迷宫箱声道长度设计原理

gong39

     本人是菜鸟一个，但本人爱动手。
    这不，前不久刚做了两套小音箱
（见我的帖子《看我新手做全能一体式小音响》http://bbs.hifidiy.net/viewthread.php?tid=625107，
《老婆找我要音箱，给她一对饮料罐！》http://bbs.hifidiy.net/viewthread.php?tid=632866），
    现在就又想上点大点的项目了。
    上什么项目呢？我想对我来说，还是全频喇叭加迷宫音箱比较靠谱。关于全频，喜爱者乐此不疲，厌恶者避之不及。作为普通烧友，烧全频是有道理的，一是全频易于上手，二是真正好的全频与胆机相配，确实是欣赏人声与轻音乐的独门利器。随着年龄的增长，高音的听觉能力必然下降，高频对我们将完全失去意义。对低频的追求不会随年龄的增长而减弱，所以，作为对全频单元低频重放能力的补充，迷宫箱的DIY成了我们必须面对的东西。
    几年前，我DIY了一个6P3P的小胆机，又直接在网上买迷宫箱体DIY了一个4寸优雅全频单元的音箱，一直用它享受着音乐，虽其乐融融，但总是感到低频的不足。按我的观点，缺少低频的音乐飘飘然就像丢失了灵魂一样，总是让人听得不踏实不止瘾。上论坛后，看烧友介绍声韵的全频单元不错，说低频响应好，于是毫不犹豫上淘宝买来一对换上，低频果然直上一个台阶，播放音乐时其低频丰满澎湃，竟然有点我客厅中家庭影院低音炮的感觉（客厅音响是先锋AV功放加雅马哈十寸低音炮）。看来玩全频是有轻重缓急之分的，第一重要的是单元素质，第二才是箱体设计，当然还有非常重要的第三方面，那就是一款好胆机——不过这已经超出本版块的讨论范围了。要上全频大项目，至少是8寸单元才行，我已经看上了声韵的8寸单元，初步计划买便宜一些的粉磁板，DIY迷宫箱体后，如果效果不错，再升级成钴磁板也不迟。
    前面都是废话了，现在转入正题：设计迷宫音箱的关键是算好声道长度，计算的理论依据是什么呢？
    本人不才，在网上看了一些稀稀落落的资料，没有发现真正介绍得很清楚的东西。根据我的再加工再理解，我想在此整理我的一些看法，希望资深的老烧友们能站出来给我纠偏和指导。再次声明，本人菜鸟一个，有些理解有可能南辕北辙，那就请各位大侠笑过之后批评指正了。本人一定虚心接纳，也好同其他菜鸟们共同提高。
    迷宫箱声道长度设计原理：
     首先，迷宫音箱本质上叫传输线音箱。其声学原理是在喇叭单元的振膜后面加一段声道传输线路，由于空间的限制，把这个传输声道折叠起来，就得到了所谓的迷宫音箱。这个声道的截面积必须不小于喇叭振膜的有效振动面积。根据我所看到的资料，有的声道从头到尾是等截面积的，有的是从小到大的号角式，也有从大到小的收尾式，甚至还有大小交替变化式，但不管哪种形式，声道的最小截面积都不能小于喇叭振膜的有效振动面积。我想这几种形式在声道长度相等的前提下在低频下潜与量感的提升方面应该不会有太大的区别，区别只在于低频的放送面积不同罢了，最基本的号角式使低音获得了更大的放送空间，而其他几种会使低音产生更好的结像或定位。这点就像用喇叭状的话筒喊话会使更多的人听见，而用直筒式话筒喊话会使正对直筒的人更容易听见。另外，等截面积型或近似等截面积型的小号角式会在箱体内获得更大的长度，从而能获得更大的下潜能力。这是我们下面要讨论的，声道长度如何来决定下潜能力。


迷宫音箱的本质结构——后加载声道传输线路


声道等截面积型


等截面积型


声道截面积由小到大——号角型


号角型


号角型


号角型


介入等截面积型与号角型之间的小号角型


声道截面积由大到小——收尾型


声道截面积不规则变化型


      其次，迷宫箱声道的长度是根据下潜低音的波长来计算的，这就是我们讨论的重点：如何根据下潜低音的波长确定迷宫箱的声道长度？其声学理论根据和原理是什么？
     迷宫式音箱实际上是把喇叭单元反面的低频声波经过一条长长的管道回送出来。在喇叭单元工作时，辐射出的声波如与喇叭单元前面的声波相位相反，迷宫内的放音管道应该起抑制作用。当辐射出的声波与喇叭单元前面的声波相位一致时，迷宫式音箱的放音管道要起提升的作用，这是迷宫式音箱加强低音的原理。如果设声道的长度恰好为所放低频音波长的一半，则相位便会移动，等于 180 度。这里特别要注意，到了理解问题的关键之处：从喇叭后面过来的声波与喇叭正面出来的声波相位是相反的，那么这个反相的声波经过180度位移以后正好又变成了与正面声波同相。这样理解更简单，喇叭反面是声波反相一次，半波长的传输使得声波又反相一次，反反得正或负负得正。这时，迷宫式音箱放声管道的末端开口处所释放出的声波，就会与喇叭单元前面的发声处在同一相位上，低音的重放响度得到加强。










     通过以上讨论我们知道了，要想加强某个频率的低音，迷宫声道长度必须等于这个低频波长的一半。但是喇叭本身有一个频响范围，要超出这个范围来加强低音显然是做不到的。但是我们却可以让低频下潜到喇叭的谐振频率f0以下。从频率响应曲线上我们可以看到，f0并不是喇叭对低频电信号产生反响的下限，而只是最低谐振频率而已。而如果通过迷宫箱的传输线声道激励加强，这个f0之下的低频就会得到强化，我们可称之谓下潜频率。这就是说，下潜频率可以低于谐振频率f0。由于谐振频率有害，我们有时又希望它在喇叭工作范围以外。所以也可以把下潜频率设定到谐振频率f0之上。
    为了便于讨论，我们必须先声明一下声速、频率与波长这三者的关系公式c = f λ 或 λ=c/f 或 f=c/λ 是我们推导的重要工具（c表示声速，f表示频率，λ 表示波长），如果不懂这个就去补一下初中物理知识再来。我们用L表示迷宫箱的声道长度，f1表示下潜频率，λ1表示下潜频率的波长，λ0表示谐振频率的波长。那么，如果L =（ 1/2）λ0，则λ1 = 2L = λ0，所以f1= f0，即下潜频率正好是谐振频率。这样的结果显然并不好，因为谐振频率处喇叭本身就振幅偏高，是需要抑制的频率。如果谐振频率被强化，则失真严重。因此通常取L =（n/4）λ0  = n/4×c/f0 = nc/4f0，c是声速，取c = 344，其中n=1，3，5，～全为奇数，为何？你想，若n = 2，那不就是 L = （ 1/2）λ0，正是我们不想要的结果了吗？
      下面我们就来计算一下，在公式L =（n/4）λ0中，当n分别取1，3，5等等时，下潜频率是多少。
      当n=1时，L =（1/4 ）λ0，这时，λ1= 2×L =2×（1/4 ）λ0 = （1/2） λ0，
      则f1=c/λ1=c/【（1/2） λ0】 = 2×c/λ0   = 2f0，即下潜频率等于谐振频率的两倍。
      当n=3时，L =（3/4 ）λ0，这时，λ1  = 2×L =2×（3/4 ）λ0=（ 3/2 ）λ0，
      则f1=c/λ1  =c/【（ 3/2 ）λ0】  =（ 2/3）×（c/λ0 )    = （2/3）f0，即下潜频率等于谐振频率的2/3。
      以此类推，当n=5时，f1 =（2/5）f0，通用公式就是f1 = （ 2/n）f0 = 2f0/n，（n取奇数）。
     结论：声道长度是谐振频率波长的n/4时，下潜频率是谐振频率的2/n。（n取奇数）。
     理论上当n变大下去时下潜频率可以无穷地低下去。但是我们前面说了，一是喇叭本身的频响范围不允许，二是我们也不可能把迷宫声道做成无限长。且不说无限长，就是长一点点，都会给我们的箱体设计和制造带来几何级数增长的麻烦。所以通常是将不同的奇数值n 代入公式，看哪个值与设计的低频下限相近，即是最佳的 n 数值。
     例如手边现有一对 JDL-8 喇叭单元，欲设计一款迷宫式音箱，JDL-8 是一只8 寸单元 f0=35Hz 用公式求放音管道的长度：
1.n=1 时，声管长度（米）= nc/4f0=1×344/4×35=344/140=2.45m
2.n=3 时，声管长度（米）=3×344/4×35=1032/140=7.37m
3.n=5 时，声管长度（米）=5×344/4×35=1720/140=12.28m
      再用公式算出欲提升的下潜频率f1：
1.n=1 时，f1=  2f0/n =2×35/n=70/1=70Hz
2.n=3 时，f1=2×35/3=70/3=23.3Hz
3.n=5 时，f1=2×35/5=70/5=14Hz
     从计算结果来看，如果 n 取值1 ，放音管道的长度只需 2.45 米，箱体的结构比较简单，但低频的下潜只能达70Hz，不是太理想。当n 取5 时，低频的下潜可达 14Hz，但管道的长度要去到 12.2米，这在结构上和制作上难度很大，要很大的箱体才能满足，况且一般的 8 寸喇叭单元本身也难以放出20Hz 以下的频率，想用长管道来提升也爱莫能助。所以说，在选择设计迷宫式音箱的下限频率时，还必须考虑到喇叭自身的低频下潜能力，只有在喇叭单元频率响应有效范围内，迷宫管道才有提升能力，超出单元本身的下潜范围，迷宫管道也不能替代喇叭单元放出低频的声波来。在上例中，取n=3才是比较合适的。
    因此，通常总是将迷宫声管的长度取相当于喇叭谐振频率波长的1/4 或3/4。取1/4波长的好处一是可以避开谐振，二是箱体设计制作相对简单容易，取3/4波长的好处是可使下潜频率更低。
    我们还可以推出，不管n＝１，３，５，中的哪一个，始终有L =（ 1/2）λ1或λ1＝２L，即下潜频率的波长等于２倍的声道长。或者说，下潜频率 f1 = c/2L。
    证明：L =（ n/4）λ0，而f1 = 2f0/n，所以f0 = nf1/2，λ0 = c/f0 = 2c/nf1，
   所以L=（n/4）×（2c/nf1）=  2nc/4nf1=c/2f1 =（1/2）×（c/f1）=（1/2）λ1，得证。
   根据最前面的讨论，下潜频率是被强化的频率。那么当重放频率等于下潜频率的２倍时会怎么样呢？即 f放＝２f１时会怎么样呢？当频率提升2倍时波长就减少一半，这时声道长恰好等于重放频率的波长，那么从声道口发出的声波恰好与喇叭正面发出的声波反相，可见２倍的下潜频率是被抑制的，同理，４倍，８倍的下潜频率也是被抑制的，但是随着频率的赠高，这种抑制作用越来越微弱了，几乎可以忽略不计了。
    以上就是我对迷宫箱声道长度设计原理的初步理解，在网上实在找不到这么全面而又通俗易懂的描述，所以我就根据自己的理解作了这样一个相对通俗且全面的描述。不知理解的正确与否，描述的准确与否，望各位大侠予以分析评判。如果我的理解没错的话，下一步就会根据这种理解来设计8寸声韵喇叭的迷宫音箱了。

    请看看我的换成声韵4寸全频单元的迷宫音箱，其低音真的不比我客厅的家庭影院的雅马哈低音炮的效果差，因为不分频的关系甚至表现更好。


迷宫音箱单元换成了声韵4寸，效果太赞了。


我客厅的家庭影院系统，雅马哈低音炮音质不一定比声韵4寸迷宫箱好。

wood2k

支持一下！！！等有空了也来试试看！！！

尘风竹

这个一定得顶~~虽然好多不太明白的地方。

尘风竹

楼主把自己研究出来的，声韵四寸迷宫箱的最佳箱体具体规格尺寸拿出来共享下啊~~~

gong39

回复 4# 尘风竹

呵呵，前面我说了，迷宫箱体是几年前在淘宝上直接买的，具体图纸与尺寸准备去找卖家索取。原来配的优雅4寸全频单元，这次换成声韵4寸效果大大提升完全是歪打正着。所以这就启发我开始思考自己DIY迷宫箱的问题。我要到图纸尺寸后会共享给大家的。

tzyzjk

非常好的帖子，学习了，楼主最后好能够尽快提供音箱内部结构图和参数，我也刚刚买了声韵的4寸，正考虑箱子呢，谢谢了！

tzyzjk

非常好的帖子，学习了，楼主最好能够尽快提供音箱内部结构图和参数，我也刚刚买了声韵的4寸，正考虑箱子呢，谢谢了！

tzyzjk

非常好的帖子，学习了，楼主最好能够尽快提供音箱内部结构图和参数，我也刚刚买了声韵的4寸，正考虑箱子呢，谢谢了！

lgs1958

学习。。。。。。。。。。。

wei_son

楼主箱子和喇叭去哪里买的，给个连接！

gong39

回复 10# wei_son

给大家提供一下我的4寸迷宫音箱的图纸，这是找原卖家重新索取的，图片较小，将就看看吧，其实也是很容易得到的设计方案。

链接就不给了，自己到网上搜吧，很好找的。

wei_son

帖子上不好说，我已经跟你发消息了。。跟我说下吧。我找不到

gong39

回复 12# wei_son

已经私信回复。
    根据此箱的图纸估算，这个迷宫箱的声道长度大约为1.3米左右，实际应该下潜到344/（2×1.3）=132HZ。而声韵4寸全频的频响范围为68HZ—20KHZ，即谐振频率为68HZ，波长为344/68=5米，根据声道长度取1/4波长的方法，声道长度应为5/4=1.25米。此箱声道长正好接近这个值，所以此箱几乎是声韵4寸全频的绝配。难怪我感觉换单元后效果出奇的好。
    这里说下潜频率为132HZ，只是说对132HZ的低频强化激励得最好最足，并不是说此箱只能下潜到132HZ，喇叭本身就能下潜到68HZ以下，只是迷宫箱体对这部分低频的强化激励效果不是最强罢了。

xmhgz123

好贴 ，学习

尘风竹

楼主有没有比较过solo103款全频箱和迷宫箱的效果啊？

xiguapi123

通俗易懂，收藏了。

柳江鱼

楼主写得太好了。

csdmq

学习

lf00516

音箱设计很重要，喇叭参数的测试也同样重要，准确的FO可以帮助你确定迷宫箱声道长度。

gong39

回复 15# 尘风竹


    对不起,没有比较过。其实我以前只是对古玩,金鱼,高清这些乱七八糟的东西发烧,真正对HIFI发烧也是近两年的事,入驻本论坛也只是今年的事,所以我也只是菜鸟一个,好多单元都没有玩过。