基于惠威Hi-FiRESEARCH 12英寸的W12低音單元高品質(zhì)有源超重低音音箱設(shè)計

眾所周知，低音是音樂信號的基礎(chǔ)，它在很大程度上影響聽音的氛圍，缺失低音信號聲音會顯得輕飄而不真實，而在正規(guī)的家庭影院播放中，超重低音箱是很重要的一分子，如果少了重低音的烘托，那就完全失去臨場感，也就是說不真實。很多發(fā)燒友普遍使用6.5～8英寸低音單元的音箱，這些音箱的低頻下限比較低，低音聽起來雖然有力，但能量和延伸能力卻不足。

    因此，筆者建議，如果有條件，還是選用中大型落地箱為好，以得到更豐富的低頻響應(yīng)，而組建家庭影院時，應(yīng)把超重低音音箱考慮進去。當然，如果原來的系統(tǒng)沒有豐富的低頻效果，你也可單獨添置一個優(yōu)質(zhì)的超重低音音箱來提高重播效果。不過，好一點的超重低音音箱售價不菲，既然我們有能力去自己設(shè)計制作書架箱或落地箱，那么我們是否也能自己做一個好一點的超重低音音箱呢?答案是肯定的，有興趣的讀者不妨跟隨著我依葫蘆畫瓢。

理想的超重低音箱的概念
     在制作前，我們應(yīng)對什么是“好一點的超重低音音箱”有一個基本的概念。筆者認為衡量超重低音音箱的品質(zhì)高低有幾個方面。
1.好的超重低音箱必須是有源放大的
    所謂“有源放大”就是內(nèi)置功放的，而無源超低音音箱是沒有內(nèi)置功放，箱內(nèi)只有無源分頻器，要和主音箱共用或另配功放。無源超低音音箱是利用前級的音量控制來決定音量，如果超重低音音箱的靈敏度或音量和主音箱不平均，會引發(fā)聲場混亂、頻響不均衡、聲像定位出不來等情況，而此時超重低音音箱的擺位又不能解決這一問題，這些問題就難以改善。加上超低音大口徑單元的振動質(zhì)量肯定大于主音箱單元，故發(fā)聲速度要慢一些，加了這種超重低音音箱之后，效果往往很渾濁。
    有源超低音音箱是專門為低音重播而設(shè)計的。它的工作特征是信號直入帶有源分頻的前級。100 Hz以下的頻率由專用的低音放大器放大后驅(qū)動超低音音箱。100 Hz以上的頻率經(jīng)分頻后送至放大器，放大后由主音箱播出。這時要有一個獨立的音量控制用來控制超低音音量跟主音箱在音量上的比例。
    正規(guī)的添加超低音音箱是超低音在交叉分頻頻率以下工作(例如100 Hz或120 Hz)，而主音箱在交叉分頻頻率以上工作，不過這樣的分頻器要設(shè)在信號源輸出之后，主聲道前級之前，因而，一些高級的超低音音箱都設(shè)有一對左右聲道輸出端子，但在日常使用中很多人都是直接從前級輸出直駁入超低音音箱。
    由此看來，有源超低音音箱所用的單元和內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)、專用的低頻提升技術(shù)，以及分頻放大器、箱體等都是為低頻再現(xiàn)而服務(wù)的。因此，有源超低音音箱的表現(xiàn)并非無源音箱所能比擬的。

2.超低頻量感要充足，延伸要足夠低
    超低音音箱的功能就是彌補主聲道音箱的低頻不足。

3.超低音單元要能承受大功率而不失真
    眾所周知，面積越大的振膜低頻潛得越深，同時為了要達到充足的能量，大多數(shù)的超低音單元都在10英寸以上，單元的振膜越大，相對的質(zhì)量也會增加，單元的運動不容易受控制，這時需要較大的控制能量既較強的輸入功率。否則，振膜的動靜不能令行禁止就會使聲音模糊，如果單元反應(yīng)的速度跟不上音樂的速度，就會造成低頻段的失真，使聲音模糊不清，同時也會讓低頻變得軟弱而不夠力。

4.要有設(shè)計合理堅固的箱體結(jié)構(gòu)
    超低音是音箱播放中失真最嚴重的頻段，但低頻段其實也藏有許多細節(jié)和質(zhì)感，像低音大提琴與管風琴的低頻就不一樣，絕不是轟轟響模糊一片的盲目“雄渾”感，性能優(yōu)異的超低音還可以輕易聽出堂音、細節(jié)以及音色等各種巧妙的變化，反應(yīng)快的超低音可以重現(xiàn)出凝聚的沖擊力和有效提升分析力并與中、高頻段銜接良好。箱體的長寬高比例和堅固與否會直接影響到超低音的細節(jié)清晰度、分析力、速度感、瞬態(tài)反應(yīng)等，因此不能等閑視之。

選材設(shè)計制作
    就上述幾個觀點，這款DIY的有源超重低音箱將通過精心選材、精心設(shè)計制作來達到媲美優(yōu)質(zhì)商品機的效果。
    首先我們選用的低音單元是惠威Hi-FiRESEARCH 12英寸的W12低音單元(如圖1)。它的特征是采用高損耗、高順性、超薄、耐疲勞橡膠折環(huán)和德國KEVLAR增強紙基復(fù)合材料振膜，配以高散熱涂層、無渦流損耗、高承載功率76 mm音圈和耐高溫SV線以及一體化高密度鋁盆架，它的對稱磁場(SMD)驅(qū)動系統(tǒng)可減少音圈電感與反電動勢的相互調(diào)制，加上超長沖程線性位移設(shè)計，使它有著承受功率大，fo(諧振頻率)和Qts(品質(zhì)因數(shù)，總Q值)較低，瞬態(tài)好，低頻響應(yīng)極佳，低音豐滿有力，高清晰度和解析力，動態(tài)大，低失真的優(yōu)點，很適合做有源超低音。
W12低音單元的幾個主要相關(guān)參數(shù)是：額定阻抗8Ω；諧振頻率(fo)28 Hz； 額定功率150 W(最大300w)； 靈敏度(2.83V，1m)90 dB；總Q值0.42；振動質(zhì)量89.7 g；等效容積(Vas)156 L。圖2是它的結(jié)構(gòu)尺寸圖。
 
    選定單元后，應(yīng)當考慮推動這個低音單元的功率大小，為了很好地控制低音單元的運動，筆者認為功率放大器輸出的功率不宜小于低音單元的150 W 額定功率，但也不宜大于它的最大300W 輸入功率，因此所用的功率放大器輸出功率應(yīng)在200 W(8Ω)左右。對于一般幾十平方米聽音室而言，如果設(shè)計合理，這個功率已足夠。
    超重低音音箱用的功率放大器不僅要有大推動力，同時其瞬態(tài)失真要小、反應(yīng)速度要快。這里采用的恒流功放驅(qū)動，是用線性元件把流過揚聲器音圈的電流取樣反饋到功放輸入端，使放大器以固定電流方式驅(qū)動負載，這樣就很好地解決功放內(nèi)非線性失真或瞬態(tài)失真不能兼顧的問題。
    使用恒流功放驅(qū)動還有不少好處，首先，輸?shù)綋P聲器音圈的電流不受揚聲器阻抗的影響，因而簡化了保護，提高了可靠性；其次是反饋取樣電壓與流過揚聲器音圈的電流成線性關(guān)系，不存在相位差，減少了功放內(nèi)部的瞬態(tài)失真，系統(tǒng)的瞬態(tài)失真指標取決于揚聲器的瞬態(tài)特性；其 是用輸出負載特性的功放驅(qū)動阻抗隨頻率變化的負載，會增強聲音的力度和解析力，反應(yīng)速度也快。圖3就是超重低音箱用的主動伺服式功率放大器。它是專門根據(jù)W12低音單元的相關(guān)參數(shù)作了取樣設(shè)計。該線路可輸出200 W左右的RMS功率，為上下對稱分別采用負反饋恒流設(shè)計，這種線路的特點是負反饋分別加在輸入級晶體管的發(fā)射極上，與各自的偏置電路組合成獨立的上下對稱線路，優(yōu)點是前級的發(fā)射級不易混入噪聲，功放有很高的信噪比。
    伺服均衡相位、音量控制線路的設(shè)計特點是從音源或前級輸出的信號經(jīng)L，R輸入送到運算放大IC1A的輸入端，開關(guān)K1和IC1B就是用來控制信號的正反相，使之與主音箱有更正確的相位匹配。由三聯(lián)波段開關(guān)K2和IC1C構(gòu)成的線路是以巴特沃斯三階低通濾波器組成的約40 Hz，55 Hz，75 Hz，100 Hz共4個低頻輸入截止點。
 
圖3 起重低音音箱用的主動伺服式功率放大器
 圖4是主動伺服式功率放大器所用的電源圖。發(fā)燒友都知道，好的功放在電源上下的功夫并不比線路少，為了取得更出色的音效，該機采用了一個約650 w 的R型優(yōu)質(zhì)變壓器，R型變壓器的漏磁和效率比常見的環(huán)型或EI型變壓器要好，溫升低，放在使用環(huán)境相對復(fù)雜的超重低音箱內(nèi)部明顯比環(huán)型或EI型變壓器有優(yōu)勢。
 
    該機的前后處理線路各有自己獨立電源供應(yīng)，繞組是分開的，其中，控制線路的供電采用三端穩(wěn)壓處理后輸出正負15V的電源供電給IC1和IC2，后級功放為了減少電源內(nèi)阻，用4對中等容量濾波電容并聯(lián)輸出，以得到更快的反應(yīng)速度。為了進一步減少箱內(nèi)磁場的互相干擾，整個主動伺服式功率放大器裝在一個30 cm×35 cm×9.5 cm的厚鋁金屬機箱內(nèi)，其中散熱器是裝在箱體的外表，以利于散熱。
    得到主動伺服式功率放大器所占的容積大小后，我們就可以很方便地求出超重低音箱的內(nèi)腔容積大小。從W12低音單元的幾個主要相關(guān)參數(shù)來看，該單元較適合做倒相箱，為了取得相對平坦而不是渲染的低頻響應(yīng)，有較出色的瞬態(tài)響應(yīng)和良好的低頻延伸，在設(shè)計箱體時是采用SC4響應(yīng)設(shè)計。用SC4響應(yīng)設(shè)計是倒相箱設(shè)計方案中的較好選擇，它的特征是箱體比較大，但它卻有著很低的調(diào)諧頻率和相對出色的瞬態(tài)響應(yīng)以及較低的失真輸出特點，可能有讀者問為什么不采用更好的SBB4響應(yīng)設(shè)計? SBB4當然更好，但我們在綜合考慮了兩種設(shè)計的音質(zhì)與箱體的大小關(guān)系后，認為SC4響應(yīng)足以滿足高水平的聽音要求。
    用SC4響應(yīng)設(shè)計的倒相箱雖好，但它要求低音單元有較低的Q值，w12低音單元的總Q值是0.42，基本附合這種要求。該超重低音箱是按查表方式設(shè)計的，表1收錄了從0.37～0.44的低Q值SC4設(shè)計數(shù)據(jù)，在設(shè)計不同Q值的SC4響應(yīng)倒相箱時，讀者也可用此數(shù)據(jù)設(shè)計。
 
    根據(jù)表1，我們很快就能求出該超重低音箱的內(nèi)空容積。
求箱體內(nèi)空容積Vb：
Vb= Vas÷α=156÷0.9113=171.2(L)
求箱體的調(diào)諧頻率 ：
fb= (fh÷fo )×fo=1×28=28(Hz)
求音箱的低頻截止頻率f3：
f3= (f3÷fo )×fo=0.937×28=26(Hz)
求倒相管長度L：
Lv =2350Dv2 ÷(fb2×Vb)-0.73Dv
    其中Dv是倒相管的開口直徑，為得到很好的線性，這里取值100mm，經(jīng)計算，Lv≈102.1 mm。
    按照箱體容積公式計算所得的值均為凈容積，實際計算時要記得加上內(nèi)置功放的體積(10升左右)和揚聲器的容積(約為4升左右)，而加固支撐件的體積可設(shè)在9升左右，這樣，箱體的最終容積V=171.2+10+9+4=194.2 L，實際制作時可按195 L計算箱體尺寸。
    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，有可能導(dǎo)致兩個甚至三個軸向振動頻率重疊，產(chǎn)生難以消除的駐波干擾，讓聲染色加重。為減少不必要的影響，本箱的高、寬、深比例取值為1.3:1:1.2。經(jīng)計算，箱體內(nèi)部凈空的高、寬、深尺寸分別為65 cm，50 cm，60 cm。箱體用25 mm厚的中密度纖維板(MDF)制作，為提高箱體的剛性，箱體內(nèi)部設(shè)有一個支撐板，同時前障板用兩
塊25 mm厚的中密度纖維板(MDF)粘合起來，以減少箱板共振帶來的音染，得到較清晰的音效。圖5是該音箱的制作尺寸圖，制作時請注意各障板接觸面要加工平直，結(jié)合面要涂上木工膠使其接觸面緊密，并用木螺絲收緊，確保接合緊密牢靠不漏氣。為平衡前后障板的重量，主動伺服式功率放大器設(shè)在后障板，散熱器為外露式設(shè)計。從該箱的后障板布置圖中可以看出，倒相孔是開在背后的，也就是說，該箱在擺位時不要太靠近后墻。
 
    一般音箱內(nèi)的吸聲材料的放置方法有粘貼法和填充法兩種，倒相式音箱常采用粘貼法，該箱的吸聲材料用量是在箱壁鋪上用棉布包裹的5 cm厚左右的礦棉。如果覺得低頻能量過多，可適當加厚吸聲材料。這樣，音箱的總Q值(Qts)下降，可以改變低頻厚度，使低音更清晰，提高瞬變反應(yīng)速度。為了超低音箱得到清晰高分辨率的低音，該箱宜選用金屬釘腳，最好是用銅質(zhì)的腳錐。

使用建議
    使用中，如果低頻輸入截止點調(diào)得過高，與主音箱低頻段重疊過多，低頻在某些頻段顯得渾濁拖沓，將影響低頻的速度和清晰度。相反，當?shù)皖l輸入截止點調(diào)得過低時，低頻也會出現(xiàn)不連貫的現(xiàn)象，讓人覺得主音箱與超低音箱是“各自工作”。因此，選擇合理的低頻輸入截止點會使主音箱與超低音箱實現(xiàn)平滑的低頻過渡，低頻量感會增加但又不會覺得有過于突兀、渲染，讓整體氣勢渾然一體。一般的調(diào)整原則是
如主音箱的-3dB低頻下限為6O Hz的，宜選55 Hz低頻輸入截止點，也可以這樣粗略調(diào)配。如主音箱的低音單元是4～5英寸的，可選75 Hz低頻輸入截止點；如低音單元是6～7英寸，選55 Hz低頻輸入截止點或更低檔。
    超低音箱的音量調(diào)整不要調(diào)得過大(最好不要超過10點鐘)，防止超低音過于喧賓奪主和減少失真。在相位的調(diào)整時，先放一段低頻較豐滿的音樂，然后將相位分別設(shè)定在0°及180°位置，比較這時的低頻的量感，以量感豐滿、聲音清晰、凝聚者為佳。當調(diào)整好后，超低音箱已融入整套系統(tǒng)中，你就會感受到它的威力。
    自己制作一個像這樣的有源超低音箱約需要2500元，但它的音效可媲美售價高一倍的商品箱，而且實實在在。有需要的朋友，不妨自己動手豐衣足食。