大磁路短音圈設計是導磁板厚度大於音圈捲幅長度,
長音圈設計是導磁板厚度小於音圈捲幅長度,
兩者做法相反,因此,
大磁路短音圈設計,播低音的能量和低頻-3dB的低伸成正增益現象,失真少。
長音圈設計,播低音的能量和低頻-3dB的低伸成負增益現象,失真多。
短音圈大磁路的低音單體,導磁板的厚度 = 音圈捲幅長度+(頻率衝程 × 2),導磁板很厚,T鐵也要很厚,造價就貴,播fo點以上的頻率衝程,音圈都在導磁板內,導磁板對音圈的覆蓋率100%,播-3dB頻率和200Hz(設計喇叭的中、低音分割點),音圈受磁力相同,推力也就相同,因此音圈的頻率衝程愈長,也就是【導磁板厚度-音圈捲幅長度】的差值愈大,-3dB愈低,播低音的能量大致上可以相對愈好。
不同口徑的錐盆,各有播低音的極限,頻率衝程大,錐盆播低音的極限就會向更低頻延伸。
長音圈低音單體的導磁板通常都薄,不是6mm就是8mm,省工省料,是廉價低音單體普遍用的規格。音圈捲幅長度 = 導磁板厚度+(頻率衝程 × 2)。
長音圈設計的【音圈捲幅長度-導磁板厚度】差值愈大頻率衝程愈長,-3dB延伸愈低,但是導磁板對音圈的覆蓋率也愈少,播-3dB頻點的音圈受磁力會愈弱於播200Hz。
音圈捲幅長就重,音圈受磁力降低推力就弱,頻率衝程再變更長,錐盆的彈波、懸邊制動力同步增加,喇叭的低頻發聲遲延時間必超長,信號能量漏失就多,低頻音量會減弱又清晰度差(聲音偏軟),中頻相對突出、清晰,因此-3dB數據愈低播出的低音質、量反而會愈差。參考揚聲器之設計與製作第4章8節和圖4.18。
喇叭的低頻發聲遲延,通常用的翻譯名是「群遲延」,這名詞的字面意思和技術意義連結不多,因此李氏音響改稱為「低頻發聲遲延」。這是喇叭播200Hz以下頻率和播1000Hz信號的時間差值,差值愈大,每個單位時間,喇叭對低音信號的反應愈少於1000Hz,也就是播低頻的信號能量漏失愈多於播1000Hz,低頻音量也就愈小於1000Hz,喇叭的播音現象就中音強低音弱,而且低音清晰度差。
低頻發聲遲延會產生信號能量漏失,因此高傳真Hi Fi喇叭的低頻發聲遲延時間有建議規範……音樂再生頻域內(最少是-3dB範圍)要低於20/1000秒。揚聲器之設計與製作第4章8節。
低頻-3dB的發聲遲延時間少於20/1000秒,喇叭對低頻信號的反應就快,播出的音量就接近1000Hz的播出量,-3dB的音量和1000Hz的音量趨近平衡,低音就能播得深沉又量感好。
舞台喇叭對低頻-3dB的發聲遲延時間則沒有要求,因為舞台喇叭第一重要的性能是要承受大功率,耐操,並非做高傳真播音。
舞台喇叭的低音單體,音圈線必須粗以承受大功率,捲幅一定長,重量大,又為減輕單體重量及降低成本,導磁板都儘量薄。很長的音圈捲幅,很薄的導磁板,頻率衝程一定長,但播愈低頻音圈的推力卻會愈弱,-3dB的發聲時間甚至可遲延到100/1000秒左右,因此舞台喇叭的低音普遍都虛虛不沉。
低頻發聲遲延產生的信號能量漏失,沒有儀器可測,只能就遲延時間做理論的推估,用人聲遮蔽率測試驗證。
以10/1000秒為有效低音(大鼓的力度音頻150Hz–50Hz)的發聲遲延容許平均值,在這基礎之上,發聲時間遲延一倍,也就是「一個單位時間」的信號反應每少一倍,音量大概會降低6dB,在人聲遮蔽率測試,低頻遮蔽力會同步降低。
發聲遲延數據在儀測上是固定的,因此在判讀喇叭播音性能時,比相位數據更精確、更重要。
相位數據,聲音中心點(喇叭高、低音單體位置不同)不明確,測點選擇引起的相位變化難正確校正,用來判讀喇叭播音性能,誤差就大。
喇叭要播出深沉又量感好的低音,只有短音圈大磁路設計是-3dB愈低伸表現愈好。
在長音圈設計,低音單體的「音圈套筒」、「錐盆」口徑相同,下面是8吋喇叭可能發生的事。
A喇叭,低頻-3dB頻點30Hz,發聲遲延時間80/1000秒,
B喇叭,低頻-3dB頻點55Hz,發聲遲延時間30/1000秒,
數據的第一直接印象,大概會覺得A喇叭播低頻的性能超優,但事實絕非如此。
真正關係低音質、量的數據
A喇叭-3dB低,音圈捲幅一定較B喇叭長,會較重,在同樣播55Hz信號時,A喇叭的發聲遲延時間可能是50/1000秒(儀測數據會顯示),比B喇叭的30/1000秒長,相對於喇叭本身1000Hz的播音量xx dB,B喇叭播55Hz的音量是【xx dB - a dB】,A喇叭則是【xx dB - a dB - 4 dB】。a dB是55Hz發聲遲延30/1000秒的能量損失。
因此A喇叭的播音,中音明顯強低音明顯弱,大鼓聲、低音大提琴聲不深沉,B喇叭則中、低頻音量相對平衡,大鼓聲、低音大提琴聲較深沉也量感稍好。
很多廠商藉「有數據有真相」之名,強調-3dB超低的喇叭必能播出超級好低音,播不出來是因為「好喇叭很難推」、「喇叭實力未發揮」。這是用「似是而非」的虛假數據欺騙消費者,
第一,長音圈設計的喇叭,低頻-3dB延伸愈低,低音播音量愈弱中音播音量相對愈強。
第二,國際電工委員會的錄音頻寬規範是40Hz—12.5kHz ± 2.5dB,低頻-3dB延伸到30Hz、20Hz,不會多播出音樂信號
和低音質、量絕對同步優同步劣的數據,是有效低音(大鼓的力度音頻150Hz–50Hz)的發聲遲延時間均值,這個均值低於10/1000秒,喇叭的有效低音平均量就接近1000Hz的播音量,具備播出超級好低音的條件,但是還要喇叭和擴大機的特性高度相容才播得出來。
150Hz–50Hz的發聲遲延時間均值高於20/1000秒以上,有效低音的平均量已比1000Hz的播音量低約6dB以上,喇叭就不具備播出好低音的條件。
影響低頻發聲遲延的關鍵能量,是低音單體播200Hz(喇叭設計的中、低音分割點)以上頻率和-3dB頻點的音圈受磁力比值(音圈推力比值)。這個比值是1/1,喇叭的低頻播音現象就和儀測數據同步正向變化。
短音圈大磁路,播200Hz以上頻率和-3dB頻點,導磁板對音圈的覆蓋率都是100%,音圈受磁力比值就是1/1。
長音圈【導磁板/音圈】為8mm/23mm和8mm/15mm的音圈推力變化
【導磁板厚度/音圈捲幅長度】為8mm/23mm,
播200Hz以上頻率,音圈的中段被導磁板覆蓋8mm,兩端突出導磁板外約7.5mm,播-3dB頻點時,音圈的一端被導磁板覆蓋8mm,另一端則突出導磁板外15mm。
播200Hz頻率突出導磁板0mm–7.5mm的音圈捲幅,在播-3dB頻點時,有一端等於被移到離導磁板7.5mm–15mm,播-3dB頻點的音圈受磁力比播200Hz以上頻率弱,無庸置疑。
播-3dB頻點,音圈衝程長,錐盆的懸邊、彈波制動力激升,音圈受磁力卻下降,推力反弱,低頻的發聲遲延時間當然長,信號反應遲緩,音量低,清晰度差。
【導磁板厚度/音圈捲幅長度】為8mm/15mm,
播200Hz以上頻率,音圈的中段被導磁板覆蓋8mm,兩端突出導磁板外約3.5mm,播-3dB頻點時,音圈的一端被導磁板覆蓋8mm,另一端則突出導磁板外7mm。
播200Hz以上頻率,突出導磁板0mm–3.5mm的音圈捲幅,在播-3dB頻點時,有一端等於被移到離導磁板3.5mm–7mm,音圈的推力相對變弱。
兩個規格的長音圈相較,捲幅23mm的音圈一定比捲幅15mm音圈重,而且不只加重約1/2。因為同阻抗音圈,捲幅要長音圈線相對就要加粗。
所以在播衝程1mm–3.5mm的低音信號時,捲幅23mm的音圈反應慢,發聲遲延時間長,漏失的信號多,音量就小,清晰度就差;捲幅15mm的音圈反應較快,發聲遲延時間短,漏失的信號少,音量就較大,清晰度較好。
錄音頻寬規範只40Hz—12.5kHz ± 2.5dB,40Hz以下的信號能量被衰減,因此,【導磁板厚度/音圈捲幅長度】為8mm/23mm的低音單體,也就是低頻-3dB超低的喇叭,播音性能永遠是低音弱中音強,所以這幾十年來,沒有-3dB頻點超低的喇叭能把大鼓聲、低音大提琴聲播得深沉,或把電影音效播得震撼。
注意低音品質的低價長音圈低音單體,導磁板對音圈的覆蓋率都會維持大於50%,在降低製造成本強化承受大功率特性時,也維持「音圈輕量」、「衝程短」的良好工作特性,降低發聲遲延時間提升低頻信號播出量。因此導磁板厚度8mm,音圈捲幅長度會少於15mm,頻率衝程短,-3dB的數據就很平凡。
B&W、Dynaudio公佈過的低音單體剖面圖,照比例推算,【導磁板厚度/音圈捲幅長度】約8mm/23mm。低頻-3dB的數據當然超驚人。
Dynaudio老闆說,創廠後的十五、十六年間,他們嘗試過用不同擴大機搭配喇叭,都無法讓他們滿意(參考新視聽134期125頁)。
不曉得Dynaudio老闆是裝不知道還是真不知道,8mm/23mm的【導磁板厚度/音圈捲幅長度】,低頻-3dB的數據是超驚人但是也很虛假,沒有擴大機推得出好低音。
擴大機推不好Dynaudio喇叭的另一個原因,是喇叭設計時沒有整合擴大機元素,兩者相容性低,喇叭無法補償被擴大機的電抗、電阻所衰減的高、低頻信號,這和本文主題不相干就不論述。
喇叭沒有多神秘,是廠商用似是而非的數據、資訊解釋喇叭播音現象,造成神秘。有神秘就有空間操作空想妄想的美麗期待,就有超額利潤。
超長音圈使喇叭-3dB頻點低伸,也因此低頻發聲時間相對於1000Hz遲延很長,每個單位時間能解析的低音信號相對於1000Hz就很少,造成喇叭播低音弱播中音強。
廠商卻反過來說,他們的喇叭中頻播得那麼突出,若能發揮超級-3dB數據的性能,聲音表現會更精彩好聽。低頻信號反應慢解析力超差的喇叭,被變成了有超級低音卻實力未發揮的喇叭。
消費者資訊不對等,因此付出了巨金卻是買到事實不存在的品質。
單體的音圈捲幅長23mm,頻率衝程設定是7.5mm,正規的、音圈受磁力線性的電磁設計,導磁板厚度要38mm,T鐵也差不多要38mm。用8mm的導磁板取代38mm製品,頻率衝程一樣是7.5mm,成本又低,但低頻-3dB的數據也因此和播低音的性能背道而馳。
短音圈大磁路的電磁結構,播-3dB以上的頻率,音圈受磁力都相同,只要輸入喇叭的電子信號不被擴大機的電抗、電阻衰減高、低頻,有效低音(大鼓的力度音頻150Hz–50Hz)的平均音量就可趨近1000Hz的播音量,測人聲遮蔽率時,重播音遮蔽原音的中頻時會同步遮蔽低頻,大鼓聲、低音大提琴聲、低音管聲就能播得渾厚深沉量感好。
李氏NS 5喇叭的8吋單體,【導磁板厚度/音圈捲幅長度】是15mm/11mm,頻率衝程只2mm,所以有效低頻(-5dB)只約50Hz。播200Hz時,音圈在導磁板中間,音圈的兩端縮進導磁板內2mm,播-3dB頻點時,音圈也在導磁板內,一端和導磁板外緣平,另一端則縮進導磁板4mm。播200Hz和-3dB頻點的音圈受磁力一樣大,音圈捲幅11mm,相對輕,-3dB(約55Hz)的發聲遲延時間就可控制在20/1000秒左右,信號能量播出多,因此低頻-3dB數據雖普通,低音量感和深沉度都優良。
結論,
喇叭的低頻播音品質,-3dB的頻點是一個參考值,-3dB頻點的發聲遲延時間則是更重要的參考值,-3dB頻點的發聲遲延時間是20/1000秒內,喇叭就具備播出好低音的條件,發聲遲延時間是50/1000秒以上,喇叭就完全沒有播出好低音的條件。
喇叭要播出好高音,高頻-3dB頻點的發聲遲延時間也要少於20/1000秒,最低要求,12.5kHz的發聲遲延時間要少於20/1000秒,超過30/1000秒,就會人聲厚,小提琴聲有「松香味」。有些喇叭高頻-3dB延伸到30kHz、50kHz,這是毫無意義,重點是12.5kHz的發聲遲延時間要少於20/1000秒。參考揚聲器之設計與製作第4章8節。
2017年,李氏音響為了精確的設計USW–10、 USW–12喇叭,買了新的喇叭測試器,2018年,李氏將開放免費的低頻發聲遲延時間測試服務。任何人的喇叭,若低頻-3dB超低卻播不出深沉又量感好的低音,都可以來檢測,看是不是低音單體對低頻信號的反應太慢,信號播出率太低。
另外,擴大機、線材的內部電抗、電阻會吃掉(衰減)高、低頻錄音信號,這就是Westlake老闆所說的P.E. Distortion。喇叭設計時要加入擴大機、線材元素,補償(還原)被吃掉的高、低頻錄音信號,因此需要參考擴大機、線材。ELAC、MBL、B&W、Dynaudio、JBL、FOCAL、KEF、TANNOY、HARBETH、DENON、YAMAHA……等喇叭廠,都未提出過設計喇叭的參考擴大機、線材,可以推定,他們製造的喇叭都不曾整合擴大機、線材元素,高、低頻錄音信號不可能無損失的送到喇叭,播低音的性能當然不會很好。
錄音的低頻信號能完整的送到喇叭,喇叭的低頻-3dB頻點發聲遲延時間又控制在20/1000秒內,這就會播出好低音。
低頻-3dB的設定和低音單體錐盆的變形失真
音圈的衝程有兩種能量,一個是頻率能量,一是承受功率(音量)能量。
【頻率衝程+音圈最大承受功率衝程】就是音圈的最大衝程。
國際電工委員會的錄音頻寬規範是40Hz—12.5kHz ± 2.5dB,40Hz以下並非沒有信號,只是能量被以2階或更大斜率衰減。信號能量被衰減再弱,只要有信號,頻率衝程就會有動作。
每個自然音都含括20Hz—16kHz的頻率,只是主波群(峰值)頻域分佈不同。主波群能量常常是低頻成份音、高頻諧波音的好幾十倍。用測試器掃描就可得到每一個自然音的頻率能量分佈圖。
所以,
B&W、Dynaudio公佈的低音單體剖面圖,播音衝程是【7.5mm+承受功率衝程】
李氏NS 5喇叭的8吋單體播音衝程是【2mm+承受功率衝程】
-3dB設定高,頻率衝程短,大音量播音時錐盆的變形失真少。-3dB設定低,頻率衝程長,大音量播音時錐盆的變形失真多。
NS 5喇叭8吋單體的頻率衝程短,播音樂時無論大小聲錐盆的動作都小。B&W、Dynaudio低音單體的頻率衝程長,播音樂時無論大小聲錐盆的動作都大。