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喇叭的发展史

时间:2012-01-10 19:48作者:

  不管您叫它放送头也好,扬声器、喇叭也罢,这个可以将声音还原播放的东西,已经走过一世纪的岁月了。事实上喇叭发展的过程并不顺利,科学家想尽办法要让「原音重现」,不过这个目标至今仍未达成,反而是不同的发声方式,不同的制造方法与材料运用,使得喇叭百花齐放,成为音响世界中最辉煌灿烂的一块园地。

一百多年前的奇想

  1818年,诗人雪莱的第二任妻子玛丽,在她著名的科幻小说「科学怪人」中,描述科学家以支解的尸体合成一个可怕的怪物,经通电后重新获得生命,当时所有人都对科学有无穷的信心。1874年发明电话的贝尔尝试制造「声音分析器」,真的就拿支解的尸体为材料,以人耳耳膜与耳骨制造了一具「记音器」(Phonautograph)。这个机器能画出声波图,但无法重现声音。

  1877年7月18日,爱迪生进行以金属薄膜及唱针记录声音的实验,他对金属箔唱了一首「玛丽有只小绵羊」的儿歌,当唱针将拾取到的振动讯号透过号角放大,在场的人全都傻眼了,因为他们听到爱迪生在机器中唱歌,这是留声机诞生的经过。今天再让各位读者欣赏一百年前的留声机,你一定无法想象,那种频宽不足、毫无动态可言、杂音奇大、失真又严重的「音响」,居然也能流行起来。很快原始的号角被舌簧式喇叭取代,这种喇叭是在一块马蹄型磁铁前端设置一个线圈,线圈中间有一个可摆动的金属片,当线圈中有音频讯号电流通过,磁场发生变化使金属片摆动,连带牵动纸盆而发声。这种设计仍不理想,却是日后以纸盆发声的基础;而把纸盆作成圆筒状,磁铁与舌簧装在筒内,可以向四面扩散,这也成了日后无指向性喇叭的滥觞。

  其实早在1877年,德国西门子公司的Erenst Verner就根据佛莱明左手定律,获得动圈式喇叭的专利。1898年,英国Oliver Lodge爵士进一步依照电话传声筒的原理发明了锥盆喇叭,与我们所熟悉的现代喇叭十分类似,Lodge爵士称为「咆哮的电话」。不过这个发明却无法运用,因为直到1906年Lee De Forest才发明了三极真空管,而制成可用的扩大机又是好几年以后的事,所以锥盆喇叭要到1930年代才逐渐普及起来。另一个原因是1921年以电气方式录制的新唱片问世了,它比传统机械式刻制的唱片有更好的动态范围(最大到30dB),逼得人们不得不设法改良喇叭特性以为配合。

  1923年,贝尔实验室决定要发展完善的音乐再生系统,包括新式的唱机与喇叭,立体声录音与MC唱头、立体声刻片方式等,就在这波行动中被发明出来。研发喇叭的重责大任,落在C.W. Rice与E.W. Kellogg两位工程师身上。他们所使用的设备都是当时人前所未见的,包括一台200瓦的真空管扩大机、许多贝尔实验室自己完成的录音,以历年来贝尔实验室发展出来的各种喇叭 - 像是Lodge的锥盆喇叭雏形、用振膜瓣控制压缩气流的压缩空气喇叭、电晕放电式喇叭(今天叫电离子驱动器),以及静电喇叭。没多久Rice与Kellogg从众多样式中挑选出两种设计 - 锥盆式与静电式,这一个决定使喇叭发展方向从此一分而二:传统式与创新式。

动圈式喇叭

  动圈式喇叭是从舌簧喇叭的基础演变而来,在环状磁铁中间有一个圆筒型线圈,线圈前端直接固定纸盆或振膜上,但线圈中通过音频电流,磁场受到变化,线圈就会前后移动而牵动纸盆发声。动圈式喇叭问世之初由于永久磁铁强度难以配合,所以多采用电磁式设计,在磁铁中另外缠绕一个线圈来产生磁场,这种设计曾流行廿年之久。但电磁喇叭有它的问题,比如通过电磁线圈的直流脉冲容易产生60Hz与120Hz的交流声干扰;而电磁线圈的电流强度随音频讯号而变动,造成新的不稳定因素。

 1930年代经济大萧条期间,爱迪生留声机公司倒闭了,其它人也好不到哪去,需要扩大机驱动的喇叭因此推广不顺,老Victorla留声机直到二次世界大战前都还很流行。二次战后经济起飞,各种新型音响配件成为抢手货,锥盆式喇叭再度受到严重考验。这段时间由于强力合金磁铁开发成功,动圈式喇叭由电磁式全部变成永久磁铁式,过去的缺点一扫而空(常用的除了天然磁铁钴以外,还有Alnico与Ferrite磁铁,除了磁通密度外,天然磁铁的各种特性都较优越,近年来高级喇叭则采用钕磁铁)。为配合LP的问世,以及Hi-Fi系统的进展,锥盆喇叭于是在纸盆材料上寻求改革。常见的像是以较厚重材料制造低音单元,轻而硬的振膜当高音;或者把不同大小的喇叭组装成同轴单元;也有在高音前面加号筒变成压缩式号角高音喇叭;甚至有将高音号筒隐藏在低音纸盆后面的设计。1965年英国的Harbeth发明了真空成型(Bextrene)塑料振膜,是材料上的一大进步,这种柔软但阻尼系数高的产品,在KEF与一些英国喇叭上仍可见到。后来Harbeth还发明了聚丙烯塑料振膜,这种新材料有更高的内部阻尼系数,质量更轻,目前仍被许多喇叭采用。

  工程师设计喇叭时变成有两个思考方向:低音喇叭寻求音箱结构的突破;高音喇叭则进行单元的改良。所以这个时候出现的一些新设计,几乎都是高音单元。比较成功的设计,就属静电喇叭了。

静电喇叭

  前面提到贝尔实验室的Rice与Kellogg实验喇叭,他们制造的静电喇叭大得像扇门板,振膜由猪大肠外包金箔构成(塑料还未为上市)。当真空管的光辉照耀,发亮的金色庞然大物具有催眠作用,加上实验室空气中充满猪肠腐臭味与臭氧味,两位科学家也许会想到「科学怪人」与利用死人耳朵制成的贝尔「记音器」。但开始发声后,它光彩夺目的声音与逼真的音色,简直让大家吓呆了,他们明白一个崭新的时代已经来临了。不过Rice与Kellogg在设计静电喇叭时遇到了无法克服的问题:需要有庞大的振膜才能再生完整的低音,在技术难以突破的情况下,贝尔实验室只得转向锥盆喇叭发展,这一停滞使得静电喇叭沈寂了三十年。

  1947年一位年轻的海军军官Arthur Janszen受指派发展新的声纳探测设备,而这套设备需要很准确的喇叭。Janszen发现锥盆喇叭并不线性,于是他动手试做了静电喇叭,在塑料薄片上涂上导电漆当振膜,事后证明无论是相位或振幅表现都不同凡响。Janszen继续研究,发现将定极板(Stator)绝缘可防止破坏作用的电弧效应。1952年,Janszen完成商业化生产的静电高音单元,与AR的低音单元搭配,是当时音响迷梦寐以求的最佳组合。

  1955年,Peter Walker在英国的「无线电世界」一连发表多篇有关静电喇叭设计的文章,他认为静电喇叭与生俱来就有宽广平直的响应,以及极低的失真,失真度比当时的扩大机还低得多。1956年,Peter Walker的理想在Quad ESL喇叭上实现了(Quad是以他早年一种扩大机Quality Unit Amplifier-Domestic的缩写来命名),它的准确性被誉为鉴听新标准,不过仍有一些问题待克服:音量不足、阻抗负载令某些扩大机望而生畏、扩散性不足、承载功率也有限。60年代初期Janszen加入KLH公司为KLH-9的上市而努力,由于KLH-9的大尺寸化,解决了Quad ESL的问题,一直到当1968年Infinity公司成立前,KLH-9静电喇叭都是最Hi-End的产品。

  Janszen的成就不仅于此,在他协助下,Koss、Acoustech、Dennesen等静电喇叭陆续问世,Janszen企业的首席设计师Roger West也自立创设了Sound Lab公司。当Janszen企业出售时,RTR公司买下生产设备,推出Servostatic静电板,Infinity的第一对喇叭就使用RTR的产品。Janszen公司几经转手,却始终没有消失,今天喇叭王之一 - Dave Wilson的WAMM巨型系统,里面就用了部份Janszen所设计的静电板。

 静电喇叭的设计吸引许多厂商投入,比较有名的包括Acoustat、Audio Static、Beverage、Dayton Wright、Sound Lab、Stax与Martin Logan等。Acoustat X本身附有真空管扩大机,可以输出高压讯号而不必使用升压器;Beverage 2SW除了附有高电压扩大机、控制器,还有一对超低音。由于Beverage 2SW两公尺高的振膜装在一个椭圆音箱中,利用声波导板让声音由前方开口均匀传出,可以形成非常立体的音像,它的建议摆位是放在两侧墙边,然后面对面播放。Dayton Wright的设计也很特殊,振膜装在以六氟化硫惰性气体密封的塑料袋内,用以增加喇叭的效率与输出音压。最贵的静电喇叭,要属Mark Levinson的HQD。每一声道使用两具Quad静电喇叭,加上一个改良的带状高音与一个24吋的低音增加频率两端延伸,配上三台Mark Levinson ML-2后级与电子分音器,要价15,000美金,当时真的是天价。Martin Logan为解决大片振膜产生低音的问题,近年来混和锥盆低音的一系列设计获得很大成功,再加上延迟线、声学透镜、波浪状振膜等新技术的引进,让静电喇叭越来越可亲,相信它还会继续的存在。

带状喇叭

  1940年末,一位年轻的加拿大发明家Gilbert Hobrough使用扩大机时,一时大意在音乐播出中拆下喇叭线,并让发热的导线靠近电线的接地端。这是很危险的动作,但Hobrough惊讶的发现电线开始拌动,并发出音乐声,这个「具有增益的金属线」不久后才明白是静电效果。Hobrough进一步研究,才知道1910年左右已经有人提出这个问题,1925年在磁场内使用导电金属片的喇叭已经于德国取得专利,当时人说这是带状喇叭。1920年与1930年代分别有两种带状喇叭上市,不过昙花一现很快就沈寂了。

  带状喇叭的原理是在两块磁铁中装设一条可以震动的金属带膜,当金属带通过电流,就会产生磁场变化而震动发声。在Hobrough重新发现带状喇叭时,Quad创办人Peter Walker也在英国推销一种号角负载的带状高音,这个高音并不成功,反而是1960年左右英国Decca推出很成功的带状高音。另一种类似的带状喇叭Kelly Ribbon由Irving Fried引进美国,他将Kelly高音配上传输线式低音而产生不错的效果。1970年代,Dick Sequerra为金字塔(Pyramid)发展的带状喇叭,首次扬弃号角的设计。

  Hobrough发现带状喇叭后的三十年中,他以经营空中绘图和靠着自动机械的专利贴补,持续进行研究,终于在1978年发展成功频率响应低至400Hz仍然平直的带状单元(当时产品只能到600Hz),并且不会融化、破碎或变形,失真则只有1%。Hobrough与他的儿子Theodore Hobrough还获得一项专利:与带状高音搭配的多丙烯低音所使用的无谐振特殊音箱。不过他们以Jumetite Lab为品牌所制造的喇叭,一心想以较低价格提供给大家使用,在市场上却没有红起来。后来包括加州柏克莱的VMPS Audio、爱荷华市Gold Ribbon Concepts、麻州的Apogee Corporation,都发展出比Jumetite Lab频宽更大的带状喇叭系统。Gold Ribbon制造了频宽最大的带状驱动器(200Hz-30KHz),它们不是用铝,而是以厚度仅1微米(百万分之一公尺)的金制成振膜。不过最成功的,却是Apogee公司。身兼艺术经纪人与音响玩家的Jason Bloom,加上他的岳父Leo Spiegel - 一个退休的航空工程师,共同组成Apogee。它们用古典带状驱动器负责中高音,100Hz以下使用另一种准带状驱动器,近年来也加入锥盆低音作混和设计,评价都相当的高。

  另外有一个带状喇叭家族的远亲 - BES(Bertagni Electroacoustic System)脉动振膜喇叭。BES跟典型的静电喇叭或Magneplanar平面喇叭一样,都有一个开放的架子与一块平面振膜,声音向前后辐射。不过BES不是很薄的金属板,而是厚度不一的泡沫塑料,外表有点像立体地图。BES的设计使振膜表面有多种谐振模式,振膜的不同部份在不同的频率部份振动,振动的方式不是机械活塞式,倒像随着宽广音频而均匀振动的音叉。BES的设计引起很大争议,最后当然就不了了之了。

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