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关于空气推动量
其实道理看起来很简单:为了能获得更多低频,那么就要求低音炮必须能推动大量空气。而衡量空气运动的指标被称为“空气推动量”,通常这个量是以立方英寸来进行计算。如果我们想要在一间面积不大的视听室内产生震撼的低音效果,根据我们以往的经验,这个低音炮就必须有135立方英寸的空气推动量。这关系到单元推力的问题,因为空气是由低音单元的音盆所推动的,而空气推动量是由音盆的面积(∏r∠)与单元的冲程的乘积来获得。例如,一只冲程为0.5英寸的15英寸低音单元大约可以推动66立方英寸的空气量。但是,这个量还远远不足以产生震撼的低音效果。
在杜比实验室的研究报告上指出,在Dolby Digital模式下至少需要265立方英寸的空气推动量。若然根据上文所提到的0.5英寸冲程的15英寸低音单元来计算,要推动265立方英寸的空气量就需要4只15英寸的驱动单元同时进行工作。这对于商业电影院来说可能算不上什么问题,但是对于一般的家庭影院系统来说几乎是很难办得到的事情。况且这种多单元的工作方式会使低音炮的体积变大以及还有可能涉及到单元一致性等一系列的问题。
从汽车引擎中获得设计灵感
下面我们来看看设计师Bob Carver的想法是怎样产生的。当Bob Carver了解到这个问题之后,他就联想到汽车引擎的“缸径和行程”的问题。这就相当于引擎的压缩空气量。而这个量是决定引擎输出功率的关键因素。
为了实现大量地推动空气,需要一个冲程非常大的低音单元,因此设计师Bob Carver将引擎的理念运用到他所设计的低音炮之中。但是与汽车不同之处在于,使用大音圈并不能解决这个问题。为了增加低音音圈上的线圈匝数,他却选用了小口径的音圈,目的就是以小内径音圈来实现长冲程,所以True Subwoofer系列产品上所使用的10英寸驱动单元有效直径实际上只是8英寸,但是却具有2.5英寸的超长冲程。那么这个低音单元推动的空气量为:∏4.0<(振膜面积)X2.5寸(低音单元冲程)×2(箱体内有两只单元)=251立方英寸。而这个251立方英寸的空气推动量大约相当于三到四只(视冲程而定)15英寸单元在小型电冰箱大小般的箱体内工作所产生的量。实际上还会少一点,因为还要考虑到冲程限制器来对单元进行阻尼的因素。
创新将有成功与失败两种结果
要实现2.5英寸的超长;中程单元需要有—种全新的技术来支持。早期的实验室测试中,悬边、防尘帽、悬挂系统以及音盆等低音单元零件都经受不了考验,实验室几乎成为了它们的坟场。然而,这全都是新思维的受害者。在经过了大量的研究、试验以及失败之后,这种全新设计的单元终于被研制出来了,这种单元的悬挂系统、粘胶、悬边、磁路结构以及音圈都是业界中首创的。
不过,实现超长;中程的单元只是成功的—半, “效率”才是低音炮设计当中另一至关重要的元素。原因是低音的量感与单元所安装的箱体容积成正比。假设我们将几只低音单元安装在容积为10立方英尺的箱体内,这时候只需要使用一台200W的功放推动就可以得到比较充足的低频能量。倘若我们将箱体的大小从10立方英尺减小至1立方英尺,那么要实现相同的低频能量,就需要增加10倍的功率,这就意味着我们需要一台2000W的功放进行推动。例如:Sunfire True Subwoofer系列低音炮就采用了一个容积为0.5立方英尺的箱体。但是实际上在安装好单元和功放后,箱内的总容积就只剩下0.4立方英尺了。
当Bob Carver发现了这个问题之后,他就意识到必须使用一台大功率、高效率的功放来实现“小体积、下潜深、大声压”的终极目标。刚好他在几年前就设计出一种名叫Tracking Down Converter(TDC)的功放,它正好符合大功率、高效率的要求,因此就可以将箱体尽可能地缩小。
除此之外,在设计低音炮当中有两方面是至关重要的。1、2.5英寸大冲程低音单元相当子5倍传统15英寸低音单元的空气推动量。2、采用小箱体的设计就意味着需要很大的驱动功率。但是有一点必须要记住:在其它条件相同的状况下,低音炮的效率由箱体的容积来决定,并非由单元的尺寸来决定。
为了让你更好地理解在这个小型箱体内力的运动状况,现在让我们来看看其内部会有什么情况发生。这个低音炮采用了两极式的设计(两只单元同时朝内或朝外运动)。它们以背对背的方式安装在箱体内,所以当它们一致向外运动的时候,压力是正向的,相反则是负向的。而低音单元所使用的巨型磁体可以产生150磅的推力。换句话说,如果你的体重在150磅左右,当你把低音单元朝着地面上放,然后站到上面去,再给低音炮一个低频信号就可以把你弹起2.5英寸的高度。而且在最大输出时,单元背部的减压孔中的气流速度超过了1.2马赫,比音速还高。你可以想象到它必定会产生声震,因此需要特殊的手段才能消除这种声音。
这时候你或许会有疑问,“它为什么能在高输出时不被烧毁呢?”。这是因为在家庭影院当中,低频音效并不是持续性的,这时候尽管功放会输出强大的功率,但却因为低频音效并非持续的关系而不会产生很高的热量,其平均功率都在200-300W以下。更何况以专业级标准制作的音圈能持续承受600W的功率,这已经超过了一般家用的需要。不过,对于2700W的功率而言无疑是一种毁灭性的能量,但是当中还有几个重要的因素保证单元不被烧毁,接下来我们将进行介绍。
全新诠释霍夫曼定律
霍夫曼定律详细阐述了扬声器效率与箱体大小、分频点之间的关系。它给扬声器设计师们施加了强而有力的约束,将强大的低音限制在巨型的箱体之内,我们不能让小音箱发出大的低音。举例来说,扬声器设计时可以随意选择扬声器效率、箱体大小、分频点这三个变量当中的两个,但最终只能表现在第三个变量上面。根据这个定律,如果我们选择“出色的低频响应”和“高效率”,那么我们就需要“大型的箱体”;又或者是“小型的箱体”和“高效率”,这时候就只会得到“糟糕的低频响应”。简单地说,霍夫曼定律告诉我们不可能一并解决三个问题。尽管如此,通过Sunfire True Subwoofer低音炮的全新设计以及技术进步,现在我们可以任意决定这三个变量了。那么按照这样的说法,霍夫曼定律似乎被打破了。但是,事实上并不是真正的打破,只是采用一种不同以往的方式作诠释罢了。
假想实验#1—超导体的低音炮
低音被一个由磁体和音圈组成的电磁感应系统所驱动。让我们想象一下,如果音圈的导线用超导线材来制作的话,那么就可以实现零电阻。我们知道大部分的输入功率都消耗在音圈上变成了热量,所以超导音圈不会产生热量。因为在这个案例里面,热量等于电流的平方乘以电阻:J=1∠R,因此电阻为零则热量为零。如果热量为零的话就意味着只要原来的1%、2%或3%的输入功率就可以轻松推动单元了,此时,扬声器会变得异常高效。不过,超导音圈的想法显然是不实际的,可是这样的假想实验告诉我们,宇宙的基础定律理论并不能阻止我们制作一种小型化的高效率低音炮。
“失速模式”和反电动势
电磁感应运动有着很高的效率,能够超过80%。尽管如此,电磁运动在接近“失速模式(stallmode)”状态下的效率却是非常低的。失速模式的典型特征是在很低的输出功率和很大的电流通过线圈时而令线圈产生很大的热量。由于某些技术上的原因,市面上的大多数低音都是在接近其失速模式状态下运行的(当然不包括Sunfire的产品)。因此,大多数扬声器的转换效率都不超过几个百分点。
现在,基础知识已经打好,我们可以来检验一下低音单元在特定尺寸下远超平常效率的理论。True Subwoofer低音炮在小体积的情况下能获得大能量输出的秘密就在于它的音圈和磁体系统能在远离失速模式的状态下运行。而且事实更表明,当单元运动变快时(意味着远离失速模式),反电动势就会随之而变大,这就意味着它有很高的效率,并且在运动过程中因此而不会产生太大的热量。
由火车、山脉联想到磁体
接下来,让我们来看看关于低音炮之外的一些例子。假设货运列车拖着货物爬上山坡,这里我们就可以利用公式Power(功率)=mgh/t short来表示。这里m就是火车的质量,g为重力,h为山的高度,t short是指爬上山坡所用的时间。当t short很小的时候,功率输出很高,能量会在短时间内被释放出来,因此马达不会产生过高的温度。相反,当tshort很大的时候,功率输出减少,能量在短时间内不能被释放出来,所带来的坏处是马达的温度过高而导致烧毁。在这个时候我们就可以认为马达是在失速模式下运行。现在让我们将话题转到低音上面,因为这个低音的;中程很大,音圈匝数很多,所以它会切割磁体结构当中的磁力线而产生大量的反电动势。如果音圈的运动速度不是很快,便不会产生太多反电动势。没有大量的反电动势,大量的电流便会通过线圈造成音圈过热。因此为了获得大量的反电动势就需要增加单元的冲程。获得大量反电动势的另一方法就是高磁通量。要实现这一点就需要一个大型的磁铁。True Subwoofer低音炮当中的磁铁重量达到225盎司,远高于一般低音炮20-28盎司的重量。但是依靠大量的反电动势来增加低音的运动会产生一个潜在问题:如果低音单元是由一台普通的功放来进行推动,那么大量的功率就会被浪费掉,单元只获得很少的功率。因此我们需要一台大功率的功放来抵消强大的反电动势。幸运的是,对于Sunfire而言,Tracking Down Converter功放非常适合这项工作。
假想实验#2—可变磁体低音炮
要制作一个低音单元,我们还可以使用一个电磁铁(可变磁体)来代替原来的单元磁体,然后改变这个磁体的磁场强度就可以令单元工作了。显然,当我们将磁力逐渐增加时,由于电流(I)和磁场强度(B)之间的相互作用(见图1),就会产生一个加在司圈上的力,这时候如果B增加,力也增加,低频也随之而增加。但是,当磁力再逐渐变大时,电流会随着反电动势的增大而减少,直到最后会因线圈中的电流不足而令低频输出下降。而低频的最大输出点便决定了低音单元的最佳磁体尺寸。现在我们在此举个例子,如果现时有—台200W输出功率的功放,这个功放只能输出28V RMS的电压给4Q的扬声器,若然反电动势是13V的话,那么功放只剩下(28—13)=15V来推动低音。如果希望获得更多的低频输出,我们就必须施加更大的电压来克服反电动势。现在假设我们有一台无输出电压限制的功放,它在4欧姆负载时能够轻松施加104V RMS电压。接下来就可以不必顾虑反电动势带来的影响而增加磁场强度,因为有无限制的功放来克服这个问题。如图2所示。
用事实来证明
True Subwoofer低音炮在早期的研发阶段时,我们进行了一系列实际的实验来验证这些设计背后的物理学与数学问题。当中也使用几款著名的大型低音炮来逐—测试输入功率(W)和输出声压(dB)这两个数值。在一次测试当中,一个箱体容量有4.3立方英尺的低音炮A被选出来并调整到最大音量输出(它的限制器开始启动的位置),当它的声压到达112dB时测得的输入功率是240W,它的表觋很不错。
接下来我们以相同的低频信号以及声压级别为True Subwoofer低音炮作测试。在测试的过程中,它的表现同样很出色,而最大的不同点在于它们之间的功率消耗部分,True Subwoofer低音炮测得的输入功率实际上只有40-200W!由于这时候功放的输出限制线路还未启动,因而还能继续提高True Subwoofer低音炮的音量,直到输出115dB的声压后功放的输出限制线路才正式启动。这时侯的输出声压比前者高出了3dB,在这个情况下测得的输入功率也只有360W而已。从这个实验可以证明,Sunfire True Subwoofer无论是输出声压还是效率都优子前者,同时还能说明这个低音炮为什么能在小体积的情况下实现大声压但又不会被烧毁。
下面是一些常见问题:
问:若有如此大的运动量和惯性力的话,该怎样防止低音炮在满功率输出时在房间内四处乱跳?
答:由于两个单元在运动过程中是处于准平衡状态的,所以可以将振动减小到合理范围内。事实上,这个振动刚好能帮助摇动地面,如果你正坐在地面上,它可以给你的脚趾、脚或者身体以直接的触感,但是没有那么大的振动能让低音炮在房间里四处乱跳。
问:反电动势是好还是坏?
答:这是一柄双刃剑。一方面它是不好的,因为它使低频减少了;另一方面它又是好的,因为减少的低频被用来产生更高的效率。
问:如果低音扬声器只用到几百瓦的功率,为什么功放要具备几千瓦的功率输出?
答:低音扬声器的阻抗很复杂,它由两部分组成,真实的(有阻力的)部分和虚构的(无功的)部分。可以参考这个例子:假设功放施加104V和10A的真实与虚构电流进入到扬声器内,从功放的角度讲,Power(功率)=U(电压)XI(电流)=104X10=1040W。从扬声器的角度则是Power(功率)=I2(电流)XR(电阻)=102X3.3=330W。
问:单元究竟是怎样运动的?
答:Sunfire True Subwoofer低音炮当中有两个单元。一只单元由音圈负责驱动,这只单元是靠一个电磁感应所产生的力来运动的(这个力可以用关系式J=BI工来表示,式中的B代表磁场强度,I代表音圈当中导线的长度,I代表通过音圈的电流值)。而另一只单元是靠1.7磅的重力来运动(单元的质量X加速度)的,因而又被称为“被动式单元”,它能在前者所负责的频段上输出相同的声音,从而增加低频的量感。这两个单元都是一起向内或向外运动,而且两个力的大小相等且作用方向是相反的。 |
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