发表于《高保真音响》第一期第59页
Hi-End这个单词好像只有音响界在用。
有人将这个单词解释为“Hi-End就是High to end 的意思”(高到顶点)。其实不是。Hi-End这个单词源于“HI-FI”(约定俗成指高保真音响),指音响或电声系统性能的高保真水平到达顶点就是Hi-End这个单词的概念。
注意啊:Hi-End这个单词是一个绝对概念哟。它不是指“更保真的”(More fidelity),而是指“最保真”的。在这里的语义是“最”好的,而不是“更”好的。只有更好没有最好的语义是相对而言一种妥协的判断。世界上并不是没有绝对事物。例如地球只有一个,喜马拉雅山最高,海比河大等都是绝对的。在哲学中,相对本身就是绝对的,反而绝对才是相对的。Hi-End就是最好不是更好,从重放音乐的角度讲,高保真性能是不能被任何其它保真性能所超越的。事实上,发烧友已经将Hi-End从Hi-Fi中抽取出来,已视Hi-End为Hi-Fi中声学性能与品质最高等级。
Hi-End=绝对保真!
也许有人会说:别较真啊,形容而已!如果这样认为,Hi-End就没有标准了。所有号称Hi-End的电声产品及其技术也都是子虚乌有了。这样,谈Hi-End、造Hi-End、卖Hi-End、听Hi-End全无意义了。
换言之,Hi-End在这里的概念定义在于:针对音乐重放绝对保真。这,更多地是在电声品质与性能范畴定义。
正是在这一定义前提下,我们就可以探讨什么样的音箱才是真正的Hi-End音箱,什么样的音箱是伪Hi-End音箱。
音响是一个泛名词,电声是一个科学名词。在音响系统里,音源、前级、后级等属于电子领域,不属于电声范围。电声领域只有两类产品:一类是声变电,即麦克风(Microphone);另一类是电变声,即音箱。要么将电能转换成声能,要么将声能转换成电能。它们共同物理特征就是电与声之间的转换。广义上电声是指一切电能与声能进行转换的技术及其产品。包括工业、军事、医疗、勘探等许多领域的应用。
音箱是我国俗称,官称是扬声器系统(Speaker System)。之所以叫系统,传统认为是由箱体(或包括倒相管)、喇叭(扬声器)、分频器(仅在功率分频时)三大子系统组成。这种划分是有局限的。科学地讲,完整的扬声器系统还应包括喇叭线(连接功率放大器的电导体)。因为没有喇叭线音箱的功能是不完整的,更何况喇叭线就是扬声器系统电导体的延长或延伸。它是音箱获取电能的唯一途径,其意义绝不是功放与音箱之间的电导体媒介那么简单。尤其是Hi-End音箱,喇叭线性能直接影响音箱的性能与品质,更是音箱(扬声器系统)不可或缺的组成部分。
所谓绝对保真可以从两个方面理解:第一个方面就是无损耗保真:即在重放音乐中不能减少或遗漏任何所记录的音乐信息;第二个方面就是无染色保真:即在音乐重放中不能添加或装饰任何所记录的音乐信息。
好了,有了上述概念、定义,本文探讨的范围也就明确了。
以下,我们就来看看哪些问题的存在影响了针对音乐重放绝对保真的音箱品质与性能。
声学空间形状
我们看到当前大多数音箱的箱体声学空间是矩形的,或者说长方体。这种造型在所谓HI-End音箱中也大量存在。
对于音箱而言,空气容室的大小与形状都对音箱谐振性能与品质有着较大的影响。从箱体声学空间造形看,自1924年出现的背腔开口式音箱始至今,当前无论是密闭式音箱、倒相式音箱、迷宫式音箱或带通式音箱的箱体空间造形绝大多数采用长方体方式,即将音箱内的六个平面相向对称组成长方体形状的声学空间。该类声学空间造形存在的主要缺陷如下:
平面对称驻波
长方体空间由六个相向对称平面组成,这六个对称平面是产生驻波的根源之一。由扬声器单元振膜背部发声的一些频率会在长方体空间相向对称的平面之间形成声波两列传播方向相反、振动方向相同、振幅相同、频率也相同的平面简谐波叠加及驻波。
棱边与顶点驻波
长方体空间有12条棱8个顶点:面与面结合处即棱部位有90度夹角边12条,三面结合处即顶点位置有直角三角形8个。该8个顶点即直角三角形与12条棱形即90度夹角边也为声波两列传播方向相反、振动方向相同、振幅相同、频率也相同的平面简谐波叠加提供了物理条件,当箱体内扬声器背部振动而驱动箱体内发声时,很容易在长方体棱角两边之间与三角形内产生声波传播方向相反、振动方向相同、振幅相同、频率也相同的平面简谐波叠加现象,也就是驻波现象,并且该驻波能量比前述平面与平面之间的驻波能量要大得多。
因为12条棱与8个顶点的结构方式,长方体空间越大,产生驻波频率越低,长方体空间越小,产生驻波频率越高。所以无论空间大小,长方体空间都会产生驻波。
腰身应力
长方体空间在相同材质条件下各面形成的应力不同。其中较长4面的应力大于较短2面,尤其是较长4面的腰部应力最大。箱体的该部位也是应力集中部分,即应力最大部位。它往往会因扬声器背部声波带动空气膨胀收缩的力量驱动而弯曲变形,这种弯曲变形既是应力集中反映,也是箱体刚性减弱而至。在长方体空间音箱中,六个平面中有2个面(通常是上面与下面)较短,4个面(通常是侧面)较长,该4个较长面的腰部既是箱体抗力最弱的部位即应力集中部位,同时也是空气张缩力最大的部位。最大空气张缩力与最弱箱体抗力相呼应,其结果使箱体该部位应力倍增,受该部位应力作用影响,箱体所有部分都会振动,而箱体振动的频率并非扬声器单元振动频率,也不是音乐重放频率,是箱体及其材料的固有频率。对这种现象也可叫做箱体自振,自振频率也就是箱体自振波,这个箱体的自振波会造成音箱的声染色,即将箱体固有频率声波叠加在音乐信号频率里。
三角立方体驻波更大
某少数梯形立方体音箱造形空间或三角形立方体音箱造形空间,它们在一定程度上可能会减除箱体平行面对称产生的驻波,但却未消除>或<900的直角边(棱边)与三角形(顶点)等产生的驻波。某些三角形立方体音箱造形空间因夹角或锐角三角形产生的驻波能量甚至大过矩形(包括长方体)空间。
驻波危害
任何音箱箱体,一旦有驻波或自振波产生,均可视为性能与品质存在严重缺陷。因为驻波与自振波是音乐重放中额外的声波,是音乐节目源信号中没有的声波,也可看成是一种脱离音乐信号控制的声波。这种驻波与自振波不仅会以一种能量方式参与箱体空间的流体力学变化而影响扬声器振膜的正常运动,从而干扰扬声器振膜的正常发声形成声染色,也在开口箱(倒相式、迷宫式、带通式等)条件下以驻波叠加与自振波叠加的较大能量破坏音箱正常谐振时不同频率的能量平衡,致使谐振效果出现声拖尾或声染色的现象,声染色、声拖尾现象使音乐声波含混不清,对于重放音乐而言等于改变了乐音的泛音列(谐波秩序),降低了音箱声学信噪比,从而将对人体有某些健康作用的乐音声波特性改变成对人体健康有损坏作用的噪音特性,进而破坏或降低了音箱的谐振纯净性能和音乐重放保真度的质量。
上述现象在当前音箱产品中比比皆是,甚至国内外音箱设计软件均是以长方体空间造形数据为计算模型的。
也就说,音箱箱体进行矩形或长方体设计与制造的,是Hi-End音箱的禁忌。如果号称Hi-End的音箱的内部空间造形是六个面对称的矩形(无论正方体还是长方体)或三个面对称的三角立方形,都可看成是伪Hi-End音箱。
箱体材质
当前的音箱板材主要有三类:
常用箱材
第一类:原生木材。是指针对原木组织结构未做改性处理的原生木材。这类音箱用板材由于每一块都是轴向开板,其经纬组织结构不一致,导致每一块板材的密度与强度都没有一致性,音箱内部周围气流对扬声器振膜背部的压流都不一致,不仅使扬声器单元背部获得的空气压力不均衡,也可能导致每只音箱的音质有所区别,品质与性能无法得到一致性控制。这种原生木材密度最高的是花梨木,气干密度0.9~1.1,抗弯强度<60Map,由于密度低,刚性差,在隔音与刚度方面都不能作为高端音箱的箱体材料选择。尤其是作为落地式矩形音箱时,这类材料在音箱的腰部应力较大,容易产生箱振。
第二类,密度板。是以木质纤维或其他植物纤维为原料,施加脲醛树脂或其他适用的胶粘剂制成的人造板材。这类材质的音箱在市面上占了绝大多数。
第三类:塑料。一般用价格较低的烯类树脂如聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等通过低发泡的特殊加工而成。同样可以切削、开孔、打钉、上螺丝、胶结等,并具有物性均一、质轻、不吸水、尺寸稳定、耐腐蚀、耐虫柱、着色容易等优点。但耐候性、强度、触感较差。另一类塑料类的音箱采用注塑工艺,外形可以较随意变化,受加工技术的影响,注塑音箱的壁厚受到了较大的限制,由于壁厚受到限制,箱体的刚性受到影响,所以塑料材质往往被用于制造低档音箱,其音质无法得到较高标准的控制,但在国外有极少部分高档音箱也采用塑料材质。
箱材与声学
箱体材料的力学性能直接影响音箱的性能,其中,材料的密度与隔音相关,材料的力学强度(刚性)与箱壳自振相关,同时也与低音音色相关。材料阻尼特性与箱内空气Q值、滤波相关联。材料密度越低,隔音效果越差,音箱谐振效率就越低;材料力学强度越差,箱壳自振率或越高,音箱杂音就越多;材料的刚性越差,低频的弹性就越差;材料阻尼越低,箱内空气Q值就越高,同时滤波效率也越低。
音箱本质上是一个与扬声器产生空气谐振的共鸣器。箱材的作用是构造一个能装载扬声器并与扬声器产生谐振(尤其是倒相式、带通式、迷宫式等开口箱)的特定封闭空间,其产生正确的谐振是与箱体内的空气产生谐振而与非箱壳产生谐振,在谐振过程中,扬声器振膜的振动会引发箱体内空气的膨胀收缩运动,空气的膨胀收缩能量也会引发箱壳的膨胀收缩运动。在此情形下,就需要箱壳材料具有一定的抗压作用,即能抵抗空气膨胀收缩的影响,在力学性能上具备不受箱体内空气运动影响的性质,即静曲强度。如果静曲强度低,箱壳材料内部会发生移位,箱壳就会因空气膨胀收缩运动影响而产生振动,这种振动可称为箱壳自振,而其振动频率就是额外或者多余的频率——对音箱而言就是有害声波,亦即箱壳杂音。而箱壳振动的能量同时也会对谐振能量实施抵消或叠加的影响,从而破坏音箱的谐振性能与品质。所以,对音箱材料的性能与品质的要求,就是在隔音、适当阻尼特性的前提下尽可能消除、避免或减少箱壳自振;同时,也就需要高强度的材料力学性能来保证箱壳不产生任何细微的蠕动与变形。材料力学强度是指材料刚性,也就是抗压强度。刚性越高,低频反应越快,效率越高,低频音色更纯净,音染越少。
密度板的危害
但是,当前采用最普遍的音箱板材是密度板,尤其是中密度板(MDF),这种材料也常常用在所谓Hi-End音箱上。中密度板(MDF)构造由于是粉状锯末胶合压制,因此其内部组织均匀,力学上没有径向弦向之分,也没有纵向横向之分,即便是质量最好的高密度板力学性能之静曲强度为30Mpa,这种板材抗压强度是相当弱的,而密度仅有0.55~0.88,隔音效果与抗压效果还不如花梨原木。可以说这种材料做Hi-End音箱是不够格的。所以,该类板材在音箱制造中也存在一些不可弥补的缺陷:
第一,在材料力学上,中密度板由于板材内部组织的均匀分布,虽然从厚度上可起到一定的强度支撑作用,但受制于力学强度指标,其消除、避免或减少箱壳自振的性能还是相当有限的。尤其是生产高性能、高品质或较大箱体的音箱时,该弱点是不可克服的。即便某些Hi-End音箱在制造时,从用材厚度上避免部分箱壳自振,但厚度提高不等于刚性提高,其刚性不够的缺陷,导致该类音箱的低频表现缺乏弹性、反应迟缓、音色不通透、音质瞬态不好等。
第二,在材料工艺学上,密度板材音箱常用乳胶或螺丝作连接锁固。尤其是扬声器单元的安装,常常用自攻螺丝将单元盆架锁固在箱体上。由于密度板的握钉力较差,所制造的音箱如果是将扬声器单元用金属螺钉锁固,随着扬声器使用次数增加,其螺钉锁固强度会逐渐降低,直至松动,从而降低音箱整体刚性,音质会逐渐下降。
第三,该类材料其最大的缺陷就是不防潮,见水就发胀。即便是用油漆(常常号称钢琴漆)对音箱进行全封闭状态下,由于制造工艺限制,在所有握钉处、开孔处的缝隙都有可能形成板材吸潮的条件,板材吸潮越多,积淀到一定程度,箱壳刚性进一步减弱,低频音色会更加退化。
第四,用涂料(包括钢琴漆)来封闭密度板的毛孔,只能保新5年。更何况任何厂家都没有对它进行里外完全封闭。这就使得音箱的正常寿命相当有限了。
至于塑料箱体材料,当前我国仅能加工1cm厚度以下的注塑箱壳,其隔音与阻尼性能都是较差的一种,很难达到高保真音箱制造的材料标准。
当然,也有Hi-End音箱采用原木切片,4mm~5mm厚度一片一片地径向堆积成箱壳,径向木材箱体的刚性较轴向木材箱体提高数十倍(如美国魔域)。就像一根筷子,折断它就是在轴向900使力,很容易。但如果把它竖起来轴向00用力,就太不容易损毁了。这种材料在使用方法上虽然提高了箱体沿径向周围的巨大刚性,但沿轴向分布的强度就大大减弱,更何况其密度有限,隔音还是不够理想,其他木材缺陷也还未根本解决。
高端或高级音箱箱体材料,密度最好>2,强度最好>100Map(箱体空间越大,力学强度越高)。就上述问题看,木材、密度板、塑料等及其相当的材质是不能制造Hi-End音箱的。
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