为什么会有号角喇叭

HiFi秀 | 2018-7-3

用厚纸板卷成头大尾小的圆锥状,然后把嘴靠在纸筒的锥部喊话,结果发生了一个很有趣的现象:那就是面对纸筒的直线位置,听到的讲话的音量变大了、变清楚了

相信大家在上学的时候都做过一个有趣的实验,用厚纸板卷成头大尾小的圆锥状,然后把嘴靠在纸筒的锥部喊话,结果发生了一个很有趣的现象:那就是面对纸筒的直线位置,听到的讲话的音量变大了、变清楚了。


为什么会有号角

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这个现象大家都习以为常,自然而然地把它视为常识的一部分,并且实际运用于生活当中。例如我们隔远喊人,一定会很自然地把双手靠拢在嘴巴上形成号角,这样可以让自己的声音显得更雄壮些、对面的人听得更清楚些。就是因为利用了这个简单的物理原理,不但可以让声音传得更远,而 且可以让号角投射的方位声音更集中,音量更大些,这就是号角最基本的好处。


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其实前人早就掌握了号角的好处,发明大王“爱迪生”就把他生产的留声机,用固定在发声振膜上的竹针从蜡筒的刻纹上拾取声音信号,振动传导到小小的振膜,在没有加装号角的情况下,把耳朵靠在振膜旁才能听到叽叽喳喳的微小声音,这时往振膜外套上一个号角的话,音量立即就剧增了几十倍,不但音量大了,还扩展了频宽,让整个房间充满音乐。因此,我们现在见到那些古老的留声机的那些大喇叭,就是号角。


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而在电声扩音的年代,首先将号角技术运用到商品化的是美国音箱设计师 Paul Klipsch,他被誉为号角喇叭的研发先驱,他的试验表明,喇叭单元加上合适的号角之后,由于空气压力的阻抗匹配良好,因此可以使得发声的效率大为提升10倍甚至50倍之多,这样就意味着要达到相同的声音压,使用号角技术可以大大降低喇叭单元振膜的振幅,相对之下喇叭单元在小振幅运动中可以获得更低的失真、更线性的表现。就片面的音响特性而言,使用号角就是提高最大音压的上限,降低失真,增加动态范围,以及控制声音的扩散角度,对使用小功率电子管功放的用家而言,由于号角喇叭的效率普遍都很高,因此只需几W输出的电子管功放,如 300B、2A3 等等,同样能够享受到爆棚音乐聆赏的乐趣,这就是号角喇叭至今依然受到音响迷欢迎的最主要原因之一。


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Paul Klipsch 是一位声学科学家,对于号角的研究可谓倾尽心力,当然会利用科学的实验数据来证明号角的好处。他的试验是这样进行的:在消声室中测试一个喇叭单元,用功放对这个单元输入两个不同频率的正弦波信号,然后分别利用频谱分析仪器测试这个单元在发出相同音量时,加上号角和不用号角前后的各项差异。这个实验的结果发表 在美国 AES(Audio Engineering Society) 期刊上。由于加装号角之后的工作效率得到提高,因此发出相同音量时,有装号角的输出只需没装号角的几十分之一功率,因此各项谐波失真比例也大大地降低了。利用喇叭单元在低功率下工作以降低失真的原理,就好比现在大型喇叭系统,喜欢用多只喇叭单元并联以求取各个单元较低输出,是完全相同的道理。但是,使用号角不必多个单元并联,只需一个单元就可以了,大大降低了制造成本,这就是Paul Klipsch 努力的目标。


低音号角遇到的问题

虽然知道了号角有增加效率以及降低失真的优点,不过号角的长度以及开口大小,密切关系着号角的声音特性。要详细说明号角展开时的数学方程式是非常艰深且困难的,因为需要运用大量的指数式运算,对于一般读者和玩家而言,只需了解号角的基本原理就足够了。

 

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首先,号角开口的大小面积,影响着号角能够产生的最低频率截止点,简单说:号角的开口面积越大,所能重播的频率下限延伸得越低。这个数值大约是多少呢?延伸至35Hz 时的开口面积,大约是一张标准办公桌的桌面大小;如果要设计一个延伸至 28Hz 的号角,开口的面积就要暴增至一辆大货车车头那么大了。开口这么大显然制造和使用都是不现实,那是否可以把号角展开的角度加大些呢?当然并没有这么简单,因为这又会涉及到另一个问题,那就是号角的展开角度是要公式计算的,依照不同形式号角的特性,基本的公式是一个指数方程式,抛物线方程式或是混合的双曲线方程式,配合单元机械特性的不同,分别在方程式中加入不同的系数而成,利用公式计算出来的数据显示一个号角的展开原则。

 

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以能够产生球面波的号角方程式而言,从单元发声的振膜位置开始算起(通常称为号角的喉部),每增加单位距离,号角的截面积就会成指数性的增速,指数的特性就是这样,开始的时候数值增加的速率很慢,但是越接近到后面,数值增加的速度就越来越快,最后几乎呈直线上升向无限大发展,这就是指数的特性。

 

基于此,因为号角每增加单位长度,其号角的截面积就会呈指数性增加,所以通常见到的号角形状,越接近单元的喉部就呈细长缓慢展开的样子,而开口的部分就和喇叭花瓣一样快速弯曲展开,所以大家别自以为聪明要亲自动手为单元加上号角,没有经过精密计算的号角,其频率响应,扩散波形,扩散角度等参数都难以达到理想的状态。

 

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如此一来,号角展开的弧度无疑要公式精确计算,加上延伸够低的低音号角体积十分巨大,大到家居根本无法安放,所以从很多媒体上看到那些超级号角玩家,其低音号角不是从聆听室的后墙穿墙而来,就是像鹦鹉螺或低音大号般,把号角管路卷起来。音响发烧过头的玩家如果聆听室无法施展“隔壁穿墙术”,当然唯有把整只长度超过两层楼的号角吊起来,从三楼向下一直延伸到一楼的聆听室。


折叠式号角


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Paul Klipsch 的厉害之处在于,既然号角的开口要大到一定程度才能获得足够低沉的低音,因此在开口大到一定程度之后,其号角长度势必不短,Paul Klipsch 为了这个问题无法解决而伤透脑筋。传闻某天Paul Klipsch 午休时突发奇想,为何不把号角“折起来”呢?利用精密的计算和调整,把低音单元藏在音箱最内层的密闭空间中,然后利用巧妙的木头间隔,组装出一个经过计算的通道,这样一来既不损号角开口面积,又可以大大缩小体积,这位科学家又开始了一连串的计算和实验,终于制造出了折叠式号角的鼻祖:Klipschorn(即 Klipsch 与 Horn 的缩写)。


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当时Paul Klipsch 的想法是这样的,他把Klipschorn 的低频截止点设定在35Hz(-3dB),但是即使折叠起来之后的箱体体积也像个大木柜般,所以他把号角的开口设计在喇叭的两侧,但是Klipschorn并没有侧板,用家使用是必须把它紧靠在三个互呈直角的坚硬墙角上,把接触的墙壁视为号角的一部分。由于Paul Klipsch 把折叠号角实用化,所以后来也有不少号角设计师依照这个构想,推出不少类似的设计,只不过大部分的设计迁就于设计时的计算难度,他们遇到的最大问题在于木板间隔间是平面构成的管道,但是号角的展开延伸是呈指数性增加的,所以难免会遇到一些妥协,折叠式号角的设计有一个变形设计,就是后来的传输线式设计,相同的地方是利用拉长声音通道的长度,达到延伸低频的效果,只不过开口的大小、以及管道延伸的截面积并没有号角喇叭那么严谨,所以声学特性上有不同之处。


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当时Paul Klipsch 的想法是这样的,他把Klipschorn 的低频截止点设定在35Hz(-3dB),但是即使折叠起来之后的箱体体积也像个大木柜般,所以他把号角的开口设计在喇叭的两侧,但是Klipschorn并没有侧板,用家使用是必须把它紧靠在三个互呈直角的坚硬墙角上,把接触的墙壁视为号角的一部分。由于Paul Klipsch 把折叠号角实用化,所以后来也有不少号角设计师依照这个构想,推出不少类似的设计,只不过大部分的设计迁就于设计时的计算难度,他们遇到的最大问题在于木板间隔间是平面构成的管道,但是号角的展开延伸是呈指数性增加的,所以难免会遇到一些妥协,折叠式号角的设计有一个变形设计,就是后来的传输线式设计,相同的地方是利用拉长声音通道的长度,达到延伸低频的效果,只不过开口的大小、以及管道延伸的截面积并没有号角喇叭那么严谨,所以声学特性上有不同之处。


高音号角和低音单元的效率协调

大部分号角喇叭迁就于体积限制,折中采用两路设计,其中中高音使用纯号角设计,而低音部分则使用大尺寸的高效率传统单元取代,因为中高音号角喇叭的效率十分高,动辄能达到110dB 的超高灵敏度,相较之下低音单元就无法与中高音单元取得效率上的协调,解决之道就是刻意通过分频器压低高音的输出,以求和低音取得平衡。设计中普遍的做法大概有三种:一是在中高音号角上串联一个低阻抗的无感电阻,通过增加负载阻抗的方式,达到降低单元效率的目的,但是,在喇叭单元上串联电阻的做法并不纯粹,因为单元的阻抗特性是集合机械和电气性能的综合阻抗,串上电阻只能片面的降低效率,整体的声音表现都将受制于电阻的性能而受到严重的破坏。另一种比较讲究的方法,是在分音器的高音输出部分,加入一个号角专用的降压变压器,同样达到降低号角单元效率的目的。而最佳的做法,是采用主动式电子分音的方式,如此一来不但不必添加额外的元件影响音质,还可以通过电子分音自由调整分频点、相位和灵敏度的规格,从而令每路喇叭单元的衔接更平顺自然,但这种方式最大的缺点,就是需要配合电子分音的音路来配套相应数量的功放。


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以Klipschorn 来说,属于三音路全号角设计,高音和中音单元的输出使用一个特制的自耦变压器,来降低效率过高的号角单元,使三只单元的效率趋于一致,达到全频声压平衡的要求。由于合理的号角设计,即使刻意降低中高音的效率,整体灵敏度依然高达 104dB,因此对搭配的功放输出功率规格要求并不高,甚至用现代很多高增益的前级直接驱动都能发出不小的声音了。而Klipschorn 却可以承受连续最高功率100W,因此即使用在公共广播用途也能提供高素质的声音重现,自就是号角的神奇之处。使用两对Klipschorn塞在体育馆的四个角落,就可以当作高品质的播音系统了!

 

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