設計雜談之二

----音箱箱體的設計

對于同樣極限振幅為10mm的8"單元，其低頻下限則可以達到30Hz，10"單元則為24Hz。

   目前市場上常見到一些音箱，低頻混濁，動態一大就“拍邊”嚴重，一部分就是因為沒有設計好音箱的低頻下限。

   倒相箱的設計較為復雜，傳統上是以查表方式來進行設計，但可以選擇的往往有限，并且其偏差較大，往往初始理論設計值與最終調定值差別較大，目前常用的方法是采用計算機輔助設計，這里不再多談，詳見今后計算輔助設計的專文論述。而對于同樣極限振幅為10mm的8"單元，其低頻下限則可以達到30Hz，10"單元則為24Hz。

   目前市場上常見到一些音箱，低頻混濁，動態一大就“拍邊”嚴重，一部分就是因為沒有設計好音箱的低頻下限。

   倒相箱的設計較為復雜，傳統上是以查表方式來進行設計，但可以選擇的往往有限，并且其偏差較大，往往初始理論設計值與最終調定值差別較大，目前常用的方法是采用計算機輔助設計，這里不再多談，詳見今后計算輔助設計的專文論述。

   前文已經介紹了音箱之心臟——設計的一些基本理論。本文則介紹一些箱體內容積設計的一些理論，像倒相箱、閉箱，同時也介紹一些屬于箱體范疇的箱體外觀設計，內容積的設計，以及箱壁材料的選取，及箱內駐波與“箱聲”消沉的一些方法等。

   首先談一下箱體內容積設計。選定了單元后依據單元的參數來設計內容積從而確定低頻響應是首要的一步。

   首先介紹一下內容積的設計。作為起點必須先測定低音單元的一些T/S參數，如fs、Qt、Vas，以及確定單元的極限振幅Xmax與等效振動直徑Deff。而這些參數必須是根據你得到的單元，“煲熟”后測試出來，永遠不要迷信廠家所給出的參數，依據筆者經驗，極少遇到廠家給出的參數與實測相吻合的情況，更不要相信廠家所建議的箱體容積等設計參數。關于如何測量以上這些參數稍后會有專文論述，這里不再介紹。

   根據測得參數，首先需要確定采用閉箱還是倒相箱，這一方面決定于你對低頻響應的要求，另一方面也取決于單元本身的fo/Qts比，一般以fo/Qts≥100以上的單元較合適于做倒相箱，fo/Qts≤100的單元適合于閉箱。

   閉箱的設計相對比較為簡單。首先根據需要選定合適的箱體Qts和fo，據此導出α和內容積。

   首先要知道單元的以下參數：Qts、fs、Vas、Xmax與Deff。

   有關公式如下：

   關于如何取定義值來確定Qb、fc、VB，有以下原則：

   一、α值不可過大，否則VB會太小，由于箱體上要安裝單元等各部件，所以內容積太小的話會失去實際意義。

   二、Qb的值與fc的值相關，一般來說fc越高，Qb取值越大，Qb一般在0.7-1.5之間，如fc≥70Hz的話，一般

Qb取值會在1-1.5之間。

   三、fc不可太小，由于單元口徑有限，而輸出相同聲壓時單元的振幅Xmax一定，故fc每下降一倍，音箱的最大輸出聲壓就會下降12dB，而用的音箱要求最大輸出聲壓級達到110dB，對于家用系統雖然不需要那樣大，但至少要達到106dB這個水平，這樣就要求音箱設計時fc不可太低，否則就會在使用中時常出現振幅超過極限的“拍邊”現象。

   根據106dB輸出聲壓的限制，Par≥0.25(W)

要注意106dB輸出聲壓并不是很高的要求,而Xmax對于大多數的6.5"單元來說是達不到10mm這樣大的，一般僅有5mm左右，這樣一般單個6.5"單元音箱的低頻下限也就只有

50Hz了。

      這里僅給出倒相箱設計必須遵循的一般原則：

   一、單元選取以Qts在0.3-0.4之間，最好不超過

0.5，fs/Qts在1000-120之間為佳。

   二、單元的極限振幅Xmax較大為佳。

   三、根據計算機模擬或用近場方法實際測得的最終的低頻頻響曲線不能出現過沖現象，也就是在消振以上的是平坦的或單調下降的，不可在幾百Hz出現凹谷。

   五、由于書架的低頻下限有限，一般在50Hz以上，這樣如果低頻頻響是平坦的，則聽感上會出現低頻不足，所以一般情況下，對于小型書架箱，倒相設計與封閉設計一樣，通常設計上使低頻適度隆起，以彌補低頻不足，并且越是下限頻率高，隆起也越高，但以不超過+3dB為宜，否則低頻“隆隆”聲太大，會喪失低頻力度與清晰度。

   經常聽到一些友和一些廠家的設計師講，依據一些音箱設計教科書或手冊上的圖表，設計出的箱子，表現一般，或者說最終以聽感調校出的音箱內容積倒相管的參數，與從圖表上查得的參數差別頗大。其中的原因一是依賴廠家提供的單元參數還是依據自己實側的參數，以及自己測試時單元是否“Run in”煲熟了。

   另一個關鍵可能就是前面講的，對于書架箱，低頻平坦響應的設計聽感上可能并不見得平衡，而教科書上所給的都是平坦響應。當然這只是筆者的意見。

   六、箱體損耗因子QL的確定。

   熟悉倒相箱設計的人應該都知道有一個箱體損耗因子QL，此值反應箱子加工的氣密性與所有單元的氣密性。對于一般的倒相箱取QL=7是一個很好的起點。但是對于一些無密封防塵帽的單元來說，比如有相位錐的單元等，其設計的箱體的氣體泄漏是比較嚴重的，必須實測QL值。并據此設計。

   七、過粗的倒相管。

   倒相管的直徑越大，意味著管長越長，也意味著“管子諧振”（pipe resonance）越嚴重。

   國外曾過該問題，以一個12"的單元為例，取6"倒相管需30.25"長，4"則為12.3"，3"則6.25"，2"則為2.3"，結果是經計算機模擬，采用6"倒相管，自200Hz-1KHz，出現五個峰谷，最大±10dB，采用3"倒相管則僅在800-900Hz處出現一個±4dB左右的峰谷，而采用2"倒相管則不存在諧振。

   同時，由于管長的過長也會引致較大的低頻群延遲，同樣的上例的12"單元設計的箱體，采用6"管子時群延遲最大達30ms，而采用4"倒相管時，則只有18ms左右，同時管子太長，會帶來管子勁度的下降，大下管子的顫動劇烈，這些都會帶來低頻音質的低劣，喪失低頻力度與清晰度。  

   但過小的倒相管口徑會帶來嚴重的氣流，所以推薦采用的倒相管直徑為低音單元直徑的1/3～1/4。常見的6"單元推薦使用2"倒相管，而8"單元使用2.5"左右倒相管。

   當你必須采用大口徑長管子的倒相管時，增加管子的強度，以及盡量加大倒相管開口與低音單元的距離，是會有好處的。

   綜上所述，可見倒相箱設計是較為復雜的，如果沒有豐富的經驗與良好的聽感，僅僅依賴于一些圖表是不可能設計出好的倒相箱的。目前國際通用的方法是利用計算機模擬，以圖表上查得的最平坦響應的內容積、調諧頻率等參數為起點，逐步調整出所需要的低頻響應的曲線，（當然，不同設計師風格不同，其心目中的頻響也不同），然后實際制作，反復聽音調整，并且與分頻器、一齊統調，經過多次反復，方可得一較佳設計，這也是目前國際上自購單元自己設計的ＤＩＹ方式日見式微的原因，相反，采購廠家設計好的套件（Kit），自己動手制做的方式還有一定市場。

   下面重點談一些屬于箱體設計范疇，而一般教科書上又付之闕如的內容。如箱體尺寸形狀的設計，箱壁材料的選取，箱內駐波的消除，以及面板的單元布局，等等。

   首先談一下箱體外形（或內空間的形狀）設計，由于箱子一般都采用薄板拼成，所以內容積形狀與外形有一定的關系，首先大家都熟悉的原則是內空間三個尺寸不可為整數比關系，一般推薦為0.618:1:1.618或其它非整數比例，這主要是為了避免出現某個尺寸的簡正頻率與另一尺寸的簡正頻率相同，出現相互加強或對消，引致頻響上的峰谷,但一般來說，只要避免三階以下的簡正頻率相同即不會有太大問題，比如的1:1.6會出現8次簡振與5次簡振相重的現象，但引致的頻響不均勻相當小，故可以不考慮。

   以上是針對箱內為矩形箱結構而言，國外有些廠家為了達到更為理想的效果，采用了一些復雜的曲面狀內容積來進一步達到理想的音質。如B&W的“鸚鵡螺”音箱，采用的螺式漸變曲面的內腔，如果展開后其后腔的深度可能有幾米長（由于無圖紙，僅為推測），這樣就可以避免后障板在近場范圍所造成的較大反射駐波，其低頻的頻響得到改善，當然改善的效果是否值得其所增加的成本，可以商榷，但音質改善是肯定的。

   國外也有一些廠采用一些曲面后板，聲稱可以改善箱內駐波情況，這就有一些疑問，大家都知道由于分頻器的作用，中低音單元向箱內所輻射的聲波，一般在4KHz以下，而4KHz的波長為8.5cm左右，而一般箱體的深度在30cm左右，這樣后障板是完全處于低音單元的近場范圍之內，（即使是在4KHz處）。

   而采用常見的活塞輻射模型可知，單元在近場輻射時是接近拋物線型的，如圖所示（圖-2），只有在遠場范圍才可近似視為平面波。

   根據以上分析的單元輻射圖樣來分析，我們可以得知采用擴散型凸面反射面會獲得最佳的消駐波的效果，而其次是平面，最差的是凹型會聚式反射面，其不僅不會減少駐波，反而會大大加強駐波，如圖所示（圖3-5）。

   這也可從國外頂級高音的后腔設計上得到驗證，丹拿T330高音的后腔設計如圖（圖-7），就是采用凸面發散型曲面的，當然其頻段高故尺寸也小一點，但其尺度將近3cm，達到其工作最低頻率2.5Kz的近1/4波長。

   可見國外的這些廠家實際上是在花錢做壞事，當然其欺騙性宣傳不僅蒙騙了一些發燒友，也蒙騙了一些國內盲目跟風的廠家。

   同時，根據前面分析的箱內只有4KHz以下的聲波的情況，任何希望消除駐波的設計的形狀，其尺寸都必須至少大于4KHz的半波長4.5cm。所以目前的一些利用凹凸不平或階梯狀面來消除駐波的方法，至少要保證其凹凸的尺寸L大于4.5cm（圖-6），并且也只能消除4KHz或以上的駐波，而對于大量存在的4KHz以下直至30Hz這樣低頻的駐波想以形狀來降低駐波是沒可能的。要想減少1KHz附近聽感敏感區域的箱內駐波，也要用至少86MM的凹凸才有效。

   那么是否有方法來降低駐波呢？目前可行的方法是增大箱內壁的緩沖，降低內部反射來降低駐波。

   由于海綿、玻璃棉、晴綸棉等只對中高頻起作用，故消除低頻駐波無能為力。而軟木、或密實的棉氈對低頻有明顯的緩沖作用，所以是唯一的選擇，并且采用這種方法同時可以有效地減少箱聲，一舉兩得，對低頻音質的改善效果明顯。

   談完箱體內部的設計，就要談一下箱子外部的設計。

   首先談一下單元的布局，中低音的布局由于頻段的關系影響不大，但高音單元的位置就影響頗大。由于高音一般裝于音箱的上半部，其距底部的距離較大，影響甚微可以不考慮，這樣如圖所示（圖-8），就有三個距離d1，d2，d3，最差的布局就是d1=d2=d3或d1=d2=2*d3等d1/d2/d3為整數比的情況，這樣的話實測頻響曲線上在對應于d1為1/4波長的頻率處，會出現一個明顯的深谷。所以同樣的存在一個理想的布局，那就是0.618:1:1.618，譬如d1：d2：d3=0.618:1:1.618，也就是常見的“鏡影對稱”式設計，其頻響就會最平坦。

      圖8

   常見的設計中，往往不在注意這個問題，一般都是d1=d2，并且d3也接近于d1、d2，這樣明顯會破壞高段頻響的平坦度。

   這個問題產生的原因是由于音箱的邊緣的散射引起的，當某個邊產生的散射與直射波成反相時，這個散射會造成頻響的下凹，如果d1=d2=d3時這樣三個邊（上、左、右）的效果會迭加，在頻響上就會引致較大的峰谷。筆者曾試過當d1=d2=d3時，在4.5K處造成較大的峰谷。而當d1/d2/d3取非整比值時，這個凹谷小了很多，這與內容積的三個尺寸不成整數比的機理是相似的，都是打散其簡正頻率，不同的是一個是反射，一個是散射。

   其次再談一下前障板的表面處理，目前國內外都有人用吸音材料部分地或全部覆蓋在前障板上，對此的機理都語焉不清，只云消除反射，有利于輻射等。對此有點疑問，反射并不見得就是不利的，我們一般地單元都是以障板方法測試而設計出來的，也就是說一個具有平坦響應的單元是基于障板的反射的，如果我們將這樣的單元裝于自由空間，其響應反而會是不平坦的，簡單考慮是會出現高頻下降趨勢，對高端吸收大，從而導致高頻響應進一步降低。這也可以從有人發現將這樣設計的音箱上的吸音材料去掉，高音反而聽感好，否則高音出不來得到驗證。

   國外有人設計音箱時在高音周圍在一些特殊位置加很少的吸音材料，其目的并不是消除前障板的反射，而只是當做調整頻響的手段。如LS3/5A等，吸音材料只占很少一點面積，不會影響到整個頻段的。

   再談一點外觀設計，音箱是音響系統的一部分，由于音樂的藝術性，所以音箱也無疑帶有一定的藝術成分，所以一個好的音箱其外型的觀感也必須與其音色風格的檔次、風格相吻合。很難想象一件音質極佳的商品化的音箱其外觀卻丑陋不堪。音箱外觀要求工藝嚴謹，美觀無疑是對的，但是卻不可繁雜花哨，要知道音響設計的天條是”簡潔至上“，故音箱或音響器材的外觀無疑是應該追求一種簡潔樸素的美感，以求與內涵的統一。另一方面，外形是服務于內涵的，這個主次之分是不可顛倒的，音箱（或任何一種音響器材）其用于音質部分的成本或許至少要占到總成本的60%或更高，如果過于繁復則只要兩種可能，一種是限于有限的成本，只能降低工藝的嚴謹，可以看一下國內生產的許多廉價音箱，如果遠看一下，很是花哨（至于是否漂亮就見仁見智了），但如果走近一看，就露餡了，工藝極為粗糙，這樣外觀工藝粗糙的音箱你是否擔心其內部工藝的質量呢？

  另一種可能是工藝一樣嚴謹，這樣成本就會大幅上升，而總的售價又不可能大幅提高，最終只能是主次顛倒，外觀的成本反而占了總成本的6-7成，這樣的音箱你是否會買呢？這里我想到一個典故“買櫝還珠”，據云有一珠寶商制作一個非常精美的盒子（櫝）來盛放一顆漂亮的珍珠，盒子上鑲嵌了許多寶石，拿到市場上出售，結果一個人買下后，把把盒子拿走，但把珠子還回那個珠寶商。這個典故告訴我們，一件商品的本身價值是主，其外觀包裝是次，不可主次顛倒。

   作為一個音響發燒友，是否應該問一下你買的器材有多少錢是花在外觀上的，有多少錢是化在音質上的，這也可以說明為什么超值的器材總是一些外觀簡潔的器材。

   近年來國內出現了一種音箱外觀愈來愈花哨的現象，并且也出現了一些外形成本極為高昂的產品，故此我借此討論一下這個問題，希望廠家能夠回到追求音質，而外觀簡潔雅致的道路上來。如果如此，相信對廣大發燒友是一個喜訊，對國產音響的提高也會有一定的幫助的。