自製高品質低成本超重低音音箱

    產品的品質永遠與成本掛鉤，關於好的超重低音音箱的定義，在《自製高品質有源超重低音音箱》一文中筆者已有較全的闡述，在這裡就不累贅了。在一個有源超重低音箱的成本組成中，揚聲器單元和驅動放大系統以及箱體的成本分配基本比例應是4:4:2。從這個比例中可以看出，要DIY一個較好而且成本較低的超重低音箱，揚聲器單元的選用至關緊要。
    在《自製高品質有源超重低音音箱》一文中選用的揚聲器單元是惠威Hi-Vi RESEARCH的12英寸的W12低音單元，該單元雖有不錯的特性，但800元左右的售價的確不夠“親民”，這是導致整體成本上漲的原因之一。筆者此次所介紹的超重低音箱所用單元為保證聲音品質，仍然用惠威Hi-Vi RESEARCH牌的12英寸SS12低音單元，但售價比W12低音單元低很多，在300元左右。
    SS12低音單元售價相對低，但並不意味品質不行。該單元以丹麥產的P.M.K雙層雲母為振膜，採用高性能鐵氧體外磁式磁路結構和高強度寬邊防覆鐵盆架以及無渦流損耗Kapton音圈骨架和耐高溫SV線音圈，並配有高順性的高泡折環和高阻尼防塵帽，屬於超長衝程線性位移設計，具有低頻響應佳，低音豐滿有力，承受功率大、動態大、失真小和Fs及Qts較低的優點，很適用於家用Hi-Fi三分頻倒相式落地音箱中的低頻單元和超重低頻音箱。
    選定揚聲器單元后，可根據它的特定參數設計合適的箱體和驅動放大系統。在設計製作音箱前，必須了解SS12單元的幾個重要的特性參數(也稱為“Small參數”)，它們既反映單元的保真特性，又是設計重低頻音箱的重要依據。
(1)諧振頻率(f0)，指揚聲器有效重放下限頻率，與揚聲器口徑有關，口徑越大，f0越低。
(2)總Q值(Qts)，反映揚聲器f0附近振動系統阻尼狀態的量，是決定揚聲器低頻特性的重要參數。Qts值較低時，箱體容積(Vb)相對較小，而且它與f0共同決定了音箱的截止頻率f3和α值。
(3)等效容積(Vas) ，指在該容積中空氣的聲順與揚聲器的聲順相等(單位：L)。它是一個與箱體容積成比例的量，不同單元的Vas值相差很大。
(4)額定阻抗(Z)，它是阻抗諧振峰后第一個阻抗最小值，一般有±5％～20％ 的誤差，計算分頻器和放大器輸出功率的主要依據。用來組合的單元的額定阻抗值最好相同。
(5)特性靈敏度，反映揚聲器效率的高低。效率高可減輕功放的負擔，但靈敏過高容易產生失真，故單元靈敏度宜選在88～91 dB。靈敏度相差3 dB，若要求兩個單元輸出的聲壓級相同，應對低靈敏度者輸入高一倍的功率。自製音箱應選用靈敏度中上的單元。
    SS12低音單元的上述幾個主要相關參數是：諧振頻率(f0)17 Hz；總Q值0.34；等效容積(Vas)383 L；額定阻抗(Z)5 Ω；靈敏度(2.83 V/1 m)89 dB；額定功率150W/300W(最大)。圖1是它的結構尺寸圖。
  
    常見的音箱可歸類為密閉箱和倒相箱兩大種，這兩種音箱由於結構上的差別而有不同的頻率和失真特性，所以有不同的音質特點。密閉箱的箱體是密閉的，利用了揚聲器前向輻射的聲能，杜絕了前後聲波的“短路”產生的干擾，因而低頻段幅頻特性平直，箱體共振頻率 以下的低頻以12 dB/Oct的斜率緩慢衰減，延伸良好，振幅失真較小，瞬態響應好。設計正確時有很高的低頻解析力，缺點是容易產生駐波干擾，導致聲染色，影響中低頻的清晰度，低音能量相對弱。
    倒相箱是在密閉箱的基礎上增加了一載導管(倒相管)， 當單元振膜運動時，導管一方面直接對外輻射聲波，另一方面又壓縮(或擴張)箱內的空氣，使箱內的控制氣從倒相口排出。設計正確時，倒相管一箱體系統剛好使振膜後向輻射的聲波倒相180°，使從導管開口處輻射出去的聲波與振膜前方輻射的聲波同相，加強並延伸了音箱總體上的低頻響應，從而提高低頻聲壓能量，其低頻較密閉箱擴展了0.7倍，而在同樣的低頻響應下，箱體積僅為密閉箱的60％。
    倒相箱除了有上述優點外， 由於單元的諧振能量通過諧振波從開口大量輻射出去，加大了振膜的負載，它能有效抑制振膜在諧振頻段的大幅振動，從而減少了揚聲器感應電勢的產生，使失真顯著減少，並能大幅提高低音單元的功率承受額。倒相箱的缺點是瞬態稍差，製作調試要求較高，同時要求單元的Q值在0.2～0.5之間才有較好的效果。
    結合SS12低音單元的總Q值為0.34的特性以及為得到更強的低音能量，本例製作決定選用倒相箱。為了取得良好的瞬態響應和低頻延伸以及相對平坦而低失真的響應，在設計箱體時同樣是採用SC4響應設計。按SS12低音單元的總Q值為0.34的特性本來是能用更好的SBB4響應設計的，但考慮到SS12低音單元的383 L等效容積(Vas)太大，再用SBB4響應設計時箱體過於巨大，用SC4響應設計既有很低的調諧頻率和比較出色的瞬態響應，又有箱體較小的優點，它可以滿足較高水平的聽音要求。
    本超重低音箱也是按查表方式設計的，表1收錄了從0.29～0.36的Q值SC4設計表格，在設計不同Q值的SC4響應倒相箱時，讀者也可照用此表設計。
 
    考慮到低音單元在工作一段時間(即是老化“煲透”成熟)后，其主要參數如總Q值和諧振頻率(f0)會有5％左右的下降，故在設計時應按老化后的參數進行，有條件的朋友最好是按實測老化“煲透”成熟后的參數設計。
    在這裡按SS12老化后的參數進行設計， 其總Q值和諧振頻率(f0)在老化后特性為：
老化后總Q值=總Q值×95％≈0.32
老化后諧振頻率(f0)=諧振頻率×95％≈16Hz
根據表1求出該超重低音箱的各項指標特性。
(1)求箱體內容積Vb=Vas÷α≈160(升)
(2)求箱體的調諧頻率fb=(fb÷f0)×f0=17.7(Hz)
(3)求音箱的低頻截止頻率f3=(f3÷f0)×f0=24.4(Hz)
(4)求倒相管長度Lv=2350Dv²÷(fb²×Vb)-0.73Dv
其中Dv是倒相管的開口直徑，為得到很好的線性取值100 mm，則Lv≈396 mm。如果加長倒相管的長度或減小倒相管的截面積，可以使諧振頻率降低一些，但此時的低頻氣流摩擦聲也會明顯增大，倒相箱的利用效率也會降低。過長的倒相管會導致低頻偏重、渾，聲音的清晰度下降，在製作時可通過聆聽決定。
    選定單元后，根據單元的額定功率值和成本考慮，該音箱的功率放大器輸出功率可取120～150W之間，由於SS12的阻抗是5Ω， 因而在8Ω為負載能輸出90 w左右的有效功放都能推動它。當然，條件許可時可選更好一點的大電流輸出功放會有更好的表現。
    該款超重低音箱的主動伺服式功率放大器的伺服均衡相位、音量控制線路的設計和《自製高品質有源超重低音音箱》一文中介紹的主動伺服式功率放大器之伺服均衡相位、音量控制線路相同，也是從音源或前級輸出的信號經L、R輸入送到運算放大IC1A的輸入端，開關K1和IC1B就是用來控制信號的正反相，使之與主音箱有更正確的相位匹配。由三聯波段開關K2和IC1C構成的線路是以巴特沃斯三階低通濾波器組成的約40 Hz，55 Hz，75 Hz，100 Hz共4個低頻輸入截止點。不過，推動放大器是採用集成功率塊做BTL驅動，這是本重低音箱的特色之一，也是保證品質而有效降低成本的方法之要點。
   普通OCL功放效率較高，但由於負載一端接地，故電源的利用率較低，如果將負載RL的接地端改接到另外一組相同的OCL功放輸出端， 如圖2所示，就構成了BTL(橋式推挽)功率放大器。BTL電路充分利用系統電壓， 減小開環失真，且負載的輸出功率也由此近似增大為單端輸出時的4倍(理論值，實際2.5～3倍)。
 
    根據電橋平衡原理， 由於集成功放的外接組件少，保護功能完備，加之集成晶元內部的差分對管、互補對管的一致性較好，因而BTL電路普遍採用集成功放來製作。這裡所用集成功放是雙聲道結構的LM4780晶元，是美國國家半導體公司(National Semiconductor)近期專為立體聲家庭音響系統而設計的新款集成功放。LM4780可以為每一聲道連續提供平均高達60W/8Ω 的輸出功率。它採用HV700高電壓雙極工藝製造，使之形成失真保護電路，它的雜訊極低，失真也非常低，在普通至較高功率範圍內，失真為0.001～0.003 dB，頻率範圍在20 Hz～20 kHz內，其總諧波失真及雜訊(THD+N)都不會超過0.5％。值得一提的是，所採用的自我峰值即時溫度(°Ke)保護電路(SPIKE)，確保系統不會出現過壓、欠壓、過載、電源線或地線短路、溫度過高以及瞬時溫度峰值等問題，使晶元的輸出可以獲得全面的保護，這種保護功能是分立件和混合式放大器所沒有的。
    LM4780可以輕易另外加以配置，以便為BTL橋接或并行方式的高功率雙放大器解決方案提供支持。很多朋友認為LM4780不及LM3886好用， 主要理由是LM4780的管腳多而細， 單聲道輸出電流有限。其實不然，LM4780單聲道輸出電流典型值為11 A，與LM3886的11.5 A相差無幾，LM4780除了有方便地以一塊集成功放和簡單的線路完成雙聲道放大的優勢外，它的最大優點是一塊集成功放內的兩路聲道放大器的對稱性要比兩枚單聲道的LM3886要好得多。在BTL狀態下它可以輸出120W/8Ω 以上的大功率，這樣，用一枚LM4780作並聯或BTL大功率輸出的性能會比用兩枚LM3886方便而且性能更高。
    圖3是該重低音箱的主動伺服式功率放大器線路圖，它在5Ω的阻抗下能輸出約150W 的有效功率。圖4是所用的電源圖。該機的前後處理線路各有獨立電源供應，繞組是分開的，其中，控制線路的供電採用三端穩壓處理后輸出正負15 V的電源供電給IC1和IC2。K3是靜音開關。
 
 
    BTL電路對電源的紋波要求不高，較小的濾波電容即可滿足大動態輸出的要求。但在實際應用中，由於輸出功率比橋接前明顯增大，這就要求電源方面需要有足夠的功率儲備，同時還需要把濾波電容儘可能取大一些，以避免因供電電流不足而在大動態輸出時引起瞬態削頂失真。本機的后級功放為了減少電源內阻，用4對中等容量濾波電容並聯輸出， 以得到更快的反應速度。為了取得更出色的音效且保證較低的成本，本機改用了一個約500 W的環型優質變壓器，環型變壓器的漏磁和效率比常見的EI型變壓器要好，溫升低，但比R型稍遜色，價格則是同功率R型變壓器的一半左右，如此，又將成本降低。考慮到超重低音箱內部環境磁場相對複雜，該箱的整個主動伺服式功率放大器裝在一個43cm×28cm×9cm的外置金屬機箱內，這樣，使超重低音箱的主動伺服式功率放大器和單元互不干擾，聲音會更出色，也有利於功放散熱。
    由於主動伺服式功率放大器不放在超重低音箱內，就很方便地設計超重低音箱的長、寬、深了。不過，切記上述按照箱體容積公式計算，所得的值均為凈容積，實際計算時要記得加上揚聲器的容積(約3.5 L)和U形加固支撐件的體積(約5 L)，這樣，箱體的最終內容積V=160+3.5+5=168.5(L)。
    為了箱體內部沒有駐波干擾， 盡量減少聲染色，本箱的深、寬、高比例取值為1.4:1:1.3。經計算，箱體內部凈空的深、寬、高尺寸分別位63.4 cm，45.3 cm，58.9 cm。箱體同樣用25 mm厚的中密度纖維板(MDF)製作，並為提高箱體的剛性在內部設有一個支撐板，前障板也用2塊25 mm厚的中密度纖維板(MDF)粘合以減少箱板共振帶來的音染。圖5是該音箱的製作尺寸圖，倒相孔是開在背後。製作時的注意事項， 有關音箱內的吸聲材料的放置和調試方法以及使用建議，讀者可參照《自製高品質有源超重低音箱》一文，這裡就不累述了。
 
    該有源重低音箱的製作成本：總成本=單元+箱體+主動伺服式功率放大器+接線柱等配件≈300+250+650+50≈1250元，至於效果如何，試試便知。