2016年8月16日

連載.喇叭講古(1)

【從雛型到專業分工

喇叭的發明最早可以往前追溯到哪?以Alexander Bell1847-1922)發明電話為原點應不為過。從聲音再生的原理找起點,能夠合理地一路把喇叭歷史拉回電話發明的時代:1876年。Bell將聲音轉成電流形式傳播,至受話端再轉換回空氣振動,這個電流轉換為空氣振動的用意與今日喇叭發聲的原理並無二致,現在喇叭單體的主要結構也從當時沿革至今,只是經過不斷改良:轉換電流的磁鐵、傳輸電流的音圈、振動空氣的振膜。不過,電話與喇叭,無論從形狀或者用途,確實都難以讓人聯想在一起,現代喇叭有沒有比較好想像的祖先?從形狀與用途來說,留聲機(Gramophone/Phonograph)應該更好理解。

「錄音與播音是一體兩面」,這樣的論點在20世紀初期的聲音機器得到證實,這裡指的正是早期留聲機。會用「聲音機器」(Talking Machine)來描述,表示當時的器材與現代認識的音響系統還有一段距離,用途也不盡相同。對19世紀末、20世紀初的發明家來說,這類聲音機器用於人聲或事件記錄的意義可能多於我們現在習以為常的播音娛樂之用。儘管如此,只要有記錄聲音,理當要有播音設備輔助檢測記錄內容是否完整,也要確認重播效果;所以最早的喇叭與訊源總是難分難捨,留聲機的造型不是偶然巧合。喇叭的雛型與黑膠的雛型都在早期留聲機中找得到,只是後來隨著年代進展,才逐漸有「專業分工」。

可以大膽地說,早期留聲機琢磨出了現代喇叭的胚胎。原本這些聲音機器肩負紀錄聲音的使命,在設計上,每個部位都是相互協調的,不能分家;爾後由於科技進步、材料發展、市場需求,聲音機器一一細分出錄音與播音的角色,也開始演化出音響器材的概念。演化的足跡從20世紀初期就加快,第二步與有聲電影息息相關,再來要說到立體聲錄音,以及全頻段重播的需求,晚近則是以材料研究發展與家用市場為主導;我們現今熟悉的喇叭,便是這樣發展過來的。

有聲電影與喇叭的關係

中文講喇叭、揚聲器,英文是「Speaker」或「Loudspeaker」,為什麼「Speaker」可以發聲還不夠,得要加上「Loud」才行?為什麼需要大聲、什麼場合需要大聲?以實際需求來講,有群眾的場合就需要夠大聲的喇叭,電影院就是一例。電影從無聲到有聲,電影院的場景也隨之改變。早期的電影不僅畫面黑白,而且還是默片,現場觀眾聽聞的聲音是現場樂隊隨著電影伴奏演出的(在地欸關鍵字請找「辯士」)。現代人以為「陽春」的劇院配置其實已經是當時非常現代化的公眾娛樂了,待到複雜的大型喇叭在電影院出現,儼然是劇院的翻修大升級,進入「公播系統」Public Address System)階段。

從現代的使用經驗反推回去,可以想見,有喇叭發出聲音還不夠,系統需要擴大機輔助才能得到足夠的音壓與細節,甚至震撼力。回到那個時代的思維,姑且先不論聲音個性的美學觀點,人們有什麼選擇?答案是真空管擴大機。真空管擴大機的功率夠不夠強勁?與現在比恐怕是力有未逮,但當時的人還是想辦法解決了,關鍵就是使用高效率喇叭,號角喇叭的歷史地位也於焉建立。1910年代,真空管擴大機誕生,1920年代,以擴大機驅動的商用大型喇叭也亮相了。大喇叭的原始設計概念是「強化版」的早期電話筒。確實,1920年之前就有公播系統,只是聲音品質還不盡完善,1920年代末期,隨著擴大機與喇叭進步,以及有聲電影普及,真正足以滿足大眾娛樂需求的喇叭才漸漸為人認可。

很快地,喇叭與有聲電影搭上線,可是一座比一座大的電影院無法滿足於「只能填充一般起居空間」的喇叭效能,所以發揮單體效率的「號角」(Horn)設計就在這個年代大放異彩。號角喇叭的兩大成員乃是壓縮驅動器(Compression Driver)與前方搭載的號角。號角的意義在於「抓住」空氣,用這個號角盡量保留壓縮驅動器噴出的聲波,避免它在空氣中散逸太快,喇叭效率自然就能提高。以往的喇叭效率低,正是因為無法有效掌握空氣;一個正常的壓縮驅動器與號角,可以利用輸入功率達50%。這是什麼意思?舉例來說,輸入8瓦的電,有4瓦順利轉換成聲波送出,另外4瓦轉換成熱能散掉。(岔個題,高音單體常用的凸盆半球大概只能利用到5%的瓦數,剩下95%的電能都變成熱能,所以高音單體雖小,同樣重視散熱。)在號角喇叭上容易看到超過100dB的靈敏度,絕對合情合理。在192030年代,擴大機還只能輸出小功率,號角喇叭就是提昇動態、音壓、細節等重播效果的功臣,尤其是在需要公播系統的場合。

然而,號角喇叭的誕生與早期用途可能讓很多人誤以為號角喇叭是與時代妥協的產物,所以也誤以為此類設計用於音響往往實力有限,其實這個想法只對了一半。這個誤會或許是來自於一種迷思:把早期單聲道錄音與「硬體重播極限」混為一談。硬體設計者會如何評判喇叭的表現力?今天我們知道追求音響品質,評斷時是以現場的真實演奏、演唱質感來衡量,上個世紀的設計者又何嘗不明此理?西電(Western Electric)老喇叭可為明證。這裡要說的是,20世紀初,除了電影與公播系統,收音、播音的研究與長途通訊興起密不可分,各種傳遞聲波需要的技術知識已於20世紀前半葉大致底定,甚至連線材研究也相當充實。彼時負責聲學研究的工程部門,泰半是菁英份子,也無須考量到家用市場接受度,所以不怕研發成本下得重,成績亦是斐然。因此,即令從今日眼光回顧,那時的真空管、擴大機,乃至於喇叭,已經有著很高的完成度。現代音響器材鮮少有在基礎架構上突破者,多是從前人研究成果不斷進步,只是藉著日益成熟的材料技術,慢慢克服過去再生聲音的瓶頸。

1920-1930抽絲剝繭

電影發展的年代,戶外有大型喇叭負責公播與電影之用,一般家用則有收音機小喇叭。至於留聲機與喇叭的結合,1924年由Brunswick-Balke-Collender Company開發的家用款式就是先鋒代表之一,其產品的喇叭外觀與今日已經相去不遠。然而,一般而言,提到如同今日的二聲道喇叭雛型,咸認是General Electric公司的Edward Kellogg1882-1960)與Chester Rice1888-1951)所研發的喇叭屬於最早者。

KelloggRice1920年代前半葉確立了現今動圈(Moving Coil)單體喇叭的主要形式,其發聲構造堪稱今日喇叭設計的核心模型,他們也知道單體發聲由於有多重頻率,單體運動時的失真與頻段平衡都要納入考量。在此二人確定動圈形式之前,延續換能裝置先驅Werner von Siemens1816-1892)研究的科學家Oliver Lodge1851-1940)已經於1898年申請動圈喇叭專利,只是當時的研究對信號放大沒有完整頭緒——真空管與電晶體是幾十年後的事了;後來還有Peter Jensen1886-1961)與Edwin Pridham1881-1963)在1920年申請改良的動圈喇叭結構專利。那時的喇叭還有個天限:由於音訊載體、訊源再生的頻率與動態範圍有限,心理聲學(即聽覺心理學,Psychoacoustics)的發展也才剛起步,設計者不大可能打算從20Hz-20kHz的頻率響應與110dB的音壓等物理參數出發。

早期喇叭設計黃金十年

直到1920年代中期,收音機輸出功率都還是以千分之一瓦為單位來計算。KelloggRice的橡膠懸邊六吋單體採用「強勁」的電磁鐵,播出的音量可以讓一般尺寸房間裡的人都聽見,所以「LoudSpeaker的名號便逐漸廣為人知。當時的「Loud」乃是源於「一瓦」的驅動力,相較於千分之一瓦,在當時來說確實夠大聲了。RCA隨即製作出當時要價至少245美元的Radiola Model 104,內建擴大機的Radiola Model 104可以稱得上是主動式喇叭的始祖!這種形式的喇叭原來在將近一個世紀前就出現了。Radiola Model 104不用電池,而是用市電交流電,產生一瓦的推力。就像市場上多數產品,越競爭越進步;在KelloggRice成功研發新式動圈喇叭後,眾廠商(例如西電與Magnavox)間不斷較勁,喇叭的研發也越來越成熟。舉例而言,發明家Paul Voigt1901-1981)也在1920年代致力於電能研發,1924年時,研發出重達35公斤、輸出能力達250瓦的擴大機,三年之後,這個擴大機與他做出的雙曲線型號角(Tractrix Horn)喇叭結合,提高喇叭效能,也減少讓聲音打折扣的甕聲,喇叭改良再下一城。爾後,Voigt進一步實驗永久磁鐵的可行性,打下日後鋁鎳鈷磁鐵(Alnico)應用於喇叭的基礎。大致說起來,1920年代可以算是早期喇叭發展的黃金十年,許多專利申請可以為證。

繽紛發展的1920年代,是怎麼邁向下一步?Wharfedale的創始者Gilbert Briggs1890-1978)曾說,要做出頻率響應從80Hz8kHz的動圈喇叭不難,但是要讓喇叭下潛到30Hz或上探到15kHz,有好些問題得克服,尤其是「兼顧」極高頻與極低頻的品質。對早年的喇叭設計者來說,克服低頻難推,有兩條路可以選,第一是把振膜做大、第二則是利用號角腔室避免空氣四處逸散,不過兩者都依舊會明顯影響高頻表現。試想,假使一個喇叭振膜要發出10kHz的頻率,代表一秒鐘要改變運動方向高達兩萬次往復,這樣的激烈運動怎麼可能同時與良好的低頻並存?隨著錄音頻寬拓寬,喇叭該如何應對?讓我們揣摩一下當時設計者的心理:全音域單體再厲害是不是也有限?那麼,分音設計是不是勢不可免?

※ 對喇叭原理、型態的早期發展與二十世紀之前的科學沿革有興趣者,請參閱吉見俊哉「聲的資本主義」書中第二章,標題為「複製聲音的文化」,有非常豐富的資訊(台灣有繁體版,李尚霖譯)。

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底稿:周靖庭
編輯:音響論壇
付梓:喇叭專書(普洛文化)