高品質(zhì)的書架音箱DIY

喜歡玩音響的朋友總有很強(qiáng)的動(dòng)手欲，我也不例外。雖然家中已有不少成品器材讓自己過癮，但手總是有點(diǎn)“癢”，總是想自己敲敲打打制一臺(tái)好器材。而在圈內(nèi)久了，總也有些發(fā)燒初哥恭敬地請(qǐng)你幫忙選購或動(dòng)手做器材，我最喜歡后者，因?yàn)檫@不但極大地滿足了自己的“虛榮心”，也滿了自己的動(dòng)手欲。這不，前段時(shí)間隔壁單位的小王就慕名而來請(qǐng)我?guī)退O(shè)計(jì)一對(duì)千多元的音箱。呵，在經(jīng)費(fèi)到位的前提下，我當(dāng)然滿口應(yīng)承。
??? 小王用來享受音樂的房間是約13m2多一點(diǎn)的書房，他平時(shí)除了愛聽一些翻唱的“口水歌”外，還聽一些古典交響樂和爵士樂?？紤]到這些因素和預(yù)算，我和他強(qiáng)調(diào)了一是房間偏小一點(diǎn)，二是預(yù)算偏低了一點(diǎn)。要想在這種前提下出好聲，只能制作5英寸左右的書架箱，這個(gè)口徑和價(jià)格的書架箱應(yīng)以頻率順暢自然為主，不能強(qiáng)求低頻要如何厚實(shí)，拳拳到肉……小王一臉的崇敬，也不知他是真的聽懂了還是沒聽懂，反正最后全交給我全權(quán)處理了。而我接過任務(wù)后，只能全心做好才不負(fù)他的信任。

一、挑選單元
??? 我過去也做過幾款用不同單元的一些音箱，既有國產(chǎn)單元的也有外國單元的，積累了一定的制作經(jīng)驗(yàn)，感覺到國產(chǎn)單元的性價(jià)比雖然不錯(cuò)，但其性能的確與外國名牌單元有一些差距，尤其是高音單元，因此我在單元的選用上還是把目光投向外國名牌單元上。
??? 先選低音單元。其實(shí)5英寸左右的進(jìn)口名牌單元有很多選擇，像Seas(西雅士)的H702與H775以及H907、德國Eton(伊頓)的Eton 5-880/25HEX、丹麥ScanSpeak(紳士寶)的8530K、丹麥Vifa(威發(fā))的P13WH-00-08以及德國Visaton(威沙通)的W130S8Ω等都是其中的選擇，但考慮到價(jià)格，只能選Vifa的P13WH-00-08以及Visaton的W130S 8Ω兩款。再考慮到古典交響樂的編制和動(dòng)態(tài)較大，如單元的承受能力不強(qiáng)會(huì)令失真加大，于是決定選用Vifa P13WH-00-08。這是一款很優(yōu)秀的單元，其名氣雖然沒有我前面提及的幾款產(chǎn)品大，但事實(shí)上其性能并不遜色，而它的高性價(jià)比也使它出現(xiàn)在許多高檔的音箱中。
??? 其實(shí)選用Vifa P13WH-00-08還有這樣的考慮：選擇優(yōu)秀的單元能保證有良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也能盡量參考用該單元已有的設(shè)計(jì)方案，降低整體設(shè)計(jì)難度，其三是其靈敏度中上，比較容易匹配放大器。
??? Vifa的P13WH-00-08的外觀如圖1所示。它是該廠5英寸頂級(jí)的中低音單元之一，其口徑為5.5英寸，采用強(qiáng)悍的鎂鋁合金盆架，磁體厚大，直徑競(jìng)達(dá)92mm，差不多等同于其振膜的大小，這是其靈敏度(88dB)達(dá)到了同口徑中較高的原因之一。它的振膜為聚丙烯，配有軟質(zhì)防塵帽，其導(dǎo)磁柱開有出氣口以減少后部空氣壓縮的影響，使振膜保持更低的失真。
??? P13WH-00-08的頻率響應(yīng)平直而自然，其中頻響應(yīng)到5kHz才以12dB/Oct平滑下降，它的離軸響應(yīng)也經(jīng)過優(yōu)化，因此可使用簡單分頻而不用頻率補(bǔ)償電路，何況5英寸的中低音單元本來分割振動(dòng)就很小。P13WH-00-08的振膜做得很堅(jiān)硬，本身阻尼也很好，因而其分割振動(dòng)更小，中頻沒有典型的7、8英寸聚丙烯喇叭那么渾濁，瞬態(tài)優(yōu)良。另外，該單元的沖程比其他品牌的同口徑單元要高些，也就是說它的動(dòng)態(tài)較大，在播復(fù)雜的大動(dòng)態(tài)古典樂時(shí)有相對(duì)小的失真。
??? 圖2是該單元在無限大障板上的幅頻響應(yīng)和阻抗曲線圖。從圖中可以看出其響應(yīng)非常平直，它的相關(guān)單元技術(shù)參數(shù)見附表。
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圖2 Vifa P13WH-00-08的幅頻響應(yīng)和阻抗曲線
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??? 國外有人用Vifa P13WH-00-08單元來配Scan Speak(紳士寶)的D2905/9300高音單元的組合，不過這個(gè)組合已超出成本。國內(nèi)一個(gè)Vifa P13WH-00-08的市場(chǎng)價(jià)為380元左右，而Scan的D2905/9300高音單元每個(gè)售價(jià)在600元左右，要是用這一組合，小王的千多元成本都不夠，因而得選一個(gè)性能良好售價(jià)又適中的高音單元。
??? 考慮到價(jià)格因素，這套組合高音單元選用了英國Morel(魔雷)MDT-29高音單元。這個(gè)單元雖然只是當(dāng)前市場(chǎng)上能買到的最便宜的Morel高音，但它卻有很大的功率承受力，其他的性能也極為出色，前幾年國產(chǎn)名箱美之聲監(jiān)聽一號(hào)就是以它為榮。圖3的Morel MDT-29是一款采用特殊材料手工涂覆制作的28mm的絲質(zhì)半球頂振膜單元，其聲音柔和又不乏軟球頂單元少見的力度，能量也比較豐富，密度上乘、聽感好，一直被國內(nèi)外高級(jí)音箱廠使用。圖4是其相關(guān)參數(shù)圖。

二、設(shè)定分頻點(diǎn)
??? 兩分頻音箱的高低單元搭配有一定的學(xué)問，要從單元的指向性、分配功率、音色的一致性幾方面來綜合平衡。資深發(fā)燒友都知道，單元的活塞振動(dòng)區(qū)通常只限于額定頻帶的中間頻段，這個(gè)頻段一般是從單元的諧振頻率的一個(gè)倍頻開始到上限頻率的一半，該頻段的各種失真最小，分頻點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)根據(jù)所用單元的額定頻率范圍來確定。一般來講，兩分頻音箱的分頻點(diǎn)多取在2～4kHz，這就要求中低音單元頻響的上限盡量高一些，而高音單元的下限要低一些。5英寸的中低音單元高頻上限一般都能達(dá)到5kHz左右，由于Vifa P13WH-00-08單元的頻率延伸好而且沒有明顯的諧振峰，選用高音單元就很容易了。不過我認(rèn)為此時(shí)的高音單元頻響下限仍然盡量低一些好，因?yàn)榘凑罩械鸵舻姆诸l點(diǎn)宜選在上限的一半的原則，Vifa P13WH-00-08單元的分頻點(diǎn)不應(yīng)超過3kHz，如再考慮指向性要符合一定的高保真要求，那分頻點(diǎn)不應(yīng)超過2.5kHz。
??? 分頻點(diǎn)選在2.5kHz或更高一些時(shí)，有利于讓人聲和樂器的一部分諧音由中低單元播放，音色的一致性較好，同時(shí)，由分頻造成的分頻點(diǎn)附近的頻響和相位特性的失真對(duì)音質(zhì)的影響也相對(duì)小。不過此時(shí)對(duì)高音就要求它的下限不宜高于1250Hz了，如高音單元的頻響下限能夠到800～1000Hz左右就非常理想了。
??? 從圖2的Vifa P13WH-00-08中低音單元的頻率曲線看，該中低音單元的額定帶寬為60-5000Hz，從圖4中的Morel MDT-29高音單元的相關(guān)參數(shù)看，其額定帶寬為頻率的1/2倍頻正好為2.5kHz，已進(jìn)入活塞振動(dòng)區(qū)。Morel MDT-29的諧振頻率為900Hz，廠方推薦最低分頻點(diǎn)為1800Hz。本例取2.5kHz分頻點(diǎn)已是其低端下限頻率的近3倍，也是進(jìn)入活塞振動(dòng)區(qū)，并留有很大的余量。事實(shí)上，分頻點(diǎn)設(shè)在2.5kHz是比較理想的，這樣兩個(gè)單元均能工作于活塞振動(dòng)醫(yī)，組合后的頻帶失真較小，滿足高保真音箱的要求。
??? 分頻點(diǎn)基本上定在2.5kHz后，就要考慮采用什么類型的衰減斜率分頻方式。由于2.5kHz的分頻點(diǎn)離中低音的活塞振動(dòng)區(qū)上端5kHz較遠(yuǎn)，因而為了讓中頻更厚實(shí)一些，中音更富韻味，低頻濾波器可考慮用一階-6dB/oct的衰減斜率。Morel MDT-29的功率承受力高達(dá)80W，加上2.5kHz的分頻點(diǎn)離其900Hz諧振頻率也很遠(yuǎn)，本來也想用一階-6dB/oct的衰減斜率做高通濾波器，但考慮到相位和線性的調(diào)整，這里還是將高通濾波器的衰減斜率定為二階的-12dB/oct，這樣也可防止過多的中低頻能量進(jìn)入高音單元，提高中高頻的清晰度。
??? 單元的靈敏度是否一致對(duì)分頻器的設(shè)計(jì)有影響，幸運(yùn)的是，本音箱中的兩個(gè)單元的靈敏度比較一致，不需要在分頻器中對(duì)某個(gè)單元的聲壓進(jìn)行衰減處理就能很好地保證各頻段聲壓級(jí)的平衡，不但使分頻的設(shè)計(jì)更簡，而且由于高頻通道沒有電阻的衰減信息量得以完整保留。
??? 由于分頻器是由不對(duì)稱的一階低通濾波器和二階高通濾波器組成。它們的相位曲線并不同相其中，高通部分的函數(shù)相位曲線旋轉(zhuǎn)到+90°，低通部分旋轉(zhuǎn)到-45°，兩單元按正相連接時(shí)相位差為135°，分頻點(diǎn)處的聲音不能合成為一個(gè)整體，將高音反相接后還存在-45°的相位差，不過這一相位差可通過高、低音單元在前障板上的同一垂直面排列時(shí)產(chǎn)生的+45°相位差來校正，使系統(tǒng)達(dá)到比較線性的相位放聲效果。不過這種合成式要求分頻點(diǎn)選擇合適、準(zhǔn)確，且要求高低頻濾波器的分頻點(diǎn)在-4.5dB點(diǎn)處交叉，否則合成的頻響會(huì)在分頻點(diǎn)出現(xiàn)隆起劣化。

?圖5是本音箱最終的分頻網(wǎng)絡(luò)，它由低通濾波器(LPF)和高通濾波器(HPF)組成。一階(6dB/oct)分頻器分為3dB和6dB降落點(diǎn)交叉型兩種，本音箱取3dB降落點(diǎn)交叉型。由于不對(duì)稱的分頻器要在-4.5dB處交匯，在使用-3dB降落點(diǎn)的公式計(jì)算濾波器的元件值時(shí)，低頻的fc要相應(yīng)移到0.9fc處。高通濾波器的fc也應(yīng)該相應(yīng)地移到1.1fc處。
低通L1計(jì)算公式為
L1=159R/fc≈159R/0.9fc(mH)
高通L2計(jì)算公式為
L2=225R/fc≈225R/1.1fc(mH)
C1=113000/fcR≈113000/1.1fR(uF)
??? 式中的R是各單元的標(biāo)稱阻抗。本箱中兩個(gè)單元的標(biāo)稱阻抗均為8Ω，故R=8Ω，最后計(jì)算得
L1=159×8/2500×0.9=0.565(mH)
L2=255×8/1.1×2500=0.742(mH)
C1=113000/1.1fcR=113000/1.1×2500×8=5.14(uF)
??? 分頻網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載是一個(gè)具有電容、電阻、電感在內(nèi)的復(fù)合阻抗特性的揚(yáng)聲器，其阻抗隨頻率變化而變化，因而分頻網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸入阻抗也會(huì)隨著頻率的變化而變化。在這種情況下，會(huì)產(chǎn)生分頻點(diǎn)的偏移和頻率特性、相位特性的畸變和功放工作不穩(wěn)定。為減少這些影響，應(yīng)給低音單元增加阻抗補(bǔ)償電路，使之近似一只等于額定阻抗的純電阻，減小分頻點(diǎn)處的幅頻和相頻失真。圖5中的R1和C2就是阻抗補(bǔ)償電路，R1、C2的數(shù)值可用下面的公式計(jì)算
R1=Zo(Ω)
C2=Lbm/Re2(F)
式中，Zo是中低音單元的標(biāo)稱阻抗，Lbm為音圈的電感量(單位為uH)，R是音圈直流電阻，本箱中Vifa的P13WH-00-08的R=5.7Ω，L=0.7mH=700uH。經(jīng)計(jì)算，R1=Zo=8Ω，C2=21.5uF。
??? 圖5中某些元件有兩種數(shù)值，其括號(hào)內(nèi)的元件數(shù)值是實(shí)際調(diào)校得出的值。在制作分頻器時(shí)要注意，要減少高端頻率的阻抗，宜用小容量的電容并聯(lián)達(dá)到要求。C1電容用音頻金屬化聚丙烯膜高速電容器即可，C2用好一點(diǎn)的本尼克無極電解電容。L1線圈不宜用小線徑的，要用Φ1.5mm以上的漆包線繞制，以免直流阻抗過大引起分頻點(diǎn)的特性變差。L2由于不在信號(hào)通道上，可以適當(dāng)放低要求。

三、箱體的設(shè)計(jì)制作
??? 選好單元和設(shè)定分頻器后，就可以設(shè)計(jì)箱體了?？紤]到要有一定的低頻能量，本箱按倒相箱設(shè)計(jì)。在這里，箱體的尺寸和倒相孔開口尺寸是基于單元的Thiele/Small參數(shù)設(shè)計(jì)的，最后要考慮到單元、吸音材料的體積的加入，應(yīng)增加10％的余量，同時(shí)也考慮到分頻器元件電阻對(duì)喇叭Q值的影響。因此，箱體的內(nèi)容積還是設(shè)計(jì)得大一點(diǎn)留有調(diào)整余地為好。
??? Vifa廠家推薦P13WH-00-08的體積是5L，倒相孔直徑25.4mm，長度38mm，此時(shí)的倒相孔調(diào)諧頻率約為74Hz，F(xiàn)3為80Hz。該推薦的響應(yīng)是QB3，屬平坦期望響應(yīng)中最差的一種，而且倒相孔的25.4mm內(nèi)直徑偏小了。我推算廠方的推薦值是按箱體泄漏耗損QL=15的情況下設(shè)計(jì)的。
??? 我重新做了設(shè)計(jì)，在這里之所以沒有將設(shè)計(jì)的內(nèi)容積和倒相孔的相關(guān)過程列出來，是考慮到公式得出的參數(shù)與最后調(diào)校的實(shí)際制作有很大的出入，故沒有一一列舉。簡單說一下，采用的響應(yīng)是瞬態(tài)比QB3要好一點(diǎn)的SC4，內(nèi)容積取值5.5L。倒相孔一般是取單元口徑的10％～40％，不過如取值太小時(shí)，倒相管的非線性失真會(huì)加大。在大動(dòng)態(tài)時(shí)，其輸出聲壓的跟隨能力將會(huì)變差，也就是說瞬態(tài)低。最后，本音箱的倒相孔內(nèi)徑選為36mm，調(diào)校的長度是73mm，此時(shí)的調(diào)諧頻率為75Hz，F(xiàn)3即在-3dB的情況下響應(yīng)為75Hz響應(yīng)，對(duì)于一個(gè)5英寸的書架箱來說，應(yīng)該不算低。
??? 有人說，密閉箱內(nèi)由于空氣壓力大，容易產(chǎn)生駐波干擾，導(dǎo)致聲染色，影響中低頻的清晰度，因此箱體的尺寸比例要求嚴(yán)格。我很同意這種說法，不過我認(rèn)為倒相箱內(nèi)部的空氣壓力與密閉箱的情況基本沒有什么大的差異，一樣要求箱體尺寸比例嚴(yán)格。
??? 上面所說的5.5L內(nèi)容積是凈容積，而箱體的最終容積還應(yīng)包括揚(yáng)聲器單元、分頻器等所占的容積因而實(shí)際制作的箱體容積可取6L。箱體內(nèi)部凈空的高.寬、深尺寸比與音質(zhì)有密切關(guān)系，如果尺寸比選擇不當(dāng)，有可能導(dǎo)致兩個(gè)甚至三個(gè)軸向振動(dòng)頻率重疊，產(chǎn)生難以消除的駐波干擾，讓聲染色加重。為避免駐波的影響，本箱體寬(W)、高(H)、深(D)尺寸比采用1:2.1:1.46的尺寸比，它近似于可消除的駐波干擾的1:2.1:1.5尺寸比。
??? 容積和尺寸比確定之后，即可計(jì)算出箱體內(nèi)部的高、寬、深尺寸，計(jì)算所得尺寸要保留一位小數(shù)，以確保誤差不大。圖6是箱體制作尺寸圖，除面板采用25mm厚的中密度板外，其余各障板用18mm厚的中密度板(MDF)制作，箱體外層用的是一種淺色木皮。該箱體的制作是到電器城讓專業(yè)人士加工制作的，以保證加工的工藝和強(qiáng)度。

最后在箱體的左右、上下和后障板內(nèi)壁添加一層比較密實(shí)的、厚約20mm的絲棉吸音材料，使低頻的量感適中，讓低音更清晰，瞬變更高。

四、結(jié)束語
??? 該箱可應(yīng)用在15m左右的環(huán)境中，靈敏度達(dá)到88dB，用20W的膽機(jī)或50W左右的晶體管放大器就能很好地推動(dòng)。就我自己的聽感來說，其分析力、瞬變和動(dòng)態(tài)都有良好的水平，染色非常低，音色比較柔順，清晰而透明，細(xì)節(jié)密度高。