落地式三分頻ASW超低音箱的設計與製作

1.設計目標
    隨著音源和功率放大器水平的提高，如何得到更好的低頻響應成為高保真音箱設計的重要任務。低頻下潛深、全頻帶頻響均衡與優美的音色是我們的追求目標。通常只有大口徑揚聲器與大型箱體才能提供更好的低頻響應。但對於家用或不是很大的聽音空間，由於大體積音箱不易擺放，現在經常採取的一種方式為一隻內置揚聲器的帶通式超低音箱，即ASW 箱。ASW箱用來放送下限20Hz～40Hz、上限為100Hz左右的超低音，考慮到頻率如此之低的聲波其波長超過3m，可以認為沒有方向性，往往僅設置一隻ASW箱與其他若干只(一般為二至五隻)音箱配合放音。在家庭影院中這種方式得到了普遍的應用，DVD影碟採用的杜比數字環繞聲5.1聲道中的“.1”聲道大都通過ASW箱重放。然而，這種方式用於高保真放音並不十分理想，其主要原因在於低音絕非完全沒有方向性，想一想欣賞交響樂時我們能夠感受到低音樂器的定位，就不難理解只放一隻ASW箱是不可能帶來真正高保真的放音的。那麼，我們只需採用雙配置，即兩隻主音箱各配一隻ASW箱就可實現重低音的高保真放音了。
    本箱的設計目標為ASW超低音箱與封閉箱組合的一體箱，即一隻音箱的一部分是普通封閉箱，用來放送100Hz以上的中低音、中音與高音，而低於100Hz的音波則通過這隻音箱的另一部分——ASW箱來放送。本設計的一體箱是一種落地式三分頻音箱，如果設計得好，將會取得低音失真更小、中低音音色更加連貫優美、音場更加開闊等明顯的優勢。但這種方式的設計難度相當大，其原因在於首先ASW箱本身就很難設計。它是內置揚聲器的帶通式超低音箱，其頻帶很窄(小於兩個倍頻)，因此，要想得到更低的下限頻率、且在其頻帶內頻響曲線比較平直(不均勻度比較小)確非易事。更困難的是，ASW 一體箱是將ASW箱與封閉箱結合成一體，如何使兩箱之間的靈敏度搭配一致則成為最大的難題。因此，本設計的關鍵在於分別為封閉箱與ASW箱選擇適當的揚聲器並通過精準的箱體設計得到完美的有機結合。兩種箱對揚聲器的要求並不相同，下面結合音箱設計分別介紹。由於家用箱的體積不宜太大，我們將揚聲器的口徑鎖定在6.5英寸。

2.ASW箱電聲設計
    ASW箱設計的首要目標在於求得更深的低頻下潛。經分析，ASW箱對揚聲器的基本要求是諧振頻率 應盡量低一些、總機電品質因數Qts大小要適當(0.5左右)、f0/Qts值要小一些，由於ASW箱本身靈敏度較低，所以揚聲器的靈敏度高一些好。經多方考察，低音揚聲器選定南鯨YD176-8XPH，這是南鯨揚聲器中較高檔的一款(該廠廣告中常見它的身影)。與該廠的其他大多數產品不同，該單元採用了鑄鋁盆架，整體做工亦相對比較精緻，甚至其Φ120×20mm2的大型磁鋼都顯得比其同門兄弟要精美許多。廠家提供的性能參數為：額定功率100W、靈敏度90dB、諧振頻率40Hz、Qts值0.4、等效容積34L。更具特點的是其等效振動質量高達24g，不僅在同口徑揚聲器中罕見，而且高於大多數同廠8英寸口徑的產品，這一特點為獲得更低的頻響打下基礎。這款揚聲器的主要不足在於其中音的音色較差；遠不如其他南鯨紙盆系列的揚聲器。我們曾試圖將它用於普通二分頻倒相箱，終因音色不佳而作罷。現將它用於重低音頻段的ASW 箱放送100Hz以下的信號則音色絕無問題。不過真正吸引我們並最後選定它的其實是測諧振頻率低至35Hz。額定功率高達100W，如此低的諧振頻率，且靈敏度達到90dB的6.5英寸揚聲器，實在是不可多得。我們對一批若干只該型號揚聲器進行了充分老化，測得老化后的參數統計值為：諧振頻率f0為35Hz、Qts值為0.475、等效容積Veq為29.6L。這些比較理想的參數結合其靈敏度與耐受功率，完全可以設計出十分成功的ASW箱。
    ASW箱的特點在於同一隻揚聲器能夠得到多種頻響平直、容積各異且靈敏度不同的設計。在頻響基本平直的前提下，一般的規律是容積大一些、低頻下限就低一些、同時靈敏度也低一些、頻帶也窄一些。因此，設計時不能單純追求低頻下潛，同時還要兼顧靈敏度與一體箱中的封閉箱一致。採用我們自行研製的計算機輔助設計軟體進行精心設計：靈敏度設計為-1dB，即實際靈敏度為90dB-1dB=89dB，以配合封閉箱的靈敏度:箱體容積取開口腔11L，封閉腔15.5L;放音管與開口腔諧振頻率60Hz；另外有關參數為箱體品質因數(或稱漏氣係數)Qt取6。該箱的頻響曲線見圖1。圖1顯示該箱頻響平直，-3dB的高低端頻率下限為98Hz和37Hz，考慮到靈敏度的-1dB，實際下限應為-4dB處的103Hz和35Hz。即該箱的技術參數為：頻率響應35Hz～103Hz。
 
    35Hz的低頻下限對於ASW箱並不十分出色，但考慮到揚聲器口徑以及箱體容積，該箱已屬很成功的設計。

3.封閉箱電聲設計
    封閉箱的中低音揚聲器選取玄度Y651，這是一種性能極為優異的6.5英寸揚聲器。其廠標參數為：靈敏度89dB、諧振頻率30Hz、總機電品質因數Qts值0.30、等效容積Veq為32L。這些參數實在是太誘人了，儘管我們對其真實性亦存疑惑，但其中Φ120 x 20mm 的大型磁鋼與質感細膩的摻羊毛紙盆令人確信絕不至於失望。果然，充分老化後進行實測，它的參數為：f0為43.2Hz、Qts值為0.381、Veq為16.2L。雖然實測參數與廠標參數相去甚遠，但仍不失為一款優秀的中低音單元。高音揚聲器定為同廠產品S-13，該單元為雙磁路(兩塊磁鋼)結構、液磁冷卻、純絲振膜的球頂高音揚聲器，廠標靈敏度為90dB、諧振頻率1.8kHz。它的音色明亮與柔和兼具，搭配Y651相得益彰。同樣採用我們自行研製的計算機輔助設計軟體進行設計，封閉箱的凈容積取5.5L，頻響平直，低頻下限f3為81.4Hz。低頻段頻響曲線見圖2。
 

4.箱體設計與製作
    落地式一體箱的箱體外形酷似二分頻二單元倒相箱，面板上只能見到兩隻揚聲器和一個倒相管口。其內部實為三腔結構：上部A腔為中低音封閉箱，考慮占容，毛容積取7L，面板上安裝中低音揚聲器Y651;中部B腔為ASW 箱的開口腔，面板安裝封閉箱的高音揚聲器S-13(高音單元背部密封，安裝在哪個腔均無妨礙)和ASW箱的放音管，背板安裝雙線分音接線盒下部C腔為ASW箱的封閉腔，中下部之間的隔板安裝內置的低音揚聲器YD176-8XPH。放音管取內徑中57mm、外徑中Φ62mm的PVC硬質塑料管，長為160mm。箱體全部用18mm～25mm中密度板製造，三個腔的尺寸均採用消除駐波簡併尺寸設計，箱體內尺寸為(W × D × H)：178mm ×223mm × 889mm，見圖3。兩個封閉空間，即A腔與C腔應適當多填充一些吸音材料。
 

5.分頻器設計與製作
    本設計的另一個重要部分是分頻器，其中涉及到三分頻中音部分的帶通設計。我們將分頻器分為中低音揚聲器Y651與高音揚聲器S-13之間的高音分頻和中低音揚聲器與重低音揚聲器YD176-8XPH之間的低音分頻兩組，分別加以介紹。
    高音分頻採用最常見的-12dB/oct二階分頻，只是降落交叉點選在-4.2dB左右處，兩隻揚聲器極性反接，均設阻抗補償電路，且因高音揚聲器靈敏度稍高，在高通電路中串接衰減電阻R 以取得頻響的均衡。據廠標參數，Y651有效頻率上限為7000Hz，S-13諧振頻率為1.8kHz，綜合考慮揚聲器特性，中低音與高音分頻點定為3500Hz。各分頻元器件參數為：高通電容C3=2.7uF，濾波電感L3=0.564mH，衰減電阻R=2.7Ω/7w，高音阻抗補償電阻Rt=10Ω/5w，補償電容C2=2uF；低通電感L2=0.572mH，濾波電容C2=4.7uF，低音阻抗補償電阻RW=7.5Ω/10W，補償電容Cw=20uF。這一精準設計的分頻器為封閉箱的平直頻響提供了有力保證。
    低音分頻採用-6dB/oct的一階分頻，主要是考慮到ASW 箱頻響的帶通特性以及分頻元器件數值過大帶來的困難。參考圖1頻響曲線，分頻點取為100Hz，高通電容C1=200uF，低通電感L4=12.7mH。

    分頻器電路見圖4。分頻器的製作需注意幾點：高通電容C3必須選用優質分頻器專用CBB無感電容。該電容對高音的音質影響極大，雖然優質電容價格較高，但在此增加投資一定會得到相應的回報。低通電感L1需用較粗線徑(大於Φ1.0mm)的優質漆包線空心繞制。該電感的直流電阻應儘可能的小,(小於0.4Ω)，以便得到封閉箱更好的阻尼。C2、Ct、Cw對音質影響相對較小，可用一般薄膜電容，甚至價格更為低廉的雙極性電容(也稱無極性電容)也可選用，但必須容量準確。中低音部的高通電容C1容量太大，可用多隻電容並聯得到，為降低成本，也可用音頻電解電容同極性串接得到(即自製雙極性電容)。ASW箱重低音低通電感L4容量過大已不可能空心繞制，只能採用鐵芯(或鐵氧體磁芯)電感，因可能承受較大的功率，要求鐵芯有足夠大的截面，保證通過4A電流不產生磁飽和。

6.改進方案
    具體製作當中，最大的困難在於如何得到大電感L4。事實上，L4電感量小一些也無妨，只要能夠充分利用好ASW箱的帶通頻響衰減特性，甚至根本不接L4，即不加以分頻而直接將ASW箱連接功率放大器亦非不可。為此，我們專門編製了計算機模擬模擬軟體，得到這一方案的頻響曲線見圖5。圖中兩條細曲線分別為封閉箱與ASW箱的頻響曲線，粗曲線為合成頻響。這時將封閉箱中低音部的高通分頻點選在ASW箱的高端-3dB處，即103Hz，經反覆試算，此時C1取280uF，可以得到波動不超過±1dB的合成頻響。由於兩部分的衰減速率不同，故合成頻響很難得到完全平直。
 
    省去L4自然帶來製作上的方便，但大容量電容C1也使人感到為難——優質電容成本太高，一般電解電容有損音質(因是通路電容)。如果索性將C1也省去，中低音與重低音之間乾脆不加分頻，直接依靠封閉箱低端與ASW箱高端頻響的自然衰減搭配合成，結果又將會如何呢?經計算機輔助模擬分析發現，合成頻響在50Hz～120Hz頻段有少量的提升，提升中心為80Hz左右，凸起約1.5dB。這樣的頻響狀況是ASW箱標準的對稱設計與封閉箱直接搭接(不加分頻)的必然後果。儘管這一方案並沒有給平直的頻響帶來太大的影響，+1.5dB完全可以為大多數人所接受，但是作為設計者，特別是提倡平直頻響的設計者，我們對此仍不滿意。
    進一步的改善有兩種途徑，其一是調整封閉箱，使其頻率下限f3升至100Hz左右，考慮到封閉箱本身的平直頻響要求，只有另選揚聲器才可能做到。還有一種方式就是我們下面介紹的非對稱ASW箱設計。
    我們需要改變一個傳統觀念：通常ASW箱的頻響曲線總是設計為頂部對稱的雙峰曲線以求得到平直的頻響。現在為了與封閉箱之問得到更加和諧的配合，可以將其雙峰設計為低端峰高、高端峰低的非對稱曲線，將可以獲得更加平直的合成頻響。該方案在總容積不改變的條件下，將封閉腔C的容積減小為13L，將開口腔B的容積增大為13.5L，也就是將圖3中下隔板(裝有內置揚聲器YD176-8XPH)向下移63mm，同時將放音管加長為170mm，其諧振頻率為51.8Hz。頻響曲線見圖6。
 
    可以看到合成頻響平直了許多，上下波動不超過0.5dB，且低頻下限也向下延伸，下限f3達到33Hz。箱體圖見圖7。
 

7.小結
    兩種更加有利於製作加工的簡化分頻方案均可以得到不錯的聽音效果，特別是最後一種方案，既避免了低音分頻器的製作困難，又得到了相當平直的低頻響應。我們的樣箱就是按照最後一種方案實施的，箱體採用20mm優質中密度板製作，外表貼以原色真木皮，噴塗德國產高檔無色亞光漆，成品十分精緻。該箱外觀苗條秀麗，音場極為開闊，音色優美，頻響均衡，低音下潛深、失真小，這一特殊設計帶來的效果令一般的高保真音箱均相形見絀，用於家庭影院亦可得到滿意的效果。