逐步的，而是突然的。这就需要急速衰减的高阶滤波器和一些陷波器去修正该谐振峰，但通常这些点在3-5KHZ之间，人耳对其非常敏感，一点点的染色都会令人察觉。

    实际上目前使用非常广泛的二分频扬声器都存在该问题，这些设计通常采用6-8英寸的防弹纤维、碳纤维和铝盆单元结合高音单元，因为它们的分频点通常设在3-5KHZ，这就很难兼顾既要抑制其谐振点又要在该点左右跟高音单元协调地发声。例如为减少低音单元谐振点的影响而将分频点取低，高音单元就会有较大的功率输入，容易超出其线性范围，使失真增大，而且分频点如果比较接近高音单元的F0，高音单元的自阻尼也变差，高音声染色大，频响起落也大。将分频点取高，低音单元盆分裂的现象就会出现，使声染色非常严重。因此较好的设计通常使用24DB/OCT的滤波器。

    顺便提一句，我很喜欢防弹纤维、碳纤维的声音，正如上所述，刚硬的锥盆有其速度的优点，但太难控制其盆分裂现象了。因此有人使用高内耗的材料制造锥盆（以前使用塑料、但目前渐渐被聚丙烯等材料取代），它们有良好的自阻尼。这种材料通常有很平滑的频响曲线甚至可以使用6dB/Oct的滤波器，但其中的大多数我不喜欢，因为在中低声压输出时我觉得声音较模糊，其较软的材料通常也带来较大的失真。

    我想通常在软球顶高音单元中也会发生这种情况，整个工作频段内它们都存在盆分裂，虽然它们很高的自阻尼使这种情况用仪器测量不出来，但耳朵可以听出来。但目前最好的软球顶高音使用了一些合成技术和涂料改进硬度，而且没有引起频响的劣化，优秀的例子是Dynaudio、Scan-Speak、Vifa的高档软球顶高音单元。

空腔共鸣：

    虽然中低音单元的防尘帽（或高音的球顶）看起来没什么，但它跟中心导磁柱之间形成了很小的共鸣空腔。一个著名的例子是使用在LS3/5A上的B110单元，在1500HZ有一个很宽范围的频响上爬，在4500HZ附近还有3个非常高Q的峰值点，这其实是典型的防尘帽引起的共鸣。70年代流行的AUDAX的1寸软高音，同样在9到16KHZ发生上述问题，以前采用填充羊毛等材料将这些点的峰值抑制，但效果并不好，依然有1-3DB的峰存在。

    现在，通常采用两种办法解决该问题，一是采用有中心通气孔的导磁柱（例如Dynaudio、Scan-Speak、Vifa），另一方法是采用相位塞代替防尘帽（例如Audax、Focal）， Dynaudio 的Esotec D-260、Esotar T-330D和Scan-Speak D2905/9000高音成功地采用中心通气孔的导磁柱，因此后方的负载类似传输线，能产生良好的阻尼。它们被用在广受赞扬的Sonus Faber Extrema 和ProAc Response 3中。与其形成对比的是，Focal的 T120 、T120K使用反转的玻璃纤维、防弹纤维球顶，在工作频率间产生许多峰值，虽然许多人为其喝彩，但我不大喜欢。

磁场的非线性：

    如果磁场是恒定的，类似空气芯电感，那音圈产生的电感值也是恒定的，因此其阻抗随频率的变化可以通过使用简单的RC补偿电路抵消。但音圈线圈放在磁场里，并在磁隙中运动，磁场分布是非线性的，因此音圈的电感值也是非线性的，因此其阻抗随频率变化也是非线性的。

    这种非线性带来很多问题，首先它影响了单元的高端频响， 其次它引起了声音的延时（相对高音单元而言）。大功率信号的输入更加剧了这种情况，当音圈位移超出其线性位移时，磁场的变化更大。例如较佳的8" Vifa 单元P21W0-12-08， 其线性位移只有8mm（正负各4mm），其它典型的8寸单元只有6mm，大多数的中音单元只有1-3mm，当它们发出较低的频率时，往往超出其线性范围，音圈的感应调制就出现，在整个频率范围内产生IM、FM调制失真，这种情况大量地产生在2路或中频分音点较低的3路系统中。

    有没有解决的办法？当然有，Scan-Speak的SD磁路系统和Dynaudio 的DTL磁路系统使用铜短路环来降低音圈的自感应系数，例如 8"的 Scan-Speak 21W/8554，或许是世界上最好的8寸单元，它的音圈电感只有0.1mH, 作为对比的8" Vifa P21W0-20-08则高达0.9mH。

    另外，音圈的自感应系数变化的问题同样带来比较隐蔽的问题，我们知道，驱动单元的高端频率滚降特性由单元的机械滚降特性和音圈的自感应系数（这里引起了电滚降特性）确定，好的单元的机械滚降特性频率比电滚降特性频率要低，使合成的总特性较好。但很多单元的电滚降特性却比机械滚降特性要低，这样会产生强烈的调制和瞬态特性变坏。