扬声器的大变革

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一般三路的扬声器系统具有一个纸盆低音扬声器和一个球顶高音扬声器以及一个纸盆或球顶中音扬声器。除这些外还有一些带式或静电扬声器。但所有这种类别的换能器已有约30或40多年的历史,几十年来变化不大,仅稍有提高。音频扬声器的设计主要受40年代和50年代材料技术的限制。

如果扬声器工程师重新采用九十年代的先进材料技术来着手设计一个扬声器,那么扬声器的整个工作基本原理和外貌就可能会完全不同。Portland公司在10多年前就开始它的独特的线源扬声器(Line sourcespeaker)的研究与开发工作。该设计方案的远大目标是把传统扬声器的固有问题克服或减至最小。

·传统扬声器的问题

纸盆、静电和带式扬声器在产生宽带频率响应中都受到物理特性的限制,在工作相位维持不变时缺乏稳定性(刚性),而且经常不能以足够的速度驱动振膜以准确地重放高频,也不能具有最佳的扩散图形,最后结果是,当振膜形状改变时就产生杂乱噪声,而且当频率增加时失真也逐渐变大。

如常规纸盆低音扬声器和球顶高音扬声器那样,新扬声器使用一磁路系统和音圈以驱动振膜,其解决上述问题的办法是研制一个带柔软振膜的线源驱动器(Line source driver)。此扬声器的振膜是将两轻质、高强度的塑料膜片制成圆筒形状(cylinder)。该振膜紧固在盆架的外边缘,而音圈则悬垂在盆架中央的一个推挽式(push-pull)磁路气隙内。由于音圈粘附在圆筒形振膜之间,磁隙中央注有磁流体(俗称磁液),故音圈悬垂在磁流体中。

电信号流入音圈后与磁路系统的固定磁场相互作用。就像常规扬声器的情况一样,这种相互作用导致音圈完全按照声频电信号运动,于是和音圈粘附在一起的振膜也随之运动,所形成的波动从两个圆筒形线源之间发出,致使空气快速振动因而我们便听到声音。

·音圈

正如大多数高性能扬声器那样,新型扬声器使用聚酰胺(Polyamide)薄膜做音圈骨架(bobbin)(作为音圈的基片),音圈为螺旋形印制导线的平音圈,整个音圈置于强磁场的磁路气隙中。

·推挽式磁路结构

一般电动式扬声器的磁路结构是非线性的。磁力的几何结构和磁力线在音圈的前后冲程中既不对称也不均匀,这就导致了各种失真和非线性。

如果驱动器所造成的内在失真不排除的话,则振膜不可能获得足够高的清晰度和分辨力。为了消除这些失真,新扬声器的磁几何结构是推挽式的(Push-pull),具有两个而不是单一的磁路气隙。在这种方式中,非线性是对称的,而且互相抵消。此种消除失真的方案已有先例,最普通的例子是使用两个低音扬声器——一个朝内装入音箱中,而另一个低音扬声器则向外装入。但在新扬声器中,失真直接在声源上被消掉,所以不仅在低端频响,而且在整个频响范围内非线性失真都被消掉。

·磁流体悬浮法

与Ferrofluidics公司的科技工作者一道,Portland公司设计了磁流体(俗称磁液)悬浮法。采用无摩擦和无谐振的液体承载悬浮物质,消除了附着在扬声器线圈骨架上的所有机械顺性,而音圈仍置于中央,即使在大功率时,也能保持稳定不变。磁流体悬浮法也消除了功率压缩和音圈烧毁的现象。磁流体悬浮的另外的好处就是密封气隙,进一步减少调制失真和线圈骨架的谐振。

·声学考虑

新扬声器具有对它的材料内在特性的最佳配合,圆筒形振膜的工作如同一个有损耗的传输线,其振膜的内在阻尼特性可使较高频率的能量小于振膜完全吸收的能量,而且不会从振膜的边缘反射回来,使在振膜内不会产生反射和驻波,从而消除扬声器的频率和瞬态响应的不平整(凹凸不平)。

频散特性也是极好的,正常的辐射图形是横向宽阔,而垂直覆盖范围仍受到控制,这样可尽量减少天花板或地板反射对清晰度的有害影响。使用这种线源技术可以使家庭影院中音响迷用的扬声器具有更好的效果,而无需使用号筒、波导管或其它折衷方案。该扬声器通过振膜材料特有的内损耗和形状,可随着频率的不断增加而获得均匀的扩散,在较高的频率有效辐射面积变得较小。这种现象与带有曲线形纸盆(弧形截面纸盆)或一个经处理的纤维球顶高音扬声器的高质量聚丙烯(Polypronylene)低音扬声器的工作情况是相似的。与常规扬声器不同的是,新扬声器的振膜的全部运动是极易预测的,工作时的所有相位始终保持正确,它能准确地重放20kHz以上的高频信号,不受任何物理特性的限制。最后结果是不仅失真非常低(在1kHz小于0.1%),而且随着频率的增加失真不断减少且可获得一个出人意料的高频精度的等级。

·线源扬声器的进展状况

Portland目前生产两种扬声器,一种是工作于2kHz~30kHz的1\(\frac{1}{4}\)"偶极子高音扬声器(偶极的意思是圆筒形振膜连续从驱动器的前面到后面)。策二种是一个工作于250Hz~20kHz的6"单极式扬声器,在临界中频范围时去掉所需的复合分频网络,并导致相位与常规驱动器的相位相异。也可避免常规扬声器的那种在分频处的辐射图形迅速变化的现象,以更均匀的功率响应产生更加自然的室内混响特性。

线源扬声器在它的产品系列中已有三种型号的产品。旗舰(flagship)扬声器系统的9B型,使一个6"线源驱动器(TLS6.0),加上一个中低音耦合器和一个单独的超低音扬声器,构成一种垂直排列结构。另一种型号是LS2,在一个敞开式扬声器箱中使用单个TLS6.0驱动器和8"低音扬声器。

新型扬声器灵敏度特别高,为94dB,而且其线源驱动器的能力可使带外衰减达到一阶分频网络的频谱特性(每信频程6dB)。首先步入主流音响行列的是LFX迷你扬声器,它在一个敞开式扬声器箱中使用一偶极子线源高音扬声器和一个5"低音扬声器。LFX是小型的,但也适用于系统的扩展,它与一个超低音扬声器或与一个环绕立体声组合使用时,相当于一个卫星式扬声器。虽然Portland公司技术已达到很高的水平,并已研制了一种价格低廉的单极子高音扬声器,但研究并不是到此为止。随着技术的发展线源扬声器的费用可低至普通的球顶/高音扬声器的费用,而其声学特性又接近于同类换能器,预计这对今后扬声器工业将有很大的冲击。(邱永胜)