音箱设计杂谈之二

音箱设计杂谈之二

----音箱箱体的设计

 

前文已经介绍了音箱之心脏——分频器设计的一些基本理论。本文则介绍一些箱体内容积设计的一些理论，像倒相箱、闭箱，同时也介绍一些属于箱体范畴的箱体外观设计，内容积的设计，以及箱壁材料的选取，及箱内驻波与“箱声”消沉的一些方法等。

首先谈一下箱体内容积设计。选定了单元后依据低音单元的参数来设计内容积从而确定低频响应是首要的一步。

首先介绍一下内容积的设计。作为起点必须先测定低音单元的一些T/S参数，如fs、Qt、Vas，以及确定单元的极限振幅Xmax与等效振动直径Deff。而这些参数必须是根据你得到的单元，“煲熟”后测试出来，永远不要迷信厂家所给出的参数，依据笔者经验，极少遇到厂家给出的参数与实测相吻合的情况，更不要相信厂家所建议的箱体容积等设计参数。关于如何测量以上这些参数稍后会有专文论述，这里不再介绍。

根据测得参数，首先需要确定采用闭箱还是倒相箱，这一方面决定于你对低频响应的要求，另一方面也取决于单元本身的fo/Qts比，一般以fo/Qts≥100以上的单元较合适于做倒相箱，fo/Qts≤100的单元适合于闭箱。

闭箱的设计相对比较为简单。首先根据需要选定合适的箱体Qts和fo，据此导出α和内容积。

首先要知道单元的以下参数：Qts、fs、Vas、Xmax与Deff。

有关公式如下：

 

关于如何取定义值来确定Qb、fc、VB，有以下原则：

一、α值不可过大，否则VB会太小，由于箱体上要安装单元等各部件，所以内容积太小的话会失去实际意义。

二、Qb的值与fc的值相关，一般来说fc越高，Qb取值越大，Qb一般在0.7-1.5之间，如fc≥70Hz的话，一般

Qb取值会在1-1.5之间。

三、fc不可太小，由于单元口径有限，而输出相同声压时单元的振幅Xmax一定，故fc每下降一倍，音箱的最大输出声压就会下降12dB，而专业用的音箱要求音响系统最大输出声压级达到110dB，对于家用系统虽然不需要那样大，但至少要达到106dB这个水平，这样就要求音箱设计时fc不可太低，否则就会在使用中时常出现振幅超过极限的“拍边”现象。

根据106dB输出声压的限制，Par≥0.25(W)

要注意106dB输出声压并不是很高的要求,而Xmax对于大多数的6.5"单元来说是达不到10mm这样大的，一般仅有5mm左右，这样一般单个6.5"单元音箱的低频下限也就只有

50Hz了。

而对于同样极限振幅为10mm的8"单元，其低频下限则可以达到30Hz，10"单元则为24Hz。

目前市场上常见到一些音箱，低频混浊，动态一大就“拍边”严重，一部分就是因为没有设计好音箱的低频下限。

倒相箱的设计较为复杂，传统上是以查表方式来进行设计，但可以选择的往往有限，并且其偏差较大，往往初始理论设计值与最终调定值差别较大，目前常用的方法是采用计算机辅助设计，这里不再多谈，详见今后计算辅助设计的专文论述。

这里仅给出倒相箱设计必须遵循的一般原则：

一、单元选取以Qts在0.3-0.4之间，最好不超过

0.5，fs/Qts在1000-120之间为佳。

二、单元的极限振幅Xmax较大为佳。

三、根据计算机模拟或用近场方法实际测得的最终的低频频响曲线不能出现过冲现象，也就是在消振频率以上的频段是平坦的或单调下降的，不可在几百Hz出现凹谷。

五、由于书架的低频下限有限，一般在50Hz以上，这样如果低频频响是平坦的，则听感上会出现低频不足，所以一般情况下，对于小型书架箱，倒相设计与封闭设计一样，通常设计上使低频适度隆起，以弥补低频不足，并且越是下限频率高，隆起也越高，但以不超过+3dB为宜，否则低频“隆隆”声太大，会丧失低频力度与清晰度。

经常听到一些发烧友和一些厂家的设计师讲，依据一些音箱设计教科书或手册上的图表，设计出的箱子，声音表现一般，或者说最终以听感调校出的音箱内容积倒相管的参数，与从图表上查得的参数差别颇大。其中的原因一是依赖厂家提供的单元参数还是依据自己实侧的参数，以及自己测试时单元是否“Run in”煲熟了。

另一个关键可能就是前面讲的，对于书架箱，低频平坦响应的设计听感上可能并不见得平衡，而教科书上所给的都是平坦响应。当然这只是笔者的意见。

六、箱体损耗因子QL的确定。

熟悉倒相箱设计的人应该都知道有一个箱体损耗因子QL，此值反应箱子加工的气密性与所有单元的气密性。对于一般的倒相箱取QL=7是一个很好的起点。但是对于一些无密封防尘帽的单元来说，比如有相位锥的单元等，其设计的箱体的气体泄漏是比较严重的，必须实测QL值。并据此设计。

七、过粗的倒相管。

倒相管的直径越大，意味着管长越长，也意味着“管子谐振”（pipe resonance）越严重。

国外曾研究过该问题，以一个12"的单元为例，取6"倒相管需30.25"长，4"则为12.3"，3"则6.25"，2"则为2.3"，结果是经计算机模拟，采用6"倒相管，自200Hz-1KHz，出现五个峰谷，最大±10dB，采用3"倒相管则仅在800-900Hz处出现一个±4dB左右的峰谷，而采用2"倒相管则不存在谐振。

同时，由于管长的过长也会引致较大的低频群延迟，同样的上例的12"单元设计的箱体，采用6"管子时群延迟最大达30ms，而采用4"倒相管时，则只有18ms左右，同时管子太长，会带来管子劲度的下降，大功率下管子的颤动剧烈，这些都会带来低频音质的低劣，丧失低频力度与清晰度。

但过小的倒相管口径会带来严重的气流，所以推荐采用的倒相管直径为低音单元直径的1/3～1/4。常见的6"单元推荐使用2"倒相管，而8"单元使用2.5"左右倒相管。

当你必须采用大口径长管子的倒相管时，增加管子的强度，以及尽量加大倒相管开口与低音单元的距离，是会有好处的。

综上所述，可见倒相箱设计是较为复杂的，如果没有丰富的经验与良好的听感，仅仅依赖于一些图表是不可能设计出好的倒相箱的。目前国际通用的方法是利用计算机模拟，以图表上查得的最平坦响应的内容积、调谐频率等参数为起点，逐步调整出所需要的低频响应的曲线，（当然，不同设计师风格不同，其心目中的频响也不同），然后实际制作，反复听音调整，并且与分频器、高音一齐统调，经过多次反复，方可得一较佳设计，这也是目前国际上自购单元自己设计的ＤＩＹ方式日见式微的原因，相反，采购厂家设计好的套件（Kit），自己动手制做的方式还有一定市场。

下面重点谈一些属于箱体设计范畴，而一般教科书上又付之阙如的内容。如箱体尺寸形状的设计，箱壁材料的选取，箱内驻波的消除，以及面板的单元布局，等等。

首先谈一下箱体外形（或内空间的形状）设计，由于箱子一般都采用薄板拼成，所以内容积形状与外形有一定的关系，首先大家都熟悉的原则是内空间三个尺寸不可为整数比关系，一般推荐为0.618:1:1.618或其它非整数比例，这主要是为了避免出现某个尺寸的简正频率与另一尺寸的简正频率相同，出现相互加强或对消，引致频响上的峰谷,但一般来说，只要避免三阶以下的简正频率相同即不会有太大问题，比如的1:1.6会出现8次简振与5次简振相重的现象，但引致的频响不均匀相当小，故可以不考虑。

以上是针对箱内为矩形箱结构而言，国外有些厂家为了达到更为理想的效果，采用了一些复杂的曲面状内容积来进一步达到理想的音质。如B&W的“鹦鹉螺”音箱，采用的螺式渐变曲面的内腔，如果展开后其后腔的深度可能有几米长（由于无图纸，仅为推测），这样就可以避免后障板在近场范围所造成的较大反射驻波，其低频的频响得到改善，当然改善的效果是否值得其所增加的成本，可以商榷，但音质改善是肯定的。

国外也有一些厂采用一些曲面后板，声称可以改善箱内驻波情况，这就有一些疑问，大家都知道由于分频器的作用，中低音单元向箱内所辐射的声波，一般在4KHz以下，而4KHz的波长为8.5cm左右，而一般箱体的深度在30cm左右，这样后障板是完全处于低音单元的近场范围之内，（即使是在4KHz处）。

而采用常见的活塞辐射模型可知，单元在近场辐射时是接近抛物线型的，如图所示（图-2），只有在远场范围才可近似视为平面波。

根据以上分析的单元辐射图样来分析，我们可以得知采用扩散型凸面反射面会获得最佳的消驻波的效果，而其次是平面，最差的是凹型会聚式反射面，其不仅不会减少驻波，反而会大大加强驻波，如图所示（图3-5）。

这也可从国外顶级高音的后腔设计上得到验证，丹拿T330高音的后腔设计如图（图-7），就是采用凸面发散型曲面的，当然其频段高故尺寸也小一点，但其尺度将近3cm，达到其工作最低频率2.5Kz的近1/4波长。

可见国外的这些厂家实际上是在花钱做坏事，当然其欺骗性宣传不仅蒙骗了一些发烧友，也蒙骗了一些国内盲目跟风的厂家。

同时，根据前面分析的箱内只有4KHz以下的声波的情况，任何希望消除驻波的设计的形状，其尺寸都必须至少大于4KHz的半波长4.5cm。所以目前的一些利用凹凸不平或阶梯状面来消除驻波的方法，至少要保证其凹凸的尺寸L大于4.5cm（图-6），并且也只能消除4KHz或以上的驻波，而对于大量存在的4KHz以下直至30Hz这样低频的驻波想以形状来降低驻波是没可能的。要想减少1KHz附近听感敏感区域的箱内驻波，也要用至少86MM的凹凸才有效。

那么是否有方法来降低驻波呢？目前可行的方法是增大箱内壁的缓冲，降低内部反射来降低驻波。

由于海绵、玻璃棉、晴纶棉等只对中高频起作用，故消除低频驻波无能为力。而软木、或密实的棉毡对低频有明显的缓冲作用，所以是唯一的选择，并且采用这种方法同时可以有效地减少箱声，一举两得，对低频音质的改善效果明显。

谈完箱体内部的设计，就要谈一下箱子外部的设计。

首先谈一下单元的布局，中低音的布局由于频段的关系影响不大，但高音单元的位置就影响颇大。由于高音一般装于音箱的上半部，其距底部的距离较大，影响甚微可以不考虑，这样如图所示（图-8），就有三个距离d1，d2，d3，最差的布局就是d1=d2=d3或d1=d2=2*d3等d1/d2/d3为整数比的情况，这样的话实测频响曲线上在对应于d1为1/4波长的频率处，会出现一个明显的深谷。所以同样的存在一个理想的布局，那就是0.618:1:1.618，譬如d1：d2：d3=0.618:1:1.618，也就是常见的“镜影对称”式设计，其频响就会最平坦。

图8

常见的设计中，往往不在注意这个问题，一般都是d1=d2，并且d3也接近于d1、d2，这样明显会破坏高段频响的平坦度。

这个问题产生的原因是由于音箱的边缘的散射引起的，当某个边产生的散射与直射波成反相时，这个散射会造成频响的下凹，如果d1=d2=d3时这样三个边（上、左、右）的效果会迭加，在频响上就会引致较大的峰谷。笔者曾试过当d1=d2=d3时，在4.5K处造成较大的峰谷。而当d1/d2/d3取非整比值时，这个凹谷小了很多，这与内容积的三个尺寸不成整数比的机理是相似的，都是打散其简正频率，不同的是一个是反射，一个是散射。

其次再谈一下前障板的表面处理，目前国内外都有人用吸音材料部分地或全部覆盖在前障板上，对此的机理都语焉不清，只云消除反射，有利于辐射等。对此有点疑问，反射并不见得就是不利的，我们一般地单元都是以障板方法测试而设计出来的，也就是说一个具有平坦响应的单元是基于障板的反射的，如果我们将这样的单元装于自由空间，其响应反而会是不平坦的，简单考虑是会出现高频下降趋势，对高端吸收大，从而导致高频响应进一步降低。这也可以从有人发现将这样设计的音箱上的吸音材料去掉，高音反而听感好，否则高音出不来得到验证。

国外有人设计音箱时在高音周围在一些特殊位置加很少的吸音材料，其目的并不是消除前障板的反射，而只是当做调整频响的手段。如LS3/5A等，吸音材料只占很少一点面积，不会影响到整个频段的。

再谈一点外观设计，音箱是音响系统的一部分，由于音乐的艺术性，所以音箱也无疑带有一定的艺术成分，所以一个好的音箱其外型的观感也必须与其音色风格的档次、风格相吻合。很难想象一件音质极佳的商品化的音箱其外观却丑陋不堪。音箱外观要求工艺严谨，美观无疑是对的，但是却不可繁杂花哨，要知道音响设计的天条是”简洁至上“，故音箱或音响器材的外观无疑是应该追求一种简洁朴素的美感，以求与内涵的统一。另一方面，外形是服务于内涵的，这个主次之分是不可颠倒的，音箱（或任何一种音响器材）其用于音质部分的成本或许至少要占到总成本的60%或更高，如果过于繁复则只要两种可能，一种是限于有限的成本，只能降低工艺的严谨，可以看一下国内生产的许多廉价音箱，如果远看一下，很是花哨（至于是否漂亮就见仁见智了），但如果走近一看，就露馅了，工艺极为粗糙，这样外观工艺粗糙的音箱你是否担心其内部工艺的质量呢？

另一种可能是工艺一样严谨，这样成本就会大幅上升，而总的售价又不可能大幅提高，最终只能是主次颠倒，外观的成本反而占了总成本的6-7成，这样的音箱你是否会买呢？这里我想到一个典故“买椟还珠”，据云有一珠宝商制作一个非常精美的盒子（椟）来盛放一颗漂亮的珍珠，盒子上镶嵌了许多宝石，拿到市场上出售，结果一个人买下后，把把盒子拿走，但把珠子还回那个珠宝商。这个典故告诉我们，一件商品的本身价值是主，其外观包装是次，不可主次颠倒。

作为一个音响发烧友，是否应该问一下你买的器材有多少钱是花在外观上的，有多少钱是化在音质上的，这也可以说明为什么超值的器材总是一些外观简洁的器材。

近年来国内出现了一种音箱外观愈来愈花哨的现象，并且也出现了一些外形成本极为高昂的产品，故此我借此讨论一下这个问题，希望厂家能够回到追求音质，而外观简洁雅致的道路上来。如果如此，相信对广大发烧友是一个喜讯，对国产音响的提高也会有一定的帮助的。

http://www.hifi10000.com/bbsmain/html/15/n-1015.html