高品質的書架音箱DIY

喜歡玩音響的朋友總有很強的動手欲，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“癢”，總是想自己敲敲打打制一臺好器材。而在圈內久了，總也有些發燒初哥恭敬地請你幫忙選購或動手做器材，我最喜歡后者，因為這不但極大地滿足了自己的“虛榮心”，也滿了自己的動手欲。這不，前段時間隔壁單位的小王就慕名而來請我幫他設計一對千多元的音箱。呵，在經費到位的前提下，我當然滿口應承。
??? 小王用來享受音樂的房間是約13m2多一點的書房，他平時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。考慮到這些因素和預算，我和他強調了一是房間偏小一點，二是預算偏低了一點。要想在這種前提下出好聲，只能制作5英寸左右的書架箱，這個口徑和價格的書架箱應以頻率順暢自然為主，不能強求低頻要如何厚實，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處理了。而我接過任務后，只能全心做好才不負他的信任。

一、挑選單元
??? 我過去也做過幾款用不同單元的一些音箱，既有國產單元的也有外國單元的，積累了一定的制作經驗，感覺到國產單元的性價比雖然不錯，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5英寸左右的進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)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態較大，如單元的承受能力不強會令失真加大，于是決定選用Vifa P13WH-00-08。這是一款很優秀的單元，其名氣雖然沒有我前面提及的幾款產品大，但事實上其性能并不遜色，而它的高性價比也使它出現在許多高檔的音箱中。
??? 其實選用Vifa P13WH-00-08還有這樣的考慮：選擇優秀的單元能保證有良好的基礎，同時也能盡量參考用該單元已有的設計方案，降低整體設計難度，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英寸頂級的中低音單元之一，其口徑為5.5英寸，采用強悍的鎂鋁合金盆架，磁體厚大，直徑競達92mm，差不多等同于其振膜的大小，這是其靈敏度(88dB)達到了同口徑中較高的原因之一。它的振膜為聚丙烯，配有軟質防塵帽，其導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的頻率響應平直而自然，其中頻響應到5kHz才以12dB/Oct平滑下降，它的離軸響應也經過優化，因此可使用簡單分頻而不用頻率補償電路，何況5英寸的中低音單元本來分割振動就很小。P13WH-00-08的振膜做得很堅硬，本身阻尼也很好，因而其分割振動更小，中頻沒有典型的7、8英寸聚丙烯喇叭那么渾濁，瞬態優良。另外，該單元的沖程比其他品牌的同口徑單元要高些，也就是說它的動態較大，在播復雜的大動態古典樂時有相對小的失真。
??? 圖2是該單元在無限大障板上的幅頻響應和阻抗曲線圖。從圖中可以看出其響應非常平直，它的相關單元技術參數見附表。
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圖2 Vifa P13WH-00-08的幅頻響應和阻抗曲線
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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，不過這個組合已超出成本。國內一個Vifa P13WH-00-08的市場價為380元左右，而Scan的D2905/9300高音單元每個售價在600元左右，要是用這一組合，小王的千多元成本都不夠，因而得選一個性能良好售價又適中的高音單元。
??? 考慮到價格因素，這套組合高音單元選用了英國Morel(魔雷)MDT-29高音單元。這個單元雖然只是當前市場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，前幾年國產名箱美之聲監聽一號就是以它為榮。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，一直被國內外高級音箱廠使用。圖4是其相關參數圖。

二、設定分頻點
??? 兩分頻音箱的高低單元搭配有一定的學問，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。資深發燒友都知道，單元的活塞振動區通常只限于額定頻帶的中間頻段，這個頻段一般是從單元的諧振頻率的一個倍頻開始到上限頻率的一半，該頻段的各種失真最小，分頻點的設定應根據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。不過我認為此時的高音單元頻響下限仍然盡量低一些好，因為按照中低音的分頻點宜選在上限的一半的原則，Vifa P13WH-00-08單元的分頻點不應超過3kHz，如再考慮指向性要符合一定的高保真要求，那分頻點不應超過2.5kHz。
??? 分頻點選在2.5kHz或更高一些時，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，由分頻造成的分頻點附近的頻響和相位特性的失真對音質的影響也相對小。不過此時對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高音單元的相關參數看，其額定帶寬為頻率的1/2倍頻正好為2.5kHz，已進入活塞振動區。Morel MDT-29的諧振頻率為900Hz，廠方推薦最低分頻點為1800Hz。本例取2.5kHz分頻點已是其低端下限頻率的近3倍，也是進入活塞振動區，并留有很大的余量。事實上，分頻點設在2.5kHz是比較理想的，這樣兩個單元均能工作于活塞振動醫，組合后的頻帶失真較小，滿足高保真音箱的要求。
??? 分頻點基本上定在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的分頻點離中低音的活塞振動區上端5kHz較遠，因而為了讓中頻更厚實一些，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80W，加上2.5kHz的分頻點離其900Hz諧振頻率也很遠，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分頻器的設計有影響，幸運的是，本音箱中的兩個單元的靈敏度比較一致，不需要在分頻器中對某個單元的聲壓進行衰減處理就能很好地保證各頻段聲壓級的平衡，不但使分頻的設計更簡，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，高通部分的函數相位曲線旋轉到+90°，低通部分旋轉到-45°，兩單元按正相連接時相位差為135°，分頻點處的聲音不能合成為一個整體，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產生的+45°相位差來校正，使系統達到比較線性的相位放聲效果。不過這種合成式要求分頻點選擇合適、準確，且要求高低頻濾波器的分頻點在-4.5dB點處交叉，否則合成的頻響會在分頻點出現隆起劣化。

?圖5是本音箱最終的分頻網絡，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降落點交叉型兩種，本音箱取3dB降落點交叉型。由于不對稱的分頻器要在-4.5dB處交匯，在使用-3dB降落點的公式計算濾波器的元件值時，低頻的fc要相應移到0.9fc處。高通濾波器的fc也應該相應地移到1.1fc處。
低通L1計算公式為
L1=159R/fc≈159R/0.9fc(mH)
高通L2計算公式為
L2=225R/fc≈225R/1.1fc(mH)
C1=113000/fcR≈113000/1.1fR(uF)
??? 式中的R是各單元的標稱阻抗。本箱中兩個單元的標稱阻抗均為8Ω，故R=8Ω，最后計算得
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)
??? 分頻網絡的負載是一個具有電容、電阻、電感在內的復合阻抗特性的揚聲器，其阻抗隨頻率變化而變化，因而分頻網絡的實際輸入阻抗也會隨著頻率的變化而變化。在這種情況下，會產生分頻點的偏移和頻率特性、相位特性的畸變和功放工作不穩定。為減少這些影響，應給低音單元增加阻抗補償電路，使之近似一只等于額定阻抗的純電阻，減小分頻點處的幅頻和相頻失真。圖5中的R1和C2就是阻抗補償電路，R1、C2的數值可用下面的公式計算
R1=Zo(Ω)
C2=Lbm/Re2(F)
式中，Zo是中低音單元的標稱阻抗，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。經計算，R1=Zo=8Ω，C2=21.5uF。
??? 圖5中某些元件有兩種數值，其括號內的元件數值是實際調校得出的值。在制作分頻器時要注意，要減少高端頻率的阻抗，宜用小容量的電容并聯達到要求。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的特性變差。L2由于不在信號通道上，可以適當放低要求。

三、箱體的設計制作
??? 選好單元和設定分頻器后，就可以設計箱體了。考慮到要有一定的低頻能量，本箱按倒相箱設計。在這里，箱體的尺寸和倒相孔開口尺寸是基于單元的Thiele/Small參數設計的，最后要考慮到單元、吸音材料的體積的加入，應增加10％的余量，同時也考慮到分頻器元件電阻對喇叭Q值的影響。因此，箱體的內容積還是設計得大一點留有調整余地為好。
??? Vifa廠家推薦P13WH-00-08的體積是5L，倒相孔直徑25.4mm，長度38mm，此時的倒相孔調諧頻率約為74Hz，F3為80Hz。該推薦的響應是QB3，屬平坦期望響應中最差的一種，而且倒相孔的25.4mm內直徑偏小了。我推算廠方的推薦值是按箱體泄漏耗損QL=15的情況下設計的。
??? 我重新做了設計，在這里之所以沒有將設計的內容積和倒相孔的相關過程列出來，是考慮到公式得出的參數與最后調校的實際制作有很大的出入，故沒有一一列舉。簡單說一下，采用的響應是瞬態比QB3要好一點的SC4，內容積取值5.5L。倒相孔一般是取單元口徑的10％～40％，不過如取值太小時，倒相管的非線性失真會加大。在大動態時，其輸出聲壓的跟隨能力將會變差，也就是說瞬態低。最后，本音箱的倒相孔內徑選為36mm，調校的長度是73mm，此時的調諧頻率為75Hz，F3即在-3dB的情況下響應為75Hz響應，對于一個5英寸的書架箱來說，應該不算低。
??? 有人說，密閉箱內由于空氣壓力大，容易產生駐波干擾，導致聲染色，影響中低頻的清晰度，因此箱體的尺寸比例要求嚴格。我很同意這種說法，不過我認為倒相箱內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格。
??? 上面所說的5.5L內容積是凈容積，而箱體的最終容積還應包括揚聲器單元、分頻器等所占的容積因而實際制作的箱體容積可取6L。箱體內部凈空的高.寬、深尺寸比與音質有密切關系，如果尺寸比選擇不當，有可能導致兩個甚至三個軸向振動頻率重疊，產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，即可計算出箱體內部的高、寬、深尺寸，計算所得尺寸要保留一位小數，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人士加工制作的，以保證加工的工藝和強度。

最后在箱體的左右、上下和后障板內壁添加一層比較密實的、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、結束語
??? 該箱可應用在15m左右的環境中，靈敏度達到88dB，用20W的膽機或50W左右的晶體管放大器就能很好地推動。就我自己的聽感來說，其分析力、瞬變和動態都有良好的水平，染色非常低，音色比較柔順，清晰而透明，細節密度高。