2016年8月16日

連載.喇叭講古(2)

【1930之後,繼續精彩

請讀者見諒,我實在沒找到「史上第一個出現的分音器」資訊,但可以確認「分音成品」至少在1931年就出現了。研發能力極端卓越的貝爾實驗室(Bell Laboratories,通稱Bell Labs,其成員至今已獲得八個諾貝爾獎)在1931年發展出「二音路」設計,當時稱作「Divided-Range」,確切的分音點與構思未知,但文獻記載高頻由一只小號角單體擔任,可以涵蓋3kHz13kHz的頻段,中低音則由一只12吋動圈單體負責,理論上涵蓋50Hz10kHz。接下來兩年間,三音路設計(時稱Triple-Range)也有了長足進步,高音使用與二音路的號角同樣款式,低音採用有大障板的動圈單體,負責300Hz以下的頻段,使低頻得以良好再生;人耳大部分聽覺需求的關鍵中頻則交由大名鼎鼎的WE-555——西電的經典壓縮驅動器。這些有分音設計的喇叭也應用在電影院中。值得注意的是,根據1967年討論影視科技的著作「A Technological History of Motion Pictures and Television」所說,當年設計出多音路喇叭後,研究人員是用「管弦樂」來測試重播效果。這表示早期的喇叭設計者並未劃地自限,用錄音載體有限的能力來衡量重播器材需要走多遠,反倒是用已知的科學方法配合人耳對複雜聲波的認知,不斷強化硬體的再生性能。

不過請別誤會,這並不是說喇叭發展與錄音技術無關,只是硬體可以走得很前面,無須受到載體天限所箝制。像是立體聲錄音就與早期的喇叭研究相輔相成。

立體聲錄音與喇叭】

立體聲錄音在1950年代發展、商業化,在1960年代獲得成功、取代單聲道錄音,從聽感上來說,夠活生夠逼真,就是它成功的原因。但這項嘗試其實早在1930年代就已經開始,最為人知的先驅就是EMI的工程師Alan Blumlein1903-1942)。這裡不討論立體聲錄音的歷史,但要提出一個觀察,從時間軸看起來,喇叭發展與錄音發展是否真有關係?1930年代在英國有Blumlein,而在美國呢?來說說貝爾實驗室與著名指揮家Leopold Stokowski1882-1977)的歷史交會。

貝爾實驗室與大指揮家Stokowski怎麼牽到一起?這位指揮家在替迪士尼錄製「幻想曲」配樂之前就已饒富聲望,不少樂迷也知道他極為注重錄音成果。要掌握錄音效果,就要理解錄音與重播的技術。從1930年代開始,Stokowski對錄音的要求越來越精,時任費城管弦樂團(Philadelphia Orchestra)音樂總監的他與發展錄音、重播、訊號傳輸等科技的貝爾實驗室有接觸也就可想而知了。1930年代前半,當紅的Stokowski一方面在錄音工業與RCA頻繁合作,一方面則與貝爾實驗室密切聯繫(尤其是貝爾實驗室裡鑽研錄音與播音技術的Harvey Fletcher1884-1981),研究導向以「高傳真、立體聲、長時間播放」為目標,兩方在1932年合作留下的數首管弦樂錄音至今仍能尋得。想想其實有點違反直覺,這時候黑膠都還沒有影子,蟲膠唱片時代的合作關係與喇叭歷史有何相干?

前面提到的分音設計喇叭就是答案。喇叭分音是因應複雜的頻段與音樂訊息,複雜的頻段與音樂訊息恰恰是來自不斷進步的收音技術。

1933427日,貝爾實驗室展示「三聲道錄音」,有趣的是,展示地點乃是華盛頓,而收音現場實際是在費城,由費城管弦樂團演出再轉播;而費城管弦樂團的總監Stokowski本尊竟然是在華盛頓控制混音(據說數年後Stokowski為迪士尼錄製的「幻想曲」配樂,錄音設備的基本架構就是來自這次轉播所用的系統)。這次轉播,文獻記載華盛頓方面用的是三支「二音路喇叭」,中高音單體負責300Hz13kHz,低音單體採用號角,再生40Hz300Hz。無論當時聽眾認為成功與否,多音路喇叭終究是踏入大眾娛樂領域了。電影院率先採用這種喇叭提昇音效,不過早期的立體聲還談不上成熟,也還不是家用市場習以為常的聽覺體驗,所以一直要到1960年代甚至更晚,立體聲的聽覺體驗才隨著黑膠與重播品質進化的喇叭一同提昇。

19501960年代,隨著立體聲錄音技術正式問世、黑膠唱片流行、高傳真的概念逐漸普及、FM廣播音質更加成熟、聲音科技不斷進步,喇叭也得有相應的發展才行。大聲、有力已經是基本要求,重播的品質與頻段是下個世代的新考驗。此時,提供更多功率的晶體擴大機也已萌芽,喇叭的靈敏度問題稍得舒緩。正是這些一步步的科技進展讓「Loudspeaker」的定位從公眾空間轉移到居家室內,慢慢成為消費者家中的新景觀,這時的喇叭已與當年的雛型不可同日而語。

全頻段重播的需求

1960年之前,已經有幾個老字號的廠牌在市場上受到歡迎,像是Acoustic ResearchALTECBozakJBLKlangfilmKLHQUADTannoy等,再進到196070年代,消費者與廠商一同追求優秀的重播效果,更讓音響市場進入黃金期。有哪些Hi End音響廠商在這幾年間站穩腳步呢?當然不只喇叭廠商,以現代音響迷會知道的牌子來說,包括ATCB&WBurmesterCambridge AudioDynaudioGenelecKenwoodLinnMeridianMorelNADPS AudioRegaSansui等等,真的是族繁不及備載;一個顯而易見的事實是,訊源與擴大機也在不斷進化,整個音響產業正要起飛。

這個時代,錄音技術精進、黑膠大肆流通,Hi End品牌真如雨後春筍般冒了出來,當擴大機驅動力更強,喇叭也更有進化的動力。1960年代中期,英國有James Sugden1936-)創造了A類放大的晶體擴大機,1960年代末,Sugden發展出橋接成單聲道的擴大機接法;美國則有Mark Levinson1946-),1973年推出LNP-2前級擴大機更讓晶體機得到應有的重視與掌聲,到了1977年,Mark Levinson再一款ML-2單聲道後級擴大機橫空出世,宣示晶體機地位。有了如此環境,回過頭看喇叭的發展就順理成章了。晶體機的一大優勢在於電流輸出,為什麼這很重要?因為喇叭要應付的頻率越來越廣,單體就需要更佳的控制。高階喇叭一定要帶給消費者好的重播能力,那麼回到核心問題:怎樣才算好的重播?

這個問題不只考驗廠商、消費者,更要通過專業音樂人的檢驗!技術上來說,要能「完整」重播載體內容才算過關。如果音響系統捨棄了高低頻,也就少去了錄音室聽到的泛音、空間感、深沉音效及規模感,當然就不夠完整。這並不是說兩端頻率延伸一定要規格誇張或者某個頻段量感失衡地嚇人才行,而是喇叭需要藉由好的高低頻再生來表達一份錄音該有的美感。1960年代的喇叭在高頻延伸是令人滿意的,於是設計者開始往人耳聽覺的底限走去,研發超低音喇叭(Subwoofer)。

喇叭名廠Infinity1968年正式創立前,創始者Arnie Nudell1938-)與Cary Christie1966年打造出第一個超低音喇叭,單體口徑為18吋,威力不可小覷;至於實際應用,更為人知的例子要說到日後以M&K Sound超低音喇叭打出名號的Ken Kreisel。搖滾樂在196070年代迎來高峰,其中代表性樂團Steely Dan就在製作錄音時掌握了關鍵的「低頻表現」;他們在1973年製作經典的「Pretzel Logic」專輯時委託Kreisel打造錄音室用的鑑聽喇叭與超低音喇叭確認自己錄音中的表現,專輯發行後大獲成功。專業音樂人要聽到的「重播」,不會是誇張失衡的演出;試想,一個樂團會認可一份發行,當然是其中的樂手都要確定自己負責的細節沒有閃失,而且再生質感得夠逼真才行。他們為什麼需要超低音喇叭?其實與家用Hi End音響是同樣的道理,就是為了追求恰當的頻率延伸與各頻段量感比例。

20Hz-20kHz以外的意義

在人耳能接收的20Hz-20kHz之外,更高或更低頻率的聲音訊息是否重要?雖然耳朵理論上無法「聽懂」,但20Hz之下的低頻人是可以「感受」到的,至於20kHz以上的頻率一樣也會影響聽感!說到低頻,許多音響迷會想到管風琴或敲擊大鼓的深沉振動,超低音加下去,音響迷喜歡說的「低頻按摩」、「撼動褲管」絕非誇大其詞,但如果讓我們把喇叭有辦法重播的內容看得更廣一點,從音樂轉到「音效」,更能看出超低音的重要。

從最實際的應用來說,多聲道家庭劇院就有這樣的需求!電影製作時會依情節炮製出地震災難、戰場駁火等各種聲音「效果」,超低音可以讓家庭劇院不只是視覺刺激,更能用聲波影響觀影者的體驗。再舉個故事,1998年,太空人John Glenn1921-)重返太空時,NASAGoddard Space Flight Center用上M&K Sound打造的多聲道系統實況轉播,您能想像嗎?現場的音壓、動感、噴射氣流、場面效果都可以用多聲道音響系統模擬,據說該次轉播效果極為驚人,超低音的用途不證自明。誠然,出於相位、量感、頻率銜接、動態範圍等各種考量,在公播環境與家用場合,超低音的調整方式會因環境與主事者美學觀點不同而出現效果的差異,但毋庸置疑的是超低音喇叭對音響系統所呈現的整體平衡與規模感絕對會產生極明顯的作用。由於超低音喇叭相當消耗功率,對一般用家來說,主動式超低音喇叭是比較合宜的選擇,這方面產品的名廠,除了本段所舉的M&K Sound,後起之秀Velodyne也是以超低音喇叭打出一片江山;至於更晚近的品牌,則屬Kreisel最受玩家關注,因為其主事者正是在M&K Sound主導主動式超低音喇叭研發的Ken Kreisel

低頻表過,接下來要問,到了什麼時候喇叭的高頻延伸能力廣泛受到重視?從1980年代開始,漸成主流的音樂載體是CD,其規格是16bit/44.1kHz,換句話說,以往的喇叭上看20kHz左右就接近高頻再生所需的極限了。CD稱霸市場約二十年,快轉一下,在CD行將沒落前,市場上曾有過DVD-AudioSACD的載體規格戰,無論是DVD-Audio48kHz還是SACD100kHz,收錄的音樂訊息都遠遠超過傳統認知的20kHz。所以,超過20kHz的頻率意義在哪呢?

超高音也要考慮訊源能力?

就生理觀點來說,腦神經還是有辦法處理20kHz以上的頻率,但如果單獨將20kHz以上的「聲音資訊」抽出,則難以產生特別的、可辨識的「聲音意義」。換句話說,考慮超高頻段,其實需要「綜觀」聲音再生的全頻段,20kHz以上的用意不是要聽者去分析「超高音能聽到多高」或者「超高音部份聽起來如何」,而是「人耳可辨範圍外的高頻訊息還原得越多,越會影響人耳原本就可聞的頻域」,頻段分佈與量感都會直接反應在聽感上。舉個實例來說,小提琴、豎琴、短笛等樂器的高音泛音會落在極高頻段,若再生的泛音越多,自然就是把樂器的音色給「補完」了;而各種原音樂器與人聲在錄音時的高中低頻是一體的,再生時如能有恰當比例,便能優化人聲與樂器的音色以及空間描繪,還原錄音環境中最細微的聲音細節,音樂再生的細膩質感正是由此而來。另外,擴大機設計大師Nelson Pass1951-)也曾說過,人耳雖然無法聽到超過20kHz以上的頻率,但是20kHz以上頻率的延伸滾降卻會影響到20kHz以內的相位失真與頻率強度。他還說人耳雖然對20kHz以上的頻率響應不敏感,但對於相位失真卻很敏感,即使是很小的相位失真也會影響到音樂的傳真程度。總體來說,20kHz以上的頻域,還是有其存在價值。

近年高解析格式沸沸揚揚,取樣率動輒88.2kHz以上。根據奈奎斯特取樣定理(Nyquist-Shannon Sampling Theorem),以常見的24bit/88.2kHz24bit/96kHz音樂檔案來說,消費者至少需要可以重播到40kHz的喇叭,才有辦法盡可能地還原錄音內容。看來,無論您是黑膠玩家、數位流信徒,還是SACD的死硬派支持者,極高頻的重要性都值得您認真看待。當今喇叭市場上常用於高頻延伸的是鋁帶高音(Ribbon Tweeter)與氣動式高音單體(Air Motion Transformer)二種,代表性廠家有ADAMBurmesterDALIELACPiegaQuadral等。

相對於超低音喇叭,市場上也有超高音喇叭(Super Tweeter),通常是單獨外加的,功能正如字面上所說,處理極高的頻段,若搭配得宜,便能夠優化音色與空氣感。若是類比的黑膠與高解析音樂檔,納入很高頻的音樂訊息不足為奇,不過應該也會有玩家想到一種情境題:播CD與超高音喇叭有關?或者假設擴大機的頻寬只到20kHz呢?訊源只能唱到20kHz、擴大機不吃20kHz以上訊號的話,有必要加超高音嗎?超高音單體的設計者大概也已想過此類問題,要怎麼回應?

理論上來看,一般喇叭的高頻段不大可能處於完全的線性工作狀態,絕大多數喇叭都在高音有所衰減,再考慮到聆聽者的人耳老化,如果是越接近20kHz,還原程度離理想就越遠。如果在這時候有一個超高音可以「雪中送炭」,從20kHz附近開始承接喇叭單體的工作量,理論上聲音能順勢得到更多還原;如Tannoy現役的超高音ST200就有14kHz/16kHz/18kHz等分音點可選,還有量感調整。當然,如果用家的訊源已經是高解析音樂檔或SACD,這樣的延伸能力就更有用武之地!話說回來,理論歸理論,實際上CD訊源配超高音的實戰經驗不多;在有限的實驗次數與聆聽環境中,如果用家系統是以現代器材為主,CD訊源配超高音的效果實有待商榷,但超高音的存在可以確實說明喇叭單體追求高頻延伸與量感是有其意義的。

家庭需求的市場

寫到目前為止,喇叭的發展像是從專業需求和小眾市場出發,如果換個角度呢?這樣問好了,從普羅大眾的需求出發,音響廠商要如何吸引消費者?進到21世紀,能負擔影音娛樂產品的家庭數目已不可同日而語,但並不是每個家庭都適合傳統的Hi End二聲道音響系統,音響產品更加著重「實用」導向,例如無線傳輸的喇叭、省下後級擴大機的主動式喇叭、講究設計感的造型喇叭等。

當代論及Hi End喇叭,除了要有音壓充足、聲音傳真的基本功,能融合越多實用要素就越容易受到青睞。有什麼Hi End喇叭同時符合前述的「無線、主動式、造型設計」三項條件?這裡先舉出兩款代表性作品,一款是天價級的Goldmund Apologue 25 Anniversary,一款是中產階級能負擔的Avantgarde Zero 1,兩者都符合三項要求。以2014年推出、拿下多個設計獎項的Avantgarde Zero 1為例,內中也用上時興的FPGA數位分音、D類放大等技術,可謂家用Hi End的又一里程碑。未來家用市場還會給喇叭廠商哪些挑戰?喇叭的歷史還是進行式,但就最近幾年的趨勢(無線、數位化)看起來,當技術與規格都到了一定水準,就看各家喇叭廠商對訊源、擴大機的整合方向了。值得注意的是,這股整合數位科技與主動式設計的風潮同樣影響了專業鑑聽領域!例如荷蘭廠商Grimm AudioLS 1:錄音室需要喇叭在有限的箱體中傳達明確的頻率響應與動態,有低失真、低底噪、高音質等要求要達成,有相位、分音、單體控制力等問題要克服,而Grimm Audio都藉由DSP辦到了。看來這股整合趨勢正要掀起下一波音響市場的大浪,DSP喇叭後勢看漲,大有可為。

關於更多DSP應用在喇叭上的故事與代表品牌,容後再敘。仔細想想也很有趣。在留聲機年代,訊源與喇叭是「一體式音響」,歷經了一個世紀的「分分合合」,最後究竟要「分久必合」還是「合久必分」?一起靜觀其變吧!

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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)