自制高品質(zhì)有源超重低音音箱,sound box with hyperbass

龍泉 《音響技術(shù)》

很多發(fā)燒友普遍使用6.5～8英寸低音單元的音箱，這些音箱的低頻下限比較低，低音聽起來雖然有力，但能量和延伸能力卻不足。眾所周知，低音是音樂信號(hào)的基礎(chǔ)，它在很大程度上影響聽音的氛圍，缺失低音信號(hào)聲音會(huì)顯得輕飄而不真實(shí)，而在正規(guī)的家庭影院播放中，超重低音箱是很重要的一分子，如果少了重低音的烘托，那就完全失去臨場感，也就是說不真實(shí)。
因此，筆者建議，如果有條件，還是選用中大型落地箱為好，以得到更豐富的低頻響應(yīng)，而組建家庭影院時(shí)，應(yīng)把超重低音音箱考慮進(jìn)去。當(dāng)然，如果原來的系統(tǒng)沒有豐富的低頻效果，你也可單獨(dú)添置一個(gè)優(yōu)質(zhì)的超重低音音箱來提高重播效果。不過，好一點(diǎn)的超重低音音箱售價(jià)不菲，既然我們有能力去自己設(shè)計(jì)制作書架箱或落地箱，那么我們是否也能自己做一個(gè)好一點(diǎn)的超重低音音箱呢?答案是肯定的，有興趣的讀者不妨跟隨著我依葫蘆畫瓢。

理想的超重低音箱的概念
在制作前，我們應(yīng)對什么是“好一點(diǎn)的超重低音音箱”有一個(gè)基本的概念。筆者認(rèn)為衡量超重低音音箱的品質(zhì)高低有幾個(gè)方面。
1.好的超重低音箱必須是有源放大的
所謂“有源放大”就是內(nèi)置功放的，而無源超低音音箱是沒有內(nèi)置功放，箱內(nèi)只有無源分頻器，要和主音箱共用或另配功放。無源超低音音箱是利用前級(jí)的音量控制來決定音量，如果超重低音音箱的靈敏度或音量和主音箱不平均，會(huì)引發(fā)聲場混亂、頻響不均衡、聲像定位出不來等情況，而此時(shí)超重低音音箱的擺位又不能解決這一問題，這些問題就難以改善。加上超低音大口徑單元的振動(dòng)質(zhì)量肯定大于主音箱單元，故發(fā)聲速度要慢一些，加了這種超重低音音箱之后，效果往往很渾濁。
有源超低音音箱是專門為低音重播而設(shè)計(jì)的。它的工作特征是信號(hào)直入帶有源分頻的前級(jí)。100 Hz以下的頻率由專用的低音放大器放大后驅(qū)動(dòng)超低音音箱。100 Hz以上的頻率經(jīng)分頻后送至放大器，放大后由主音箱播出。這時(shí)要有一個(gè)獨(dú)立的音量控制用來控制超低音音量跟主音箱在音量上的比例。
正規(guī)的添加超低音音箱是超低音在交叉分頻頻率以下工作(例如100 Hz或120 Hz)，而主音箱在交叉分頻頻率以上工作，不過這樣的分頻器要設(shè)在信號(hào)源輸出之后，主聲道前級(jí)之前，因而，一些高級(jí)的超低音音箱都設(shè)有一對左右聲道輸出端子，但在日常使用中很多人都是直接從前級(jí)輸出直駁入超低音音箱。
由此看來，有源超低音音箱所用的單元和內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)、專用的低頻提升技術(shù)，以及分頻放大器、箱體等都是為低頻再現(xiàn)而服務(wù)的。因此，有源超低音音箱的表現(xiàn)并非無源音箱所能比擬的。

2.超低頻量感要充足，延伸要足夠低
超低音音箱的功能就是彌補(bǔ)主聲道音箱的低頻不足。

3.超低音單元要能承受大功率而不失真
眾所周知，面積越大的振膜低頻潛得越深，同時(shí)為了要達(dá)到充足的能量，大多數(shù)的超低音單元都在10英寸以上，單元的振膜越大，相對的質(zhì)量也會(huì)增加，單元的運(yùn)動(dòng)不容易受控制，這時(shí)需要較大的控制能量既較強(qiáng)的輸入功率。否則，振膜的動(dòng)靜不能令行禁止就會(huì)使聲音模糊，如果單元反應(yīng)的速度跟不上音樂的速度，就會(huì)造成低頻段的失真，使聲音模糊不清，同時(shí)也會(huì)讓低頻變得軟弱而不夠力。

4.要有設(shè)計(jì)合理堅(jiān)固的箱體結(jié)構(gòu)
超低音是音箱播放中失真最嚴(yán)重的頻段，但低頻段其實(shí)也藏有許多細(xì)節(jié)和質(zhì)感，像低音大提琴與管風(fēng)琴的低頻就不一樣，絕不是轟轟響模糊一片的盲目“雄渾”感，性能優(yōu)異的超低音還可以輕易聽出堂音、細(xì)節(jié)以及音色等各種巧妙的變化，反應(yīng)快的超低音可以重現(xiàn)出凝聚的沖擊力和有效提升分析力并與中、高頻段銜接良好。箱體的長寬高比例和堅(jiān)固與否會(huì)直接影響到超低音的細(xì)節(jié)清晰度、分析力、速度感、瞬態(tài)反應(yīng)等，因此不能等閑視之。

選材設(shè)計(jì)制作
就上述幾個(gè)觀點(diǎn)，這款DIY的有源超重低音箱將通過精心選材、精心設(shè)計(jì)制作來達(dá)到媲美優(yōu)質(zhì)商品機(jī)的效果。
首先我們選用的低音單元是惠威Hi-FiRESEARCH 12英寸的W12低音單元(如圖1)。它的特征是采用高損耗、高順性、超薄、耐疲勞橡膠折環(huán)和德國KEVLAR增強(qiáng)紙基復(fù)合材料振膜，配以高散熱涂層、無渦流損耗、高承載功率76 mm音圈和耐高溫SV線以及一體化高密度鋁盆架，它的對稱磁場(SMD)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少音圈電感與反電動(dòng)勢的相互調(diào)制，加上超長沖程線性位移設(shè)計(jì)，使它有著承受功率大，fo(諧振頻率)和Qts(品質(zhì)因數(shù)，總Q值)較低，瞬態(tài)好，低頻響應(yīng)極佳，低音豐滿有力，高清晰度和解析力，動(dòng)態(tài)大，低失真的優(yōu)點(diǎn)，很適合做有源超低音。
W12低音單元的幾個(gè)主要相關(guān)參數(shù)是：額定阻抗8Ω；諧振頻率(fo)28 Hz； 額定功率150 W(最大300w)； 靈敏度(2.83V，1m)90 dB；總Q值0.42；振動(dòng)質(zhì)量89.7 g；等效容積(Vas)156 L。圖2是它的結(jié)構(gòu)尺寸圖。
　

選定單元后，應(yīng)當(dāng)考慮推動(dòng)這個(gè)低音單元的功率大小，為了很好地控制低音單元的運(yùn)動(dòng)，筆者認(rèn)為功率放大器輸出的功率不宜小于低音單元的150 W 額定功率，但也不宜大于它的最大300W 輸入功率，因此所用的功率放大器輸出功率應(yīng)在200 W(8Ω)左右。對于一般幾十平方米聽音室而言，如果設(shè)計(jì)合理，這個(gè)功率已足夠。
超重低音音箱用的功率放大器不僅要有大推動(dòng)力，同時(shí)其瞬態(tài)失真要小、反應(yīng)速度要快。這里采用的恒流功放驅(qū)動(dòng)，是用線性元件把流過揚(yáng)聲器音圈的電流取樣反饋到功放輸入端，使放大器以固定電流方式驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這樣就很好地解決功放內(nèi)非線性失真或瞬態(tài)失真不能兼顧的問題。
使用恒流功放驅(qū)動(dòng)還有不少好處，首先，輸?shù)綋P(yáng)聲器音圈的電流不受揚(yáng)聲器阻抗的影響，因而簡化了保護(hù)，提高了可靠性；其次是反饋取樣電壓與流過揚(yáng)聲器音圈的電流成線性關(guān)系，不存在相位差，減少了功放內(nèi)部的瞬態(tài)失真，系統(tǒng)的瞬態(tài)失真指標(biāo)取決于揚(yáng)聲器的瞬態(tài)特性；其 是用輸出負(fù)載特性的功放驅(qū)動(dòng)阻抗隨頻率變化的負(fù)載，會(huì)增強(qiáng)聲音的力度和解析力，反應(yīng)速度也快。圖3就是超重低音箱用的主動(dòng)伺服式功率放大器。它是專門根據(jù)W12低音單元的相關(guān)參數(shù)作了取樣設(shè)計(jì)。該線路可輸出200 W左右的RMS功率，為上下對稱分別采用負(fù)反饋恒流設(shè)計(jì)，這種線路的特點(diǎn)是負(fù)反饋分別加在輸入級(jí)晶體管的發(fā)射極上，與各自的偏置電路組合成獨(dú)立的上下對稱線路，優(yōu)點(diǎn)是前級(jí)的發(fā)射級(jí)不易混入噪聲，功放有很高的信噪比。
伺服均衡相位、音量控制線路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是從音源或前級(jí)輸出的信號(hào)經(jīng)L，R輸入送到運(yùn)算放大IC1A的輸入端，開關(guān)K1和IC1B就是用來控制信號(hào)的正反相，使之與主音箱有更正確的相位匹配。由三聯(lián)波段開關(guān)K2和IC1C構(gòu)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(gè)低頻輸入截止點(diǎn)。

圖3 超重低音音箱用的主動(dòng)伺服式功率放大器
圖4是主動(dòng)伺服式功率放大器所用的電源圖。發(fā)燒友都知道，好的功放在電源上下的功夫并不比線路少，為了取得更出色的音效，該機(jī)采用了一個(gè)約650 w 的R型優(yōu)質(zhì)變壓器，R型變壓器的漏磁和效率比常見的環(huán)型或EI型變壓器要好，溫升低，放在使用環(huán)境相對復(fù)雜的超重低音箱內(nèi)部明顯比環(huán)型或EI型變壓器有優(yōu)勢。

該機(jī)的前后處理線路各有自己獨(dú)立電源供應(yīng)，繞組是分開的，其中，控制線路的供電采用三端穩(wěn)壓處理后輸出正負(fù)15V的電源供電給IC1和IC2，后級(jí)功放為了減少電源內(nèi)阻，用4對中等容量濾波電容并聯(lián)輸出，以得到更快的反應(yīng)速度。為了進(jìn)一步減少箱內(nèi)磁場的互相干擾，整個(gè)主動(dòng)伺服式功率放大器裝在一個(gè)30 cm×35 cm×9.5 cm的厚鋁金屬機(jī)箱內(nèi)，其中散熱器是裝在箱體的外表，以利于散熱。
得到主動(dòng)伺服式功率放大器所占的容積大小后，我們就可以很方便地求出超重低音箱的內(nèi)腔容積大小。從W12低音單元的幾個(gè)主要相關(guān)參數(shù)來看，該單元較適合做倒相箱，為了取得相對平坦而不是渲染的低頻響應(yīng)，有較出色的瞬態(tài)響應(yīng)和良好的低頻延伸，在設(shè)計(jì)箱體時(shí)是采用SC4響應(yīng)設(shè)計(jì)。用SC4響應(yīng)設(shè)計(jì)是倒相箱設(shè)計(jì)方案中的較好選擇，它的特征是箱體比較大，但它卻有著很低的調(diào)諧頻率和相對出色的瞬態(tài)響應(yīng)以及較低的失真輸出特點(diǎn)，可能有讀者問為什么不采用更好的SBB4響應(yīng)設(shè)計(jì)? SBB4當(dāng)然更好，但我們在綜合考慮了兩種設(shè)計(jì)的音質(zhì)與箱體的大小關(guān)系后，認(rèn)為SC4響應(yīng)足以滿足高水平的聽音要求。
用SC4響應(yīng)設(shè)計(jì)的倒相箱雖好，但它要求低音單元有較低的Q值，w12低音單元的總Q值是0.42，基本附合這種要求。該超重低音箱是按查表方式設(shè)計(jì)的，表1收錄了從0.37～0.44的低Q值SC4設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)不同Q值的SC4響應(yīng)倒相箱時(shí)，讀者也可用此數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。

根據(jù)表1，我們很快就能求出該超重低音箱的內(nèi)空容積。
求箱體內(nèi)空容積Vb：
Vb= Vas÷α=156÷0.9113=171.2(L)
求箱體的調(diào)諧頻率 ：
fb= (fh÷fo )×fo=1×28=28(Hz)
求音箱的低頻截止頻率f3：
f3= (f3÷fo )×fo=0.937×28=26(Hz)
求倒相管長度L：
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，這里取值100mm，經(jīng)計(jì)算，Lv≈102.1 mm。
按照箱體容積公式計(jì)算所得的值均為凈容積，實(shí)際計(jì)算時(shí)要記得加上內(nèi)置功放的體積(10升左右)和揚(yáng)聲器的容積(約為4升左右)，而加固支撐件的體積可設(shè)在9升左右，這樣，箱體的最終容積V=171.2+10+9+4=194.2 L，實(shí)際制作時(shí)可按195 L計(jì)算箱體尺寸。
箱體內(nèi)部凈空的高、寬、深尺寸比與音質(zhì)有密切關(guān)系，如果尺寸比選擇不當(dāng)，有可能導(dǎo)致兩個(gè)甚至三個(gè)軸向振動(dòng)頻率重疊，產(chǎn)生難以消除的駐波干擾，讓聲染色加重。為減少不必要的影響，本箱的高、寬、深比例取值為1.3:1:1.2。經(jīng)計(jì)算，箱體內(nèi)部凈空的高、寬、深尺寸分別為65 cm，50 cm，60 cm。箱體用25 mm厚的中密度纖維板(MDF)制作，為提高箱體的剛性，箱體內(nèi)部設(shè)有一個(gè)支撐板，同時(shí)前障板用兩
塊25 mm厚的中密度纖維板(MDF)粘合起來，以減少箱板共振帶來的音染，得到較清晰的音效。圖5是該音箱的制作尺寸圖，制作時(shí)請注意各障板接觸面要加工平直，結(jié)合面要涂上木工膠使其接觸面緊密，并用木螺絲收緊，確保接合緊密牢靠不漏氣。為平衡前后障板的重量，主動(dòng)伺服式功率放大器設(shè)在后障板，散熱器為外露式設(shè)計(jì)。從該箱的后障板布置圖中可以看出，倒相孔是開在背后的，也就是說，該箱在擺位時(shí)不要太靠近后墻。

一般音箱內(nèi)的吸聲材料的放置方法有粘貼法和填充法兩種，倒相式音箱常采用粘貼法，該箱的吸聲材料用量是在箱壁鋪上用棉布包裹的5 cm厚左右的礦棉。如果覺得低頻能量過多，可適當(dāng)加厚吸聲材料。這樣，音箱的總Q值(Qts)下降，可以改變低頻厚度，使低音更清晰，提高瞬變反應(yīng)速度。為了超低音箱得到清晰高分辨率的低音，該箱宜選用金屬釘腳，最好是用銅質(zhì)的腳錐。

使用建議
使用中，如果低頻輸入截止點(diǎn)調(diào)得過高，與主音箱低頻段重疊過多，低頻在某些頻段顯得渾濁拖沓，將影響低頻的速度和清晰度。相反，當(dāng)?shù)皖l輸入截止點(diǎn)調(diào)得過低時(shí)，低頻也會(huì)出現(xiàn)不連貫的現(xiàn)象，讓人覺得主音箱與超低音箱是“各自工作”。因此，選擇合理的低頻輸入截止點(diǎn)會(huì)使主音箱與超低音箱實(shí)現(xiàn)平滑的低頻過渡，低頻量感會(huì)增加但又不會(huì)覺得有過于突兀、渲染，讓整體氣勢渾然一體。一般的調(diào)整原則是
如主音箱的-3dB低頻下限為6O Hz的，宜選55 Hz低頻輸入截止點(diǎn)，也可以這樣粗略調(diào)配。如主音箱的低音單元是4～5英寸的，可選75 Hz低頻輸入截止點(diǎn)；如低音單元是6～7英寸，選55 Hz低頻輸入截止點(diǎn)或更低檔。
超低音箱的音量調(diào)整不要調(diào)得過大(最好不要超過10點(diǎn)鐘)，防止超低音過于喧賓奪主和減少失真。在相位的調(diào)整時(shí)，先放一段低頻較豐滿的音樂，然后將相位分別設(shè)定在0°及180°位置，比較這時(shí)的低頻的量感，以量感豐滿、聲音清晰、凝聚者為佳。當(dāng)調(diào)整好后，超低音箱已融入整套系統(tǒng)中，你就會(huì)感受到它的威力。
自己制作一個(gè)像這樣的有源超低音箱約需要2500元，但它的音效可媲美售價(jià)高一倍的商品箱，而且實(shí)實(shí)在在。有需要的朋友，不妨自己動(dòng)手豐衣足食。