扬声器组件大解析

　　撰文珊迪修订莉莉
　　你可曾听过单体（SpeakerDriver）这个词？那个只要接上线、就能让音乐变大声的箱子里，到底隐藏着多少秘密？是什么样的机关，让它可以恣意表现出各式不同的效果？
　　从厘清音响发声的组件开始，再进入音箱如何影响声波的原理，科学小知识为你敲开音响世界的第一扇门。
　　扬声器的组成
　　一般人大多会把音响设备中发出声音的方盒子称为喇叭，另一个较专业的用语则会称之为扬声器（Loudspeaker）。既然名为扬声器，就代表它在音响设备中所担负的工作是发出声音。这个发声的过程，需经由许多小部件共同运作而成，单体就是在盒子中发出声音、通常是黑色的、看起来有点像眼睛的圆形体，同时也是整套音响发声的起点。那我们就从单体构成的原理开始，来了解扬声器的点点滴滴。
　　单体剖面奥秘藏在组件中
　　每一个扬声器中必定藏有单体，单体是扬声器作动的最重要组件，而根据单体发声方式的不同，可分为动圈式、电感式、静电式、平面振膜式、铝带式等等。目前市面上所看到的扬声器，95皆采用动圈式。
　　动圈式单体的设计最早出现在1887年，当时并不普及，直至一战后，电影事业蓬勃发展，无声电影渐衰，有声电影兴起，扬声器的需求大为增加。相较于其他种类的单体，动圈式单体发展时间长，相关制造及投入厂商众多，至今仍是最普遍的单体形式。
　　声音是如何被我们听见的呢？
　　磁电效应赋予动圈单体生命
　　单体运作原理
　　1819年，丹麦物理学教授厄斯特（Hansrsted，17771851）意外发现，一条通有电流的导线竟会使附近的磁针产生偏转，意味着载有电流的导线周围会产生感应磁场，且感应磁场的方向会随着电流的流向不同而改变。这个物理史上的重大发现即为电流的磁效应，也是动圈式单体运作的基本原理。
　　动圈式单体的运作力量，来自于单体中间的永久磁铁与音圈。当音圈通上电流方向不断改变的讯源后，音圈的周围会产生方向不断变动的感应磁场，这个感应磁场与永久磁铁所生成的磁场交互作用，时而互相排斥，时而互相吸引，进而使音圈上下运动。
　　有关载流音圈在磁场中的受力方向，可用佛莱明左手定则简单地判别。图B截取图A音圈与磁铁的一小段来作说明，大拇指代表导线运动的方向，食指代表永久磁铁的磁场方向（由N指向S），而中指则代表电流方向。当电流的方向为出纸面时（如图B所示），线受力向上运动；当电流的方向为入纸面时，导线则会受力向下运动。
　　由此可知，随着电流方向不停地改变，音圈会依电流反向的频率上下往复运动，而与音圈相连的振膜也会跟着上下运动，进而推动空气产生疏密波，进而发出声音。电流方向变化的频率越快，所发出的声音频率也会越高，这就是动圈式单体运作的方式。
　　频率定位各有专业表现
　　了解动圈式单体作动的原理之后，更进一步来讨论不同种类的单体。
　　辨别其差异，但在听不见的范围中，人们还是可以透过身体或其它的感官，感受到声音的存在。例如：当大批动物跑过草原，站在远方地面上的人，会先感受到地面的震动，才看到跑过眼前的动物、听见跑过时的嘈杂声，因此人类的五感是彼此影响，进而促成脑中所出现的感受，这是一个复杂的生理运作过程，而追寻愉悦的路上，正需要了解自己对五感的需求。
　　市面上多以频率来区分动圈式单体，常见的种类如以下：
　　1。超低音单体：工作范围大约在15赫兹到200赫兹。
　　30赫兹以下人耳不容易听见，但身体会感受到。像电影中出现的地震场面，或是火箭发射的震撼感，超低音拥有足够的量感及冲击力，能让听者获得相当大的满足感。
　　2。低音单体：工作范围大约在30赫兹到3k赫兹。
　　一般而言，低音单体需要较大的体积才能产生较好的表现，作动出厚实的低音，因此低音单体的直径多在8吋以上，又以12吋或15吋最为普及，常见于KTV、舞台等宽阔的场所。
　　3。中音单体：工作范围大约在200赫兹到4k赫兹之间。
　　中音域是分布在人耳最敏感并且讯源集中的区域，中音单体的发声表现往往能够做到逼真还原，音色干净有力，且让人感受到强烈的节奏性。
　　4。高音单体：工作范围大约在2k赫兹到20k赫兹之间。
　　讯源中的乐器，像是小提琴、吉他等等的乐器都包含了泛音，所以高音单体通常都必须设计成20k赫兹才行。
　　5。超高音单体：通常是指超过人耳听觉上限20k赫兹的高频，工作范围大约在4k到40k赫兹。
　　像是海豚、蝙蝠所发出的声波就是超高音。不过既然人耳听不到，为什么还需要超高音呢？那是因为超高音虽然听不到，但有助于定位，且让音场更为宽阔。现在的音乐格式例如SACD，取样频率已经远远超过20k赫兹，如果想完整呈现音乐内容并单就高频作提升，加装单独的超高音喇叭就是简单又立即的方法之一。
　　另外还有二种单体的组成形式，这二者因为外观都是一个单体组成的扬声器，有不少人会将这二者搞混：
　　同轴单体：
　　采取复合式的设计，先经过分音器将音频分成二音路（Coaxial）或三音路（Triaxial），同轴是将高音与中低音单体，装置在同一个单体中，由于采用同一条轴心线，因此称为同轴。采用同轴设计单体的好处是，因二三音路单体共享相同的轴心，需在振膜面上重合，因物理定位接近同点的声源，所以重新演绎音乐之音场定位表现更为理想。
　　全音域单体：
　　所谓全音域（FullRange）是以一个单体，涵盖大部分的频率表现。因为没有经过分音器，也没有声音的损耗、频率被分割与相位的问题，所以高低频到耳朵的时间一致。其强项在于中频的表现，曲线平顺自然，适合长时间聆听，人声、乐器的定位准确，可以听到音乐演奏的微小细节，因为只有一个振膜发出声音，且高低音音色一致，是全音域单体的一大特色。
　　单体部件材料形状定大局
　　在动圈式单体中，每一项组件都会影响该单体的表现，以下将针对不同组件的材质及形状进行更详细的介绍，希望透过这些原理的说明，让您了解单体发声时的奥秘。
　　振膜形状决定音域
　　还记得小时候用两个养乐多空瓶，在瓶底挖洞后绑上一条线，就可以和朋友说悄悄话的游戏？振膜原理即类似如此，其制成材料及制作时的工艺技巧等，都会大大影响单体的发声质量。而振膜的材料与形状，也会影响单体发声时的状况，振膜的材料选择多元，从纸盆、陶瓷、羊毛到聚丙烯、金属、木质等，每种材质皆有其特色及优缺点，可以依照每个人听音乐的习惯及喜好来做选择。
　　此外，振膜的形状也会影响单体在高低音输出时的表现，或是发声时指向性的强弱。在形状上，可分为锥形、平板、球顶等四种。
　　悬边用过后才Q弹
　　单体组成中，振膜与框架间透过悬边固定，振膜在作动时会进行前后运动，为了使振膜在运动时，音圈维持于中心位置，使单体发挥最佳表现，故悬边的弹性就非常重要。足够的柔软度，才能提供振膜运动足够的恢复力。若悬边的表现不佳，就会像没有上油的机器，无法协助单体进行最滑顺的表现。
　　悬边过硬或过软，也会影响该单体在声音输出时的表现。所以全新的单体刚开始都需要进行一段时间的使用，才能使悬边软化，与这颗单体完成最完美的结合，一般将这样的过程称为Breakin，就像新车上路时，也需要经过一段时间的磨合。
　　直接用单体发声不行吗？
　　音箱之必要性
　　知道单体是根据佛莱明左手定则进行前后运动，挤压空气进而产生声音的原理后，难免会思考，如果只有单体就可以发出声音，为何市面上的扬声器却总是要将单体藏在音箱中呢？
　　单体跟音箱彼此之间有密不可分的关系。振膜向前运动时，振膜前方的空气被挤压形成密波，而振膜后方的空气松散形成疏波。反之，当振膜向后运动时，振膜后面形成密波，前面形成疏波。
　　如果让单体在赤裸裸的状态下运作，会感觉到发出的声音讯号很空洞，那是因为在单体连续前后运动之后，前后声波以振膜为分界点进行反作用，并且互相削弱音量。较空洞声音的出现，是因为低音波长较长，造成彼此间容易互相削弱，使讯号仅留下高音的部分，这也让声音讯号变得薄弱。
　　为了防止这种情况发生，在制作扬声器时，常用障板来隔离振膜前后的空间，以避免前后声波互相抵消因而减弱的状况，使讯号能够被更完整呈现，而透过这种方式制作的扬声器，也更容易听到更为完整的声音表现。
　　但由于低音的波长比高音还要长，为了能够完整地呈现中低音讯号的表现，必须透过无限大障板才能完全阻隔声波，不过这仅是一个理想化的状况，考虑到使用空间，并无法拥有一个无限大的障板。大约在1920年代，出现了将声音包覆在音箱中的构想，也是你我现在常见音箱的起源。
　　音箱结构秀出声音魔法
　　音箱介绍
　　在寻找扬声器时，单看扬声器的外型，音箱内部的结构通常无法一窥究竟，但扬声器的运作原理正隐含其中，以下就用剖面方式来解开音箱结构的秘密。
　　虽然，听觉感受无法完全透过视觉来了解其差异，然而扬声器的发声原理，正是物理现象的实作，来呈现完美的声音。
　　以不同组件及材质组装完成的单体，要有完美运作的表现，还需要搭配上一个适合的音箱，才能够为不同层次的声音提供最真实的表现平台，以下让你一览不同音箱设计的原理说明，了解运作及组合的原理之后，将有助于理解，为何在挑选扬声器时，在听觉感受上会产生那些难以解释的感受。
　　障板式（无音箱）
　　特色：高音清亮，人声表现佳。
　　原理：障板是最基本的音箱形式，单体要安装在障板的中心附近。透过障板，可以将单体前方与后方的声波隔离，越大的障板越能有效地隔离声波，并且能够听到更多的低音。