揚聲器 Loudspeaker

揚聲器

Loudspeakers

專業用監聽級喇叭

概述

Overview

       

         揚聲器簡單的說就是電能以及聲能的轉換裝置，它的作用不外乎是將電能轉換為聲能。（當然，就如同之前章節提到的，它也可以被運用來將聲波的能量轉換為電能，就像是一般的麥克風一樣，但在此，我們就專注在它主要的機能上探討）

現今最普及的揚聲器為動圈式喇叭（Dynamic Speaker or Moving-Coil Speaker），它的運作方式正好與動圈式麥克風相反，是用放大過後的音訊來驅動振膜，然後透過振動產生聲波。當訊號傳輸到線圈時，懸吊的線圈開始在磁鐵的間隙中快速的前後作動，這樣子的作動帶動錐狀的振膜，前後作動產生振動，振動推擠空氣而後產生聲波

揚聲器的單體通常會被固定在一個箱體裡，這個箱體稱為喇叭的外殼，一般最常見的材質為木頭或是複合的塑膠材質，箱體的設計是影響音效的一大關鍵之一，它的形狀、材質、大小還有構造上的不同都會對所呈現的聲音有絕對的關連。最常見的喇叭都會擁有兩個以上的單體（Drivers）

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揚聲器的種類

Types of Loudspeakers

動圈式揚聲器

Dynamic or Moving-Coil Speakers

         動圈式揚聲器是目前最為廣泛使用的喇叭類型，從小型消費型喇叭、PA喇叭（PA, Public Address, 公共廣播系統）、家用喇叭到錄音室等級的監聽喇叭，其中有絕大部分都是使用動圈式的設計

動圈式喇叭的構造使用了輕量的錐形振膜，透過避震系統，裝置在一個底盤上，避震系統上含有線圈，當線圈通電後會變成電磁鐵，電磁鐵與單體上的磁鐵相互作用，透過由擴大器傳輸過來的電流訊號，線圈系統帶動整個振膜前後作動，這股振動帶動周圍的空氣，產生聲波

動圈式喇叭的振膜可以由不同的材質構成，但一般最常見的是紙質、塑膠、或者是金屬材質，理想的振膜需要具備一些特性，它需要夠堅固、質量不能太厚重，以及，具有好的阻尼來避免過多的頻率共振。各種材質都有各自的優缺點，因此複合的材質在現今的振膜生產上也是相當常見

喇叭單體的底盤（盆架）則必須要相當的堅固，要防止因為變形而讓線圈直接與其接觸，所以，通常都是運用鋁合金鑄造，或者是從薄型的鋼片板上直接壓成。揚聲器避震系統的作用是讓線圈保持在與磁鐵的間隙之間，並且提供線圈在前後移動間的恢復力（restoring force）。錐形振膜的邊緣（懸邊，surround）通常用橡膠或是聚酯纖維材質製成的，並與單體的盆架連接，它所運用的設計以及材質對於聲音的表現有著關鍵性的影響，各種材質也有各自的優缺點，例如聚酯纖維比較輕量並且經濟實惠，但密封的程度不夠完善，並且在環境溼度、溫度等各種氣候狀況下會改變其作用特性，通常使用的壽命也比較短一些

       
       

動圈式揚聲器的作用原理在19世紀時就已經產生，但目前被廣為使用的設計則是源自於1925年時,美國的兩位工程師Chester W. Rice和Edward W. Kellogg所共同發表的揚聲系統

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其他種類的揚聲器

Other Loudspeaker Types

        

         靜電式揚聲器（Electrostatic Loudspeaker, ESL）大約是在1950年代問世，它的設計運用了一片大型的平面振膜，振膜極為輕巧，以懸掛的方式安裝在兩個背板之間，通電後振膜在背板靜電場裡，帶動周圍空氣產生聲波。這類喇叭的優點是比一般錐形喇叭的失真度低一些，輕量的振膜提供更完整的頻率響應，幾乎是沒有共振的狀況產生，呈現出的音色更為透明清晰。但這類的喇叭通常對於溼度比較敏感，並且對於低頻的響應會稍微比傳統的揚聲器稍弱一些，雖然如此，但對於低頻音質的表現還是相較之下清晰許多

絲帶式揚聲器（Ribbon Loudspeakers）的作用方式與剛好與絲帶式麥克風相反，它的構造基本上與絲帶式麥克風相仿，皺摺的鋁片被放置在兩個極化的磁鐵中間，當訊號傳達通過時，兩端的磁鐵造成磁場的變化帶動鋁片，然後鋁片振動產生振動，帶動周圍的空氣產生聲波。絲帶本身產生的振動比較微弱，需要在前方加裝喇叭，讓動能放大一些，進而推動空氣介質，但有些鋁帶的體積較為大型一些，就可以經由振動直接推動空氣，產生聲波

主動式揚聲器

Active Loudspeakers or Powered  Speakers

       與被動式喇叭不同，主動式揚聲器（Active Loudspeakers or Powered Speakers）的擴大器（Amplifier）是內建的，而主動式喇叭的電子分音器對於頻率的分段、以及訊號的傳輸可以更為精確以及更有效率，它的失真率也可以大幅度的降低，整體設計上的靈活度也較為優越，音質的效果也可以更為清晰。這些優點大部分源自於主動式喇叭的擴大器可以針對其單體做客製化的設計，這個比起一般被動式喇叭擴大器的設計有著根本上的不同，一般的擴大器無法太精準的設定消費者到底會用它來連接什麼喇叭，因此在設計上多少都會有考量到通用性以及效用上的平衡，而主動性喇叭則不需要考量這些，搭載的分音器也專為其單體設計，甚至，使用電子等化器（Electronic Equalization）來提高訊號在低頻部分的響應，推動振膜，產生更豐富的低頻表現，這也是為甚麼主動式喇叭通常有比較渾厚的低頻響應的原因

主動式揚聲器常常被運用在公共廣播系統（Public Address System）、DJ演出用喇叭、錄音室監聽喇叭系統等等的場合

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完整的揚聲器系統

Complete Loudspeaker Systems

雙音路系統

Two-Way Systems

       在揚聲系統的製作看來，至今為止，還未能有運用單一個單體就充分完整呈現30Hz~20kHz頻率響應的狀況，原因在於，低頻率的響應需要的是比較大型驅動裝置的推動，才能透過空氣有效產生聲波，然而，對於比較高頻率的響應，例如15kHz以上的頻率，錐形振膜必須要可以傳達一秒鐘一萬五千次以上的振動，對於體積較大的振膜來說，有著相對難度，這個就好比低音提琴（Double Bass）的琴身比長笛來得更大更長的狀態相仿

為了充分的達到完整的頻率響應，一般的揚聲器系統都會由兩個以上的單體組成，但單體的組成方式有多種可能，有單一箱體安裝一個單體的設計，也有一個箱體安裝兩個以上單體的設計。當然，目前最常見也是最普遍運用的技術，也就是雙音路揚聲器（Two-Way Loudspeaker），也就是一個箱體上安裝兩個單體的設計，從一般常見的、成本較為經濟實惠的消費型喇叭、到許多發燒級的音響喇叭、亦或是錄音室使用的監聽喇叭系統，雙音路的揚聲器都是相當常用的設計。這種系統通常有一個中低音路複合的單體（Bass-Mid Driver），負責從低頻到中頻約略3kHz的頻率響應，然後再外加上一個高音單體（Tweeter），負責3kHz～20kHz或是更高頻率的響應。兩個單體的設計大同小異，最大的差異就是在於振膜的大小，通常高音單體的振膜有2.5公分的直徑，中低音單體相對的就龐大許多，材質的選用上也多有不同，各家廠家都有著各自的技術。就如同上面提到的，一個中低音單體無法充分的響應高頻，而高音單體亦復如是，如果將低頻率的訊號傳輸到高音單體上，很可能會造成高音單體的損壞，因此分音器（Crossover）的角色不可或缺，它的工作就是將音訊的頻率準確的分開，並傳達到正確的單體上

某些雙音路喇叭的設計會將中低音路單體，以低音單體（Woofer）來代替，原則上只要兩個音路結合後可以充分達到完整的頻率響應，單體的尺寸以及分音器的設定都可以依照需求來進行設計以及調整

三音路系統

Three-Way Systems

        三音路揚聲系統（Three-Way Systems）的設計，通常是運用分音器將兩音路系統當中的中間頻段獨立出來，可能是在400Hz～4kHz之間，原因在於，一般的音樂或是單純的人聲，在這個頻段的分布相當吃重，若運用一個單體來純寸表達這個頻段的響應，對於整體的細緻度可能會有加分的效果，因此三音路系統的音質可能會比雙音路的系統來得更加細緻一些。但多了一個單體代表著更加重的成本，對於分音器的設計也需要再複雜一些，因此，三音路的系統在一般市場上是相對比較少見的設計

參考資料：Sound and Recording : Applications and Theory, Wikipedia, 音響技術第98期FEB 1984 喇叭單體與揚聲器系統

圖片來源：Wikipedia Common