音响世界入门第一课：弄清楚扬声器、喇叭与单体

音响世界入门第一课：弄清楚扬声器、喇叭与单体

如果将喇叭拆解之后，会看到有单体、音箱、分音器、端子等几个重要组成。扬声器、喇叭、单体这三个名词是进入音响世界时需要先弄清楚的。一般人多半能了解什么是音响喇叭（当然不是乐器喇叭），至于扬声器与单体到底是什么，则可能一知半解。

通常扬声器就是指音响喇叭，由单体和箱体、防尘罩、分频器等配件组成一个音响喇叭；单体则是扬声器、喇叭中的一个重要零件，英文是 driver。有时候我们会使用“喇叭单体”这个名词，来特别单指某一种音频单体所制造的喇叭，例如重低音单体，而其实也可称为重低音扬声器或重低音喇叭，这也导致实务上用语有时候会将扬声器和单体混用，不过一般来说，扬声器就是指喇叭。



喇叭扬声器与单体

扬声器一词译自英文（Loudspeaker），中文俗称为音响喇叭（Speaker），这是因为早期扬声器外型与吹奏用喇叭之号角相似而来。扬声器是一种将电子讯号转换成声音的电子元件，可以由一个或多个组成音响组。例如我们常见的家用喇叭，常会见到由数种单体：中音单体（Mid-range driver，形状中等）、高音单体 （Tweeter，形状相对最小）、低音单体（Woofers，形状尺寸相对最大）等组合而成。

单体的运作原理

一个单体主要是由电磁铁（Magnitic）、线圈（Voice Coil）、振膜（Diaphragm，通常是纸盆）所组成。当电流（从放大器出来的音频讯号）通过线圈产生电磁场，磁场的方向为右手法则。假设播放C调，其频率为256Hz，即每秒振动256次，则输出256Hz的交流电，每秒256次电流改变，发出C调频率。当电流通过线圈，线圈即随著电流的频率振动，而和线圈相连的振膜当然也就跟著振动。推动周围的空气振动，由此产生声音。磁铁和音圈常被称为驱动器（Driver，与单体同名但其实不同）。它是以永久磁铁产生强而有力的磁场，它围绕著音圈，而音圈又和振模的颈部连接。当电流通过音圈，音圈随电流频率移动，和音圈相连的振模也跟著移动。当喇叭在发音时，除振模在前后运动外，音圈也是在前后运动，两者完全同步。



单体的组成结构

人耳可以听到的声波的频率一般在20Hz~ 20KHz之间，所以一般的扬声器都会把设定在这个范围内。因此扬声器的能量转换过程基本上是由电能转换为磁能，再由磁能转换为机械能，再从机械能转换为声音。为了要重播20Hz~20KHz之音频，喇叭的振膜最好能够前后移动10到20公分；因为频率是20KHz时，若振动幅度是1.2公分，而重播20Hz时就要振动12公尺才行！这在实际上是不可能的，只要是振膜前后振动摆幅超过2.5公分，在设计上就非常困难，振膜尺寸可能大到100吋！因此喇叭在制造时就依重播时的需要将之区分为高音、中音及低音单体，也就是用来播放高音或是中音或重低音的单体喇叭。


单体的结构大概可以分成驱动Driver、振膜Dinghragm、悬挂系统Suspension、支撑Support四大部分，这四个部份分别由不同零件组成，在此简单说明：

驱动部分Driver

主要由中心磁极与外部磁极与音圈组成，外部磁极即是轭铁。按照磁铁安装方式不同分为：

外磁式：让音圈包著磁铁，所以音圈尺寸要大于磁铁。外音圈尺寸提升，与振膜接触面积也更大，动态也就更好。加大尺寸的音圈，还具备更高的散热效率。

内磁式：音圈做在磁铁内部，所以音圈尺寸较小得多。

中心磁极

中心磁极（Center Pole）是永久磁铁，主要是用来导磁和固定磁铁。

材料有铁、钴、镍、钐、铝…等。早期的喇叭都是使用ALNICO磁铁（阿尼可），是由铝、镍和钴组合而成，缺点是功率较小，频率范围也较窄，坚硬而且很脆，加工不方便。此外由于镍和钴的产量不大，而且又多用于其他方面，故价格愈来愈高，使得喇叭制造厂纷纷改用Ferrite铁淦氧磁铁。铁氧体磁性能相对较低，需要有一定的体积才能满足喇叭的驱动力，所以一般用在体积较大的音响喇叭上。铁氧体的优点在于价格便宜，性价比高；缺点是体积较大，功率较小，频率范围较窄。钕铁硼的磁性能要远远优于铝镍钴和铁氧体，是目前喇叭上使用最多的磁体，尤其是高端喇叭。其优点是同等磁通量下其体积小，功率大，频率范围宽，目前HiFi耳机基本上用此类磁体。其缺点是因为含有稀土元素，所以材料价格较高。

外部磁极

外部磁极则包含导磁柱、前后导磁板。导磁柱与后导磁板两者看起来像是英文T，因此又俗称T铁（T-Yoke），也叫轭铁（Yoke），有些形状像U，则称为U-Yoke。前导磁板（Top Plate, Front Plate）又称华司（washer），其作用是导磁、连接磁铁与盆架。


外部磁极、轭铁

音圈Voice Coil

驱动部份的另一个最重要的部件就是音圈（Voice Coil），包含音圈（即线圈）与线轴（即缠绕线圈的圆筒Bobbin）。音圈在喇叭发音时也是跟著前后移动，故线圈要非常的轻；但若要承受较大功率则又要多绕几圈，因此在材质与绕法上出现了多种样式。


不同尺寸的音圈

振膜Dinghragm

振膜包含锥盆（音盆）与防尘盖组成。

锥盆 Cone

锥盆的作用主要是推动空气（发声）。盆体材质有：複合纸盆、PP盆、金属盆、蚕丝亚麻、树脂或其他纤维等等。低音单体百分之八十都是以纸盆做振膜，我们亦习称为Paper Cone。当喇叭发音时，纸盆会前后的运动（振动），其振动幅度和速度与电流的频率有关。如果是低频，振动幅度就大而速度慢；如果是高频，振膜就要急速的前后摆动，但幅度比较小。一般情况下，中高音单体在发音时，人眼是无法分辨振膜是否在振动，但由手触摸就可感觉出来。振膜并非是光滑的，通常摸起来是皱皱的，或涂有会沾手的胶，有的单体还有一圈圈的纹路。通常用来防止振膜在振动时造成扭曲，也可以增加振膜的力量。

单体依照盆体材质不同，有以下特点：

纸盆：纸盆的成本较低，而且还可以和其它纤维混合起来制作成混合型振膜，它是应用最多的振膜材料。

陶瓷：重低音效果较好

羊毛：在纸浆中混合进羊毛制作而成，低音效果不佳。

聚丙烯：成本较高。

金属：多用于高音球顶喇叭。

木质：声音温暖，较适合听人声或古典。

防尘盖 / 防尘罩Dust Cap

防尘盖，又称中心盖 （ Center Cap ） ，其作用是防止灰尘、杂物进入磁隙之中，但是在大口径的低音喇叭裡，它还有削弱高频响应的功用。材质有纸、布、铝、塑料或碳纤维织物等，常见形状为半球状。

悬挂系统 Suspension

包括定心支片（俗称弹波，Damper）和悬边（又称为折环，Edge）

悬边 Edge

振膜的圆边与框架不是直接接触的，而是经由悬边与框架相连。悬边的式样和质料有很多种，对频率响应也有不同的影响，它必须像是阻尼特性很好的弹簧。悬边主要用于支撑锥盆的振动系统，并提供顺性恢复力和阻尼作用。期材质有纸质、塑料泡沫、布质、橡胶等等。


塑胶悬边

弹波 Damper，又称阻尼器

弹波主要是避免音圈在移近磁隙时和外极磁片及轭铁发生接触，同时当音圈静止时使它回复到原来位置，为振动系统的平衡提供支撑作用和控制振动系统的顺性（柔顺性）。弹波的材质则棉布、化纤、蚕丝、CONEX、聚脂类等。


弹波 提供支撑作用和控制振动系统的顺性

支撑系统：盆架 Frame

盆架是用来支撑整个磁极系统和振动部份，它的要求是质地坚硬并且不能产生谐振，其材料常以铝合金或不锈钢压铸而成。盆架的材质有钢铁、铝、锌、塑胶等材质。

单体的种类

每一个扬声器（喇叭）中必有内含单体，单体是扬声器作动的最重要元件，而根据单体“发声方式”的不同，有动圈式、电感式、静电式、平面式、丝带式、号角式等等，若依照处理的音频，则有低音、超低音、中音、高音、超高音、同轴、全音域，还有被动辐射器的设计。单体的种类很多，最简单的一种设计就是一个单体负责所有音频范围，也就是“全音域”的设计，多见于超小型喇叭、蓝牙喇叭。

另外一种是“同轴式 Coaxial Driver”单体，使用两颗以上的单体分工负责全频段的声音，且两颗单体的开口都在同一直线上，通常是低音单体的轴心上再加上中音、高音单体，这种设计有分音器，其实是一种二音路喇叭。


同轴式单体，低音单体中间加上了高音单体，常见于汽车音响

说到二音路（2-way），这是喇叭的一种设计，通常等级、要求比较高的的喇叭普遍至少是“二音路”分音的设计。这种设计的喇叭前面有两组单体，分别是“高音单体”及“中低音单体”。常见多数书架式喇叭都是採用这种设计，部分落地型喇叭虽然都是二路分音，不过就会配备两组或以上的中低音单体。而“三音路”分音、配备高、中、低音单体的设计在落地式喇叭上也很常见。

多音路设计运作过程，由扩大机驱动的电流讯号，会先经过分音器，将高、中、低频音讯分配到对应的高、中、低音单体上发声，然后“混合成”成我们听到的声音。

由于单体是组成喇叭最重要的核心，因此单体的类别也通常被用来作为喇叭、扬声器的类别，例如用高音单体设计制造的高音喇叭、高音扬声器。以下的介绍则以扬声器来称呼各种类别的喇叭。

依照处理的音频分类

Tweeter 高音单体

高音单体（有些称高音单元，这是翻译的不同），英文是Tweeter，该名称源于某些鸟类发出的高音（鸣叫声），高音单体制造的扬声器是高音扬声器，英文也是 Tweeter ，因此本文通称为高音扬声器。高音单体通常是位于喇叭最上方位置，这样的摆位主要是因为高频音波的扩散性较低，稍为偏离单体指向的方位就会衰减得厉害，所以通常都会设计水平接近于耳朵的位置。

高音单体通常负责重现 2,000Hz 至 5,000Hz 以上，直到 20kHz 的高频音效。最好是平面，幅射角度最大。常见的是凸盆设计，幅射角度最大，少部分是凹盆，幅射角度小，但音色较纯，承受功率较大。研究显示，虽然人耳的听力范围是 20Hz 至 20kHz，不过 20kHz以上的超高频普通人其实仍可感受得到，可以扩大聆听者对于音乐音场跟气氛感觉，所以有部分高阶喇叭的高音单体可以重现 30kHz 甚至更高频率的音乐。

例如新音乐格式SACD（Super Audio CD），取样频率高达2822.4kHz，是一般CD 44.1KHz取样的64倍，且SACD频率范围更是高达100KHz以上；因此被认为改善了原来音乐CD音质给人冷硬的刻板印象，以更细腻、更多细节、更柔软的声音呈现，在聆赏时除了特殊的输出设备，搭配特别的高阶高音单体更能将音乐的细腻处呈现。高音单体多数採用球顶形（Dome）设计，因为高音单体要求是振动速度快，而振幅较低，振膜差异也很大。高音单体通常口径较小，振动膜较韧。

和低、中音相比，高音扬声器的性能要求除和中音单体相同外，还要求其重放频段上限要高、输入容量要大。常用的高音扬声器有纸盆形、平板形、球顶形、带状电容形等多种形式。

中音单体 Mid range

中音单体常落在200Hz ~ 4,000Hz频段，这个范围正好是人耳日常听到最多的频响范围，人声还原逼真、音色乾淨有力、节奏性强。包括大部分的乐器，例如钢琴、吉他等，此外，一般讲话人声也多半落在这个频段。相对地这个频段一旦出现一点点的失真，就很容易被察觉到。作为中音扬声器，主要性能要求是声压频率特性曲线平坦、失真小、指向性好等。

低音单体 Woofer

低频对于看电影跟游戏时，显得更为重要，由其是火车、爆炸等声光特效，要感受到震撼，就是依靠重低音来呈现。高级的设计中，甚至会独立一个超重低音来负责更低频率的声音部分，低音单体多数会负责 200Hz 至 80Hz 以下，直到 20Hz 甚至更低的频段。低音单体喇叭通常尺寸较大，通常愈大尺寸的单体，就愈有能力展现更低频的频段，5 吋、6 吋都是常见的尺寸，甚至大到 10 吋以上都有。

低音单体还可能进一步分成超低音或重低音单体与中低音单体。超低音单体能处理15 Hz ~ 200Hz频段，人耳不易听到，但身体会感受到，例如电影院中播放地震、爆炸之类的真实场景，就会搭配使用这种喇叭，让聆听者感受到震撼、量感与衝击力。而中低音单体能处理30 Hz ~ 3000Hz，大部分直径在8吋以上，以12、15吋最为普及，可以在KTV、舞台等宽阔场所。

而通常扬声器会有低音反射孔，以增加低音单体的效率，低音反射孔比较常置于喇叭后方，不过也会有前置的设计，另外因低频较无方向性的关係，超低音喇叭的摆位通常不太需要费心。一般情况下，低音扬声器的口径越大，重放时的低频音质越好，所承受的输入功率越大。

全频带扬声器

全频带扬声器是指能够同时覆盖低音、中音和高音各频段的扬声器，可以播放整个音讯范围内的电讯号。其理论频率范围要求是从几十Hz至20kHz，但在实际上由于採用一隻扬声器是很困难的，因而大多数都做成双纸盆扬声器或同轴扬声器。双纸盆扬声器是在扬声器的大口径中央加上一个小口径的纸盆，用来重放高频声音讯号，从而有利于频率特性回应上限值的提升。同轴式扬声器是採用两个不同口径的低音扬声器与高音扬声器安装在同一个中轴线上。

依照运作方式分类

按其工作原理来分可分为电动式（也称动圈式 Dynamic）、电磁式（ Electromagnet ）、压电式（piezoelectric）、电极式（Electrostatic，又称静电式、电容式）和电浆体（Plasma）。以目前常见的喇叭来看，百分之九十五都是採用动圈式（Moving Coil）单体，也称为电磁式喇叭。动圈式喇叭最早是在1887年由Cathoreus和Reading（美国人）以及Ernest Verner（德国人）所发明，为锥形喇叭。

第一次世界大战结束后，电影事业蓬勃发展推动扬声器的需求量大增。当时以美国的电子公司为主力，目前在许多美国乡间小戏院裡现在还看得到。以现在的眼光来看，这些历史产品都只能列入PA系统（公共广播），还未能进入Hi-Fi之林。

在音质上或许静电式并不比动圈式差，但较难设计，而且它还存在有低频不够、火花放电、承受功率低等问题，故一直到现在都无法成为气候。压电式和丝带式也无法对动圈式造成任何威胁，故在未来十数年内，动圈式喇叭还是喇叭中的主流。

电动式扬声器 Dynamic

也称为动圈式，它的工作原理是让电流通过线圈产生磁场，利用电流与线圈产生出来的磁场和扬声器原有的磁场作用产生振动，它是最常用的扬声器。也是本文在一开始介绍单体时解说的单体形态。

电磁式扬声器 Electromagnet

也叫舌簧式扬声器，声源讯号电流通过线圈后会把用软铁材料制成的舌簧磁化，磁化了的可振动舌簧与磁体相互吸引或排拆，产生驱动力，使振膜振动而发音。

压电式扬声器 Piezoelectric

以一种会依电压变动而变形的物质，如陶磁（Ceremic）或晶体（Crystal）等，代换电动式扬声器的喇叭线圈，以推动振动体产生声音的扬声器。

电极式扬声器 Electrostatic

实际上就是电容式，在电容的两极之间施加巨大的电压从而利用静电场产生电场力，驱动振膜运动。虽然早在20世纪30年代就发明出了电极式扬声器，但电极式扬声器成本极高。

电浆体扬声器 Plasma

电弧击穿空气引起共振发声，是现有的扬声器中音质最好的。发声元件、放电电极体积小。发声部分是电极和电弧，放电电极是两个尖端。电弧击穿空气时有臭氧产生。早在1900年就有人提出电浆体扬声器的概念，此后又有人尝试过商业化，但始终没大规模流行，关键在于还存在不少问题：例如：对低频回应很差、寿命短，功耗大、易受高压、电磁干扰。

按振膜形状

按振膜形状不同，可以将单体分为锥形、平板、球顶、号角式等。



不同形状的扬声器

锥形振膜

是目前应用最广泛的喇叭。还可分为圆形、椭圆形等。圆形扬声的尺寸通过最大直径表示，椭圆形的尺寸则用椭圆的长短轴表示。锥形振膜扬声器中应用最广的就是锥形纸盆扬声器，它的振膜成圆锥状，是电动式扬声器中最普通、应用最广的扬声器，尤其是作为低音扬声器应用得最多。

平板

锥形喇叭的圆锥形振膜必然会产生气室，这个气室会造成共振使得效能变坏。而平板扬声器则可改善这种现象。平板扬声器也是一种电动式扬声器，它的振膜是平面的，以整体振动直接向外辐射声波。它的平面振膜是一块圆形峰巢板，板中间是用铝箔制成的峰巢芯，两面蒙上玻璃纤维。它的频率特性较为平坦，频频宽而且失真小，但额定功率较小。

球顶形

球顶形扬声器是电动式扬声器的一种，其工作原理与纸盆扬声器相同。球顶形扬声器的显著特点是瞬态回应好、失真小、指向性高，但效率低些，它的振膜通常由金属构成，常作为扬声器系统的中、高音单体使用。

号角

号角扬声器主要原理同锥形扬声器相同，振膜多是球顶形的，也可以是其它形状。号角扬声器的声音是经由号筒辐射到空间的间接辐射。号筒扬声器最大的优点是效率高、谐波失真较小，而且方向性强，但其频带较窄，低频回应差。所以多作为扬声器系统中的中、高音单体使用。

结论

在开始进入专业音响之前，简单了解喇叭、扬声器以及单体，就如同掌握一开始的纲领，接下来不论深入了解单一个喇叭乃至于单体的结构、功能；或是掌握不同喇叭的组合与聆赏都能提纲挈领。