主题：[转帖]从中音单元的设计谈起（二）

磁路系统

    看过了形形色色的振膜，我们再来看看磁路系统。前二期陈运双先生已介绍了许多的磁铁材质，在此便略过，而将讨论重点放在磁路系统的整体设计上。严格说来，磁路系统应包含音圈的部分，而不是只有磁铁和磁极结构，因为它们是一起动作，也应该在设计时一并考虑。
简单的说，音盆之所以能动作就是靠音圈，而音圈的动作是靠其中电流变化的改变所产生之磁力与磁铁、磁极所产生的固定磁场相互作用而动作，这个原理大家应耳熟能详。其中，音圈的设计和磁隙的宽度、长度等有许多值得探讨的地方。

    音圈设计顾名思义，音圈就是发声用的线圈，是由漆包线加上特殊接着剂紧密整齐的缠绕在音圈筒上而成。漆包线的材质有铜、铝、银或其它合金，其横截面的形状 大多做成长方形或六角形，以期能够达到最大的缠绕密度，也就是说在一定的音圈长度（注5）下能绕出较多的圈数，而较多的圈数便意味着更大的磁力，驱动力也 就更好，音盆的加速度系数也就更高，结果便是能有高效率、大动态的能力。以扁线音圈来说，若横截面的形状做成长宽比1:5的扁长方形，绕制时以短边靠在音 圈筒上，做出来的音圈将可提供比圆形截面的音圈高出30％的加速度系数、效率和动态。

    （注5：音圈长度是指绕好的音圈在轴向上的长度，而不是绕线展开的长度。）

    音圈绕在音圈筒上，其压力总和是非常可观的。你可以做个简单的实验：用一段细绳（缝衣绵线、尼龙钓线或牙线皆可），使三分力气密密的绕在手指上，绕上十圈 就好，看看有什么结果？相信不用几秒你就会急着将它松开。有些单元的音圈在高张力的缠绕下，对音圈筒所施加的总压力可达到以吨计！所以音圈筒必须是要非常 的强固，同时，为抵挡音圈的发热，音圈筒也要相当的耐热才行。一般是用铝（合金）、Kapton，或其它质轻、高强度且耐热的材料来制造圆筒。一些较讲究 的厂家会将绕好的音圈组合做多重热处理，以达到更佳的稳定性。

    Klipsh的Jim Hunter便曾在“Speaker Builder”的专访中提到，他们曾收到顾客送修的喇叭，其中高音号角驱动器已从烧熔的塑料质号角喉部掉下来，可见当时整个驱动器实在是烫得不可开交，但拆开后其中的音圈组竟然还是好的！

    音圈尺寸的决定存在着两难，若求驱动力以达到高效率及大动态，大直径的长音圈应该能担当大任；但这么一来，重量增加，电感量也增加，又将不利于瞬时和高频 响应。而长音圈便代表了音圈只有一部分被磁隙涵盖，如此磁隙中的磁场对音圈的控制力较弱，也较容易被音圈产生的磁场所调变，造成失真较高。若音圈做得很 小，虽本身很轻，但驱动力又太弱，达不到理想的发声效率和控制力，承受功率也受限。所以，音圈的大小和振膜面积、形状，及磁铁的磁力大小等因素应该要有一 个最适化的妥协。

磁铁及磁力系统

    再来看看磁铁及磁极的结构。传统上喇叭单元中的磁铁都是轴向极化，也就是磁铁的两极方向和空心圆柱形磁铁的中心轴方向平行，然后再使用导磁材料做成的磁极 将磁力线引导至磁隙中，构成回路。而音圈动作所需要者便是磁隙中的径向磁场，也就是磁场方向平行于半径方向，呈向心收敛或离心放射。磁隙中的总磁力强度和 磁束密度便是源自于磁铁的磁力，而这其间和磁铁种类、大小有关。绝大多数单元采用的磁铁便是铁氧陶瓷磁铁（三氧化二铁），因为这种材质的抗温度变化力很 好，对抗反充磁的能力很强，机械强度和抗蚀性也佳，最重要的是成本低。但缺点是获得单位磁力强度的体积和重量都很大，所以为了要达到高效率，你总会看到巨 大的磁路结构。高音单元或号角驱动器就不用说了，磁铁的直径一定比振膜大得多。而有些6吋到7吋的中音单元，其磁铁直径也可做到和振膜差不多大。甚至有些 专业的10到12吋的中低音，磁铁直径也和振膜一样大！

    高磁力是我们所希望的，因为它能带来高效率、高动态、高控制力等好处。但是大体积的磁铁除了看起来比较雄状威武，其它便不见得有什么好处，甚至于对音波的 传播会有一些不良影响。因为巨大直径的磁铁直接挡在振膜后方，背面的音波就只好从四周的侧面挤出来，有一部分还会直接被反射回振膜。若这个单元又是固定在 很厚的障板上，情况就更雪上加霜了，因为振膜和磁铁间的距离也许和障板厚度差不多，若无额外的加工处理，那么背波就会从剩下的一圈窄缝间“喷出”。此时振 膜背面所面临的，就是很强的近距离反射波和剧烈的压力变化，对整体的频率响应和失真都有很严重的不良影响。

    所以若是用上了磁铁结构特大的单元，就必须要将障板的内面做适当的加工，削出信道让背波可以顺利导

出，如Theil的喇叭就有这类处理。或者就使用高 强度而较薄的金属障板也可避开这个问题。其实，更进一步看，单元的框架设计同样也会面临类似的难题，像旧式以铁板冲压成型的框架，就有着较宽的支撑部分， 若同时又和音盆本身靠得很近，就会增加背波的反射而造成音染。新的铝质铸造框架则能做出较为理想的形状，同时兼顾强度、美观，及低音染的实用性。

    或者，使用高磁力小体积的磁铁来使单元背波得以充分地舒展。大约五年前，Vendersteen（注6）推出的三音路喇叭中所用的中音单元便是特别向 Vifa订制，采用小型的Neodymium磁铁。而Wilson Benesch的旗鉴Bishop，因为采用特殊的面对面Isobaric低音设计，单元的磁铁直接朝外，所以除了采用更新的强磁小型化镍铁硼磁铁，磁极 还做成圆弧流线形，就连框架也在高强度的前题下做到了最小的正投影面积，解决先前提到的问题可谓面面俱到。而我多次提到的传奇性全音域单元 Lowther，虽问世已数十年，一样很细心的注意到这个问题。虽然Lowther所采用的磁铁很大，但在形状上已尽可能流线化，巧妙的让出了音盆后方的 空间，框架支撑部分也设计成以窄边面对发声方向，减低背波阻碍的努力可说无所不用其极。

    除了上述的问题，还有一项影响单元性能的因素，就是音圈在磁隙中的动作还有与磁铁的交互作用。严格说来，音圈和磁力系统的动作实际上是互推或互拉，只因磁力系统被框架和障板固定住，所以看起来好象是磁铁在驱动音圈。

    （ 注6：Vendersteen这家喇叭厂的设计理念颇为正确健康，总将成本花在看不见的地方，外观包装极为简单节省，声音表现中规中矩，音乐性也佳，应是爱乐者的良伴。可惜体形较不讨好，始终不得本地代理商及消费者的青睐）

    认清这个事实后，衍生出来的问题有：一、音圈本身产生的磁力会对磁铁进行反充磁，所以磁铁必须要挺得住，动态、驱动力和效率才不会打折扣。而磁铁对抗反充 磁的能力和特性也会影响发声的特性，使用Alnico磁铁的喇叭在中高音域音色迷人，相信便和这个因素有关。 二、音圈本身产生的磁力会扰乱磁隙中原本恒定的磁场，造成失真。这个问题可以采用镀铜的磁极或插入铜质短路环来消除磁场的调变，进而大幅减低失真。这个技 术对于中低音单元互调失真的改善尤其明显，因低音域发声需要运动冲程较长，同时又要发冲程短而快的中音，这会使磁场调变的复杂度大增。

磁力系统的两难 Vs. 创新的极化方向及磁极结构

    一开始谈到磁力系统的时候，我便提到传统上喇叭单元中的磁铁都是轴向极化，但无论如何到最后音圈需要的是径向的磁场。那么，为什么不一开始就把磁铁的磁场做成径向？因为制作上难度高、成本昂贵，一直到大约四、五年前才有人提出用径向极化的方式来制造喇叭单元。

    首先，传统的轴向极化结构有何缺点？一、体积较大；二、不易做到高磁束密度且深长的磁隙。体积大的问题先前已谈过，再来谈谈磁隙有啥蹊跷。

    传统磁力系统的磁隙长度就可说是等于上极板在磁隙端的厚度，在相同的磁铁条件下，要做到较高的磁束密度，首先可缩小磁隙宽度，但此举将使音圈的组合困难，增加成本；况且极板内的磁通量不可饱和，所以又要考虑极板材质和厚度。

    另外，若想做到长磁隙短音圈的组合，便势必会面临磁束密度降低的窘境，加上较短的音圈，整体发声效率将会降到很低。虽这样的组态可得到较佳的功率线性，但 想同时兼具高效率，可要克服众多的两难。如Altec 515系列和TAD 160X系列，采用了短音圈长磁隙的架构，获致极佳的功率线性，同时又具有超高的效率，实在是非常的不容易，只能说这又是另一个人定胜天的例证。

    若使用径向极化的磁铁，兼具高磁束密度和长磁隙的磁力系统便轻易达成（成本还是不低，只是物理上的两难较少），等磁束密度的磁隙长度可比传统结构超出数 倍，意味着单元的线性冲程也多出数倍！在高音压操作下的失真也就非常低。这样看起来便很适合于低音的再生，现在已有这样的产品，是一种用于专业领域的18 吋低音（注7），据称其最大线性音压已让人耳无法忍受，而此时的失真仍非常之低！

    （ 注7：Aura Sound 1808，请注意这不是B&W的副牌Aura，而是另一家公司。）

    可惜到目前为止，还没听说有用这种方式做成的中音单元。虽然中音不用长冲程动作，但这样的架构可以做到体积很小、磁力很强，对于中音发声一样是两大利多。相信在某家喇叭厂的实验室里便有这样的东西，很快的应该就会有量产品问世，我们拭目以待。

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