音箱設計 – – 音箱的簡易設計法

音箱設計（音箱的簡易設計法）

設計音箱可以說是最簡單也是最難的工作。音響知識差的人可以隨意設計一個盒子，隨意安裝音箱，聽得津津有味；但是，一個聲學知識豐富的音樂愛好者，即使打算自己設計，也往往害怕計算過程的複雜和效果的不可預測，所以雖然市面上有很多質量相當好、價格也不貴的單體，但是由於上述原因，愛樂愛好者不敢輕易嘗試自己的設計，錯過了很多應用質優價廉單體的機會。
馬鞭因此，如何簡化音箱複雜的設計過程，儘量減少數學計算，是引起愛樂藝術家自己設計音箱興趣的重要因素。如果這樣一個過程可以結束，我相信會有更多的愛樂藝術家或他們自己的粉絲加入到設計和製造音箱和揚聲器系統的行列中來。
我一直很好奇為什麼日本粉絲自己設計喇叭盒這麼受歡迎。因此，專業製造商如FOSTEX、CORAL等。幾乎每年都會舉辦自制揚聲器系統的設計大賽，並頒獎，參與者也很多。以前筆者把這種現象歸結於日本社會的富裕、閒適、購買力強，但最近我在朋友從日本帶回來的大量資料中發現了一些東西，改變了這種看法。日本之所以有這種風氣，真的是廠商的良好倡導和專業技術不斷普及的結果。
在朋友帶回來的資料中，最吸引筆者注意的是一款FOSTEX公司生產的pad。據說這款pad在任何一家銷售FOSTEX單體的商店都可以免費獲得，每一款都印有無數的文字和內容。朋友給了我這張4號資料表，主題是“音箱的設計”，其內容正是我所期待的“音箱的簡易設計方法”，我真是喜出望外。

單體要有規格。
在設計喇叭箱體之前，首先要找到單體，單體必須具備以下規格:有效振動半徑A、自由共振頻率fo、Qo值、振動系統等效質量mo。通常這四種規格都可以從原廠的目錄中得到。雖然fo、Qo、mo可以透過一定的程式確定，但是為了使喇叭箱體的設計簡單，需要儘量避免使用規格不全的單體，通常允許單體的實際規格與廠家公佈的規格有10%的誤差。

知道了單個單元的Qo值後，可以參考附表(圖2)，該表列出了單個單元的Qo值以及適合安裝喇叭箱的形式。觀察表格可以發現，適合封閉式喇叭箱的Qo值範圍最大，可以在0.2-1.0之間，而適合小型封閉式和低音反射式的Qo值範圍較小，喇叭型的範圍更小。
在0.2~0.6的Qo值範圍內，這類單體既可以配封閉箱，也可以配反光箱，市面上大部分優質單體也在這個範圍內。所以下面簡單的設計方法也可以分為封閉和反射部分。我們在選擇單體時，可以經過多次計算，選擇最合適的喇叭盒形式。

封閉喇叭盒的內部容積可根據以下公式確定:
V=(355×a？)/(α×?fo？×?莫)
v:內部容積，單位升
a:隔板的有效半徑，單位為釐米。
Fo:自由共振頻率
Mo:振動系統的等效質量，單位為克(g)
α:引數，見下面的描述。
在這個公式中，只要選定單體，A，fo，mo都是固定已知的，要求的值是V，但α引數還得單獨得到。
α值的確定與所用單體的口徑、mo、效率等因素有關。可以參考表中所列的條件(圖3)，透過封裝後的諧振頻率fb來確定，或者透過封裝後的Qb值來確定。一般對於口徑相同、效率較高的單體，透過預測fb來確定α值。該方法根據以下公式計算:
α=(fb/fo)？-1
fb值的預測範圍是fo值的1.2 ~2.0倍。
如果裝置的效率低，預測的Qb值用於確定α值。通常封閉揚聲器頻率特性最平滑的Qb值為0.7，而常用的Qb值在0.5-1.0之間。公式如下:
α=(Qb/Qo)-1
由於喇叭箱內通常放置大量吸聲材料，Qb或fb值比預測值低10%左右，因此在計算α值時可以稍微高估Qb和fb值，以符合實際情況。
以上是計算封閉喇叭盒體積的簡單方法。原始資料中列出了兩個例子，如下:
例1:單體UP-203S，a=8.7cm，fo=40Hz，mo=18.5g，Qo=0.45，直徑=20cm，效率=93dB。
封裝後的fb預計是fo的1.4倍，所以fb=56Hz。
α=(56/40)?-1=0.96
V=(355×8.7？)/(0.96×40?×18.5)≒71.6(升)
實施例2:單體FW-160，a=6.5cm，fo=30Hz，mo=21g，Qo=0.27，直徑16cm，效率=87dB。
由於效率低，α值由預測的Qb值決定。本例中，預期Qb值為理想值的0.7倍，因此α為:
α=(0.7/0.27)?-1≒5.7
V=(355×6.5？)/5.7×30?×21≒5.9(升)
也就是說，所選喇叭箱中的淨容積應該約為6升。如果要同時預測fb值，則可以獲得以下公式:
fb=(Qb/Qo)×fo
在本例中，fb預計為:
fb=(0.7/0.27)×30≒78(Hz)
反射揚聲器並不難。
合理的反射式音箱設計往往可以提高低頻效率，擴充套件揚聲器系統的低頻特性，因此也是支撐音箱的常用形式。其內部容積的確定方法與前面提到的密閉箱相同，同樣使用α引數。只是在反射式音箱的設計中，不容易得到α值，通常可以在0.5-3.0之間選取。理論上，Qo=0.3時α=3，Qo=0.4時α=1.2，Qo=0.5時α=0.6，Qo=0.6時α=0.42。這裡，α的值理想地設定在1到2之間，即使有偏差，也在合理的範圍內。
以UP-203為例。在反射框中，α設定為1.5，V為:
V=(355×8.7？)/(1.5×40?×18.5)≒45.8(升)
這個體積是音箱中應該有的淨體積，不應該包括加固木條、單個磁鐵和導管的體積。因此，音箱的實際容積應設計在48~50升左右。
確定反射式揚聲器的淨體積後，反射管埠的規格要立即確定，公式如下:
L=(30.000×S)/(fb？×V)-0.825×√S
l:導管長度，單位為釐米
s:導管開口的橫截面積，單位為釐米？
v:音箱的淨容積，單位升
Fb:喇叭盒空腔體的諧振頻率
上面的fb是反射喇叭盒中兩個諧振頻率中較低的一個。在上面的公式中，除了V是已知的，S和fb是要選擇的。通常情況下，S可選擇為單體有效振動面積的0.2~1.0倍，而fb的選擇與單體的原始fo有關，為原始fo值的1.8 ~ 0.65倍(見圖4附表)。

在這本雜誌UP-203S中，如果fb是fo的0.9倍，S就是有效振動面積47.5cm的0.2倍？，則導管長度為:
L=(30.000×47.5)/(36？×45.8)-0.825×√47.5≒18.3(cm)
在反射式喇叭盒中，只要導管的長度和截面積相同，導管的形狀不受限制，可以是方形、矩形或圓形，甚至可以是兩個截面積減半的小導管。
如果使用圓形導管，為了計算方便，可以使用另一個公式:
L=(94.000×γ？)/(fb？×V)-1.46γ
γ:導管內圓周的半徑
這是反光喇叭盒的簡單設計方法！
一般來說，對於自制的反射式音箱，最好將導管部分設計成可更換的形式，這樣在初試低音不理想時，可以改變導管的規格，透過人耳來提高音質。一般來說，當低音過強時，可以透過減小導管的截面積、加長導管長度、增加吸音棉來抑制，而當低音不足時，也可以透過相反的手段來增強。
以上是FOSTEX資料表的主要內容。列出的設計方法雖然不符合嚴格的理論要求，但為業餘愛樂音樂家提供了基本的設計準則和依據。目前市面上有很多高階全音或低音單體。如果讀者有興趣，春節期間，不妨選擇一兩個自己喜歡的單體，嚐嚐自己的喇叭盒設計的味道！