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2017-03-04 14:25:05 | 人氣(4,316) | 回應(0) | 上一篇 | 下一篇

傻瓜也學得會!輕鬆學自製喇叭!!(三)分音器設計篇。

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聽說雅瑟倒閉了?好慘....音響業真的很難做啊....
怎麼說鼴鼠也是雅瑟的使用者,為了紀念這家陪鼴鼠長大的台灣音響公司,鼴鼠誠心地寫下這篇。

第一篇如何自製喇叭,與第二篇實作紀錄後,第三篇內容大致會分為下列小節:
1.為什麼要使用分音器
2.分音器的種類:類比分音,電子分音,數位分音。
3.使用AV環繞擴大機與HDMI來搞multi-way數位分音。
4.試聽,與個人一些感想。
5.開始打造自己的類比分音器。
6.阻抗,與響應頻率。
7.低頻的考量。
8.箱體的大小,T/S Model,以及共振的問題。
9.箱體的形狀。
10.單體的選擇。
11.理想的喇叭構型。

在正式開始前,先聊一下前兩篇組合好的喇叭:

因為分頻點是6KHz(高音串3.3uF電容),中低音無被動元件,分頻點差1/4相位,因此高音單體往後放1/4相位長度,也就是1.4cm。
波長=音速/頻率=5.6cm,差1/4波長(一階分音會造成90度的相位差,也就是1/4波長)。

高音與低音的距離則是一個(分頻點)波長,也就是5.6cm,不過實際上辦不到....所以只是單體的外框差5.6cm(如果要單體中心距離5.6cm,真不知道要怎麼做,把高音單體放在低音單體上嗎?XD)

這有個有趣的實驗結果,讓鼴鼠有點意外。

一開始時, 鼴鼠只接下半部的中音單體來聽(無分音器),聽感就是低頻有"空空"的聲音,有點難形容。
簡單說就是那種廉價的組合音響會發出的低頻的感覺,簡單說就是低頻不太紮實,感覺是跟太薄的木箱發生共振,有種"空泛"的聽感,簡單講就是在空箱子裡或是浴室裡唱歌時,會發出的那種殘響感覺,低頻力道不足的感覺。

鼴鼠加了吸音棉(增加虛擬容積)依然改善有限,本來正常的作法是要加貼瀝青膠帶增加箱體重量,但鼴鼠偷懶,不想管他,所以放上高音單體上去聽(背後端子串聯),結果很意外?!

"空空"的感覺大幅改善了?!

當然,這不代表低頻沉下去了,實際上低頻還是一樣沉不下去!(沒測量過,不過估計65Hz連-3dB都沒有)但是低頻的質感被改善了!也就是之前說的那種空箱般的"空空"聲不見了?

鼴鼠這邊做了一個假設:之前聽到哪種低頻不紮實的感覺並非是低頻本身"不紮實"或"不飽滿"的問題,而是少了高頻的"泛音",泛音簡單來說就是發出一個基音後(例如440Hz),在整數倍數的頻率會發生共振,那就是所謂的泛音。

而低頻會有"空空"的空洞不紮實的感覺,實際上並非低頻不足(雖然也確實不足),但更重要的是"泛音"不正確,也因此,加上高音單體後,補足了那些消失的泛音,結果空洞感反而消失了!

當然,這只是鼴鼠的一個猜測,也許之後可以把R3.8的高音單體接線拆掉聽聽看,看會不會有類似的問題。

一對二十年前的單體(拆車件Nokia高音和德製中低音),和成本不到三千塊的裝箱(尚未貼瀝青膠帶增重)發出的聲音自然不會太讓人滿意,這是大實話,不過(未來)能改善到合程度,或是(不夠好聽的原因)到底問題出在哪?這是鼴鼠個人比較好奇的。初步來說,鼴鼠覺得高音不夠延伸,低頻也不夠沉,簡單說就是明顯的單體性能硬指標不夠好,這可能是硬傷,也許之後可以用交替搭配高階單體的方式來找出缺點成因,這就待後續實驗的補充了。後續應該會補強低音箱體,加貼瀝青膠帶,補強漏氣的問題(孔鑽太大),甚至會加裝倒向管,或是嘗試改用三階分音,將各頻段切割得更乾淨試試。




正篇開始:
1.為什麼要使用分音器

鼴鼠寫這篇之前,也參考了不少前輩寫的文章,所以用的方式也滿雷同的,有興趣的人可以估狗一下,實際上還是挺多文章在討論分音器的設計的。

至於為什麼要使用分音器?就跟有些人可以飆出高音,有些人天生聲音就很低沉一樣,單體也是有特性的差異與物理上的限制的,大尺寸的單體自然發不出好的高頻,小尺寸的單體自然也發不出好的低頻,這是物理限制,在來就是一些設計上的差異,也會造成有些單體高音很棒(或說響應平直),有些高音中頻優秀,有些單體則能發出下潛的低頻,因此,如果使用分音器把原始輸入的訊源分切成各頻段,然後分別交給在該區段表現優秀的單體發音,這樣不就能的到最佳的聲音嗎?

我想這就是最初分音器設計的初衷,或說是限制吧?

當然,有所謂的全音域單體,有些人是很喜歡啦,不過鼴鼠個人覺得全音域單體的聲音就是沒屁股沒臉蛋,高音上不去低頻又下不去,不上不下的實在有點微妙....當然,這是個人喜好的問題了。


2.分音器的種類:類比分音,電子分音,數位分音。

鼴鼠個人覺得應該說是分成大電流式的分音器,跟小電流式的分音器也行。
電子分音和數位分音屬於小電流式分音,是在前級之前,DAC之後做分音;而大電流式的被動分音器則是接在後級之後。

用電子分音或數位分音,缺點是需要多聲道的後級,例如2-way的喇叭就需要四聲道的擴大機,數位分音更需要對應組數的DAC,鼴鼠會推薦用數位分音,是因為軟體免費,但缺點是需要搭配環繞擴大機;而電子分音就有點麻煩了,這篇會先略過電子分音的部分(有機會再來補充)。

而大電流的類比分音,也就是用電容,電阻和電感網路組成的分音器缺點也很多,但優點是可以用一組擴大機來驅動(當然你也可以用多組擴大機驅動),也僅需一組DAC。而較數位分音更好之處在於:如果你用foobar的數位分音插件,那只有用foobar播音樂時才能用數位分音,而看影片或Youtube時就不行了!因此鼴鼠個人會推薦用數位分音做實驗,但最終還是做成傳統的類比分音器。

分音器的設計難度很高,不,只是要做出分音器倒是很簡單,花錢就可以搞定了,但如果要配合單體特性做出好聽的聲音,就需要功力了!鼴鼠個人在這方面也只是菜鳥,僅能跟大家談談自己的經驗,要說能專業調音就差太多了!鼴鼠個人會介紹自己的經驗,和搭配測量麥克風來做調音的一些過程,不過要真的做出好聽的分音器,還需要更加努力呢!


3.使用AV環繞擴大機與HDMI來搞multi-way數位分音。

諸君,鼴鼠最愛AV擴大機了!!!
便宜,又支援多聲道!HDMI數位多聲道輸入可以方便又低價的做到數位分音的工作,簡直是窮苦人的至福道具啊!!!!!
數位分音看看要不要另外單獨寫一篇,但基本上就是利用foobar撥放音樂,再利用foobar的插件Xover來做數位分音,讓"顯示卡"將多聲道訊號送至AV環繞擴大機,然後用AV環擴的每一聲道去驅動一個單體。

可以達到"數位分音"(失真級低,低相位差延遲,各聲道獨立衰減),每單體獨立一聲道後級驅動,簡直就是完美的測試和開發工具!!而且,現代的環繞擴大機還有環境校正的功能,而且修正幅度超大!!! 效果超優!你做好的喇叭就算分音器設計的不盡理想,打開環境校正後,聲音都會變得還算滿不錯的,簡直是超級大殺器!!!(有很多人可能會嗤之以鼻,不過鼴鼠真的很愛這個功能,而且給予極高的好評!)

4.試聽,與個人一些感想。
鼴鼠喜歡參觀音響展!雖然買不起高價的器材,不過去聽聽人家怎麼調音是絕對值得的!
而DIY音響器材也是一樣,除了做好後自High之外,也需要跟一些商業作品做比較,學習人家的優點,發現自己的缺點!


5.開始打造自己的類比分音器。

鼴鼠這邊會介紹一些網路上就找的到的分音器設計程式,先說明一下怎麼快速的計算需要的元件數值,然後還有一些常見的調音線路。然後介紹一下打造分音器的過程,網路上找的的資料,跟一些配合測試麥克風做出來的驗證數據。

在之前的第一篇中,鼴鼠也有稍微提到了高通波,低通波,和帶通波濾波器的基本概念,有興趣可以拉過去先看一下。如果不是念工科的看不懂....ㄜ....那就等鼴鼠有空再來寫一篇吧....好麻煩....


被動式分音器的線路拆開來看,大概有幾種類型:a.高通波濾波器,b.低通波濾波器,c.帶通波濾波器,d.阻抗等化器,e.低音陷阱(或說...頻段衰減器?),f.音量降低線路。

a.高通波濾波器

低頻可視做很接近直流信號,而越高頻就表示震盪的越厲害的訊號(想成電壓忽高忽低),而高"通"波濾波器,就是要讓"高頻通過",讓低頻被濾掉。

學理的東西我們不講,只看實務的說法就是:在訊號的路徑上加上"電容",沒學過基礎電子學也沒關係,總之電容是一種兩端間不直接相連的被動元件,可以看做長這樣:--->||||||-->

-->是指訊號的流通方向
||||是指一些不相連的金屬片,中間有一些特殊的溶液,細節不提。

簡單說:直流訊號是過不去的,但交流訊號過得去。

而依照其容值(單位是uF),可以將特定頻率以下的交流信號衰減(你要說過濾也行),所以他是組成高通波濾波器的基礎!實際上一階的高通波濾波器就是一顆電容,如下圖:


二階的高通波濾波器則是在一階分音器的基礎上,加上一顆分壓的電感,像這樣:



電感是低"通"波濾波器的基礎,後面會再說,你可以想成他會過濾掉"高頻訊號",而讓低頻訊號通過,不過在分音電路的分壓線路上並聯上電感,則會增加"低頻"被過濾掉的強度。

而三階高通波濾波器,則又是再加一顆電感!依此類推。實際上的分頻點計算請參考網路上的免費計算機,我們不討論學理跟各種演算法的特性(也許之後會提到一些),有興趣的人自己可以去Wiki一下,先知道這些最基本的概念即可。


b.低通波濾波器。

如上面提的,"電感"就是其中的主角,與高通波濾波器相反,在分壓電路上並上"電容",就能增加分音的"階"度,如下圖:


c.帶通波濾波器

簡單說,就是:低通波濾波器 串聯上 高通波濾波器,對,就這樣。
這邊要特別提的就是:A.多串一"階"的濾波器,相位就會被延遲九十度(針對分頻點),B.將電路串聯再"-"輸入端,可以讓相位相反(也是指分頻點),C.多階的分頻電路雖然可以率的很乾淨,但是!在相位地的影響上會非常嚴重!前面AB都提到"分頻點"會有可預期的相位差,但是別忘了,輸入的信號並非只有分頻點那個頻率,所有的輸入訊號的相位都會受到影響而變得亂七八糟。D.一般說來(好像也有相關論文),基數階的分音器聲音在聽感上較佳(例如1,3階分音器),但是二階分音器也有其特色,這邊不細說,有興趣的人也請自己去Wiki,E.越高階的分音器"濾"的越乾淨,代表各單體間重疊的部分越少(聲音是會加乘的,所以濾的不乾淨的話,會跟別的單體的同頻率音量相加),但效率也會降低(也就是音量會變小)。

由於單體的響應頻率本來就不盡理想(物理特性),加上類比分音器的變數太多,影響太大,因此好的分音器的設計相當的困難!如果只是要分音,很簡單!用網路上的計算機算一算即可,但通常不會太好聽。就算你配合測試麥克風分析修正(不斷地更換零件測試就表示要花很多很多的錢,和很多很多的時間),也需要考慮到箱體尺寸外型的搭配,吸音棉(增加虛擬容積),阻尼調整(貼瀝青膠帶之類的),甚至倒相管的應用,或是改變單體排列位置與前後位置(實際上這也是一種調整分頻點相位差的方法),都會影響你精心的設計,後面還會提到像是音量衰減電路,或是低頻陷阱,阻抗等化器等東西,基本上有點像又"ㄉㄡ"的方式拚出一個比較"湊合"的線路來搭配整個喇叭的特性。

有點實踐科學的意味吧?而且最後還要搭配人耳調音,說起來還挺不科學的呢!

當然,這也是鼴鼠推薦用數位分音的原因,理論上數位分音可是最棒的分音方式呢!當然,之前也有提到一些現實的考量,所以類比的被動分音還是主流啦。


d.阻抗等化器
喇叭單體的阻抗(交流電阻)是隨著頻率變化的,而這種變化會造成聲音的劣化!特別是單體的特性或是分音器的設計問題造成阻抗變化過鉅的話,這個問題就會變得更嚴重!此時,我們會想要對"阻抗"做些"衰減"的動作,這就是所謂的阻抗等化線路

對的,又一次,一個既不精確,靠經驗靠人耳又類比的電路....數位化的好處大家再次深切的感受到了吧?

e.低音陷阱(頻段衰減器)
因為單體特性,或是你分頻點的設置問題(分頻點高低,以及分音器的階數選擇),都可能會造成某些頻率段的聲音太大聲,這可能會造成一些負面的影響!一些經典的設計可能因為各種巧合,因而發出經典的聲音,不過對於相信科學及測試的自做派而言,這東西還真心滿不科學的.....

總之,此時我們會想辦法在分音器裡面加一些電路來做所謂的"低頻陷阱",也就是想法子讓原本會"太強烈"的特定頻率範圍音量價低,而其方法就是contour network,看起來不難對吧?不....其實還真的滿難的因為這些電路會造成各種奇妙的相位變化,實際上用起來真的會很辛苦!有沒有開始懷念數位EQ了呢?

f.音量降低線路

簡單說,就是:L-Pad線路,可以用來降低音量。

為啥要降低音量?因為通常高音單體的效率較高(輸入相同電壓時,發出的音壓較高),中低音單體效率較低,所以我們通常需要衰減高音單體來配合中低音單體,當然,也有些獨特的設計,這之後有機會再說。

其實講了這麼多,大家會不會覺得分音器很不科學?至少鼴鼠是這麼認為的,都甚麼時代了,還搞這種很"類比"的東西?(攤手)其實最好的就是數位分音,加上數位音量衰減,和數位EQ,一顆好點的DSP就可以搞定的事,為什麼還要搞得這麼麻煩呢?只能說是有其商業考量吧....畢竟有人要賣獨立的訊源,DAC,後級,EQ,前級,線材,和喇叭嘛!一次全部搞定了別人還吃啥對吧?而且也能滿足大家的換換症,真是無解(攤手)。

不過!鼴鼠又要在這邊安麗一下AV環繞擴大機了,可以當多聲道DAC,可以當多聲道擴大機,超好用的啦!配合電腦做數位分音和訊源,對DIYer而言,就只需要自裝單體到箱體上,接上喇叭線,就可以用極低的成本(其實擴大機也不便宜啦)做調音和分音器的設計級試聽了!就算你最後還是要做類比分音器,但至少你可以省下大筆的被動元件成本,而且不會有任何項位干擾的困擾!要做各種頻段調整也有數位EQ,不用跟不可靠的類比低頻陷阱之類的線路做格鬥,那根本是個天大的苦差事呢.....

基本上我們DIYer不賣喇叭,而是做興趣的,方便和樂趣優先!當然,想省錢也有省錢的玩法,改善現有器材也有省錢和花錢的方式,這個之後再談吧!





6.阻抗,與響應頻率。

這邊就更需要學理的一些基礎了,用耳朵聽來調音是好事,但你的耳朵可靠嗎?
阻抗又是什麼?他會造成什麼影響呢?鼴鼠會說說自己的意見(不見得是對的),然後加上一些用工具的測試來驗證鼴鼠自己的想法(當然也有可能是錯的),喇叭的設計鼴鼠個人認為不應該是玄學,而是科學。

大家懂歐姆定律嗎?V=IR?其中輸入的訊號如果是"交流訊號"(也就是音樂訊號),歐姆定律中的R就可以用阻抗Z來替代,不太精確的說法就是:"阻抗就是交流世界中的電阻",而一般的"電阻",是用來討論直流訊號的(例如輸入訊號的電壓持續都是5V,或是12V,不會輕易變動)。




7.低頻的考量。

小箱體低頻自然不佳(首先根據T/S Model,不符合設計參數的箱體尺寸會無法達到單體的性能,也就是低頻的下潛度),但要如何改進呢?這章會提提現有的商品用的方法(例如用倒向管,或玩無限帳板,物理分音鼴鼠暫時不會提),以及自己的一些實驗與測試數據。

理想上,有一個超大的無限帳板,或是一個超大超種超厚的箱體是最完美的!(最好還是圓形的!不過如果超大的話,不是圓形也可以接受)所謂超大是多大呢?如果能達到理想最低頻率重播的1/4波長就是最理想的!(你聽的環境也是如此,不過房間就更複雜了!有興趣的人估狗看看"room mode"試試)

例如你希望能放出35Hz的低頻,那波長就是340m/s 除上 35 1/s,也就是9.7公尺長,而其1/4波長則是2.5公尺(默)。

很顯然,這不現實...........而且就算真的你的箱體那麼大,你的單體性能也未必能在該頻段發出足夠的音壓.....而且還有各種頻率音箱體形狀而相互干擾的問題呢!(除非你想做成直徑2.5公尺的大圓球,真的辦的到我佩服你,左右各擺兩顆直徑二點五米的死星也滿威的)。


8.箱體的大小,T/S Model,以及共振的問題。

這篇會簡單的介紹T/S Model,單體特性測量(使用Speaker Workshop),以及箱體設計的方式(也是用網上提供的計算工具)以及一些測試結果。

而共振,是個千古難題....而且也是眾說紛紜,畢竟喇叭這種東西,已經有點脫離科學,跑到玄學去的東西去了,鼴鼠只能說一些一般論了。簡單說:箱體太薄,可能會發出不好的共振,但是!箱體太厚太重,有人又會說聲音死板!

嗯,很妙吧?先不管這麼多的話,鼴鼠個人是箱體厚重派的人,越厚越重越好!如果不是因為搬起來很不方便,鼴鼠甚至會考慮用水泥來做喇叭箱,我認真的.....基本上鼴鼠認為多餘的共振是一點必要性都沒有的(個人的喜好問題),聲音就應該決定於單體的特性,而非不可預期的箱體共振,誠然,有些喇叭場別出心裁的箱體特性能發出獨特有魅力的聲音,不過對DIYer而言,變數應該要被控制的越少越好,當然,你還必須考慮到美觀問題,不然你的喇叭做得再好,你也不好意思拿出去見人,畢竟這是個看臉的社會(死)。

9.箱體的形狀。

理想的形狀應該是圓形吧?不過不太好加工呢.....

10.單體的選擇。

名牌單體好棒啊!(眼睛變心型)簡單說就是用低價玩高檔喇叭才用的到的單體啊!這反而是鼴鼠會想自裝喇叭的目的。太貴的喇叭去音響展聽過之後,只會怨嘆自己不夠有錢,但是!如果知道那些高級喇叭的單體也不是這麼高貴之後,就會自然而然的想買來玩玩看,這也是好自然的!

當然,就跟你拿到法拉利的引擎也做不出法拉利的F1賽車一樣,只能自High啦,不過價格差那麼多,大家YY一下也無可厚非吧?

這邊會介紹一下鼴鼠個人喜歡的單體品牌,例如:Scan-speak,VIFA,Eton,和Accuton。



11.理想的喇叭構型。

這三篇則會比較偏向閒聊,和一些參加音響展的經驗談。其實鼴鼠最想說的就是狗毛(Goldmud)....
也是鼴鼠目前的實驗喇叭的構想,簡單說就是:一個單體一個箱體,然後將多個箱體組合成一個大喇叭!!!對,就是狗毛那個樣子!!

持續補充內容....(最後更新:2017/3/8)




P.S.分音器的設計其實相當的困難,鼴鼠個人覺得很有實驗科學的味道,當然,有很多軟體可以做分音器的模擬,但最終卻還是得靠測試和人耳試聽,相的玄學(笑),鼴鼠個人滿愛去Troels Gravesen的網站研究他的設計,將他的調音,設計輸入軟體模擬,然後分析他的設計技巧是一件很有意思的事,有興趣的人可以玩看看。

台長: 鼴鼠
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