扬声器箱体和号角的作用及原理

扬声器箱体和号角的作用及原理

Loudspeaker Enclosures & Horns:

——What They Do, How They Do It

挡板、低音反射、优化输出、喇叭设计、张开曲率、方向性等其他关键特性。

在几乎所有现代扬声器系统中，箱体内包含构成系统的一部分或全部驱动器元件，并且它将一个或多个喇叭单元驱动器的后辐射与前辐射分离。它还可以限制喇叭和压缩驱动器的后部辐射，以避免多余的声能投向舞台。
为什么将盆体的前辐射与后辐射分开？当盆体驱动器向前移动时，它向大气提供正压力，表现为冲击。当它向后移动时，则提供了负压。而且它在快速重复这两个动作——比如在1kHz波长下每秒可达1000次。如果前后辐射能量彼此不分离，则每一个都会抵消另一个的输出，因为它们相差180度。

有几种方法可以防止这样的抵消。最简单的是平板挡板，这种方法可以追溯到20世纪初。第一个挡板用来安装盆体驱动器，其目的是将前辐射与后辐射隔离开来。挡板越大，盆体驱动器可再现的频率范围越低（当然，处于其他因素限制的范围内）。

随着频率的降低，波长变长。如果挡板足够大的话，它甚至可以将前面的正低频辐射和背面的负辐射分开，从而阻止前后声的抵消。

随着时间的推移，很明显，除了电影院的固定安装案例，18 x 18英尺的挡板并不实用。接着，扬声器设计师提出了一个无限挡板的想法，类似密封的箱体。它确实起作用了。

密封（左）和低音反射箱体。

20世纪60年代，随着摇滚乐取代了声乐团体和大乐队音乐，人们对扬声器产生了更多的输出需求。低音反射箱体有助于满足对功率、清晰度和低频下潜的新要求。

低音反射箱体采用一个出口，该出口能捕获盆体驱动器的后部能量，并通过相对较小通常为管道式的导流装置将其向外发送。这个解释不是特别透彻（那些长波长是如何通过那个小端口的？）所以如果你不能完全理解它，不用担心。它需要复杂的压力动力学方程来正确解释。

低音出口可用于增加LF输出，尽管端口的输出与盆体的振动压力输出相位上并不同步。

在现实生活中，“优化出口低音反射箱体”是营销手册中多年来用来描述低频扬声器的一个术语，听起来非常好。

但是如果你测量它的相位响应，它的端口能量会与直接辐射的能量在频率范围内显示出完全反转。幸运的是，在相同的频率范围内，盆体驱动器移动很小，大部分声能可通过出口输出。

事实上，测量出口调谐中心频率的方法，术语中称为Fb（驱动器和箱体组合的谐振频率），是将一个测量麦克风放在盆体的顶部，并在高分辨率频谱分析仪上查看响应。

频谱响应会有一个明显的下陷。下陷的中心频率是箱体调谐频率，下陷的深度大致表示箱体的结构优点。即使是一个小的空气泄漏也会减少下限的深度，下陷的深度应尽可能深，以便最大限度地将能量传递到出口。不规则的形状表示谐波共振，如振动板。

一个牢固支撑的刚性箱体会比一个建造劣质的箱体产生更平滑、更美观的曲线（见下面的图表）。通常，扬声器箱体应尽可能坚固耐用。振颤的箱体板材吸收的能量是浪费掉的能量，而不是向外传播。

下陷的最低点是箱体的调谐频率。该外壳密封良好，支撑良好，由下陷的深度和光滑形状可显示。
低音反射出口的另一个用途是将盆体驱动器的冲程限制在一个频率，否则该频率可能会因超出冲程而触底。在这种情况下，出口更多地用于冲程控制而不是增加输出。这会导致喇叭负载，它通常与低频范围内的低频反射式箱体相结合。

从影院扬声器开始，詹姆斯·B·兰辛（James B.Lansing）等设计师制造了由成型木材制成的低频号角扬声器，以增加系统的输出。在早期，25W的放大器已经是极限了，所以扬声器效率是一个非常重要的问题。

号角也用于高频，通常用可锻金属铸造。

Altec Lansing 511B多室喇叭。

后来，多层玻璃纤维材质成为大多数制造商（不是所有制造商）的首选材料。一些高频喇叭是由加工木材制成的，实际上是一种很好的材料，在车床上加工而成。另一方面，今天使用的其他喇叭材料包括塑料模塑件，如果拔模足够短，有时会真空成型，与注塑相比，这是一种非常便宜的工艺，但只能用于薄材料。

声学号角本质上是一个变压器。它的作用是将盆体或压缩驱动器的高压和相对较小的辐射区域转换为大得多的外部大气区域，后者本质上是低压环境。

通过其张开角度，号角将喉部的高压、高粒子速度振动转换为分布在口部相应较大区域的低压、低速粒子振动，从而更有效地将波阵面与空气耦合。

张开曲率——也就是设计师为号角设计选择的曲线——用于以某种方式转换驱动器的能量。有许多经典曲线，如指数曲线、双曲线曲线、圆锥曲线和其他曲线，每个曲线都有自己的特性。一些张开率有利于LF输出，另一些有利于整体效率，还有一些有利于频率响应的均匀性或低失真。

所有张开曲率都显示出一定的方向性。说“这是一个完美的张开曲率”绝非易事。设计师在选择张开曲率和号角尺寸时，应考虑如何更好地实现号角的预期性能。

号角与（压缩）驱动器的关系。

号角的设计可以是“直的”，也可以向前、侧向、甚至向后折叠，然后再向前。折叠节省了箱体内的空间，同时保持喇叭长度足够长，以再现低频。

折叠的一个缺点是，根据折叠的形状和陡峭程度，超过一定频率的能量会反射回自身并抵消。因此，大多数折叠喇叭的工作范围有限，通常不超过两个八度。

除了提高驱动器向大气的传输效率（通常高达10dB或更高）之外，声学号角还提供了辐射能量角度控制的额外作用。可以选择号角的张开角度来控制辐射到几乎任何水平和垂直方向。我曾经在旧金山看到一个采用360度的旧号角设计。压缩驱动器安装在喉部露出的顶部。（它在语音寻呼方面效果很好。）

虽然给定的张开曲率能提供所需的覆盖模式，但号角的长度和开口面积必须足够大，以控制频率叠加频段附近较低频率的波长。可惜大多数号角无法做到。在提供有效LF控制的范围内，它们就像一个迷宫，在更高的频率下也是一个严重的妨碍。

号角设计是一场艰难的过程。我记得在商用号角上测试了一个专有的2英寸喉口驱动器，并对扩展高频响应的要求没有得到满足感到非常失望。没有超过10 kHz的信号。当我将驱动器从号角上拔下时，突然发现10 kHz以上的高频响应几乎完全平坦到18 kHz（幸运的是，当时测量麦克风和分析仪仍在运行），我才意识到号角开口对传播驱动器的高频能量是多么有害。

Renkus Heinz ST4自供电扬声器的剖视图。

号角的长期应用领域例如音乐会扬声器，从中低音到高音范围，现在已经被大多数线性阵列所取代，它们使用了直接辐射的低音盆体驱动器和较小的的中音盆体驱动器。对于低频，它们通常以分开的一对排列，中频则以四个阵列排列，高频通常在波导的两侧各有两个。现代的盆体、塑波和星形材料，由高强度磁体和耐用的音圈支撑，使得相对新一代的小型盆体驱动器具有极高的声压级和功率处理能力。

在不同时期，出现了一些新颖的扬声器设计方法，通常以专利授权或专利申请的形式出现。它们在大程度上提供了性能优势，但很少有人知道。然而，创新是对人类思维想象力的致敬。看看专业音频行业接下来会出现什么新趋势，这将是一件有趣的事情。