2016年8月16日

連載.喇叭講古(3)

【單體技術提升、振膜材料多元】

大致交待過歷史流變,現在帶您初探單體的演進。如同前述,Loudspeaker的原始型態,咸認是KelloggRice所構思者,儘管「Speaker」的發聲原理取自電話的受話器,但要說到「Loud」,還是得歸功於他倆設計出的發聲模式:動圈裝置牽引著「Radiator」連動,以較優的品質播送聲波。Radiator直譯可以說是聲波輻射器,實際上即是今日所認知的單體振膜。儘管那時候是搭配很原始的擴大機,輸出功率約莫只在15瓦左右,不過在當時而言已屬突破性進展。有趣的是,這個研究成果幾乎是從20年代延續到今日,甚至包括磁鐵的材料、振膜的強度等各項相關設計的演化,幾乎都是圍繞著差不多的重點。音響器材的發展,就是在走一條精益求精的路,不斷追求聲波再生的完整程度。喇叭設計者為增強器材重播的表現,拓展重播頻寬也是關注核心之一,很自然地,分音、多只單體配合、喇叭效率等等就是後續研究階段。喇叭發聲的核心是單體,關於發聲方法、箱體構造與各類喇叭形式會在「喇叭專書」後續章節為讀者一一剖析,這裡主要以動圈單體為例,鋪陳演進的背景。

動圈單體發展淵遠流長,變化也最多,然而原則上不脫KelloggRice的模型,由內而外依序是音圈(Voice Coil)、磁鐵總成(Magnet Assembly)、支撐框架(Basket/Case)、彈波(Spider/Suspension)、振膜(Cone/Diaphragm)、防塵蓋(Dust Cap)與懸邊(Surround)的組合。整個單體活塞運動的基礎是專司電磁轉換的音圈,既然電磁轉換不可或缺,勢必要有可靠耐用的「磁鐵」;在永久磁鐵出現前,要單體「夠力」就必須靠吃直流電的電磁鐵,這是「勵磁式」(Field Coil)單體的基礎。而後人所知的永久磁鐵並不是以音響迷爭相目睹的Alnico為始祖,早期是以鐵、鉻等多種金屬成份來製作,各家廠商有各自的配方。Alnico代表的鋁、鎳、鈷三種金屬在1930年代尚處於實驗階段,後來才把比例確定下來。現代音響迷或許會問,從電磁鐵發展到永久磁鐵還不夠好?為什麼現在很少人使用Alnico?是因為1960年代時,最大的鈷礦產區剛果民主共和國發生史稱「剛果危機」的動亂,危機造成鈷原料價格飆漲,成本提高太多,所以單體製造紛紛轉向鐵氧體(Ferrite,又稱鐵粉磁鐵,以氧化鐵為主的材料);尋找替代材料的努力到了近代則轉向稀土元素,研究發現釹也可應用在相關製程,一樣能達到耐用、高磁性的要求。

動圈單體的振膜部份更是要緊。振膜首先丟出的考驗就是抑制盆分裂。在一百年前,設計者該如何兼顧各頻段的傳真度?當時要怎麼盡力降低盆分裂?隨著錄音頻寬拓寬,喇叭又該如何應對?設計者的工作就是解決這一連串的問號。使用多個單體分工,找到最適的分音設計,或許都是不錯的方法!當然,材質也是一個關鍵考量:三明治(複合材質)振膜、碳纖維、Kevlar纖維、金屬盆等等都有廠家一一應用。(不過,增強振膜硬度,最終還是得回頭考量最適分音。因為振膜為了減少盆分裂,勢必提昇剛性,而當材料越強越硬,材料本身的諧振也得藉由良好的分音來避開。)

【經典紙盆真歷久不衰?】

說起振膜材料,1960年代,BBC主導開發Bextrene塑膠材料算得上是劃時代的進步。第一個商品化的Bextrene振膜單體是KEF 1966年推出的B110,一只5吋的中低音單體,正是傳奇的BBC LS 3/5A所用者。Bextrene的成份是聚苯乙烯(Polystyrene)與一種合成橡膠(Neoprene),它是為了克服紙盆「製造品質不一」研發出來的。在過去,紙盆品質不易統一,原因是它們由不同的樹木製成,纖維成份無法徹底統一,塑料則沒有這個問題,製作與聲音表現都能達到更高的一致性;此後,塑料一直都是振膜材料的要角,尤其是聚丙烯(Polypropylene,簡稱PP)。各家掌握塑料的秘方就是各自好聲的門道,如英國系的代表廠商Harbeth,直至今日仍是以特殊塑料的中低音單體為號召。待到加工技術更強,金屬振膜也進到單體戰場,讓喇叭設計者有更多選項可用。

話雖如此,紙盆至今仍有無可取代的理由。先不說紙盆的聲音特色,從歷史角度觀之,KelloggRice的祖宗級喇叭就是從紙盆開始的。紙確實容易受潮,也有來源品質不固定的疑慮,那麼其魅力究竟何在?從振膜設計者觀點來說,材質不能側重一種物理特性,最好是能兼顧質量、剛性、內阻等因素。一般來說,剛性與內阻很難兼而有之,而紙是一種「好得很平均」的傳統材料,質量偏輕、剛性偏高、內阻偏多,紙盆聲音表現也很夠水準,聲底多屬於乾淨者,所以現在依舊受到廠商與消費者歡迎。材質研發不只是振膜的事,箱體(Enclosure/Cabinet/Box)、懸邊、彈波、底座都包含在內,每個環節都有各自需要達到的數據,這也就是為什麼家用市場的喇叭分作諸多等級,外觀、聲音、技術、數據、製程,確實都是需要精密檢測的。懂得在所有的細節上下最大工夫,就是發燒的科學精神;進一步掌握各項設計參數的平衡,就是發燒的藝術。

說到目前為止,都是著墨在動圈單體上,因為這種單體至今仍是主流,也有非常多資訊需要深入探討,所以「喇叭專書」後續章節會再為讀者繼續討論,現在先把目光轉到其他種類的喇叭上吧!

【生而註定優秀的靜電喇叭】

當今市面上除了動圈單體喇叭,另一不可忽視的喇叭形式就是「靜電喇叭」(Electrostatic Loudspeaker)。現在說到靜電喇叭,多數音響迷都會聯想到QUADQUAD近年推出的ESL 2912確實很有資格稱作靜電喇叭的里程碑,而從歷史上看,第一個獲得商業成功的靜電喇叭款式也要屬這間公司在1957年推出的ESL 571957年研發,1958年正式推出)。當初ESL 57面市時,已經具有優秀的聲音表現,這要歸功於研發者Peter Walker1916-2003)與David Williamson1923-1992),不過此二人嚴格說來是商業化的推手。Authur Janszen 1907-1991)也在同期研發全音域靜電喇叭(40Hz-20kHz),之後交給KLH製造,於1960年推出,那就是著名的KLH 9

靜電喇叭的應用最早可以追溯到1920年左右的「Tri-Ergon」有聲底片系統(喇叭發展史果然與電影發展密切相關),但這還不算現代靜電喇叭的始祖;其實KelloggRice也曾進行靜電發聲的研究,但礙於當時製作振膜材料的技術有限,該設計並未獲得絕對優勢,所以最後才將研究資源悉數轉向錐盆喇叭。再過二十幾年,Janszen在研發麥克風時連帶研究了靜電喇叭,其研究是今日靜電喇叭的源頭,他在1952年研究利用靜電發出高頻、1953年申請專利。

從靜電喇叭出現的1950年代到現在已經超過半個世紀,由今日眼光往回看,靜電喇叭確實優秀,而且是從一開始就表現出讓人驚豔的特質,因為其簡潔的基礎設計架構就給了它好基因:兩片Stator(通常是佈滿細孔的金屬網)中間夾一片塗佈導電物質的極輕發聲振膜。這會有什麼好處?答案是少音染、低失真、瞬間反應快速、頻率響應平直;這不就是喇叭演化不斷追求的特質嗎?確實如此,所以「搞定」靜電喇叭始終是許多高階玩家追求的理想。這種喇叭天生已經具有優秀血統,不過還是有些問題需要搞定?第一是擴大機不易匹配,第二是振膜容易跳火擊穿,第三是振膜張力能否持久,第四是低頻延伸有限,第五是功率承受問題,還要看它能否提供足夠音壓。到了21世紀,這類喇叭少有「進化」可言,大體上架構不變,只看各家廠商如何補強、去除原本的弱點。

【平面、鋁帶、氣動、混血】

喇叭種類不少,會讓人混淆的是靜電喇叭與「平面振膜」(Planar Magnetic)喇叭,此類喇叭也在市場上占有一席之地,甚至可以將它視為與靜電喇叭一較高下的產物,因為平面振膜的原理乍看之下很類似靜電喇叭,它也是以一片薄膜往復運動來發聲。這個薄膜同樣要求質量輕盈,且需要繃緊,不過差別就在平面振膜喇叭必須透過印刷電路方式製作,您可以想像那相當於把動圈結構扁平化、緊密黏貼在振膜上。此類喇叭作法最為人知的品牌代表就是Magnepan,該品牌1960年代末從美國發跡,現在提起平面振膜喇叭,資深音響迷都會聯想到Magnepan

既然講到平面,再說鋁帶單體吧!在1924年,Erwin GerlachWalter Schottky 1886-1976)已經發明了鋁帶式發聲裝置。只是很可惜,當初的研究只能涵蓋兩個八度的音域,約250Hz-1,000Hz,不夠實用,所以未受青睞。幸好鋁帶單體這個「通電流的極薄片」概念並未消失,1950年代,Stanley Kelly1912-2001)將之改良並商品化,還申請了專利。Kelly認為好的振膜應該是採取「面音源」(平面發聲)的形式,而且諧振點不應該在單體發聲的頻率範圍內,就他的嚴苛標準,他認為只有鋁帶單體與靜電喇叭符合理想。雖然現在說到鋁帶單體,多半使人聯想到鋁帶高音,實際上鋁帶的工作能力很強,不是只能發出高頻,只是高頻延伸非常好,所以很適合用在高音單體;Kelly早期的成功作品應該要算是與Decca合作的DK30,一款小型鋁帶喇叭,前端附上矩形開口的號角。DK30之後,Kelly做出了一款大型鋁帶喇叭,名氣也響亮得多,型號為Decca LondonDecca London用的當然也不是普通的高音單體,其鋁帶高音承受功率可至25瓦,頻率響應竟然還上探30kHz,以當時的平均數值來看,這種鋁帶單體的表現還真令人難以置信啊!

高頻延伸能力強悍的單體還有氣動式高音,是Oskar Heil1908-1994)博士的研究成果;會說延伸「強悍」是因為其構造能輕易發出高於20kHz的頻率,這是人耳聽覺上端的範圍,也接近CD收錄的高頻極限。在 Hi End市場漸趨成熟的1970年代首次應用於Electro-Static Sound ESS的喇叭,日後此技術也見於各國喇叭名門,只是各家應用、微調不同,所以商品稱號互異。例如ADAM的招牌ART高音單體、ELAC為人所知的JET高音單體、Mundorf的氣動式高音單體等。

喇叭也有混血設計,混的是動圈與平面發聲單體的血。平面發聲單體(包括鋁帶、氣動式、靜電式、平面振膜等)在1990年代漸漸與動圈式錐盆單體走到一起,理由當然是要各取所長,主要考量在於直接音與反射音的比例,以營造更逼真的空間感,讓一般家用環境感受到更優質的音響效果。混血設計原則上不是「鑑聽」工作專用,不過對於「營造」音樂環境卻有著特別的效果;基本概念是讓動圈單體負責較多的直接音比例,平面發聲單體負責全方位發聲,藉著更廣的擴散性,起到強化空間感的作用。其中一個特殊案例來自加拿大的Shelley Katz博士;Katz自己也是鋼琴家,一開始會考慮混血設計是希望讓電子鍵盤樂器演出時聽起來能更活生,藉由混入適當的反射音比例多營造些真實感。Katz日後最為人知的喇叭品牌即是Podium Sound,外觀看起來酷似平面振膜喇叭,實則是混血基因。其設計原理很特別,乃是利用獨家的激發器(Exciter)把特殊平面振膜「震」成全音域發聲體;這個構想就是將動圈式激發器與擴散性強的平面振膜結合在一起的混血實作。晚近的代表還有Martin Logan製造的喇叭,該廠將錐盆單體用於低音再生,中高頻音域則由靜電喇叭發聲,效果也相當優異。總之,有了當代科技做後盾,混血設計也能繼續拓展頻率響應範圍,相信未來也還會優化下去。

【脫離電磁轉換的壓電式與離子式】

一個世紀以來,絕大多數喇叭的喇叭形式都建立在電磁換能的基礎上,有沒有跳脫框架的成果?其實有的,只是不常見於家用音響市場。即使要跳脫電與磁的思維,設計者還是需要聲波轉換,這時候就要提到「壓電效應」(機械能與電能互換的現象)。直接舉個例子吧!壓電式裝置(Piezoelectric Devices)其實就在你我生活之中,例如手機裡的發聲裝置就會利用壓電效應。壓電式裝置需要「壓電材料」,從1942年發現鈦酸鋇具有壓電特性後,各種材料慢慢納入壓電材料的研究範圍,諸如石英、鈦酸鉛、羅德鹽等等。壓電式裝置可以達到體積小、反應快的要求,所以應用範圍也廣,只不過壓電材料易脆,所以很難應用在大喇叭上。另外,此類材料會隨著聲音頻率降低,阻抗升高,所以如果要應用,也是屬於高頻段發聲或挪用至耳機領域,MotorolaPioneer都曾經嘗試過。

另外一種形式則為「離子式」(Plasma)單體,它確實有應用在家用市場,但並不普及,僅有極少數廠家採用「離子高音」,如AcapellaLansche Audio。這是什麼技術?利用離子發出聲音?它的原理是利用二個電極之間所產生的高壓電弧去推動空氣(讓空氣膨脹),將之作為振膜發聲,電弧理論上沒有質量,所以比任何振膜都更快速,而且這樣的單體除了電子方面的限制外,完全沒有傳統高音單體諸多機械性失真的先天限制,頻寬還能輕易上看50kHz,有的離子高音甚至可達150kHz!聽起來似乎很科幻玄妙,實則不然。這是從物理學家William Duddell1872-1917)於1900年代的研究及一位Siegfried Klein博士在1940年代的努力下誕生的,Klein後來繼續提昇這種技術的商業價值,在1956年推出了第一個離子高音後,這種技術就延續到現在。不過儘管離子高音在理論上很吃香,市面卻不常見,可見有一些實際限制。例如製造電弧的電極(通常是石英)需要高壓工作,所以往往處於高溫狀態,自然影響使用壽命,而工作過程釋放的臭氧與笑氣,也不適合一般聆聽空間;另外,這類單體製作成本高,與之相應的分音設計可能也非常不容易,所以市場上才不常見到?

--

底稿:周靖庭
編輯:音響論壇
付梓:喇叭專書(普洛文化)