高品质的书架音箱DIY_技术

高品质的书架音箱DIY

喜欢玩音响的朋友总有很强的动手欲，我也不例外。虽然家中已有不少成品器材让自己过瘾，但手总是有点“痒”，总是想自己敲敲打打制一台好器材。而在圈内久了，总也有些发烧初哥恭敬地请你帮忙选购或动手做器材，我最喜欢后者，因为这不但极大地满足了自己的“虚荣心”，也满了自己的动手欲。这不，前段时间隔壁单位的小王就慕名而来请我帮他设计一对千多元的音箱。呵，在经费到位的前提下，我当然满口应承。
小王用来享受音乐的房间是约13m2多一点的书房，他平时除了爱听一些翻唱的“口水歌”外，还听一些古典交响乐和爵士乐。考虑到这些因素和预算，我和他强调了一是房间偏小一点，二是预算偏低了一点。要想在这种前提下出好声，只能制作5英寸左右的书架箱，这个口径和价格的书架箱应以频率顺畅自然为主，不能强求低频要如何厚实，拳拳到肉……小王一脸的崇敬，也不知他是真的听懂了还是没听懂，反正最后全交给我全权处理了。而我接过任务后，只能全心做好才不负他的信任。

一、挑选单元
    我过去也做过几款用不同单元的一些音箱，既有国产单元的也有外国单元的，积累了一定的制作经验，感觉到国产单元的性价比虽然不错，但其性能的确与外国名牌单元有一些差距，尤其是高音单元，因此我在单元的选用上还是把目光投向外国名牌单元上。
    先选低音单元。其实5英寸左右的进口名牌单元有很多选择，像Seas(西雅士)的H702与H775以及H907、德国Eton(伊顿)的Eton 5-880/25HEX、丹麦ScanSpeak(绅士宝)的8530K、丹麦Vifa(威发)的P13WH-00-08以及德国Visaton(威沙通)的W130S8Ω等都是其中的选择，但考虑到价格，只能选Vifa的P13WH-00-08以及Visaton的W130S 8Ω两款。再考虑到古典交响乐的编制和动态较大，如单元的承受能力不强会令失真加大，于是决定选用Vifa P13WH-00-08。这是一款很优秀的单元，其名气虽然没有我前面提及的几款产品大，但事实上其性能并不逊色，而它的高性价比也使它出现在许多高档的音箱中。
    其实选用Vifa P13WH-00-08还有这样的考虑：选择优秀的单元能保证有良好的基础，同时也能尽量参考用该单元已有的设计方案，降低整体设计难度，其三是其灵敏度中上，比较容易匹配放大器。
    Vifa的P13WH-00-08的外观如图1所示。它是该厂5英寸顶级的中低音单元之一，其口径为5.5英寸，采用强悍的镁铝合金盆架，磁体厚大，直径竞达92mm，差不多等同于其振膜的大小，这是其灵敏度(88dB)达到了同口径中较高的原因之一。它的振膜为聚丙烯，配有软质防尘帽，其导磁柱开有出气口以减少后部空气压缩的影响，使振膜保持更低的失真。
    P13WH-00-08的频率响应平直而自然，其中频响应到5kHz才以12dB/Oct平滑下降，它的离轴响应也经过优化，因此可使用简单分频而不用频率补偿电路，何况5英寸的中低音单元本来分割振动就很小。P13WH-00-08的振膜做得很坚硬，本身阻尼也很好，因而其分割振动更小，中频没有典型的7、8英寸聚丙烯喇叭那么浑浊，瞬态优良。另外，该单元的冲程比其他品牌的同口径单元要高些，也就是说它的动态较大，在播复杂的大动态古典乐时有相对小的失真。
    图2是该单元在无限大障板上的幅频响应和阻抗曲线图。从图中可以看出其响应非常平直，它的相关单元技术参数见附表。
高品质的书架音箱DIY,第2张
图2 Vifa P13WH-00-08的幅频响应和阻抗曲线

    国外有人用Vifa P13WH-00-08单元来配Scan Speak(绅士宝)的D2905/9300高音单元的组合，不过这个组合已超出成本。国内一个Vifa P13WH-00-08的市场价为380元左右，而Scan的D2905/9300高音单元每个售价在600元左右，要是用这一组合，小王的千多元成本都不够，因而得选一个性能良好售价又适中的高音单元。
    考虑到价格因素，这套组合高音单元选用了英国Morel(魔雷)MDT-29高音单元。这个单元虽然只是当前市场上能买到的最便宜的Morel高音，但它却有很大的功率承受力，其他的性能也极为出色，前几年国产名箱美之声监听一号就是以它为荣。图3的Morel MDT-29是一款采用特殊材料手工涂覆制作的28mm的丝质半球顶振膜单元，其声音柔和又不乏软球顶单元少见的力度，能量也比较丰富，密度上乘、听感好，一直被国内外高级音箱厂使用。图4是其相关参数图。

二、设定分频点
    两分频音箱的高低单元搭配有一定的学问，要从单元的指向性、分配功率、音色的一致性几方面来综合平衡。资深发烧友都知道，单元的活塞振动区通常只限于额定频带的中间频段，这个频段一般是从单元的谐振频率的一个倍频开始到上限频率的一半，该频段的各种失真最小，分频点的设定应根据所用单元的额定频率范围来确定。一般来讲，两分频音箱的分频点多取在2～4kHz，这就要求中低音单元频响的上限尽量高一些，而高音单元的下限要低一些。5英寸的中低音单元高频上限一般都能达到5kHz左右，由于Vifa P13WH-00-08单元的频率延伸好而且没有明显的谐振峰，选用高音单元就很容易了。不过我认为此时的高音单元频响下限仍然尽量低一些好，因为按照中低音的分频点宜选在上限的一半的原则，Vifa P13WH-00-08单元的分频点不应超过3kHz，如再考虑指向性要符合一定的高保真要求，那分频点不应超过2.5kHz。
    分频点选在2.5kHz或更高一些时，有利于让人声和乐器的一部分谐音由中低单元播放，音色的一致性较好，同时，由分频造成的分频点附近的频响和相位特性的失真对音质的影响也相对小。不过此时对高音就要求它的下限不宜高于1250Hz了，如高音单元的频响下限能够到800～1000Hz左右就非常理想了。
    从图2的Vifa P13WH-00-08中低音单元的频率曲线看，该中低音单元的额定带宽为60-5000Hz，从图4中的Morel MDT-29高音单元的相关参数看，其额定带宽为频率的1/2倍频正好为2.5kHz，已进入活塞振动区。Morel MDT-29的谐振频率为900Hz，厂方推荐最低分频点为1800Hz。本例取2.5kHz分频点已是其低端下限频率的近3倍，也是进入活塞振动区，并留有很大的余量。事实上，分频点设在2.5kHz是比较理想的，这样两个单元均能工作于活塞振动医，组合后的频带失真较小，满足高保真音箱的要求。
    分频点基本上定在2.5kHz后，就要考虑采用什么类型的衰减斜率分频方式。由于2.5kHz的分频点离中低音的活塞振动区上端5kHz较远，因而为了让中频更厚实一些，中音更富韵味，低频滤波器可考虑用一阶-6dB/oct的衰减斜率。Morel MDT-29的功率承受力高达80W，加上2.5kHz的分频点离其900Hz谐振频率也很远，本来也想用一阶-6dB/oct的衰减斜率做高通滤波器，但考虑到相位和线性的调整，这里还是将高通滤波器的衰减斜率定为二阶的-12dB/oct，这样也可防止过多的中低频能量进入高音单元，提高中高频的清晰度。
    单元的灵敏度是否一致对分频器的设计有影响，幸运的是，本音箱中的两个单元的灵敏度比较一致，不需要在分频器中对某个单元的声压进行衰减处理就能很好地保证各频段声压级的平衡，不但使分频的设计更简，而且由于高频通道没有电阻的衰减信息量得以完整保留。
    由于分频器是由不对称的一阶低通滤波器和二阶高通滤波器组成。它们的相位曲线并不同相其中，高通部分的函数相位曲线旋转到+90°，低通部分旋转到-45°，两单元按正相连接时相位差为135°，分频点处的声音不能合成为一个整体，将高音反相接后还存在-45°的相位差，不过这一相位差可通过高、低音单元在前障板上的同一垂直面排列时产生的+45°相位差来校正，使系统达到比较线性的相位放声效果。不过这种合成式要求分频点选择合适、准确，且要求高低频滤波器的分频点在-4.5dB点处交叉，否则合成的频响会在分频点出现隆起劣化。
高品质的书架音箱DIY,第4张

图5是本音箱最终的分频网络，它由低通滤波器(LPF)和高通滤波器(HPF)组成。一阶(6dB/oct)分频器分为3dB和6dB降落点交叉型两种，本音箱取3dB降落点交叉型。由于不对称的分频器要在-4.5dB处交汇，在使用-3dB降落点的公式计算滤波器的元件值时，低频的fc要相应移到0.9fc处。高通滤波器的fc也应该相应地移到1.1fc处。
低通L1计算公式为
L1=159R/fc≈159R/0.9fc(mH)
高通L2计算公式为
L2=225R/fc≈225R/1.1fc(mH)
C1=113000/fcR≈113000/1.1fR(uF)
    式中的R是各单元的标称阻抗。本箱中两个单元的标称阻抗均为8Ω，故R=8Ω，最后计算得
L1=159×8/2500×0.9=0.565(mH)
L2=255×8/1.1×2500=0.742(mH)
C1=113000/1.1fcR=113000/1.1×2500×8=5.14(uF)
    分频网络的负载是一个具有电容、电阻、电感在内的复合阻抗特性的扬声器，其阻抗随频率变化而变化，因而分频网络的实际输入阻抗也会随着频率的变化而变化。在这种情况下，会产生分频点的偏移和频率特性、相位特性的畸变和功放工作不稳定。为减少这些影响，应给低音单元增加阻抗补偿电路，使之近似一只等于额定阻抗的纯电阻，减小分频点处的幅频和相频失真。图5中的R1和C2就是阻抗补偿电路，R1、C2的数值可用下面的公式计算
R1=Zo(Ω)
C2=Lbm/Re2(F)
式中，Zo是中低音单元的标称阻抗，Lbm为音圈的电感量(单位为uH)，R是音圈直流电阻，本箱中Vifa的P13WH-00-08的R=5.7Ω，L=0.7mH=700uH。经计算，R1=Zo=8Ω，C2=21.5uF。
    图5中某些元件有两种数值，其括号内的元件数值是实际调校得出的值。在制作分频器时要注意，要减少高端频率的阻抗，宜用小容量的电容并联达到要求。C1电容用音频金属化聚丙烯膜高速电容器即可，C2用好一点的本尼克无极电解电容。L1线圈不宜用小线径的，要用Φ1.5mm以上的漆包线绕制，以免直流阻抗过大引起分频点的特性变差。L2由于不在信号通道上，可以适当放低要求。

三、箱体的设计制作
    选好单元和设定分频器后，就可以设计箱体了。考虑到要有一定的低频能量，本箱按倒相箱设计。在这里，箱体的尺寸和倒相孔开口尺寸是基于单元的Thiele/Small参数设计的，最后要考虑到单元、吸音材料的体积的加入，应增加10％的余量，同时也考虑到分频器元件电阻对喇叭Q值的影响。因此，箱体的内容积还是设计得大一点留有调整余地为好。
    Vifa厂家推荐P13WH-00-08的体积是5L，倒相孔直径25.4mm，长度38mm，此时的倒相孔调谐频率约为74Hz，F3为80Hz。该推荐的响应是QB3，属平坦期望响应中最差的一种，而且倒相孔的25.4mm内直径偏小了。我推算厂方的推荐值是按箱体泄漏耗损QL=15的情况下设计的。
    我重新做了设计，在这里之所以没有将设计的内容积和倒相孔的相关过程列出来，是考虑到公式得出的参数与最后调校的实际制作有很大的出入，故没有一一列举。简单说一下，采用的响应是瞬态比QB3要好一点的SC4，内容积取值5.5L。倒相孔一般是取单元口径的10％～40％，不过如取值太小时，倒相管的非线性失真会加大。在大动态时，其输出声压的跟随能力将会变差，也就是说瞬态低。最后，本音箱的倒相孔内径选为36mm，调校的长度是73mm，此时的调谐频率为75Hz，F3即在-3dB的情况下响应为75Hz响应，对于一个5英寸的书架箱来说，应该不算低。
    有人说，密闭箱内由于空气压力大，容易产生驻波干扰，导致声染色，影响中低频的清晰度，因此箱体的尺寸比例要求严格。我很同意这种说法，不过我认为倒相箱内部的空气压力与密闭箱的情况基本没有什么大的差异，一样要求箱体尺寸比例严格。
    上面所说的5.5L内容积是净容积，而箱体的最终容积还应包括扬声器单元、分频器等所占的容积因而实际制作的箱体容积可取6L。箱体内部净空的高.宽、深尺寸比与音质有密切关系，如果尺寸比选择不当，有可能导致两个甚至三个轴向振动频率重叠，产生难以消除的驻波干扰，让声染色加重。为避免驻波的影响，本箱体宽(W)、高(H)、深(D)尺寸比采用1:2.1:1.46的尺寸比，它近似于可消除的驻波干扰的1:2.1:1.5尺寸比。
    容积和尺寸比确定之后，即可计算出箱体内部的高、宽、深尺寸，计算所得尺寸要保留一位小数，以确保误差不大。图6是箱体制作尺寸图，除面板采用25mm厚的中密度板外，其余各障板用18mm厚的中密度板(MDF)制作，箱体外层用的是一种浅色木皮。该箱体的制作是到电器城让专业人士加工制作的，以保证加工的工艺和强度。
高品质的书架音箱DIY,第5张