号角喇叭的新发展.docx

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号角喇叭的新发展

音响器材有三大古董:

胆机、LP和号角喇叭。

这些古董之所以能够存活至今,真正的原因并不在于它们的收藏价值或人们的怀旧情结,而是因为仍然有人不断地用新技术、新材料、新理念在改造它们,使它们的生命周期得以延长。

今年的CES展有一些用新技术武装起来的“古董”亮相,例如VTL公司的Siegfried参考级电子管放大器和AvantgardeAcoustics公司的号角喇叭等。

Avantgarde号角喇叭有许多独到的创新之处,与传统的古董号角喇叭已有很大不同。

在三大古董中,号角喇叭似乎是最不受国内爱好者青睐的。

究其原因,既有技术和商业因素（技术难度大、门槛高,国内几乎没有厂家生产,因而缺乏宣传热情）,也有心理方面的因素（过去遍布城乡的有线广播喇叭大多是号角式的,低劣的音质使号角喇叭声名狼藉,以致拖累了发烧级号角喇叭）。

由于缺少推介文章,更由于当前市场上的号角喇叭大多是些只可远观而不可近玩的天价货,以致多数人对它的原理、优缺点和发展现状知之不多。

笔者认为:

尽管没有必要去掀起一场“号角热”,但作为一种曾经辉煌一时、至今活力尚存的音响器材,有些爱好者可能希望对它有所了解。

本文将以Avantgarde公司的号角喇叭为实例,介绍一下这种喇叭的来龙去脉,供有兴趣的读者参考。

历史的回顾

大约在100多年前,EmilBerliner发明了机械留声机。

唱针滑过唱片沟槽所产生的机械振动非常微弱,无法听到,当时又没有电子放大器,所以用一个号角把振膜的振动放大,使人耳可以听见,这就是最早的号角喇叭。

此后,一些号角喇叭的先驱者如Gustavus、Webster、Klipsch和Voigt花费了数十年的时间探索号角技术的基本规律。

1926年,PaulVoigt首次向英国专利局提交了tractrix号角的专利申请。

此后就开始了号角喇叭的黄金时期。

那时的电子管功放输出功率很小,必须使用高效率的喇叭与之配合,于是号角喇叭成为一时之盛。

著名的经典产品有AltecLansing设计的TheVoiceoftheTheatre、PaulKlipsch的Klipschorn、Jensen公司的ImperialHyphexHorns、PaulVoigt的VoigtDomesticCornerHorn以及英国Lowther公司的Acousta和Audiovector等。

1925年,Kellog和Rice发明了动圈式喇叭,当时把这种喇叭称为“没有号角的喇叭”,但在相当长的一段时间里,号角喇叭仍然居于优势地位。

直到1947年,贝尔实验室的Bardeen、Brattain和Shockley发明了晶体管。

由于晶体管可以获得更大的输出功率,高效率的喇叭已经不再是不可缺少的必要条件,随着电子管的衰落,号角喇叭也日益衰落了。

但即使在今天,仍然有一部分人认为:

高效率并不是号角喇叭的唯一优点,它具有一些其它扬声系统不具备的独特优点,仍然有存在的理由,并坚持不断地推出新产品。

号角式扬声器所运用的是最基本的物理概念,它的工作原理正好与我们的耳朵相反。

外耳道的直径是从外向里逐渐缩小的,声压也会随之逐渐增加。

这种结构可以帮助我们听到更细微的声音。

耳聋助听器发明之前,听力不佳的人曾经把一个号角放在耳朵上以放大声音,这就是最原始的助听器。

基于同样原理,用两只手掌放在耳朵旁边,也可以提高听力。

穴居的原始人就已经懂得:

用手围成一圈放在嘴上,声音可以传得更远。

古希腊和古罗马人对此有了更深刻的了解,他们的半圆形剧场实际上就是一个庞大的号角:

舞台相当于号角的喉部,演员相当于振膜。

在这样的剧场里,即使坐在剧场的最后一排（与舞台相距113米）,也可以清晰地听到演员的轻声细语。

在中国,天坛的寰丘和回音壁也利用了同样的原理,制造出奇妙宏伟的声音效果。

号角喇叭的声音是由安装在号角喉部的振膜产生的。

振膜在工作时需要克服因号角形状而增高的空气压力,所以在相同功率的驱动下,安装在号角上的振膜的振幅会比安装在音箱里时小,减小的程度取决于号角的尺寸和形状。

由此,我们可以推导出这样一个命题:

振膜的振幅减小得越多,声音的强度就越高。

这个命题似乎是矛盾的,因为我们通常认为振幅越大,声音就越大。

但这是一种误解。

利用能量守恒定理可以说明这个问题:

施加在喇叭单元上的电能将等于辐射的声波所携带的能量与因摩擦而造成的能量损失（会转换成热量）之和。

运动部件的行程变短时,这些部件与空气摩擦而造成的能量损失会降低,更多的能量将被转换成有效的声能,或者说,号角所产生的机械阻力会提高电-声转换的效率。

对于高效的能量转化机构来说,高的机械阻力是必不可少的条件。

这就好像是一个赛跑运动员,把他穿着平底的皮鞋在光滑的跑道上时的情况和穿着钉鞋在正式跑道上的情况相比,后者的能量转换效率显然更高。

除了能提高效率之外,行程变短的另一个好处是使瞬态响应得到改善。

与安装在音箱中的喇叭相比,号角喇叭的行程会减小到无号角时的1/10,运动速度则将因之而增加10倍。

如果要在相同的时间内从静止状态启动而达到这一速度,加速度也必须增加10倍,其结果是所吸收的能量将增加100倍。

因此,号角喇叭具有非常快速的瞬态响应,它所驱动的空气几乎没有惯性,这种快速启动和刹车能力是非号角喇叭无法实现的。

当驱动信号过去之后,振膜会极其迅速地恢复中立位置,讨厌的残余振荡可以得到有效的抑制。

因此,号角喇叭的解析力特别好,音乐细节特别丰富。

指数号角与球形号角

号角的形状是非常重要的,必须通过复杂的数学计算得到,不同的形状和长度会造成不同的声音。

即使形状微小的变化,也会使声音有明显的变化。

我们可以想一想乐器中的小号和圆号,正是它们的形状和长度造成了各自不同的音色。

号角喇叭的设计目标则正好相反:

它所产生的声音必须是平衡的、没有失真、没有个性的。

号角的形状有许多种,过去主要有指数形、抛物线形、双曲线形等,其中最普遍的是指数号角。

这种号角早在上世纪20年代就出现了,此后曾长期占据主导地位。

但Avantgard认为:

指数号角的理论基础是错误的,会引起严重的声染色。

关于这个问题的理论推导比较复杂,涉及到一些难懂的概念,在此就不详述了。

该公司认为球形号角是最优越的。

从外观上看,当频率响应范围相同时,球形号角的开口比较大,长度比较短。

指数号角的开口约为90°,球形号角则扩展到180°。

这种号角不仅可以避免指数号角的声染色问题,而且低频响应特性也优于指数号角,由左上图可以看出:

在低端截止频率（f0）附近,指数号角的频响曲线有许多峰和谷,而球形

号角的响应曲线则是比较理想的。

此外,球形号角的指向特性也优于指数号角。

从左下图可以看出:

指数号角在高频段发生了集束效应,而球形号角则没有。

CDC声学分频器

LC分频器的设计一直是一个令人头痛的问题:

理论计算的数值并不可靠,每个系统都必须经过小心的、多半是凭经验的调整。

这是一个非常复杂而且费时的过程。

选择滤波器的类型和阶数也是很困难的。

在常用的滤波器中,切比雪夫（Chebyshev）滤波器的滤波效率最高,脉冲响应却是最差的。

贝塞尔（Bessel）滤波器的脉冲响应和相位特性是最好的,但在转折频率区的效率是最差的。

巴特沃斯（Butterworth）滤波器则是两者的折衷,它的滤波效率和脉冲响应均居于其它两者之间。

随着滤波器滚降特性的不同（主要取决于滤波器的阶数）和滤波器类型的差别,会出现不同的交叠曲线,这就意味着喇叭单元必须在指定的频率范围之外的一段区域也必须能保持线性工作状态。

阶数越低,这个问题就越严重。

而阶数越高,滤波器的相移就越大。

高阶的巴特沃斯滤波器或切比雪夫滤波器的滚降率较高,对喇叭单元带宽的要求可以低一些。

但这种滤波器会损害脉冲响应特性。

想要改善脉冲响应,只能采用一阶滤波器,但一阶滤波器会使交叠区域变大,使得喇叭单元必须在其转折频率以外额外覆盖两个八度（倍频程）。

为了克服上述问题,Avantgarde的号角系统采用了一种特别的“CDC系统”。

CDC的全称是“ControlledDispersionCharacteristic（受控辐射特性）”,这是一种声学滤波器,可以避免LC滤波器的缺点。

它的工作原理并不复杂:

号角喇叭的低端截止频率主要取决于号角喉口的面积,面积越大,低端截止频率就越低。

在截止频率点以下的区域中,响应曲线将以18dB/倍频程的斜率急速下降。

因此,即使没有滤波器,号角喇叭也能自动地切除截止频率以下的响应。

高端响应则主要取决于驱动单元的特性和号角的声学特性。

在喇叭单元与号角之间安置一个小空腔,这个空腔就是一个声学谐振器,其作用相当于一个带通滤波器。

空腔的谐振频率取决于其中的空气体积,在高于谐振频率时,响应曲线将以6dB/倍频程的斜率下降。

如果选择一个适当的喇叭单元,使它在这一频段的自然滚降率为6dB,就可以获得滚降率为12dB/倍频程的声学频响而无须使用LC分频器。

CDC系统可以确保喇叭只工作在预定的区域中,而且在转折频率点以外的区域里陡峻下降。

球形号角在低频转折频率处的陡峻下降及大功率承受能力使我们可以使用相位特性较好的一阶高通滤波器,而且在中低音频段可以无须使用任何滤波器。

制造工艺

号角喇叭就像是一个放大镜,无论是美好的东西还是丑陋的东西,在它下面都可以看得清清楚楚。

它不仅会突出音乐中的正面因素,而且使平时不易觉察的缺陷也显现出来。

它对设计、制造方面的任何微小错误都十分敏感,某些对于普通音箱无须特别小心的问题,在号角喇叭上却有可能造成严重后果。

尤其是号角的制作,必须十分精密。

制作号角的材料和工艺有许多种,其中最容易的方法是用车床将木材切削成号角的形状。

但是,木头会随环境温度、湿度及气压等的变化而伸缩,导致号角的形状偏离精确设计的曲线。

较好的材料是用玻璃钢,但是用脱模工艺制作的玻璃钢制品表面非常粗糙,必须用手工将其打磨光滑。

手工打磨无法保证尺寸的精度,打磨得越多,误差就会越大。

既要制造出精良的、毫无妥协产品,又要把成本控制在一定范围内,就必须寻找新的材料和工艺。

Avantgarde采用了注塑法来制作号角。

所用的钢模具重达8000kg（950mm口径的号角）,模具的尺寸公差小于±0.05mm,熔化的树脂（ABS塑料）加以2500吨的压力注射到模具里。

这样制造出来的号角非常精确,其形状可以长期保持不变,外表光亮,产品的一致性也非常好。

Avantgarde一共推出了四款号角喇叭:

两分频的DUO和UNO（连同低音音箱则为三分频）,同轴式的SOLO,以及三分频的TRIO（连同低音音箱则为四分频）。

TRIO是该系列中的旗舰,其低中音单元型号为L3,具有特别高的效率（107dB/1W/1m）和极大的功率承受能力。

由于采用了CDC技术,所以无须外加分频器就可以自然地工作在预定的频率范围内（100-600Hz）。

中音单元M3的工作频率范围为600-4000Hz,高音单元H3则工作在4000Hz以上的区域中。

价格最低的SOLO是为家庭影院设计的,同时兼顾了音乐重放的能力。

它由一只305mm（12英寸）的低音单元和一只25.4mm（1英寸）的高音单元组成,所以无须另配低音音箱。

高音单元安装在低音单元的中心,构成一个同轴系统。

两者都配备了球形号角。

低音的重放

号角喇叭的最低重放频率取决于号角的尺寸,频率越低,波长就越长,相应的号角尺寸就必须越大。

如果要重放频率为30至50Hz的声音,做出来的号角将非常巨大,难以应用。

1889年,Avantgarde曾开发了一种号角式低音喇叭,号角开口的面积竟达6m2,由9只203mm（8英寸）的低音单元驱动。

这个庞然大物无法整体运输,只能拆成部件,然后在用户的房间里重新组装,极不方便。

因此,这款低音号角从未投入商业销售。

使用折叠式的号角可以减少喇叭的总长度。

在折叠号角中,声音传播时要经过多次转折,总的传播长度与一个直号角相同。

典型的例子是前面提到过的那