落地式三分频ASW超低音箱的设计与制作

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落地式三分频ASW超低音箱的设计与制作

1.设计目标
    随着音源和功率放大器水平的提高,如何得到更好的低频响应成为高保真音箱设计的重要任务。低频下潜深、全频带频响均衡与优美的音色是我们的追求目标。通常只有大口径扬声器与大型箱体才能提供更好的低频响应。但对于家用或不是很大的听音空间,由于大体积音箱不易摆放,现在经常采取的一种方式为一只内置扬声器的带通式超低音箱,即ASW 箱。ASW箱用来放送下限20Hz~40Hz、上限为100Hz左右的超低音,考虑到频率如此之低的声波其波长超过3m,可以认为没有方向性,往往仅设置一只ASW箱与其他若干只(一般为二至五只)音箱配合放音。在家庭影院中这种方式得到了普遍的应用,DVD影碟采用的杜比数字环绕声5.1声道中的“.1”声道大都通过ASW箱重放。然而,这种方式用于高保真放音并不十分理想,其主要原因在于低音绝非完全没有方向性,想一想欣赏交响乐时我们能够感受到低音乐器的定位,就不难理解只放一只ASW箱是不可能带来真正高保真的放音的。那么,我们只需采用双配置,即两只主音箱各配一只ASW箱就可实现重低音的高保真放音了。
    本箱的设计目标为ASW超低音箱与封闭箱组合的一体箱,即一只音箱的一部分是普通封闭箱,用来放送100Hz以上的中低音、中音与高音,而低于100Hz的音波则通过这只音箱的另一部分——ASW箱来放送。本设计的一体箱是一种落地式三分频音箱,如果设计得好,将会取得低音失真更小、中低音音色更加连贯优美、音场更加开阔等明显的优势。但这种方式的设计难度相当大,其原因在于首先ASW箱本身就很难设计。它是内置扬声器的带通式超低音箱,其频带很窄(小于两个倍频),因此,要想得到更低的下限频率、且在其频带内频响曲线比较平直(不均匀度比较小)确非易事。更困难的是,ASW 一体箱是将ASW箱与封闭箱结合成一体,如何使两箱之间的灵敏度搭配一致则成为最大的难题。因此,本设计的关键在于分别为封闭箱与ASW箱选择适当的扬声器并通过精准的箱体设计得到完美的有机结合。两种箱对扬声器的要求并不相同,下面结合音箱设计分别介绍。由于家用箱的体积不宜太大,我们将扬声器的口径锁定在6.5英寸。

2.ASW箱电声设计
    ASW箱设计的首要目标在于求得更深的低频下潜。经分析,ASW箱对扬声器的基本要求是谐振频率 应尽量低一些、总机电品质因数Qts大小要适当(0.5左右)、f0/Qts值要小一些,由于ASW箱本身灵敏度较低,所以扬声器的灵敏度高一些好。经多方考察,低音扬声器选定南鲸YD176-8XPH,这是南鲸扬声器中较高档的一款(该厂广告中常见它的身影)。与该厂的其他大多数产品不同,该单元采用了铸铝盆架,整体做工亦相对比较精致,甚至其Φ120×20mm2的大型磁钢都显得比其同门兄弟要精美许多。厂家提供的性能参数为:额定功率100W、灵敏度90dB、谐振频率40Hz、Qts值0.4、等效容积34L。更具特点的是其等效振动质量高达24g,不仅在同口径扬声器中罕见,而且高于大多数同厂8英寸口径的产品,这一特点为获得更低的频响打下基础。这款扬声器的主要不足在于其中音的音色较差;远不如其他南鲸纸盆系列的扬声器。我们曾试图将它用于普通二分频倒相箱,终因音色不佳而作罢。现将它用于重低音频段的ASW 箱放送100Hz以下的信号则音色绝无问题。不过真正吸引我们并最后选定它的其实是测谐振频率低至35Hz。额定功率高达100W,如此低的谐振频率,且灵敏度达到90dB的6.5英寸扬声器,实在是不可多得。我们对一批若干只该型号扬声器进行了充分老化,测得老化后的参数统计值为:谐振频率f0为35Hz、Qts值为0.475、等效容积Veq为29.6L。这些比较理想的参数结合其灵敏度与耐受功率,完全可以设计出十分成功的ASW箱。
    ASW箱的特点在于同一只扬声器能够得到多种频响平直、容积各异且灵敏度不同的设计。在频响基本平直的前提下,一般的规律是容积大一些、低频下限就低一些、同时灵敏度也低一些、频带也窄一些。因此,设计时不能单纯追求低频下潜,同时还要兼顾灵敏度与一体箱中的封闭箱一致。采用我们自行研制的计算机辅助设计软件进行精心设计:灵敏度设计为-1dB,即实际灵敏度为90dB-1dB=89dB,以配合封闭箱的灵敏度:箱体容积取开口腔11L,封闭腔15.5L;放音管与开口腔谐振频率60Hz;另外有关参数为箱体品质因数(或称漏气系数)Qt取6。该箱的频响曲线见图1。图1显示该箱频响平直,-3dB的高低端频率下限为98Hz和37Hz,考虑到灵敏度的-1dB,实际下限应为-4dB处的103Hz和35Hz。即该箱的技术参数为:频率响应35Hz~103Hz。
 
    35Hz的低频下限对于ASW箱并不十分出色,但考虑到扬声器口径以及箱体容积,该箱已属很成功的设计。

3.封闭箱电声设计
    封闭箱的中低音扬声器选取玄度Y651,这是一种性能极为优异的6.5英寸扬声器。其厂标参数为:灵敏度89dB、谐振频率30Hz、总机电品质因数Qts值0.30、等效容积Veq为32L。这些参数实在是太诱人了,尽管我们对其真实性亦存疑惑,但其中Φ120 x 20mm 的大型磁钢与质感细腻的掺羊毛纸盆令人确信绝不至于失望。果然,充分老化后进行实测,它的参数为:f0为43.2Hz、Qts值为0.381、Veq为16.2L。虽然实测参数与厂标参数相去甚远,但仍不失为一款优秀的中低音单元。高音扬声器定为同厂产品S-13,该单元为双磁路(两块磁钢)结构、液磁冷却、纯丝振膜的球顶高音扬声器,厂标灵敏度为90dB、谐振频率1.8kHz。它的音色明亮与柔和兼具,搭配Y651相得益彰。同样采用我们自行研制的计算机辅助设计软件进行设计,封闭箱的净容积取5.5L,频响平直,低频下限f3为81.4Hz。低频段频响曲线见图2。
 

4.箱体设计与制作
    落地式一体箱的箱体外形酷似二分频二单元倒相箱,面板上只能见到两只扬声器和一个倒相管口。其内部实为三腔结构:上部A腔为中低音封闭箱,考虑占容,毛容积取7L,面板上安装中低音扬声器Y651;中部B腔为ASW 箱的开口腔,面板安装封闭箱的高音扬声器S-13(高音单元背部密封,安装在哪个腔均无妨碍)和ASW箱的放音管,背板安装双线分音接线盒下部C腔为ASW箱的封闭腔,中下部之间的隔板安装内置的低音扬声器YD176-8XPH。放音管取内径中57mm、外径中Φ62mm的PVC硬质塑料管,长为160mm。箱体全部用18mm~25mm中密度板制造,三个腔的尺寸均采用消除驻波简并尺寸设计,箱体内尺寸为(W × D × H):178mm ×223mm × 889mm,见图3。两个封闭空间,即A腔与C腔应适当多填充一些吸音材料。
 

5.分频器设计与制作
    本设计的另一个重要部分是分频器,其中涉及到三分频中音部分的带通设计。我们将分频器分为中低音扬声器Y651与高音扬声器S-13之间的高音分频和中低音扬声器与重低音扬声器YD176-8XPH之间的低音分频两组,分别加以介绍。
    高音分频采用最常见的-12dB/oct二阶分频,只是降落交叉点选在-4.2dB左右处,两只扬声器极性反接,均设阻抗补偿电路,且因高音扬声器灵敏度稍高,在高通电路中串接衰减电阻R 以取得频响的均衡。据厂标参数,Y651有效频率上限为7000Hz,S-13谐振频率为1.8kHz,综合考虑扬声器特性,中低音与高音分频点定为3500Hz。各分频元器件参数为:高通电容C3=2.7uF,滤波电感L3=0.564mH,衰减电阻R=2.7Ω/7w,高音阻抗补偿电阻Rt=10Ω/5w,补偿电容C2=2uF;低通电感L2=0.572mH,滤波电容C2=4.7uF,低音阻抗补偿电阻RW=7.5Ω/10W,补偿电容Cw=20uF。这一精准设计的分频器为封闭箱的平直频响提供了有力保证。
    低音分频采用-6dB/oct的一阶分频,主要是考虑到ASW 箱频响的带通特性以及分频元器件数值过大带来的困难。参考图1频响曲线,分频点取为100Hz,高通电容C1=200uF,低通电感L4=12.7mH。

    分频器电路见图4。分频器的制作需注意几点:高通电容C3必须选用优质分频器专用CBB无感电容。该电容对高音的音质影响极大,虽然优质电容价格较高,但在此增加投资一定会得到相应的回报。低通电感L1需用较粗线径(大于Φ1.0mm)的优质漆包线空心绕制。该电感的直流电阻应尽可能的小,(小于0.4Ω),以便得到封闭箱更好的阻尼。C2、Ct、Cw对音质影响相对较小,可用一般薄膜电容,甚至价格更为低廉的双极性电容(也称无极性电容)也可选用,但必须容量准确。中低音部的高通电容C1容量太大,可用多只电容并联得到,为降低成本,也可用音频电解电容同极性串接得到(即自制双极性电容)。ASW箱重低音低通电感L4容量过大已不可能空心绕制,只能采用铁芯(或铁氧体磁芯)电感,因可能承受较大的功率,要求铁芯有足够大的截面,保证通过4A电流不产生磁饱和。

6.改进方案
    具体制作当中,最大的困难在于如何得到大电感L4。事实上,L4电感量小一些也无妨,只要能够充分利用好ASW箱的带通频响衰减特性,甚至根本不接L4,即不加以分频而直接将ASW箱连接功率放大器亦非不可。为此,我们专门编制了计算机仿真模拟软件,得到这一方案的频响曲线见图5。图中两条细曲线分别为封闭箱与ASW箱的频响曲线,粗曲线为合成频响。这时将封闭箱中低音部的高通分频点选在ASW箱的高端-3dB处,即103Hz,经反复试算,此时C1取280uF,可以得到波动不超过±1dB的合成频响。由于两部分的衰减速率不同,故合成频响很难得到完全平直。
 
    省去L4自然带来制作上的方便,但大容量电容C1也使人感到为难——优质电容成本太高,一般电解电容有损音质(因是通路电容)。如果索性将C1也省去,中低音与重低音之间干脆不加分频,直接依靠封闭箱低端与ASW箱高端频响的自然衰减搭配合成,结果又将会如何呢?经计算机辅助仿真分析发现,合成频响在50Hz~120Hz频段有少量的提升,提升中心为80Hz左右,凸起约1.5dB。这样的频响状况是ASW箱标准的对称设计与封闭箱直接搭接(不加分频)的必然后果。尽管这一方案并没有给平直的频响带来太大的影响,+1.5dB完全可以为大多数人所接受,但是作为设计者,特别是提倡平直频响的设计者,我们对此仍不满意。
    进一步的改善有两种途径,其一是调整封闭箱,使其频率下限f3升至100Hz左右,考虑到封闭箱本身的平直频响要求,只有另选扬声器才可能做到。还有一种方式就是我们下面介绍的非对称ASW箱设计。
    我们需要改变一个传统观念:通常ASW箱的频响曲线总是设计为顶部对称的双峰曲线以求得到平直的频响。现在为了与封闭箱之问得到更加和谐的配合,可以将其双峰设计为低端峰高、高端峰低的非对称曲线,将可以获得更加平直的合成频响。该方案在总容积不改变的条件下,将封闭腔C的容积减小为13L,将开口腔B的容积增大为13.5L,也就是将图3中下隔板(装有内置扬声器YD176-8XPH)向下移63mm,同时将放音管加长为170mm,其谐振频率为51.8Hz。频响曲线见图6。
 
    可以看到合成频响平直了许多,上下波动不超过0.5dB,且低频下限也向下延伸,下限f3达到33Hz。箱体图见图7。
 

7.小结
    两种更加有利于制作加工的简化分频方案均可以得到不错的听音效果,特别是最后一种方案,既避免了低音分频器的制作困难,又得到了相当平直的低频响应。我们的样箱就是按照最后一种方案实施的,箱体采用20mm优质中密度板制作,外表贴以原色真木皮,喷涂德国产高档无色亚光漆,成品十分精致。该箱外观苗条秀丽,音场极为开阔,音色优美,频响均衡,低音下潜深、失真小,这一特殊设计带来的效果令一般的高保真音箱均相形见绌,用于家庭影院亦可得到满意的效果。

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