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[喇叭] 全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

PaulTao 發表於 2017-1-10 11:06:46 | 顯示全部樓層 |閱讀數: 39441|評論數: 0|[複製鏈接] |閱讀模式


在上一集,我提到了全音域單體在重播中高頻以上音域時,聲波會受到錐盆振膜的限制而使擴散性受限。這次我們則要探討喇叭箱體對聲波擴散的影響。許多人可能認為喇叭箱體對重播的主要影響,在於箱內容積與密閉式或反射式等箱體結構,但其實箱體的造型也會對重播造成關鍵性的影響。箱體對於聲波的繞射現象,就是影響最顯著的因素。

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

到底什麼是繞射現象呢?讓我們先從喇叭的原始型態開始看起。理論上最理想的喇叭,應該是將單體裝在一塊無限大的障板上,這塊障板的長度與寬度不能小於20Hz的波長,也就是17公尺。

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

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在這種狀態下,單體向前發射的聲波將會完全與背波隔離,兩者不會互相抵消。一般單體廠在測量單體的頻率響應時,就是在這種狀態下測試的。問題是,有誰的家裡可以放得下這種五層樓高的障板喇叭呢?既然無限障板不可行,於是喇叭設計演進成將單體裝在密閉式的箱子裡,將單體背波封在箱子裡,避免干擾單體向前發射的聲波。

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

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現在問題來了,箱體障板縮小之後,聲波的波長小於障板時,還可視為無限障板狀態,但是波長一旦大於障板,原本因為障板阻擋而向前投射的聲波,在遭遇箱體邊角時,壓力頓時產生變化,就會在轉角處產生另一個新的發聲點,這就是所謂的Diffraction繞射現象。

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

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Diffraction繞射其實並不只限於聲波,而是任何傳遞能量的波、如光波、水波、電磁波等,在遭遇不同形式的障礙時,都會產生的現象。

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

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(資料來源:http://www.linkwitzlab.com/diffraction.htm
當聲波遭遇箱體邊角時,會產生兩種狀況,一是當障板寬度等於二分之一波長時,邊絞繞射會與主聲波反相,此時繞射波會與主聲波相抵消,在頻率響應曲線上會形成一個波谷,只要聲波是障板的1 1/2、2 1/2……,都會產生反相抵消的波谷。
另一種狀況是當波長是障板寬度的倍數時,例如一倍、兩倍、三倍時,繞射波會與主聲波同相,此時這些特定的頻率就會因此增強,量感最多可以提升3dB,而在頻率響應曲線上形成波峰。這種因為邊角繞射而產生的頻率震盪狀況,就是所謂的Baffle Step「障板階梯」現象。

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

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並不是所有頻段都會產生Baffle Step,當低頻波長遠大於障板寬度時,聲波會無視於障板的阻礙,直接擴散到喇叭後方,形成360度全指向性的點音源發聲狀態,不過聲波能量也因此而會降低6dB。當一般動圈單體的重播頻域高於中高頻時,此時指向性會較為明顯,聲波不太會擴散到喇叭兩側,邊角繞射的狀況也會大幅降低。

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

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以Diatone P-610的原廠建議箱體為例。一般而言,當波長為障板寬度的十倍以上,聲波將會無視於障板的存在,以360度全指向性擴散。原廠建議的障板寬度為325mm(毫米),十倍的波長3,250mm換算頻率為105Hz,也就是說,105Hz以下的頻率響應不會因為邊角繞射產生起伏震盪,但是會因為聲波向後擴散而損失6dB能量。
中高頻部分,根據上一集的計算,當頻率高於2.1kHz時,聲波會受到P-610的16公分錐盆限制,而使擴散性受限,所以大約2kHz以上的頻率受到邊角繞射的影響也會降低。由上可知,P-610原廠喇叭箱因為Baffle Step而產生頻率震盪的頻段,大約在2kHz到105Hz之間,對照Diatone原廠公佈的P-610裝箱頻率響應資料,的確可以看出這個走向。
箱體邊角繞射問題該如何解決呢?一般現代多路分音喇叭的作法,是盡量縮減障板的寬度,將Baffle Step推向較高的頻域,再利用分音線路補償中低頻向後擴散所損失的-6dB能量。

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

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但是全音域喇叭呢?因為全音域喇叭沒有辦法依靠多路分音線路補償Baffle Step,所以只能依靠箱體設計修正這個問題。許多全音域喇叭都是寬障板設計,就是為了藉此讓中低頻的延伸更多一些,搭配低音反射或是背載號角式箱體,也可補足中低頻的量感。

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

全音域喇叭實驗室#6:尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射?

最後我要再次強調,千萬不要小看全音域喇叭了,它的架構雖然看似簡單,但是單體與箱體的設計難度卻更高、挑戰也更大。如果你以為全音域喇叭只是把一只單體裝到喇叭箱體而已,那就大錯特錯了。
至於Baffle Step所產生的頻率震盪,到底該如何藉由箱體設計化解呢?請讓我賣個關子,留待下集全音域喇叭實驗室解答。




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