揚聲器發展歷程及應用全解析

揚聲器又稱“喇叭”。是一種十分常用的電聲換能器件,在發聲的電子電氣設備中都能見到它。揚聲器在音響設備中是一個最薄弱的器件,而對于音響效果而言,它又是一個最重要的部件。盡管是如此簡單的一個器件,它的發展也不是一蹴而就的,而是經過了漫長的研究和無數人的心血,逐步走向成熟和進步。發明揚聲器是為了能夠讓“原音重現”,不過盡管經過了無數科學家的努力,這個目標至今仍未完全達成,反而是不同的發聲方式,不同的制造方法與材料運用,使得喇叭百花齊放,成為音響世界中最輝煌燦爛的一塊園地。揚聲器分為內置揚聲器和外置揚聲器。外置揚聲器即一般所指的音箱,內置揚聲器是指MP4播放器具有內置的喇叭。揚聲器的種類很多,按其換能原理可分為電動式(即動圈式)、靜電式(即電容式)、電磁式(即舌簧式)、壓電式(即晶體式)等幾種。

電動式揚聲器
? ? 電動式揚聲器是Ernst W. Siemens (Siemens & Halske公司創始人)于1874年1月20日申請的揚聲器原型專利。此種揚聲器是讓帶支撐系統的音圈處于磁場中,以便使振動系統保持軸向運動。當時主要用于繼電器而不是揚聲器領域。1877年12月14日, Siemens申請了號筒專利,在一個移動的音圈上面附著一個羊皮紙作為聲音輻射器,羊皮紙可以制成指數型錐體形狀,這是第一個留聲機時代的號筒實型。




  1898年,英國Oliver Lodge爵士進一步依照電話傳聲筒的原理發明了錐盆喇叭,與我們所熟悉的現代喇叭十分類似,這個發明決定了現在99%的現代動圈揚聲器的結構Lodge爵士稱為“咆哮的電話”。不過這個發明卻無法運用,因為直到1906年Lee De Forest才發明了三極真空管,而制成可用的擴大機又是好幾年以后的事,所以錐盆喇叭要到1930年代才逐漸普及起來。



  又過了整整25年,20世紀20年代,無線電廣播出現。C. W. Rice 和E. W. Kellogg發表了劃時代的論文“新型非號筒式單元”,詳細介紹了直接輻射式揚聲器,利用這個理論設計的Radiola 104音箱風靡美國。



  在過去的幾十年間,電動式揚聲器的基本原理沒有變化,只是改進了設計細節及零件。頻響范圍動態范圍等方面較老產品有了長足的發展。電動式揚聲器以結構簡單,音質優秀,成本低,動態大已經成為目前市場主流。

靜電式揚聲器
  靜電揚聲器是利用加到電容器極板上的靜電力而工作的揚聲器,就其結構看,因正負極相向而成電容器狀,所以又稱為電容揚聲器。揚聲器作為一個電聲換能器件,我們就不得不從人類懂得電與聲的轉換關系開始說起。早在1837 Page就開始應用電磁體發聲。但人類真正知道電與聲轉換的神奇是在1876年2月14日,Alexander Graham Bell提出了歷史上最重要的一份專利“電話”之后,該項發明讓人類的聲音從此可以傳到比叫喊更遠的地方。電與聲的轉換關系從此后深入人心,研究的人也就越來越多。


貝爾




  為了更好的回放記錄被記錄下的聲音,1910年,S. G. Brown將驅動力和振膜分離,發明了armature'電樞耳機。而在1910年,Baldwin 又發明了balanced armature平衡電樞耳機。電樞式耳機是在一個U型的磁鐵的中間架設可移動鐵片(電樞),當電流流經線圈時電樞會受磁化與磁鐵產生吸斥現象,并同時帶動振膜運動。1917年,Wente 和Thuras設計了電容式麥克風。到了20世紀30年代中期,根據電容式麥克風原理,靜電揚聲器面世。

  1927年3月,Lee首先獲得靜電揚聲器的美國專利。1928年,Toulon公開過一款圓型鋁振膜和雙圓型固定電極的靜電揚聲器;1929年,Danman在《關于揚聲器及其發展》的論文中,開始靜電揚聲器的學術討論;同年,《無線電和無線電評論》對靜電揚聲器的結構作出分析;1930年,Hanna提出靜電揚聲器的理論模型,認為:由于穩定靜電場的作用,靜電揚聲器振膜在每單位電壓作用下所受的靜電力,是電容和負電容的相似函數;1931年,Vogt提出一種用鋁錳合金制作靜電揚聲器振膜的結構;同時,Meyer報告了當時在諧振狀況下的測量結果:電磁式揚聲器的效率為7~8%,電動式揚聲器的效率為l%,靜電式揚聲器的效率為2%; Gesell分析了靜電揚聲器等揚聲器的生產成本。1963年,英國聲學制造公司(現名Quad聲電公司)研制出全頻帶的ESL-63型靜電揚聲器。

  近幾十年,靜電揚聲器也取得了長足的發展。荷蘭飛利浦公司的“光電耦合器阻抗匹配電路”,解決了靜電揚聲器與低阻輸出放大器的匹配問題。 德國EWD公司采用“壓電聚合物的帶狀振膜”,該膜在使用中,采取沿螺旋型繞制在圓筒表面,可以構成聲波導或聲傳輸線。 日本SONY公司的“復合疊層高聲壓靜電揚聲器”采取“固定電極——振膜——固定電極——振膜”技術方案,解決了靜電揚聲器面積較大的缺點。“苯胺、噻吩等高分子材料單體合成表面高阻抗振膜”主要解決防潮問題。 我國SHT公司的“圈式振膜”是周圍為低阻,中間為高阻的新型振膜;耐壓超過10KV的“塑封式固定電極”;大幅度提高聲壓級的“網狀連接點式固定電極”;厚度2~12μm,以“聚脂——合金——苯胺”形式構成的“復合式振膜”;以及高效非金屬化的“全塑靜電揚聲器”等。

  靜電單體由于質量輕且振動分散小,所以靜電揚聲器工作于中高頻段,音質輕盈細致,富有特色,很容易得到清澈透明的中高音。但是它的效率不高,聲壓輸出低,動態小,成本較為昂貴也是其弱項。

帶式揚聲器
  在電動式揚聲器、電磁式揚聲器技術逐漸成型期間,人們開始明白了理想的換能器應當使用可以通過電流的薄片振動膜,大家開始構思帶式揚聲器。





  1923年1月,Siemens Halske的Schottky和Gerlach申請了第一個帶式揚聲器專利。

  1940年末,一位年輕的加拿大發明家Gilbert Hobrough使用擴大機時,一時大意在音樂播出中拆下喇叭線,并讓發熱的導線靠近電線的接地端。這是很危險的動作,但Hobrough驚訝的發現電線開始拌動,并發出音樂聲,這個“具有增益的金屬線”不久后才明白是靜電效果。Hobrough進一步研究,才知道1910年左右已經有人提出這個問題,1925年在磁場內使用導電金屬片的喇叭已經于德國取得專利,當時人說這是帶狀喇叭。1920年與1930年代分別有兩種帶狀喇叭上市,不過曇花一現很快就沉寂了。

  帶狀喇叭的原理是在兩塊磁鐵中裝設一條可以震動的金屬帶膜,當金屬帶通過電流,就會產生磁場變化而震動發聲。在Hobrough重新發現帶狀喇叭時,Quad創辦人Peter Walker也在英國推銷一種號角負載的帶狀高音,這個高音并不成功,反而是1960年左右英國Decca推出很成功的帶狀高音。另一種類似的帶狀喇叭Kelly Ribbon由Irving Fried引進美國,他將Kelly高音配上傳輸線式低音而產生不錯的效果。1970年代,Dick Sequerra為金字塔(Pyramid)發展的帶狀喇叭,首次揚棄號角的設計。Hobrough發現帶狀喇叭后的三十年中,他以經營空中繪圖和靠著自動機械的專利貼補,持續進行研究,終于在1978年發展成功頻率響應低至400Hz仍然平直的帶狀單體(當時產品只能到600Hz),并且不會融化、破碎或變形,失真則只有1%。Hobrough與他的兒子Theodore Hobrough還獲得一項專利:與帶狀高音搭配的多丙烯低音所使用的無諧振特殊音箱。

  另外,加拿大HiVi惠威在促進帶式揚聲器的發展上更是功不可沒。1997年,HiVi惠威用釹鐵硼磁體組成平面矩陣磁場推挽驅動,徹底改進了傳統純鋁帶式揚聲器的振膜強度低,需配備阻抗變壓器,輸入功率低,壽命短等先天性缺點。2001年,惠威開發了靈敏度高達103dB的專業擴聲用帶式揚聲器R2pro!并且推出了世界上第一款寬輻射角多單元專業系統Pro1808!正式將帶式揚聲器引入到專業擴聲領域。



  帶式揚聲器主要應用于中高頻段,由于其頻響曲線平直,高頻上限極高,有著非常好的瞬態效果,因此可以方便的形成線性聲源。

 海爾式揚聲器
  海爾式揚聲器是1973年美國海爾博士研究和提出的第四種輻射方式。它是很高雅的帶狀喇叭變形物。它是在兩張塑料薄膜之間,上下往復地印刷鋁薄膜導體。有如手風琴式的曲折皺褶,放置在與振膜垂直的強磁場中,不使振膜全體同相的作前后振動,而是作與聲波輻射方向垂直的橫方向振動,并與相鄰導體作反方向的振動 對一個皺褶的振動進行研究,就可以知道在最初的半周進入皺褶之間的空氣按菲格(Fresnel,又譯菲涅耳)原理被放出,下半周皺褶變寬,使空氣進入其中,這就像將乒乓球放在手中按動時球就不會飛到遠處,但將球夾在手指中間,上下擠動使之彈出,就可以飛得很遠一樣。與這一原理相同,力阻抗低的(輕的)空氣,在振膜處被前后推動,按菲格原理,能被很好的吹跑。振膜小時可以有很高的效率,但對低音頻重放困難,低頻下限約為100Hz。



  海爾揚聲器制作工藝復雜,價格高昂,難以普及,只在國外少數著名的大品牌公司的高端產品中看到,如德國ELAC(意力)的Jet氣動式高音,ADAM(亞當)的ART氣動式高音,Burmester(柏林之聲),丹麥GRYPHONG(貴豐),美國Mark Daniel(馬克丹尼)。



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