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2008-7-14 19:01

前言拥有一对好书架音箱一直是笔者梦寐以求的事情，的确，音箱作为“喉舌”很大程度影响着整套HIFI系统的性能，可是综观国外厂家的中高档产品，比较优秀的产品都需要万儿八千的，价格便宜的往往有满足不了自己的要求。 笔者以前用过几款国产单元做过一些音箱，积累了一定的制作经验，感觉到国产单元性能价格比越来越高，但也了解到它们性能上的不足，同时更深深感受到自己设计制作音箱实在是很困难的事情，或许我们需要的不单是知识，还需要仪器和运气了：-） 音箱可以说是HIFI系统里最易懂难精的部件了，起工作原理十分简单，通过电磁力推动振膜，引起空气振动而发出声音来，但由于经过电流--磁场--机械力--声音的变化，其中每个变化都存在一定的非线性因素，而且通常还使用两个或以上单元协同发声，仔细考究起来个中影响的因素十分复杂，我们业余爱好者可能研究一辈子也难以吃透。 国内关于音箱制作技术方面的书籍、文章不算太少，但大部分都是一些套用公式计算箱体容积、分频器元件值等，多年来一直停留在比较肤浅的层面上。 例如分频器类型的选择、元件值的设计，绝不能按公式直套，马虎了事。我们知道，扬声器单元的电阻抗不是恒定的数值，而是随着频率的变化而变化的，而且这种变化是非线性的，这种非线性的变化甚至不能用L、C、R等线性元件进行很好的补偿（好的补偿电路也只能改善一下）。而一般公式都是按恒定的阻抗来推导的，因此直接应用在实际扬声器负载上，与目标衰减特性的误差会高达3-10dB（视具体单元的阻抗特性而定）。 要较好的解决该问题，应采取调整分频器元件值和结构、添加阻抗补偿网络等来使衰减特性接近目标响应，而这往往需要一些专门的仪器如毫付表、信号发生器等。 如果考虑扬声器单元频率响应的不平和单元装在障板上对频率响应产生的障板效应，设计会变的更困难、复杂。 国外的KEF等公司早在70年代就认识到这样的问题，他们提出了“声巴特沃斯”概念的分频器，通过测量仪器和专用软件（如LEAP、XOPT等），用计算机根据实际测量的阻抗、声压优化出声学衰减特性最接近理想值的分频器结构、元件值。这样的技术在国外广泛使用并逐渐为国外的DIY者熟悉。 困难重重，但发烧友往往是“明知山有虎，偏向虎山行”的性格，为了尽量不落入“虎口”，我在考虑制作前先给自己定了一个指引： 1、选择优秀的单元，保证良好的基础。
2、尽量参考已有的设计方案，降低分频器设计难度。
3、避免太低的灵敏度，容易匹配放大器。 具体参考方案、选择单元时，我偏向于二分频设计的小口径单元。考虑到三分频对于我的制作调试能力来说太困难了（其实国内也没有几款好的三分频音箱），既然是二分频，单元口径就不能太大。有人喜欢用7寸、8寸甚至10寸单元作二分频用，这时候分频点的选取就出现问题了，如果为了减少低音单元的分割振动和改善中高频指向性而将分频点取得较低，会令大量的中频功率进入高音单元，造成高音单元冲程过载而产生严重的失真（所有高音单元的线性冲程都很小），分频点取高的话，低音单元的分割振动加剧，声音变的混浊、不清晰，这种问题在频率响应上不一定可以看出来，只能看瀑布图。 因此我参考国外设计者的方案，采用VIFA的5寸单元P13WH-00-8和SCAN的D2905/9300单元制作一小型的哑铃书架箱。

单元简介Vifa的P13WH-00-08是采用聚丙烯振膜、软质防尘帽，镁铝合金盆架，导磁柱开有出气口以减少后部空气压缩的影响，中低音喇叭，它口径为5.5英寸，振膜做得比大口径要坚硬，自阻尼也做的很好，分割振动很小，没有典型7、8英寸聚丙烯喇叭的略显浑浊的中频。更引人注目的是其频率响应，平直自然的中频响应到5KHZ，然后以12 dB/Oct平滑下降，因此可使用简单分频器并摒弃频率补偿电路。离轴响应也经过优化。该单元的略为不足的地方是低频量感略小、下沉深度不足，但对于5寸口径的小口径单元来说，再低的谐振频率也没太大意义，这时候可产生的最大声压太低了。即使如此，该单元的冲程比其他品牌的同口径单元要高些。参看下图频率响应和单元技术参数：
P13单元在无限大障板上的幅频响应和阻抗曲线

单元型号 : P13WH-00-8	灵敏度 : 88 dB
频率范围 : 60 - 5000 Hz	自由场谐振频率 fs : 60 Hz
直流电阻Re : 5.7 OHM	音圈电感 Le : 0.7 mH
有效振动面积Sd : 86 cm2	振动质量（包含空气质量）: 7.5 g
BL : 6.0 Tm	等效容积Vas : 10 ltr
机械Q值Qms : 1.38	电Q值Qes : 0.43
总Q值 Qts : 0.33	音圈直径 : 25mm
音圈高度 : 14mm	气隙高度 : 6mm
线性位移 : ±4 mm	操作功率 : 6.3W
额定功率 : 40 W	音乐功率 : 70W

采用两个单元并联后，低端灵敏度提高3dB---达到将近91dB，匹配小功率放大器就好多了。 SCANSPEAK D2905系列的声音都非常好,28mm的丝质振膜采用了特殊材料手工涂覆制作，不象一般的软球顶缺乏力度，又没有金属球顶高音的刺耳感。其测量数据和听感都非常好，因此一直被国内外HI-END厂商使用。9300单元的频率响应、参数如下图：

单元型号 : D2905/9300	灵敏度: 90 dB
频率范围: 2 - 30 kHz	自由场谐振频率 fs : 650 Hz
直流电阻Re : 4.7 OHM	音圈电感Le : 0.08 mH
有效振动面积Sd : 8.5 cm2	振动质量（包含空气质量）md : 0.45 g
BL : 3.5 Tm	线性位移/最大位移:±0.4 / ±1.5 mm
音圈直径: 28 mm	额定功率 : 150 W (12 dB / oct. cross-over at 2.5 kHz)

其低达650HZ的谐振频率，为分频器的设计带来了方便。

箱体介绍这款原为LYNN OLSEN设计的方案，经过我再三修改后，称之为ME2。1，下面介绍箱体：
箱体如下图：

此图为右声道，左右声道镜像设计，除前左边缘圆角为R15外，其余圆角为R32。黑色图案处可按需要填充干沙、铅粒。 可以看与一般设计不同的地方如下： 1、喇叭单元的中心点并不在前障板的中心线上，高音单元的中心点位于前障板的黄金分割点上，而且前障板两边采用大圆弧过渡，这样就把刚才提到的障板效应对中高频的影响减少到最小。
2、箱体内部横截面采用了梯形结构，目的是尽量减少驻波的产生。
3、面板采用两层19mm的MDF，尽量减少面板振动带来的影响，实际表明是非常有效的，但太厚的面板在开低音单元孔的时候要注意，应该把里面加工为喇叭口，才能尽量减少该处的空气阻力，以免引起某些频段的谐振。如下图示：
这是我做的单元开口。
国外的DIY者做的，使用多层桦木板，多漂亮啊，拍的也很直观。 4、单元不采用木螺钉来固定，采用螺母、螺杆来固定，螺母先固定在面板的内边，这样拆装很方便，而且也可以多次拆装而不影响性能。 注意上面结构图跟Lynn Olsen原设计的ME2相比，我做了如下的修改： 1）原来设计的内容积为8.5L左右（响应为BB4），我根据Vifa提供的参数，并适当考虑分频器内阻、放大器内阻令单元Qts升高的影响，适当的增加调箱体容积到10.8L（响应也是BB4），再加上余量，总容积确定为13L。
2）理想的倒相孔面积应为单元有效振动面积的20%-40%，对于两个P13单元，原设计使用2根25.4mm直径的倒相孔显得太小了，太小的倒相管会在大动态的时候产生气流声，我个人认为这是ME2设计不合理的地方之一。但由于倒相管安装在后板上，而后板由于可安装尺寸只剩下33cm，因此我使用内径为29mm的PVC管。
3）考虑到该加强板在梯形截面上留下来的开口面积太小了，比单元的有效振动面积要小，而这往往容易引起谐振，在频响上表现为某一频率的峰、谷，我个人认为这是ME2设计不合理的地方之二。因此我在内部的加强板上开两个直径50的圆孔，以减少影响。 经过上述改变后，应该称之为ME2.1。

分频器分频器电路如下：
作者花了几个月的时间调试，才得到上面的最终定型。但也建议根据你的听音感受对高音通道的电容C1进行微调（从5.5UF-6.8UF），还可以适当调整R1、R2的比例取得满意的高音。分频器带有阻抗补偿电路，这样在100HZ到20KHZ之间，喇叭阻抗在3.5-10欧姆之间。注1：下图给出一典型低音单元的阻抗特性，包括阻抗模值和相位：
典型单元的阻抗曲线，其中黑色粗实线为阻抗模，虚线为阻抗相位。 注2:我们平常得到的单元频响曲线一般都是把单元安装在IEC标准障板或者类无限大障板上测试得到的，如果把单元装在有限宽度的障板上（例如我们使用的前障板宽度通常在20-60cm之间），会引起单元频响的波动----称为障板效应。这点在国内的技术文章比较少谈到（或者我孤陋寡闻），但国外的网站比较详细的探讨了这个问题。障板效应产生的原因是： 在喇叭单元发出的声波波长很短的时候（中、高频段），其辐射是向前的，也就是所谓的2PI空间，随着频率的下降，声波波长接近面板的尺寸后，辐射角度开始变大，在声波波长远远大于面板的尺寸后，辐射就变成360度了（4PI空间），因此，辐射到前面的能量减少了。也就造成了这样的影响。但厂家在测量的时候把单元安装在无限大障板上（例如一面墙），没有能量变小的现象。下图是一理想单元（在无限大障板上测量的结果是频响完全平直）装在20cm宽的前障板对频率特性的影响。

障板尺寸为30cm*100cm时，单元安装位置为0.15、0.3时对单元频率响应的影响

可以看出，有限大的障板会令低频端大约有6dB的跌落，而中频以上的影响很复杂。在扬声器、分频器设计初期也应该考虑这些问题。把扬声器中心偏离障板的中心线，可在一定程度上减少障板效应对中频的影响，但对低频的影响依然存在。