磁液背后的故事

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所属分类:音频杂谈

—— 贸易机密系列之三

发表于美国《Speaker Builder》杂志

麦克.克拉斯科著

 

 

毫无疑问,你已在扬声器广告中或在扬声器制造专业讲述磁液优点深奥的文章中见过这样的术语:"磁液冷却"或"液冷",或"磁性支承"。在磁液被用于音响业25年,已有超过5亿个扬声器使用了磁液之后,看来是时候作进一步的深入讨论,讨论磁液对高分辨力扬声器音质的意义。我们会解释什么是磁液,讨论为什么它们被用于低音,中音和高音扬声器,以及磁液的新发展。

磁液是用普通显微镜看不见的磁性粒子悬浮于一种润滑油中,最初是在太空总署的科研中制造成功的。Ferrofluidics公司成立于1968年,它从美国太空总署获得许可,研究并开发磁液技术的市场。磁液的应用包括高性能的轴承和密封圈,如用于电脑硬盘驱动器和光学扫描器。高性能硬盘驱动器把磁液用于其步进电机以缩短定位时间,获得更快的存取速度,最新一代的DVD播放机采用磁液来阻尼其激光伺服电机以取得更稳定的性能。

扬声器制造商之所以使用磁液主要是为了增加产能,减少客户退货。这是因为磁液的传导热的能力,减少了音圈烧毁,同时磁间隙中的磁液的"静磁力"抑制了音圈的不规则运动。磁液具有对磁场的响应特性,它会被音圈气隙中的磁场吸住,当音圈开始离开气隙中心位置时,磁液会把它推回去,其作用象一个复位力保持同心度,因而防止了磨擦和嚣叫。这仅仅部分是由于磁液的悬浮作用(静磁力)。另一个减少擦音圈的因素是降低了音圈的工作温度,避免音圈膨胀减少气隙空间绕组擦刮扬声器磁结构的上夹板。甚至仅仅是磁液的润滑作用,减少了音圈上夹板的锈蚀。还有其它的实际好处,例如防止灰尘微粒进入气隙,乃至阻止音圈与气隙的锈蚀。为了通过UL测试,用于人生安全和语言警告的应用场合的扬声器几乎都使用磁液。

许多在高音和中音扬声器使用了磁液的制造商都得到了正面的结果,而希望有一种磁液更适合低音扬声器的要求低粘度,高饱和磁化强度磁液。为了使磁液在大振幅时也保持在气隙中,而不必对现存低音扬声器的设计做大的修改。大约七年前,低音级磁液就商业化了。首先是用于亚低音的高级扬声器用(Prosound),随后汽车扬声器也使用了磁液。有不少生产顶级扬声器的公司在5年前开始评估用磁液的低音扬声器,现在已有许多应用的实例。

磁液可用来增加功率承受能力已成为共识,然而磁液下面的这些优点尚未为音响界普遍了解:降低谐波失真,互调失真,大功率非线性的异常,以及提高清晰度和分辨率。本文将会讨论这些。

 

磁液是如何改善与稳定低音扬声器的音质的呢?瞬态响应调正时间(当讯号停止后,扬声器也停下来的能力)通常是被提高了。由于磁液是直接加到驱动部分,而不是对纸盆或弹波作"事后阻尼处理",因此其阻尼是有效的。如果低音扬声器有一个高端频响峰,磁液会将其控制住,与无源分频方法相比它更少副作用。磁液能降低某些机械噪声,这些机械噪声是纸盆运动时扬声器音圈内外所产生的。扬声器的这种噪声会掩盖音乐的自然声响,而磁液会使其清晰一些。也许最大的不同不在于你会听到什么,而是你听不到什么。当音圈温度升高后扬声器的音质会改变,这通常在以保真的音量,或超出保真的音量播放较长时间音乐后发生。由于磁液在较大程度上避免了功率压缩效应,声音的特性因为用了磁液而更为稳定。什么是不稳定的效应呢?本文会作更为详细的讨论,但简单地说,是扬声器的阻抗增加了,它改变了分频点。 由于音圈温度的变化而引起的某些声学现象,在进行a或b以及双重遮挡测试时,常常会被归因于其他因素(例如引出线等)。

 

扬声器热量的积累与功率压缩——一个被遗漏的变量

 

热量在功率放大器中的积累是一种常见现象,因为大多数功放的效率低于75%,有25%以上的能量变成热浪费掉了。一个消耗100瓦的功放会输出约75瓦声音功率,以及25瓦的热量。但是这75瓦的声音信号送到扬声器,几乎所有的功率都在扬声器中变成了热,只有少量信号转换为声音。只有最灵敏的扬声器能达到5%的效率,大多数阻尼良好的高音,中等密度的纸盆或塑料盆低音扬声器的效率接近12%。

例如一个扬声器接到功放,以1瓦水平来测试阻抗与频响。然后打开电源,在播放CD一小时后,再测一下扬声器,会发现阻抗明显升高。分频器的分频点也明显的变化了。不仅音箱的分频特性变了,而且频响也变了,尤其是在低音扬声器的高端有下落。所有这些不正常是音圈过热引起的。放大器功率通过音圈所产生的热,部分被传到扬声器磁结构的上夹板,然后被散发掉,不幸的是空气并非热的良导体,热的积聚比空气能散发的快。阻抗的变化并非过热的音圈造成的唯一问题,热量会使音圈膨胀,导致与上夹板磨擦产生蜂鸣声。

磁液将音圈浸在一种导热的液体里,把热量从线圈上带走,减少了可靠性方面的问题,并改善了由于热量累积而引起的性能表现。气隙中的强大磁场使磁液保留在气隙之中。

图1和2的响应曲线表示一个四寸扬声器被以35瓦功率驱动,第一张图的扬声器没加磁液,第一条曲线是立即记录下来的,第二条是45分钟后记下的。在大多数频响范围下跌了3-8dB,在高端的输出损失很大。第二张图是一个四寸的扬声器加了磁液,作为对比的其他条件相同,可以看出,输出的损耗仅为1-3dB,在高端的响应稍有变化。

除了频响和其他基本的测试之外,由于音染造成的清晰度和分辨率的损失被用来判断扬声器的放音的质量。复杂的多音频技术也已被采用。使用音染测试扬声器的"自身的噪声"可以被测出来。音染是一种互调失真的量度,但是"IM"通常是由两个测试音构成,而乐音由许许多多音构成。所有扬声器都有难以捉摸的(或者并非难以捉摸的)嗡嗡声,喀拉声,调制噪音和其他异常。音染可用多音频测试(多达50个或更多)同时产生并输入到扬声器,每个音约1赫兹宽,中间空开几赫兹。这种测试信号接近乐音的复杂性,Deane Jensen设计了这种技术,并写了一篇AES论文描述其步骤。贝尔实验室SYSid音响分析测试系统提供了音染测试。Audio Precision One采用类似步骤,他们称之为FASTEST。有趣的是Audio Precision 只是说FASTEST是对从生产流水线上下来的扬声器的自动测试蜂鸣声和磨擦声的QC步骤。如果动态范围够大扬声器的话,(SYSid使用一种称为同步平均synchronous averaging的技术而达到了),那么可以对不同扬声器的设计在正常使用中评估其克服寄生共振的程度。在测试中,扬声器的自身本征噪音会在输入音频信号之间占据空间使音频信号下降不少。例如,一个浅的相对阻尼小的金属膜球顶高音扬声器通常会噪声大当它被加上多音频测试信号,所有的谐振都会被激发,并对输出有贡献。在一个较大的中音金属球顶高音扬声器这种"声学脏物"可能只有30或35dB以下。一个优质经过柔软处理的纺织品球顶高音可能只产生微不足道的噪音,而且大多数在不连续的测试音频附近,本征噪声比信号低40到50分贝,甚至更低。

为什么这是那样重要,又为什么这与磁液有关?事实上音染可能是扬声器质量的最重要的信号测试。如果扬声器的音染低,那么音乐中的细节就不会被扬声器的杂音掩盖。一个质量差的扬声器会在音频信号中的空间填上杂音。磁液并不直接阻尼锥形振膜breakup,但音圈骨架扭曲谐振被神奇地降低了。(见图3和4,音染的测量,加与不加磁液)。事实上磁液最初是用于密封圈和精密的电脑磁盘驱动器,为的是阻尼这些扭曲谐振。音圈骨架是一种用于绕扬声器音圈线的支架。骨架在声音的重现中是一种极重要的因素。因为来自音圈的振动必须通过骨架才能传递到锥盆或球形振膜上。骨架的任何共振会污染音质,因为这种不真实的能量会被传播到空间。在气隙中加有磁液,骨架受到阻尼,其噪声被减弱了。那些共振问题确实存在吗?磁液真的有效吗?

评估这个问题的方法之一是,做一个没有锥盆的扬声器,只有音圈,弹波和防尘帽。不加磁液,可以清晰地听到骨架本身的噪音,而用磁液阻尼的那一个就安静得多。先锋公司(Pioneer)在十年前就分析过类似的现象。他们先在球顶高音扬声中使用磁液。球顶高音扬声器的振膜与音圈骨架紧密粘结在一起,骨架的失真(以及磁液降低失真的效果)最明显。但在装有大面积纸盆的扬声器中,在骨架上发生的失真,比较不直接反映在纸盆的振动上,扬声器的性能更有赖于工程师选用质量好的纸盆而不是靠磁液的阻尼。

低音扬声器使用磁液的另一方面是适当的通风孔。这一技术是用来防止磁液的飞溅,磁液飞溅是因为在音圈后面有气压积累(在磁路结构中有空气被密封着)。同时通风孔还明显减少了扬声器的调制噪声,这一点对保持清晰度和分辨率是很关键的。图5是各种低音扬声器通风的设计。

在扬声器的防尘帽后面是磁芯(T铁柱),在扬声器纸盆向后的冲程时,防尘帽后面的空气会引起防尘帽向外吹气。而在向外冲程时,防尘帽又会向内弯曲,这两种情况都会产生不愉快的噪声。甚至防尘帽会飞掉(在播放《1812年序曲》印象时刻)。许多低音扬声器的磁芯开通风孔,为了释放防尘帽下面的气压,也为了有助于音圈降温。为磁芯开孔并不总是可行的,可能出于成本的考虑,也可能因为通风孔会减少磁路回路的效率,例如一个直径小的磁芯。于是防止气压的形成可以用这样的方法来实现:一个透气的防尘帽或用一个开通风孔的音圈骨架,或者在防尘帽下面的纸盆部位开孔。

在磁钢内径与上下夹板之间形成了一个空腔,在向后的冲程,音圈取代的体积增加了空腔的气压,如没有通风孔,被带入的空气会被迫以高速通过音圈气隙,如果音圈的振幅很大的话,磁液就会飞溅。这种气压可以用在后夹板上开孔的方法排放,如果磁芯有开孔,一个交叉的孔可以将两者连通。在弹波(弹簧板)和盆架之间的空腔也应开通风孔以释放其压力。弹波是棕黄色的纺织品(当看低音扬声器后部时)透过扬声器的盆架孔可以看到弹波。虽然弹波看上去似乎是透气的纺织品,但是经过处理的织物的阻力是非常大的,经过恰当的通风孔技术处理,音圈气隙中的气流和湍流噪声极大地降低了。如果所有这些通风孔技术都被采用了,但如果不用磁液,就会增加音圈磨擦声、蜂鸣声的机会。没有通风孔,高速气流通过气隙(来自未通风的气腔 )产生一种气体轴承效应——但这伴随着许多啸叫噪声。当空腔妥善地通风,并加了磁液,气隙调制噪声完全消失了,这是因为气隙被封住,也因为磁液对音圈骨架扭曲共振的阻尼作用。什么是空气的调制噪声?一个锥盆扬声器有一些内部的空腔,这些腔体并非有意设计的,而是各种零部件相结合时形成的。这些腔体在弹波后面,在防尘帽后面,在音圈后面(在环形磁钢与后夹板所形成的空腔)。当扬声器前后运动时锥盆,弹波、防尘帽在空腔中压缩或造成一个真空。这可以引起空气抽吸噪声("空气调制噪声")甚至更糟的是扬声器的振膜会变形,或产生寄生噪声。重要的是选择最适当粘度的磁液,现时留意粘度对温度的曲线及其对驱动器工作效率和频宽的影响。当扬声器经常工作在正常温度下,那么高粘度磁液的阻尼作用可用作为总体设计的一个因素。当常在高温下工作,所选粘度应该使驱动器在正常工作温度下的通频带响应,不受磁液的影响。降低磁液的粘度会减少在高温工作下磁液对功率压缩效应的抑制作用,这样频响就不会得到改善。早期的设计使用磁液,有时过分使用了其高阻尼特性,不仅用磁液来控制高端谐振问题,而且用以限止高音扬声器低频的振幅。在70年代,有一个日本广播监听扬声器(也在美国生产并在发烧友市场出售)完全取消了分频器,采用高达几千CP粘度的磁液。现在大多数APG(音响产品级)磁液只有几百CP或更低。

结束语

不计其数的扬声器使用磁液,之所以这样做是因为制造商希望更高的功率承受能力,更少的这不合格产品和保修退货。一些扬声器设计师使用磁液仅仅是因为经过这样处理的扬声器更清晰。音响发烧友和扬声器设计师一直在怀疑较简单的扬声器测试,如频响扫描,并不能揭示全部可以被听到的东西。最近对那些不能用短间A/B测试步骤来测的、随时间而变化的扬声器性能,设计出一种采样与量度的新测试步骤。所讨论的一个例子是:功率压缩现象,当音圈变热,增加了扬声器的阻抗,产生分频器的非线性。功率压缩效应是因为音圈温度的变化,可用磁液的传热效应来使其稳定。甚至在高分贝都可以保持音质。音染是显而易见的失真的另个例子,但以前没法测量。但音染明显地可以听到,而它在频率或瞬态响应测试中都显示不出来。即使与全部谐波失真加上噪声测试这种效应也不易分辨出来。可以把音染想成一个扬声器不同部位的摇动产生的噪音与喀拉声,就象一辆垃圾车在一条不平的路上跳动。所有振荡部件(锥盆、防尘帽等等)挂在扬声器盆架上发出喀拉声。音染测试的步骤是用许多同步测试信号来测扬声器本征噪声对讯号的影响,这是最接近真实音乐信号复杂性的声学测试方法之一。采用这种技术,现在可以看到某些形式的音染可以用磁液来加以控制,由此实现极高的清晰度和分辩率。

 

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