转一个《TQWT/QWT喇叭系统设计原理》

GD-LAB

在DIY的世界中，喇叭应该是最受西方人士欢迎的项目之一，这是因为喇叭的失败率较低—至少没有「烧机」的顾虑！不过对於DZ来说，这部分却是比较欠缺的，因此在未来的一年中，我们将会不断的充实喇叭设计方面的资源，包括设计相关的文章、单体销售、喇叭箱体销售等等，都是值得努力之处。
当DZ首次推出FE103E低音反射式喇叭後，获得读者不小的回响，销售量奇佳，没多久就让我们库存的箱体销售一空。为了实验我们对FE103E会「长大」的承诺，DZ即将於近日推出以TQWT箱体为设计的套件，这种类传输、号角等复杂概念的喇叭箱体，较原本的低音反射设计膨胀了三倍大，但九十馀公分的身高，将可带来音质上的提升，特别是低频的延伸，让小巧的FOSTEX FE103E全音域单体推出快速灵活且下沈的低频，这是多麽美好的事情。
在正式推出TQWT套件之前，我们委请网友黄河顺整理这篇文章，内容有许多是摘自於目前网路上的资讯，并加以改写、翻译而成，希望能在理论的基础上，提供读者更丰富的讯息。
缘起话说小弟从小就爱东拆西钉的，两年前开始接触DZ後，也开始搞些音响的玩意儿。从前级、DAC、後级、CD-PLAYER都装了几台，就剩喇叭还没动手了，不过要动到木工，在台北市小小的房子里实在有点麻烦，上次弄个纸筒的喇叭就被老妈骂了个臭头，这下为了好看外型的TQWT，不知道要被念多久？没办法，误上DZ这条贼船，也只好认了┅



TQWT是啥？
TQWT／QWT 最早是由Paul Voigt在1930提出来，类似传输管的设计（transmission line），音箱的长度是声波长的1/4。所以TQWT／QWT就是指∶

锥型的（Tapered）
1/4（QUARTer）
波长（wave）
管（Tube）

也被称作Voigt Pipe，因为有较小的体积、简单的设计、和良好的低频延伸，这种设计在英国曾经流行过一阵子。

一点基本常识
在看TQWT的喇叭设计时，有几个名词要先知道，这些都是国中／高中时的东西，虽然我自己也快忘光光了，差也不知道怎麽写，我们在文末整理了几个网址，都是一些相关的联结，大家可以去复习复习。

Overtone 泛音
Resonance 共振
HarmonIC 谐波
Standing wave 驻波
Partial 实际产生的谐波

一边封起来的管子，其管子长度是波长的1/4，波峰会在开口的地方，因为是不对称的管子，所以只会有奇次的谐波。


TQWT的原理与演化
由前面基本波的原理，我们从下面的图来说明TQWT的演化，因为声音共振的压力和速率在密闭管子内的情形，压力点会发生在波结（nodes，驻波中震幅为0的地方），也就是密闭端，而波峰（谷）（loops）则是波加速最快的地方。管子中以基谐波的能量最强，因此声音以基谐波的频率为主。（图1）


若放了一个单体在密闭的管子的底端，会因为压力而使单体的效率增加。这样的设计会有两个问题，一是管子的基谐波的能量太强了，较低的频率可能听起来都是相同的音调，另一个问题是奇次谐波的产生，除了基谐波外，三次谐波是最严重的（就是基谐波的三倍频率）（图3）。


解决这个问题的方式是把单体放在距离底端1/3的地方（图4）。在这个位置，底端的压力会因此而低一些，但仍能提供足够的音压。而因为单体是在在三次谐波的频率波峰的部分，因此单体的声音刚好可以因此抵消掉一次谐波的产生。

Vigot把音箱的型状变成锥型，来避免单一音调的问题，并且降低部份频率的共振（图5），後来的版本则把顶端变成尖型的，以进一步减低共振的问题，并把单体移到中间位置（图6）。


TQWT的基本特性
TQWT的型状是是圆锥的号角，与号角相比有相对较高的低频载止点（cutoff Frequency），单体一般是放在音箱长度1/3的地方，而不是像号角或迷宫式的设计放在的顶点。然而号角在中低音部份有一个特定的角度，因此TQWT比较适合装全音域或中低音的单体，而不用像迷宫式的设计有较长的音箱。

TQWT不只是helmholtz共振器（Helmholtz Resonator）的型式（相关介绍1、2、3）或是传输式（transmission Line，一种改良的反射式音箱，由英国TDL的创始人John Wright所发展出来的，是音频导管式设计，利用长导管增加低音的传输距离，以增强低音的输出量）的结合体，他有点像是1/4波长的helmholtz共振器 加 低音反射式 加 号角 和 传输线的复杂综合体。所以TQWT的变数其实是很多的。这也就是TQWT的优点，结合各种设计的优点，传输线的部份提供了单体在低频的延伸（通常可以超出单体标示频率响应范围），低音反射式的部份也使低频的部份更结实。

而TQWT主要的缺点则在∶因为音箱长型设计产生的共鸣，造成低音部份频率的不平整，有些频率会被加强，有些会被抵消。解决这问题唯一方法，就是在音箱里不同的地方塞点吸音绵，这样可以改变声音的速度，而像是延长了音箱的长度，但同时，这也会使效率降低了。喇叭的频率响应图上通常会有个凹陷的地方，这样是因为音箱的共振被单体的输出抵消了，这可以单体抗阻曲线上的peak看出来。

音箱的设计概要
一般计算迷宫式或TQWT音箱的长度，公式是∶

C∶音速
f∶音箱基谐波的频率（fundamental frequency）
r∶音箱底的半径，或相同面积圆的半径


不过通常这样算出来的长度会被我们实际上需要的更长一些，而且其中有两个相反的因子，把音箱变成锥型会提高基谐波的频率，而把音箱折起来（folding）和填塞吸音线（choking）则会降低这个频率。因此，通常TQWT的音箱“听起来”会比我们算出来的长约30%，而再加上内部的填塞物，音箱又会更长一些，所以经验上我们只需要算出来结果的65%就可以了。

图说∶这是网友於讨论区公布的TQWT设计，同样使用FE103E单体，读者可以发现高度颇高，这有一个好处，就是可以省略昂贵的脚架，而单体实际的高度则与聆听时的双耳趋近於同一个水平面上。

而音箱的型状通常都是锥型的，底面积的大小一般则是单体位置的截面积的1~2.5倍；而单体的位置则通常是决定於“单体的面积=音箱的截面积”的情形下，或是单体的位置是0.4倍底面积，不过误差个20%都是可以接受的。

而锥型音箱的斜率，因该要视单体的尺寸而不同，如果一个4”的单体和9”的单体用相同的斜率，那9”单体的音箱，就会非常的长，不过如果你用尺寸较小的单体，这个因素是可以乎略的，不过愈斜的话，就需要更多的填塞物。而音箱的大小、型状的不同也会改变频率的衰减，在网路上有人提过下面的调整公式∶

Adjustment = 20 log(音箱底面积（相同圆面积）的直径/单体的直径)= -4.6dB

而单体的位置一般则是用下面的公式计算∶

D∶顶部（throat）到单体的距离
Ar∶顶部的面积
Am∶底部的面积

由公式可以看出来，当音箱上、下面积相同时，单体的位置是在距离顶部1/3的地方，而当Ar=0时，则位置是在1/2的地方。

图说∶制作TQWT喇叭时，最需要留心的地方，是吸音棉的填充方式，当然，这也是调音的技巧关键，在不同的位置是吸音棉的填充方式，当然，这也是调音的技巧关键，在不同的位置填充不同数量的吸音棉时，就可以获得各种不同的音色变化。

填塞吸音绵
通常TQWT的设计，中音部份都会较为突出，为了要降低中间频率的部份，填塞就变的很重要了。

要减低这部份的频率，通常会在音箱中不同的地方塞入吸音绵，藉由改变声音的速度，假性拉长音箱的长度，来避免中音的突出，而拉长音箱的同时，低频也会增强，但这样效率也会因此而被降低，在传输线的设计中，这方法常常被使用。而音箱内部的阻尼同时也可以避免号角型状的音箱所造成过多的反射音。

填塞吸音绵或其他的阻尼物时，不同的位置和量会造成不同的变化，需要经过慢慢的调整才能找出每个人喜欢的音色，因为在微调的时候很麻烦，因此建议音箱的一边先不要完全封起来，这样才可以较容易的调整内部吸音绵。下面是一些网路对不同填塞位置所作的测试结果。


其他调整的建议
除了上面提到麻烦的微调之外，使用2个以上的反射管，或是加上不同的单体，也是不错的选择。当音箱最窄的地方（喉部throat）塞的东西最少时，第二个反射管应该会使音箱的基谐波比只用一个反射管时刚好再低1/2个八度。这个技巧是为了要在最低频的部份（基本上是音箱的基谐波）有最好的共鸣响应。

因为原先音箱的基谐波会比整体共振的频率高一些，所以这时候音箱就会在原来的谐波上产生了第二个“寄生（parasitic）”的共振频率。一般来说，这个”寄生”的谐波在单体的幅射是没有方向性的（没有相位），因此会产生一些能量的抵消（能量的抵消也就是造成前面提到低频部份凹陷的原因）。也就是说”寄生”的谐波和原先音箱产生我们不想要的的驻波都是会发生这种能量抵消的状况。因此第二个反射管的功能就是降低音箱的的二次谐波。

通常来说，第一个反射管会产一个频率响应图上的凸起（peak），而另一个则会产生一个凹陷（DIP），如果处理好的话，喇叭的频率响应和抗阻分布就可以很平整，也可以提供又低又结实的低音了。

另一个可能的改善方法，是在音箱较长的一边上的不同位置，再放一个单体，可以提高效率和避免只有一个单体造成频率被抵消的问题。Lowther Holland page上有实作的例子（分音器讨论），第二个单体可以改善不平整的频率响应图，大家可以去看看。

英国的设计者一般都是用3/8”的夹板来作TQWT的音箱，他们认为并不需要太厚的木板，因为只要压力最大的地方够坚固就可以了。而有人些则建议音箱应有些弯曲的角度，可以进一步降低共振。这些都可以从後来的喇叭设计看到，不过科学的验证似乎还太少了。

chinafyz

学习了。

我的音乐厅

很好的设计啊

joylrxiang

记号，等待学习。

Jet

可惜没有任何数据

nler

这个不错

rogerchoi

不错的贴，一直想做一对，希望可以有多一点资料

fengxi

rogerchoi 发表于 2015-5-1 20:17
不错的贴，一直想做一对，希望可以有多一点资料

TQWT比倒相箱还容易设计，只是制作难度稍高一点。http://bbs.hifidiy.net/forum.php ... =1087365&extra=

fengxi

既然楼主介绍了原理我接着补充一些具体设计注意事项：（转译）
1、喇叭Qts在0.2~0.7都适合做TQWT箱体，最优值在0.4~0.5
2、封闭处的面积取值为喇叭震动面积的0.75~1倍（见图二，最顶上的封闭处的面积）
3、开口面积取值为喇叭震动面积的2.25~3倍（见图二，最底下的开口处的面积）
4、如果按图一则拐弯出来的开口面积取值为喇叭震动面积的0.5~1倍
5、喇叭开口中心为整个管道的0.4到0.45处

nler

fengxi 发表于 2015-5-2 09:07
既然楼主介绍了原理我接着补充一些具体设计注意事项：（转译）
1、喇叭Qts在0.2~0.7都适合做TQWT箱体，最 ...

原则上封闭处的大小可以自由设定，调整喇叭的安装位置就可以。

www3310

学习了