基于惠威Hi-FiRESEARCHW12低音單元高品質(zhì)有源超重低音音箱設(shè)計(jì)
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眾所周知,低音是音樂(lè)信號(hào)的基礎(chǔ),它在很大程度上影響聽(tīng)音的氛圍,缺失低音信號(hào)聲音會(huì)顯得輕飄而不真實(shí),而在正規(guī)的家庭影院播放中,超重低音箱是很重要的一分子,如果少了重低音的烘托,那就完全失去臨場(chǎng)感,也就是說(shuō)不真實(shí)。很多發(fā)燒友普遍使用6.5~8英寸低音單元的音箱,這些音箱的低頻下限比較低,低音聽(tīng)起來(lái)雖然有力,但能量和延伸能力卻不足。
因此,筆者建議,如果有條件,還是選用中大型落地箱為好,以得到更豐富的低頻響應(yīng),而組建家庭影院時(shí),應(yīng)把超重低音音箱考慮進(jìn)去。當(dāng)然,如果原來(lái)的系統(tǒng)沒(méi)有豐富的低頻效果,你也可單獨(dú)添置一個(gè)優(yōu)質(zhì)的超重低音音箱來(lái)提高重播效果。不過(guò),好一點(diǎn)的超重低音音箱售價(jià)不菲,既然我們有能力去自己設(shè)計(jì)制作書(shū)架箱或落地箱,那么我們是否也能自己做一個(gè)好一點(diǎn)的超重低音音箱呢?答案是肯定的,有興趣的讀者不妨跟隨著我依葫蘆畫(huà)瓢。
理想的超重低音箱的概念
在制作前,我們應(yīng)對(duì)什么是“好一點(diǎn)的超重低音音箱”有一個(gè)基本的概念。筆者認(rèn)為衡量超重低音音箱的品質(zhì)高低有幾個(gè)方面。
1.好的超重低音箱必須是有源放大的
所謂“有源放大”就是內(nèi)置功放的,而無(wú)源超低音音箱是沒(méi)有內(nèi)置功放,箱內(nèi)只有無(wú)源分頻器,要和主音箱共用或另配功放。無(wú)源超低音音箱是利用前級(jí)的音量控制來(lái)決定音量,如果超重低音音箱的靈敏度或音量和主音箱不平均,會(huì)引發(fā)聲場(chǎng)混亂、頻響不均衡、聲像定位出不來(lái)等情況,而此時(shí)超重低音音箱的擺位又不能解決這一問(wèn)題,這些問(wèn)題就難以改善。加上超低音大口徑單元的振動(dòng)質(zhì)量肯定大于主音箱單元,故發(fā)聲速度要慢一些,加了這種超重低音音箱之后,效果往往很渾濁。
有源超低音音箱是專(zhuān)門(mén)為低音重播而設(shè)計(jì)的。它的工作特征是信號(hào)直入帶有源分頻的前級(jí)。100 Hz以下的頻率由專(zhuān)用的低音放大器放大后驅(qū)動(dòng)超低音音箱。100 Hz以上的頻率經(jīng)分頻后送至放大器,放大后由主音箱播出。這時(shí)要有一個(gè)獨(dú)立的音量控制用來(lái)控制超低音音量跟主音箱在音量上的比例。
正規(guī)的添加超低音音箱是超低音在交叉分頻頻率以下工作(例如100 Hz或120 Hz),而主音箱在交叉分頻頻率以上工作,不過(guò)這樣的分頻器要設(shè)在信號(hào)源輸出之后,主聲道前級(jí)之前,因而,一些高級(jí)的超低音音箱都設(shè)有一對(duì)左右聲道輸出端子,但在日常使用中很多人都是直接從前級(jí)輸出直駁入超低音音箱。
由此看來(lái),有源超低音音箱所用的單元和內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)、專(zhuān)用的低頻提升技術(shù),以及分頻放大器、箱體等都是為低頻再現(xiàn)而服務(wù)的。因此,有源超低音音箱的表現(xiàn)并非無(wú)源音箱所能比擬的。
2.超低頻量感要充足,延伸要足夠低
超低音音箱的功能就是彌補(bǔ)主聲道音箱的低頻不足。
3.超低音單元要能承受大功率而不失真
眾所周知,面積越大的振膜低頻潛得越深,同時(shí)為了要達(dá)到充足的能量,大多數(shù)的超低音單元都在10英寸以上,單元的振膜越大,相對(duì)的質(zhì)量也會(huì)增加,單元的運(yùn)動(dòng)不容易受控制,這時(shí)需要較大的控制能量既較強(qiáng)的輸入功率。否則,振膜的動(dòng)靜不能令行禁止就會(huì)使聲音模糊,如果單元反應(yīng)的速度跟不上音樂(lè)的速度,就會(huì)造成低頻段的失真,使聲音模糊不清,同時(shí)也會(huì)讓低頻變得軟弱而不夠力。
4.要有設(shè)計(jì)合理堅(jiān)固的箱體結(jié)構(gòu)
超低音是音箱播放中失真最嚴(yán)重的頻段,但低頻段其實(shí)也藏有許多細(xì)節(jié)和質(zhì)感,像低音大提琴與管風(fēng)琴的低頻就不一樣,絕不是轟轟響模糊一片的盲目“雄渾”感,性能優(yōu)異的超低音還可以輕易聽(tīng)出堂音、細(xì)節(jié)以及音色等各種巧妙的變化,反應(yīng)快的超低音可以重現(xiàn)出凝聚的沖擊力和有效提升分析力并與中、高頻段銜接良好。箱體的長(zhǎng)寬高比例和堅(jiān)固與否會(huì)直接影響到超低音的細(xì)節(jié)清晰度、分析力、速度感、瞬態(tài)反應(yīng)等,因此不能等閑視之。
選材設(shè)計(jì)制作
就上述幾個(gè)觀(guān)點(diǎn),這款DIY的有源超重低音箱將通過(guò)精心選材、精心設(shè)計(jì)制作來(lái)達(dá)到媲美優(yōu)質(zhì)商品機(jī)的效果。
首先我們選用的低音單元是惠威Hi-FiRESEARCH 12英寸的W12低音單元(如圖1)。它的特征是采用高損耗、高順性、超薄、耐疲勞橡膠折環(huán)和德國(guó)KEVLAR增強(qiáng)紙基復(fù)合材料振膜,配以高散熱涂層、無(wú)渦流損耗、高承載功率76 mm音圈和耐高溫SV線(xiàn)以及一體化高密度鋁盆架,它的對(duì)稱(chēng)磁場(chǎng)(SMD)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少音圈電感與反電動(dòng)勢(shì)的相互調(diào)制,加上超長(zhǎng)沖程線(xiàn)性位移設(shè)計(jì),使它有著承受功率大,fo(諧振頻率)和Qts(品質(zhì)因數(shù),總Q值)較低,瞬態(tài)好,低頻響應(yīng)極佳,低音豐滿(mǎn)有力,高清晰度和解析力,動(dòng)態(tài)大,低失真的優(yōu)點(diǎn),很適合做有源超低音。
W12低音單元的幾個(gè)主要相關(guān)參數(shù)是:額定阻抗8Ω;諧振頻率(fo)28 Hz; 額定功率150 W(最大300w); 靈敏度(2.83V,1m)90 dB;總Q值0.42;振動(dòng)質(zhì)量89.7 g;等效容積(Vas)156 L。圖2是它的結(jié)構(gòu)尺寸圖。
選定單元后,應(yīng)當(dāng)考慮推動(dòng)這個(gè)低音單元的功率大小,為了很好地控制低音單元的運(yùn)動(dòng),筆者認(rèn)為功率放大器輸出的功率不宜小于低音單元的150 W 額定功率,但也不宜大于它的最大300W 輸入功率,因此所用的功率放大器輸出功率應(yīng)在200 W(8Ω)左右。對(duì)于一般幾十平方米聽(tīng)音室而言,如果設(shè)計(jì)合理,這個(gè)功率已足夠。
超重低音音箱用的功率放大器不僅要有大推動(dòng)力,同時(shí)其瞬態(tài)失真要小、反應(yīng)速度要快。這里采用的恒流功放驅(qū)動(dòng),是用線(xiàn)性元件把流過(guò)揚(yáng)聲器音圈的電流取樣反饋到功放輸入端,使放大器以固定電流方式驅(qū)動(dòng)負(fù)載,這樣就很好地解決功放內(nèi)非線(xiàn)性失真或瞬態(tài)失真不能兼顧的問(wèn)題。
使用恒流功放驅(qū)動(dòng)還有不少好處,首先,輸?shù)綋P(yáng)聲器音圈的電流不受揚(yáng)聲器阻抗的影響,因而簡(jiǎn)化了保護(hù),提高了可靠性;其次是反饋取樣電壓與流過(guò)揚(yáng)聲器音圈的電流成線(xiàn)性關(guān)系,不存在相位差,減少了功放內(nèi)部的瞬態(tài)失真,系統(tǒng)的瞬態(tài)失真指標(biāo)取決于揚(yáng)聲器的瞬態(tài)特性;其 是用輸出負(fù)載特性的功放驅(qū)動(dòng)阻抗隨頻率變化的負(fù)載,會(huì)增強(qiáng)聲音的力度和解析力,反應(yīng)速度也快。圖3就是超重低音箱用的主動(dòng)伺服式功率放大器。它是專(zhuān)門(mén)根據(jù)W12低音單元的相關(guān)參數(shù)作了取樣設(shè)計(jì)。該線(xiàn)路可輸出200 W左右的RMS功率,為上下對(duì)稱(chēng)分別采用負(fù)反饋恒流設(shè)計(jì),這種線(xiàn)路的特點(diǎn)是負(fù)反饋分別加在輸入級(jí)晶體管的發(fā)射極上,與各自的偏置電路組合成獨(dú)立的上下對(duì)稱(chēng)線(xiàn)路,優(yōu)點(diǎn)是前級(jí)的發(fā)射級(jí)不易混入噪聲,功放有很高的信噪比。
伺服均衡相位、音量控制線(xiàn)路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是從音源或前級(jí)輸出的信號(hào)經(jīng)L,R輸入送到運(yùn)算放大IC1A的輸入端,開(kāi)關(guān)K1和IC1B就是用來(lái)控制信號(hào)的正反相,使之與主音箱有更正確的相位匹配。由三聯(lián)波段開(kāi)關(guān)K2和IC1C構(gòu)成的線(xiàn)路是以巴特沃斯三階低通濾波器組成的約40 Hz,55 Hz,75 Hz,100 Hz共4個(gè)低頻輸入截止點(diǎn)。
圖3 起重低音音箱用的主動(dòng)伺服式功率放大器
圖4是主動(dòng)伺服式功率放大器所用的電源圖。發(fā)燒友都知道,好的功放在電源上下的功夫并不比線(xiàn)路少,為了取得更出色的音效,該機(jī)采用了一個(gè)約650 w 的R型優(yōu)質(zhì)變壓器,R型變壓器的漏磁和效率比常見(jiàn)的環(huán)型或EI型變壓器要好,溫升低,放在使用環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的超重低音箱內(nèi)部明顯比環(huán)型或EI型變壓器有優(yōu)勢(shì)。
該機(jī)的前后處理線(xiàn)路各有自己獨(dú)立電源供應(yīng),繞組是分開(kāi)的,其中,控制線(xiàn)路的供電采用三端穩(wěn)壓處理后輸出正負(fù)15V的電源供電給IC1和IC2,后級(jí)功放為了減少電源內(nèi)阻,用4對(duì)中等容量濾波電容并聯(lián)輸出,以得到更快的反應(yīng)速度。為了進(jìn)一步減少箱內(nèi)磁場(chǎng)的互相干擾,整個(gè)主動(dòng)伺服式功率放大器裝在一個(gè)30 cm×35 cm×9.5 cm的厚鋁金屬機(jī)箱內(nèi),其中散熱器是裝在箱體的外表,以利于散熱。
得到主動(dòng)伺服式功率放大器所占的容積大小后,我們就可以很方便地求出超重低音箱的內(nèi)腔容積大小。從W12低音單元的幾個(gè)主要相關(guān)參數(shù)來(lái)看,該單元較適合做倒相箱,為了取得相對(duì)平坦而不是渲染的低頻響應(yīng),有較出色的瞬態(tài)響應(yīng)和良好的低頻延伸,在設(shè)計(jì)箱體時(shí)是采用SC4響應(yīng)設(shè)計(jì)。用SC4響應(yīng)設(shè)計(jì)是倒相箱設(shè)計(jì)方案中的較好選擇,它的特征是箱體比較大,但它卻有著很低的調(diào)諧頻率和相對(duì)出色的瞬態(tài)響應(yīng)以及較低的失真輸出特點(diǎn),可能有讀者問(wèn)為什么不采用更好的SBB4響應(yīng)設(shè)計(jì)? SBB4當(dāng)然更好,但我們?cè)诰C合考慮了兩種設(shè)計(jì)的音質(zhì)與箱體的大小關(guān)系后,認(rèn)為SC4響應(yīng)足以滿(mǎn)足高水平的聽(tīng)音要求。
用SC4響應(yīng)設(shè)計(jì)的倒相箱雖好,但它要求低音單元有較低的Q值,w12低音單元的總Q值是0.42,基本附合這種要求。該超重低音箱是按查表方式設(shè)計(jì)的,表1收錄了從0.37~0.44的低Q值SC4設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),在設(shè)計(jì)不同Q值的SC4響應(yīng)倒相箱時(shí),讀者也可用此數(shù)據(jù)設(shè)計(jì).
根據(jù)表1,我們很快就能求出該超重低音箱的內(nèi)空容積。
求箱體內(nèi)空容積Vb:
Vb= Vas÷α=156÷0.9113=171.2(L)
求箱體的調(diào)諧頻率 :
fb= (fh÷fo )×fo=1×28=28(Hz)
求音箱的低頻截止頻率f3:
f3= (f3÷fo )×fo=0.937×28=26(Hz)
求倒相管長(zhǎng)度L:
Lv =2350Dv2 ÷(fb2×Vb)-0.73Dv
其中Dv是倒相管的開(kāi)口直徑,為得到很好的線(xiàn)性,這里取值100mm,經(jīng)計(jì)算,Lv≈102.1 mm。
按照箱體容積公式計(jì)算所得的值均為凈容積,實(shí)際計(jì)算時(shí)要記得加上內(nèi)置功放的體積(10升左右)和揚(yáng)聲器的容積(約為4升左右),而加固支撐件的體積可設(shè)在9升左右,這樣,箱體的最終容積V=171.2+10+9+4=194.2 L,實(shí)際制作時(shí)可按195 L計(jì)算箱體尺寸。
箱體內(nèi)部?jī)艨盏母摺?、深尺寸比與音質(zhì)有密切關(guān)系,如果尺寸比選擇不當(dāng),有可能導(dǎo)致兩個(gè)甚至三個(gè)軸向振動(dòng)頻率重疊,產(chǎn)生難以消除的駐波干擾,讓聲染色加重。為減少不必要的影響,本箱的高、寬、深比例取值為1.3:1:1.2。經(jīng)計(jì)算,箱體內(nèi)部?jī)艨盏母?、寬、深尺寸分別為65 cm,50 cm,60 cm。箱體用25 mm厚的中密度纖維板(MDF)制作,為提高箱體的剛性,箱體內(nèi)部設(shè)有一個(gè)支撐板,同時(shí)前障板用兩
塊25 mm厚的中密度纖維板(MDF)粘合起來(lái),以減少箱板共振帶來(lái)的音染,得到較清晰的音效。圖5是該音箱的制作尺寸圖,制作時(shí)請(qǐng)注意各障板接觸面要加工平直,結(jié)合面要涂上木工膠使其接觸面緊密,并用木螺絲收緊,確保接合緊密牢靠不漏氣。為平衡前后障板的重量,主動(dòng)伺服式功率放大器設(shè)在后障板,散熱器為外露式設(shè)計(jì)。從該箱的后障板布置圖中可以看出,倒相孔是開(kāi)在背后的,也就是說(shuō),該箱在擺位時(shí)不要太靠近后墻。
一般音箱內(nèi)的吸聲材料的放置方法有粘貼法和填充法兩種,倒相式音箱常采用粘貼法,該箱的吸聲材料用量是在箱壁鋪上用棉布包裹的5 cm厚左右的礦棉。如果覺(jué)得低頻能量過(guò)多,可適當(dāng)加厚吸聲材料。這樣,音箱的總Q值(Qts)下降,可以改變低頻厚度,使低音更清晰,提高瞬變反應(yīng)速度。為了超低音箱得到清晰高分辨率的低音,該箱宜選用金屬釘腳,最好是用銅質(zhì)的腳錐。
使用建議
使用中,如果低頻輸入截止點(diǎn)調(diào)得過(guò)高,與主音箱低頻段重疊過(guò)多,低頻在某些頻段顯得渾濁拖沓,將影響低頻的速度和清晰度。相反,當(dāng)?shù)皖l輸入截止點(diǎn)調(diào)得過(guò)低時(shí),低頻也會(huì)出現(xiàn)不連貫的現(xiàn)象,讓人覺(jué)得主音箱與超低音箱是“各自工作”。因此,選擇合理的低頻輸入截止點(diǎn)會(huì)使主音箱與超低音箱實(shí)現(xiàn)平滑的低頻過(guò)渡,低頻量感會(huì)增加但又不會(huì)覺(jué)得有過(guò)于突兀、渲染,讓整體氣勢(shì)渾然一體。一般的調(diào)整原則是
如主音箱的-3dB低頻下限為6O Hz的,宜選55 Hz低頻輸入截止點(diǎn),也可以這樣粗略調(diào)配。如主音箱的低音單元是4~5英寸的,可選75 Hz低頻輸入截止點(diǎn);如低音單元是6~7英寸,選55 Hz低頻輸入截止點(diǎn)或更低檔。
超低音箱的音量調(diào)整不要調(diào)得過(guò)大(最好不要超過(guò)10點(diǎn)鐘),防止超低音過(guò)于喧賓奪主和減少失真。在相位的調(diào)整時(shí),先放一段低頻較豐滿(mǎn)的音樂(lè),然后將相位分別設(shè)定在0°及180°位置,比較這時(shí)的低頻的量感,以量感豐滿(mǎn)、聲音清晰、凝聚者為佳。當(dāng)調(diào)整好后,超低音箱已融入整套系統(tǒng)中,你就會(huì)感受到它的威力。
自己制作一個(gè)像這樣的有源超低音箱約需要2500元,但它的音效可媲美售價(jià)高一倍的商品箱,而且實(shí)實(shí)在在。有需要的朋友,不妨自己動(dòng)手豐衣足食。