喇叭驱动
论喇叭的驱动原理(上)
多年前，当笔者还是杂志社小编辑时，曾听台湾某位知名汽车音响编辑说法国某家的喇叭原厂公布的效率极高，所以不用太大的功率就可以推的好听，但在此后的采访里面，总觉得这组法国名厂的喇叭搭配小瓦数功放所发出的音乐都怪怪的，尤其是歌剧中男高音好似感冒了？鼻音非常重！这一切的答案在都是在笔者从事喇叭设计相关行业之后才一一解开，原来很多人都中了原厂公布规格上的陷阱!在这篇文章中，笔者便将为您探讨有关于喇叭驱动的原理。
扬声器的规格密码
表面上来看，91dB灵敏度的扬声器可能比 87dB灵敏度来得好推。但是实际上如何还要在看他的测试条件如何后才有办法做定论。众所周知，喇叭的效率是用dB值表示，但很多人并不知道测试时必须与阻抗有关联。故效率完全相同，但阻抗不同的两对喇叭，其需求电压也不相同。例如国际正常的测试法规为1米1W，但 8Ω喇叭1W时输入的电压为2.83V，而4Ω喇叭却是2V输入电压。因此效率相同、阻抗不同的两对喇叭，接上同一台晶体后级也必定会有不同的声音表现。
而有些原厂公布的SPL测试数据后面的都会多个2.83V的字样，很多人都会搞不清楚这是怎么一回事。就如笔者上述所说，国际认同的测试法规为1米1W，但有些单体厂为了让自己的产品在规格上好看，因此使用了自己的测试法规，利用两倍功率2W的2.83V的电压输入单体之中，这样单体由于多了一倍功率的加持，因此显示出来的SPL数据会多出3db。而有良心的厂商多数都会把SPL是于2.83V的测试状态下写明于规格表，但其实这有点像钻法律漏洞一样，反正看的懂得也没几人，只要有标示就代表他没骗你，所以以后
记得单体规格书上如果SPL有出现2.83V的字样，就记得自己扣3db起来，这样才是你通常看到的真实效率!!
此外世界各大单体制造厂鲜少于规格表上注明最高音压，使得消费者完全不能理解其单体所能制作出来的最大SPL能有多少。而最高音压这个数值是如何计算出来的呢??如果单体厂有公布正确的最大连续承受功率(RMS)与单体效率我们就可以透过公式换算出来，如效率85dB的某型号单体，其原厂公布的RMS为150W，利用工程型电算机套入公式计算，先将150W的数值代入log函数后乘以10取得21.7的数值，这个数值我们称为这颗单体的动态范围，再将原厂公布的效率85加上动态范围21.7就可以获得这颗单体最大音压约在106.7(dB)；而正常我们安装在车上的单体都有两颗，两个单体在作动时，某些频段地波形会重叠，在物理学上产生这种现象，SPL最高会向上提升6db，因此这颗单体安装在车上之后理论上将会发出109.7dB 最大音压。因此在选购时可以先计算一下，看看是否自己准备搭配的需求。
动态范围的重要性
动态范围(dynamic range)指的是动态范围而信号最强的部分与最微弱部分之间的电平差。对器材来说，动态范围表示这件器材对强弱信号的兼顾处理能力。在音响设备当中，动态范围和响度有关，即最小的响度到最大不失真的响度这段区域的范围。我们常听的CD是16位的，它能产生65536级SPL变化，这是理论极限。16位采样的前提下，动态范围是不可能超越0-65536的范围的。动态范围的数值以dB来表示，理论上这个数值在音响规格上愈高愈好。或许以学理上有点难懂，直接表示也就是说动态范围决定了器材所发出声音由最低到最高、最小到最大、最弱到最强、最暗到最亮的变化。音响器材动态愈大，就愈能表现由最弱音到最强音的变化，能表现出一种大气势和大落差，更容易带来“波澜壮阔”的层次变化。
而规格表中会标示动态范围的器材，多数都是前级的系统，如主机或EQ之类的器材；单体厂商几乎都不会注明这个规格，以避免造成争议。CD唱盘的动态甚少低于90dB，但汽车常用的6.5寸单体除非是超大音圈
的设计不然甚少高于20dB。不过直接比较是相当不合理的，因CD主机的动态范围是以电压倍数的来变化，而喇叭的动态范围则是功率的计算。理论上前级的十倍放大可具有20dB的增益，但单体10W功率却换算成10dBW，而不是20dBW，原因可利用下述公式作个说明。
喇叭的计算公式如前所述为数值log×10，但电压、电流计算公式则是倍数的log函数乘以20，因此假设现在某前级器材有50倍的电压放大，利用公式50log×20就可以得知这组前级的动态范围为33.9dB。反过来说若以得知前级的动态范围我们也可以得出其原本的放大倍数，例如得知动态范围为20dB增益，那们利用公式反转将20(dB)÷20÷inv log＝10倍(想计算者需使用工程计算机)。而喇叭的部份也能够相同利用功是反转，现假设以得知88dB喇叭的最高输出音压是110dB，换算成最高承受功率就是:(110-88)÷10÷inv log=158.4W。是不是非常简单呢，这样你再选购时又多了一个参数可以做考虑！
经过笔者解释之后读者应该可以清楚分辨所谓的电压增益与喇叭功率的动态范围差异，笔者在此顺便一提，为何许多厂家都未将后级功放的功率输出标为dBW??笔者认为因除了还要让消费者辛苦换算之外(且还要了解的人才有办法换算)，帐面数字也比较好看，假设今天有个功放标示再四欧姆时500W与另一个标示27dB W，你会选择哪个??但如果告诉你两者的功率可能相差无几我想您也不会相信!!
接下来的文章中，我们将继续探讨喇叭的动态范围与大音圈设计对于功放之间的关系
XC1:笔者最近设计的陶瓷覆层单体利用大音圈的设计、承受功率以及SPL都相当优异!
XC2:许多厂家会在SPL部分标示2.83V/1m的规格，如果单体为四欧姆的情况下，请记得扣3dB后为真实效率！
XC3:功放的输出会经过分音器而略有衰减，而衰减的多少就必须看分频网路的用料与分音阶数!!
XC4:前级的动态范围可透过数位式示波器来测试，图表一览无疑!!
Xc5：喇叭的设计的好坏与动态范围、输出功率与SPL息息相关。
Xc6：规格表中会标示动态范围的器材，多数都是前级的系统，如主机或EQ之类的器材。Xc7：汽车常用的6.5寸单体如使用小音圈设计很少动态能高于20dB。
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延续笔者上期所述，本期我们将继续探讨喇叭与功放之间驱动的关系，当已经能了解喇叭动态范围之后，单体音圈设计与功放之间的关系，让读者在选购时不会进入误区!! 许多读者都常常会看到喇叭标榜大音圈设计，但其中到底是啥意思呢??首先要了解这种设计的话必须
延续笔者上期所述，本期我们将继续探讨喇叭与功放之间驱动的关系，当已经能了解喇叭动态范围之后，单体音圈设计与功放之间的关系，让读者在选购时不会进入误区!!
许多读者都常常会看到喇叭标榜大音圈设计，但其中到底是啥意思呢??首先要了解这种设计的话必须先了解何谓音圈，一个传统的动圈式喇叭的寿命首先决定于音圈的质量，音圈可说是扬声器的心脏，其位于磁路内部连接鼓纸震膜，动圈式喇叭是利用固定磁场的反作用力使另一个磁场反方向动作(异极性相吸、同极性相斥)，而音圈，就是单独的一段金属线缠绕在一个称为轴承的圆柱体，而当主机或功放发出的功率交流电经过这段金属线时，会产生改变的磁场极性，唱片所发出的声音，透过电子器材转换成电流，这个电流使音圈相对于喇叭磁铁所产生的固定磁区产生反作用力，一个正向脉冲使圆锥纸盆相对于磁铁产生往外的运动、而负向脉冲使纸盆向内运动。当音圈推动纸盆产生来回运动时，就会使至震膜推动空气，使空气压力产生改变，聆听者所接收到这些改变的讯息，就是称为声音。
而音圈一般为圆形的自粘铜漆包线绕制，不过这个零件据说是喇叭中最矛盾的部位，为了增大程受电流与功率，线径就要增大，线径大了，要求磁隙就大了，磁隙大了，功率效率反而下降，所以只能在矛盾中取中间值。音圈一般为两层绕制，单层绕制无法引出线。音圈是绕制在一个强硬材质的骨架上，大功率的扬声器骨架有铝或功夫龙(Kevlar)製成，不过音圈还是铜线的。
那我们了解音圈之后许多读者会想这跟动态范围有啥关系?上期笔者有提过喇叭的承受功率越高，理论上来说动态范围会越大，而大音圈的设计可在相同推力情况下，音圈直径加大了，线圈匝数可以减少；匝数减少了，线径可以加粗。粗线可以承受更大电流，机械强度也较大，且与振膜接触面积也大，粘合后强度高，不易开裂，因此承受功率也比较高，自然比起小音圈喇叭动态范围上升不少。此因为喇叭在工作的同时会产生大量的热能，如果这些热能不能良好的散失的话，将会使得喇叭寿命减短的，而解决此问题最好的途径就是加大音圈口径，利用增大面积，为热量散失提供一个良好的通道，有利于散热，不致于聚积大量的热能而烧毁音圈。且大音圈喇叭在声音的表现上整个低频的扎实度以及精準度也会优异许多。
此外常听见有人提到大音圈就长行程的说法其实是错误的。所谓大音圈，是指音圈的直径比较大，这很好理解。但长行程，就另当别论了。因为长行程只是一个相对的概念，在欧姆数以及线径都固定的情况下，音圈越大，行程只能相对越短而丝毫不可能加长。所以大音圈是否为长行程还必须看其他的配套措施是否良好。
不过说了这们多大音圈设计的好处之后难道没有缺点吗?答案是肯定的！由于大音圈的设计所以它音圈和震膜的速度基本保持一致，速率与速度都快，但是也对功放的输出电流和功率与阻尼係数(DF)的要求更高，要足够才能发挥它潜力。此外音圈口径加大会造成振动系统附加质量增大，且反电动势(下期将会做解说)等问题进而影响喇叭的效率，使得变成所谓俗称的「重推」！需要在设计结构与材料的部份再做强化，因此价钱也会随之水涨船高!
因此由上述问题，在汽车音响目前只有Dynaudio、Morel、DLS这些品牌有在销售大音圈的喇叭单体，而这几年随著材质的进步，大音圈的问题已经开始获得改善，以笔者本次帮国外设计的65mm大音圈陶瓷披覆六吋半单体为例，首先重推的问题在音圈部份可以选用较轻的铝线来绕製音圈，而音圈筒也用铝或更轻的材质。音圈线材的採用也改为扁线设计让密度更高，此外要求厂商在製作音圈时不使用快速绕线机来绕製音圈，因为快速所製作出的音圈会不够扎实，反到使用慢速机台让音圈缠绕很慢很紧密而结实，在使用特殊的机台，将音圈套起来从音圈筒内部加热，使二者都能同时受热，膨胀大小相同，在从外部降温，让音圈能更紧密的黏附在筒上，即使用力拉扯也很难使其分离，在如此设计之后，不只质量比起一般的音圈还要轻且笔者实测起来利用率比Dynaudio六角形截面导线的93%还要高出2%来到了95%，且承受功率也向上提升至500W RMS。
此外重要的磁路设计，很多人都以为为汽车会使用内磁式设计是因为不像家用大音圈单体没有空间问题因此使用外磁设计再搭配巨型传统磁铁，其实这个问题这样说不完全对。因为低音单元的空气学特性，当振膜背面的声波如果不能顺畅运动，被巨大的磁钢反阻碍、反射，那就会对振膜本身产生回力，也带来不良影响，而污染音质。
而内磁式的原理只要有读过物理的读者都知道磁铁的磁力线是从中央往外流，磁铁外圈的磁力远高于内圈，所以把音圈至于磁铁外面可以得到更大的动力且可以实现完美的对称或磁场设计。内磁式单体如果以剖面图来看的话导磁板夹在上下两块磁铁中，音圈在整个运动中都处于均匀磁场之内。笔者还设计特殊形状的磁极让磁铁包含在音圈筒裡面，搭配专用极片这样可以获得最大的磁力，一般外磁单体大约只能使用到磁铁磁力的40%左右，而笔者设计的单体却可以有90%以上的磁力使用率。此外磁铁选用价格昂贵的釹铁磁体(Neodymium Magnet)，这种磁铁的磁力为传统铁氧磁铁的1.7-3倍，拥有磁束密度高与优异Q值特性等诸多良好因素，使得这颗65mm音圈的低音单体有89dB的高效能，不需要太大的功率即可驱动，摆脱重推的阴影！
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A1: 设计者必须让音圈能更紧密的黏附在筒上，即使用力拉扯也很难使其分离，这样承受功率也能向上提升。
A2:我们常说几芯的喇叭其实指的就是指喇叭的音圈有多大，图中準备插相位椎的地方就是音圈。
A3：价格昂贵的釹铁磁体(Neodymium Magnet)，这种磁铁的磁力为传统铁氧磁铁的1.7-3倍。
A4：大音圈跟长冲程是两回事，决定冲程的问题与弹波、悬边与T铁华斯的设定更有关联。
A5：dynaudio专利的上下双磁路设计，可使整个磁力线更为均匀。
A6：从这张图就可以很明显的看出位于b位置的音圈作动方式。
A7：好的音圈从选用铜料开始到缠绕方式以至最后固定做的选择都是一门学问。
A8：主机或功放发出的功率交流电经过音圈这段金属线时，会产生改变的磁场极性。
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图文：谢宗桓关于扬声器的推动概论前两期笔者已经做了基础的说明，而本期笔者将位各位读者简单介绍喇叭材质、测试方法与效率的各种问题!! 振膜与效率的关系最近笔者被许多玩家玩到这样的问题，不知现有某厂牌的扬声器，Marantz model 750车用功放90W的输出
图文：谢宗桓
关于扬声器的推动概论前两期笔者已经做了基础的说明，而本期笔者将位各位读者简单介绍喇叭材质、测试方法与效率的各种问题!!
振膜与效率的关系
最近笔者被许多玩家玩到这样的问题，不知现有某厂牌的扬声器，Marantz model 750车用功放90W的输出是否能推得动？其实针对一般效率大于 87db 的单体喇叭，应该都没有问题。但有些扬声器是超级难推的闻名，它们对扩大机的各项要求很高，不仅要求输出功率与电流要足够大，并且阻尼因素也要高，否则其所能发出来的效果由于无法完全推开，还不如廉价的扬声器，属于这类较知名的车用品牌有 Dynaudio与Morel。有时消费者为了驾驭这些喇叭，花在功放上的钱，往往是该扬声器的数倍之多，所以有些人干脆把扬声器换掉。但也有发烧友执著于这两个品牌独特的音色，花再多钱也要找到合适的扩大机。但反过来说不知各位读者是否还记得之前笔者所写的最佳公放设计一文中，由于要让功放有大电流与大功率又必须使用多功率晶体并联的设计，此时音质又会较混浊不清，真是令人两难的情形。
这个时候你是否会想，难道喇叭要保留原有音色还要作高效率的设计这么难吗?此点先从单体的震膜来分析，假设单体的振膜支撑结构较软较重，因此易產
生不受推动电流控制的自由振动，而使音质劣化，其表现为低音嗡嗡乱响，难以控制，拖音严重，这种现象我们称为”盆列失真”。对此，应使用较大静态电流的纯A甲类扩大机，该扩大机并且应具有较大的阻尼系数。有人形容的讲这类扬声器喜欢“吃”静态工作电流。只有这样，才可以将此类扬声器的自由振动有效的压制住。
而再假设扬声器单体的振膜支撑结构比较硬较轻，此外这种单体的设计由于低频不足，或是说：它们无法发出真正的低音。想测试它很简单，用电影配乐一放便知。主因是由于单体的共振频率点(Fs)不够低，早期由于电影院须要的是高效率、干净有punch的中低频，又没有电子EQ，故极低频可以牺牲。但听起来低频不凝聚不说，应该有的音场及深度，都会被遮蔽掉；基本上常是糊成一团，毫无透明感。而这类喇叭用普通小功率功放推动时，低频量会更少，声音著重于中、高音，且整个声底会显得干硬。这类扬声器需要使用动态较大，瞬间输出电流较大的功放来驱使，才能推出由质量的低频和整体音场的平衡度。这种扬声器喜欢“吃”动态电流。而有的扬声器以上二种情况皆有，就更加难以控制了，支撑结构软而且灵敏度低，要推好它还真不容易。
效率的真相
大多数音响迷都知道扬声器的效率测试方式：首先要在无响室，收音麦克风距喇叭「轴心」一公尺；再由一台标准扩大机送出1W的sweep讯号。或许你不认同，以前也有国外知名厂商反对在无响室测试，汽车的聆听空间怎么可能是无响室？但这是国际共同的标准，就像升学考试的规范般。
假设某三音路喇叭，其轴心位置正好是中音单体，实测值为87dB。此时将麦克风上移对准高音单体，以及下降对准低音单体test；若两次实测都是87dB 或非常接近87dB，那就是效率均匀。但很不幸，难免有误差，甚至于差很多。
再者某些单体厂所公佈分离式或同轴喇叭的灵敏度，其测试时只对整套扬声器所能发出的音压做测试，而非对每支单体所能发出的音压做单独测试。所以，假设100 瓦的功率，同时输入到两音路分音喇叭的高低音单体时，首先会进入分频网路而消耗掉部份功率(消耗的多少必须看分音器的阶数)，再把剩于的功率发送到不同的高低音喇叭之中。
此时，两颗单体会因为本身效率的不同、阻抗曲线的不同，而对输入的功率產生不同的反应；简单来说，高低音单体所发出的音量会有差异。通常如发现低频量感较少，直觉反应就会说这对喇叭很重推，无论其规格所标示的效率有多少，就是很难推得动。此外这种情况下有时还会出现高音单体效率极高的问题，在形成低频不够饱满但高频却声声刺耳。
且现今高阶套装喇叭为求分音仔细且音质细腻，因此在分音电路上采用了很多大容量的电容、电阻及电感，虽然最后整体的高、中、低音分得很好，但是也把输入的能量消耗光了，所以您为了能驱动它，就必须输入更大的功率。
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动态范围与SPL
还记不记得前两期笔者所提的动态范围，其理论为若喇叭的最高音压－效率即是它的动态范围，那一般车用喇叭的动态有多少？不论是啥大厂牌，多数都绝不超过27dB！因此可以再思考一个问题：若两对喇叭的阻抗与效率皆相同，用同一台扩大机驱动，是否会得到相同的音压？答案是会一样!!经笔者多年实际操作经验显示，差异性极大。在无响室内所测出的效率，不一定能含盖低、中、高频，因此同样都是95dB/8Ω的两对喇叭，其最低驱动功率（扩大机输出功率），可能一是20W，一是50W。
不过如果能在能维持低频的同时提高喇叭效率绝对是好事，假设有组喇叭它可以再1W输入时有99dB来说，若是减半功率0.5W输入，它也有96dB！就算是仅剩0.25W输入，也还是高达93dB。以一般车上听音乐，很难有机会发出93dB 的音压，故50W输出绝对够用啦。
A1：以Marantz model 750车用功放90W的输出，只要效率大于 87db 的单体喇叭，应该都没有问题。
A2：有些扬声器是超级难推的闻名，Dynaudio便是其中代表，但由于音色深受许多玩家喜爱，目前在市场上还是炙手可热。
A3：由于要让功放有大电流与大功率又必须使用多功率晶体并联的设计，此时音质又会较混浊不清，真是令人两难的情形。
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