2014年1月27日 星期一

基礎 -- 喇叭如何能唱大音量?

在想,喇叭能唱多大聲到底是由哪些特點決定?

還是從基礎想起,
音波是由物體振動(也就是移動)推動空氣而成,振動/移動量大,則音量就大。
那麼我們可以說,喇叭的振膜移動量能大(所謂長衝程),則音量就能唱大;
但,小喇叭長衝程也行嗎?
在振膜前測量,應該長衝程能唱得比較大聲,
若是離個3m呢?

這引出另一個問題,喇叭振膜發出的音波,並非如光線般一整束投射到耳中,
若是點音源形式,音波會以球狀散出,那麼振幅就與距離平方成反比,也就等於振動的衝程與距離平方成反比,這有點難理解,若改成以壓力的觀點來看,距離越遠,則散佈的面積越大,壓力則越分散越小;
若是線音源則會較集中的一整條傳到聆聽位置,那麼效率就比較高;
(這隱含著,1m處測量得相同靈敏度的點音源與線音源喇叭,在聆聽位置的實際靈敏度並不相同)
但,麻煩的是,到底是點音源或線音源也得看振膜的截面積(或者說長度),
例如說50Hz吧,波長高達6.8m,就算用四個15"圓形振膜擺一排,能說這是線音源嗎?應該還是偏向於點音源吧...

那,就以50Hz為例,6"直徑振膜的小喇叭也能唱到50Hz,15"的也能,倘若二者衝程相同,那,二隻能唱的一樣大聲?
我們可以假設二者都近似點音源,再假設二者中心皆有個等效的1"直徑模型,1"傳遞到6" vs 1"傳遞到15",顯然15"中心那個的壓力應該遠比6"的高才能得到相同的壓力(與距離平方成反比),
於是這又引出另一點,音壓大小與振膜的面積大有關係;

衝程、點音源/線音源、振膜面積這三個因素,簡化之,單談低頻,則一般能用的喇叭都該是點音源,那剩下二個因素,
衝程與音壓成正比,振膜面積也是成正比,
那麼衝程 x 振膜面積這數值該能決定某對喇叭能唱多大聲,
振膜小,就得用長衝程,振膜大,衝程就能短些。

若是錐盆單體,
衝程與磁力系統深度有關,要深還得均勻,磁鐵厚度就得拉高;
振膜面積則是必須倒過來想要推得動越大的振膜,磁力強度得要越高,這得用大磁鐵或是高磁束密度達成;
二者都傾向於大振膜、厚重大磁鐵、高磁束密度能唱的越大聲。

若是如Magnepan或Quad這種磁場/靜電場平均分布的,
磁場強度與磁鐵大小、磁束密度依舊相關,衝程要拉長又要均勻也得與磁場強度相關,磁鐵還要擺得夠密,這當然會增加成本;
靜電場強度也類似,只是由電壓控制,但電壓太高會跳火花!因此有其限制。

以上討論沒提到號角這個特殊例子,號角本身是個阻抗匹配器,這部份約當前面的點音源/線音源;
若是用壓縮驅動器,則是以大振膜推動小面積,正是前面的點音源等效模型的相反;
因此號角能輕易唱出極大音量。

喔,為何討論這題目?
因為嘛,喇叭搞到最後,差異就在於能唱多大聲啊~
唱不大聲,根本不可能模擬現實的錄音現場哪~

這篇有個數據 http://www.linkwitzlab.com/crossovers.htm
唱50Hz要在喇叭前1m處得到90dB音壓,必須推動214立方cm的空氣,
若是用6.5"單體,得要前後移動14mm!
你可看看你的喇叭唱大聲時會不會動的那麼嚴重,
通常看到這種狀況時,都是擴大機電壓不夠,失控啦...


單看這數字,就能知道,要讓6.5"單體唱50Hz到夠大聲,幾乎不可能啊...
要低頻,請換大喇叭~


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