分頻設計自己來

分頻設計自己來 文/Sunny 返回
前言

很多人都認為DIY喇叭比起前級，後級及DAC簡單，因為它只是一個木箱加上分音及單元便可以了，真是沒有技術可言。當然啦,做出來有聲出的確很簡單.但做出好聲音就有點難度了。

一向以來，分音器、音箱的設計都是廠商視為秘密般的收藏.這樣使得僅有很少數的DIYer可以進行喇叭的實作，實在有點可惜。我嘗試在這裡為大家解開這個秘密，希望大家看完這篇文章可以對設計有了初步的了解，然後可以做出自己的第一對喇叭。

還要多謝立民兄給我寫這篇文章的機會。

本篇會有三個單元：

分音器篇 音箱篇 實作篇

簡介

首先想給大家一個說明，對喇叭各部份有個初步了解：

超高音：負責22kHz以上的頻率

高音：負責5000Hz~22kHz頻率.

中音：負責1500~5000Hz頻率

低音：負責1500Hz以下頻率

超低音(增加)負責200Hz以下頻率

分音器：指定的頻率分配給各個單元工作。

音箱：分為密封式,倒相式及迷宮式

喇叭單元的結構在此不作說明了，因為太過複雜很難解釋清楚，以後再利用篇幅講解。

分音器篇

表面上分音器只是一個十分簡單的電路,應該不會太難設計.可是在現實卻是完全兩會事了.其中所包含的測量,分析及所要的儀器的確是相當的複雜.

不過今次要講的不是那麼高深難明的測量…………….而是要從最基本開始,好有個完整概念.分音器可分為以下兩大類:

主動分音及被動分音：兩者的分別很大，主動分音使用在前級及後級之間，用OPA來達成分音的目的,須要多部後級才能使用。而被動分音(以下稱之分音器)就是放在音箱內的分音器,要用電感零件來達成分音的目的。但只須一部後級便可以使用.也今次所要介紹的。

編注：主動分音，又稱有源分音（香港方面的說法），Active Cross Over；被動分音，又稱無源分音（香港方面說法），Passive Cross Over。其中又可以把分音器再分為：

二路設計有：

First - Order線路圖

C1=0.159 / RH F L1=RL / 6.28 F

式中的:

RH = 高音阻抗值

RL = 低音阻抗值

F = 分頻點

Second - Order線路圖

Second - Order Linkwitz - Riley

C1 = 0.0796 / RH F L1 = 0.3183 RL / F

C2 = 0.0796 / RF F L2 = 0.3183 RH / F

Second - Order Bessel,

C1 = 0.912 / RH F L1 = 0.2756 RL / F

C2 = 0.0912 / RL F L2 = 0.2856 RH / F

Second - Order Butterworth

C1 = 0.1125 / RH F L1 = 0.2251 RL / F

C2 = 0.1125 / RL F L2 = 0.2251 RH / F

Second - Order Chebychev

C1 = 0.1592 / RH F L1 = 0.1592 RL / F

C2 = 0.1592 / RL F L2 = 0.1592 RH / F

式中的:

RH = 高音阻抗值

RL = 低音阻抗值

F = 分頻點

Third - Order線路圖

Third - Order Butterworth

C1 = 0.1061 / RH F L1 = 0.1194 RH / F

C2 = 0.3183 / RH F L2 = 0.2387 RL / F

C3 = 0.212 / RL F L3 = 0.796 RL / F

式中的:

RH = 高音阻抗值

RL = 低音阻抗值

F = 分頻點

Fourth - Order線路圖

Fourth - Order Linkwitz - Riley

C1 = 0.0844 / RH F L1 = 0.1000 RH / F

C2 = 0.1688 / RH F L2 = 0.4501 RH / F

C3 = 0.2533 / RL F L3 = 0.3000 RL / F

C4 = 0.0563 / RL F L4 = 0.1500 RL / F

Fourth - Order Bessel

C1 = 0.070 / RH F L1 = 0.0862 RH / F

C2 = 0.0719 / RH F L2 = 0.4983 RH / F

C3 = 0.2336 / RL F L3 = 0.3583RL / F

C4 = 0.0504 / RL F L4 = 0.1463 RL / F

Fourth - Order Butterworth

C1 = 0.1040 / RH F L1 = 0.1009 RH / F

C2 = 0.1470 / RH F L2 = 0.4159 RH / F

C3 = 0.2509 / RL F L3 = 0.2437 RL / F

C4 = 0.0609 / RL F L4 = 0.1723 RL / F

Fourth - Order Legendre

C1 = 0.1104 / RH F L1 = 0.1073 RH / F

C2 = 0.1246 / RH F L2 = 0.2783 RH / F

C3 = 0.2365 / RL F L3 = 0.2294 RL / F

C4 = 0.091 / RL F L4 = 0.2034 RL / F

Fourth - Order Gaussian

C1 = 0.0767 / RH F L1 = 0.1116 RH / F

C2 = 0.1491 / RH F L2 = 0.3251 RH / F

C3 = .2235 / RH F L3 = 0.3253 RL / F

C4 = 0.0768 / RL F L4 = 0.1674 RL / F

Fourth - Order Linear - Phase

C1 = 0.0741 / RH F L1 = 0.1079 RH / F

C2 = 0.1524 / RH F L2 = 0.3853 RH / F

C3 = 0.2255 / RL F L3 = 0.3285 RL / F

C4 = 0.0632 / RL F L4 = 0.1578 RL / F

三路設計有:

First - Order線路圖

First - Order ( I ) 中音正相接

C1 = 0.1590 / RH FH L1 = 0.0458 RM / FM

C2 = 0.5540 / RM FM L2 = 0.1592 RL / FL

First - Order ( II ) 中音正相接

C1 = 0.1590 / RH FH L1 = 0.0500 RM / FM

C2 = 0.5070 / RM FM L2 = 0.1592 RL / FL

Second -Order線路圖

Second -Order ( I ) 中音增益2.08dB中音反相接

C1 = 0.0791 / RH FH L1 = 0.3202 RH / FH

C2 = 0.3236 / RM FM L2 = 1.0291 RM / FM

C3 = 0.0227 / RM FM L3 = 0.0837 RM / FM

C4 = 0.0791 / RL FL L4 = 0.3202 RL / FL

Second -Order ( II ) 中音增益2.45dB中音反相接

C1 = 0.78 / RH FH L1 = 0.3217 RH / FH

C2 = 0.3046 / RM FM L2 = 0.9320 RM / FM

C3 = 0.0248 / RM FM L3 = 0.0913 RM / FM

C4 = 0.0788 / RL FL L4 = 0.3217 RL / FL

　

　

Third -Order ( I ) 中音增益1.6dB 中音正相接

C1 = 0.0995 / RH FH L1 = 0.1191 RH / FH

C2 = 0.3402 / RH FH L2 = 0.0665 RM / FH

C3 = 0.0683 / RM FM L3 = 0.0233 RM /FM

C4 = 0.3125 / RM FM L4 = 0.4285 RM / FM

C5 = 148 / RM FM L5 = 0.2546 RL / FM

C6 = 0.2126 / RL FL L6 = 0.0745 RL / FL

Third -Order ( II ) 中音增益2.1dB中音正相接

C1 = 0.0980 / RH FH L1 = 0.1190 RH / FH

C2 = 0.3459 / RH FH L2 = 0.0711 RM / FM

C3 = 0.0768 / RM FH L3 = 0.1254 RM / FM

C4 = 0.2793 / RM FM L4 = 0.3951 RM / FM

C5 = 1.061 / RM FM L5 = 0.2586 RL / FL

C6 = 0.2129 / RL FL L6 = 0.0732 RL / FL

Third -Order ( III ) 中音增益0.85dB中音反相接

C1 = 0.1138 / RH FH L1 = 0.1191 RH / FH

C2 = 0.2976 / RH FH L2 = 0.0598 RM / FM

C3 = 0.0765 / RM FM L3 = 0.0253 RM / FM

C4 = 0.3475 / RM / FM L4 = 0.3789 RM / FM

C5 = 1.068 / RM FM L5 = 0.2227 RL / FL

C6 = 0.2127 / RL FL L6 = 0.0852 RL / FL

Third -Order ( IV ) 中音增益0.99dB中音反相接

C1 = 0.1158 / RH FH L1 = 0.1189 RH / FH

C2 = 0.2927 / RH FH L2 = 0.0634 RM / FM

C3 = 0.0844 / RM FM L3 = 0.0284 RM / FM

C4 = 0.3112 / RM FM L4 = 0.3395 RM / FM

C5 = 0.9667 / RM FM L5 = 0.2187 RL / FL

C6 = 0.2130 / RL FL L6 = 0.0866 RL / FL

Fourth - Order線路圖

Fourth - Order ( I ) 中音增益2.28dB中音正相接

C1 = 0.0848 / RH FH L1 = 0.1004 RH / FH

C2 = 0.1686 / RH FH L2 = 0.4469 RM / FH

C3 = 0.3843 / RM FM L3 = 0.2617 RM / FM

C4 = 0.5834 / RM FM L4 = 1.423 RM / FM

C5 = 0.0728 / RM FM L5 = 0.0939 RM / FM

C6 = 0.0162 / RM FM L6 = 0.0445 RM / FM

C7 = 0.2523 / RL FL L7 = 0.2987 RL / FL

C8 = 0.0567 / RL FL L8 = 0.1502 RL / FL

Fourth - Order ( II ) 中音增益2.84dB中音正相接

C1 = 0.0849 / RH FH L1 = 0.1007 RH / FH

C2 = 0.1685 / RH FH L2 = 0.4450 RH / FH

C3 = 0.3774 / RM FM L3 = 0.2224 RM / FM

C4 = 0.5332 / RM FM L4 = 1.273 RM / FM

C5 = 0.0799 / RM FM L5 = 0.1040 RM / FM

C6 = 0.0178 / RM FM L6 = 0.0490 RM / FM

C7 = 0.2515 / RL FL L7 = 0.2983 RL / FL

C8 = 0.0569 / RL FL L8 = 0.1503 RL / FL

很複雜嗎？不用怕只是舉一點例子，實際使用時不是全部使用的。何況現在已經可以用電腦程式計算.所以大家不用擔心。除了分頻電路外還需加上以下電路使做出來分音器的效果更加完美：

降低高音靈敏度電路圖

一般高音的靈感度都會比低音高出幾dB,所以要用這個電路來使高,低音的靈敏度平衡.

編注：使用這個衰減網路時，要記得以下幾點

  1. 打算衰減多少dB來配合？注意，就電壓增益N倍來說來說，以dB表示的算式為

    20LOG N。假設衰減十倍，則為衰減 20LOG10=20dB。反過來看，如果打算衰減6dB，則為衰減二分之一（20LOG0.5=-6dB）

  1. 衰減網路加入前後的總阻抗不變：假設我們原先設計分音網路時以

阻抗RL為假設，則加入兩個電阻後的阻抗：

R1+(R2//RL)=RL，其中R2//RL表示為兩電阻併聯，其合成阻抗為1/(1/R2+1/RL)

高音阻抗補償電路圖

高音阻抗補償電路 :

我們知道單元的阻抗不是直線而是曲線,所以我們要設法把這條曲線拉得比較平直點.

C = 0.1592 / (RE Qes fs )

L = 0.1592 (Qes RE ) / fs

R = RE + ( Qes RE )/Qms

式中的：RE, Qes, Qms, fs可以在單元的資料中找到。

只要代入式中便可以找到答案。

現在很多高音的阻抗都已經很平直了，所以也可以不用這個電路。

　

低音阻抗補償電路 : 低音阻抗補償電路圖

上面已經提過單元的阻抗不是一條直線，而低音的阻抗曲線就更難看。在低音的阻抗曲線上，我們可以看到低頻段及中頻段兩點的阻抗值更升到30 Ohm以上.如果要把低頻段的阻抗拉到平直是很難的,所以一般都不會理會，我們主要是把中頻段的阻抗拉得平直一點。

R = 1.25 RE

C = Le / R2

式中的

RE = 低音單元的直流電阻值

Le = 低音單元的電感值

頻率響應補償電路: 頻率響應補償電路圖A

這兩個電路分別有兩個作用.

  1. 電路是把頻率響應增加(廣大)而又把靈敏度提升。
  2. 電路是把頻率響應增加(廣大)而又把靈敏度降低。

頻率響應補償電路圖B

 

L = 0.15916 / f

C = 0.15916 / f

式中f = 頻率響應最小值而R的計算是比例難的。我們可以用10 ~ 30 Ohm電阻慢慢試.。試到自己認為好止。

平行頻率凹陷電路: 平行頻率凹陷電路圖

這電路的作用是把凸出來的某一頻段(f1~f2)降低.使頻率響應較為平直.

C = 0.03003 / f

L = 0.02252 / f2 C

R = 1 / 6.2832 C B

式中的:

f = 需要衰減某頻段的中位數

  1. g

(f1 = 2000Hz,f2 = 3000Hz.f = 2500Hz)

C = f1~f2需要衰減的靈敏度.

以上提及的公或及方法大都可以解決一般的設計使用.最重要的是多做實作便能了解其中的用處.我們用以上公式可能會得到很美麗的數值,但在實際使用(試聽)時,我們還要憑經驗做一些細節的改善.

分音器篇的介紹到始為止.

如有任何地方出錯請大家指出改正.

參考資料:The Loud Speaker Design Cookbook (Fourth Edition)

音箱篇

音箱的設計比起分音器的設計就更複雜了，動用的儀器要測試的參數…..更多。大家不要小看這個箱子，往往是整個系統的關鍵.要設計一個好的箱子是難的，我嘗試說明一下。

音箱的設計可分為三大類：

密封式

反射式

迷宮式

今次要介紹的是密封式，反射式兩種。因為迷宮式的設計十分複雜，我們製造起來也很困難。

密封式

密封式的意思是把單元安裝在一個密封的箱子內工作。其設計比反射式簡單.只要幾條算式便可以求出。

Qr = Qtc / Qts

Vr = Qr ^ 2 - 1

Vb = Vas / Vr

式中的Qtc , Qts ,Vas是喇叭的參數.Vb是音箱的容積.( L )。但計算好後還要加上單元及分音器的容積，才是最終的音箱容積。最後還要把阻尼物放滿箱內，但不要放得太實。不同的阻尼物會有不同的音色，例如羊毛的音色比較厚、暖玻璃纖維的音色比羊毛薄，音色光輝。波浪棉的音色我認為最差，大家不用也罷！我最喜歡用的是冬天穿的外衣內的棉，反應快，清晰！

反射式

雖然設計比密封式複雜,但也不會太難.

Vb = 20 * Qts ^ 3.3 Vas

Fb = ( Vas / Vb ) ^ 0.44 * Fs

式中的: Qtc , Qts ,Vas是喇叭的參數.Vb是音箱的容積( L )

　

反相管的設計

Lv = (23562.5 * Dv ^ 2 * Np / (Fb ^ 2 * Vb )) - ( k - Dv )

式中的:

Dv = 反相管的直徑(cm)

Fb = 頻率 (Hz)

Lv = 反相管的長度( cm )

Vb = 音箱容積 ( L )

Np = 反相管的數量

k = 最後校正值(通常用0.732)

計算音箱的容積有很多方法,只是其中一種。我強調這只是一種方法,可能在實際中會有一點出入.我舉個例：市場上的PRO XX書架型號大多是同一的容積.在數據上他所使用的不同型號的低音單元計出來的容積應該是不同的，但他卻使用差不多是相同容積的音箱來安裝不同的單元。再舉個例：同一的單體在A廠安裝在一個書架箱,但在B廠已經安裝在一個落地箱.但在分音器上就完全不同了。我想大家已經明白我想說什麼吧。

以下軟體可以幫助我們設計。

FILTER 15

PXOVER

除了軟體我們還可用一些測試硬件在電腦上作出很多不同的測量.

AUDIOMATICA S.R.L.( http://www.mclink.it/com/audiomatica/clioeng.htm)

還可在以下網站找到更多的軟體

The Subwoofer Diy Page(http://205.214.207.99/audiodiy/sld/sealed4.htm)

音箱的設計到始為止.

參考資料:

The Loud Speaker Design Cookbook(Fourth Edition)

The Subwoofer Diy Page(http://205.214.207.99/audiodiy/sld/sealed4.htm)

The speaker Buliding page(http://www.speakerbuilding.com/)

實作篇

大家已經學得設計的基本.是時候做一些習作了，在實作篇中我會用一些KIT作為實習藍本，再從中加以改良。(注意:我不是認為原廠的設計有問題/不好，請大家不要誤會。)

原廠分音器線路圖

 

今次為大家介紹的是SEAS EMBLA KIT這個KIT中使用的當然會是SEAS的單元啦。他所使用的單元為:

高音--- 25 TAF C/D ( H417) 金屬膜高音

低音--- P17REX (H416) 膠盆低音

我們看到如此的線路圖又怎能不好好改動一番呢!今次要改動的不只是線路,連高音及低音都一同更改.只用上KIT的音箱設計.為什麼只用原廠音箱設計?在上一篇已經說明了.目標是使用不超過HK$3000來完成這個實作.經過各種改動後這個已經不什像EMBLA了.所以重新改名為SPEAKER ONE.以下是SPEAKER ONE所用的單元:

高音: 25 TFF (H519) 絲膜高音

低音: CC17RCY(H624) 紙盆低音

為何要改用這兩個單元，我想大家一看都已經明白了。

絲膜高音的通透,細緻，分析力好。

紙盆低音的人聲甜美,動態大。

但最重要的都是價錢便宜，省下來的錢還可以買很好的箱內接線。SPEAKER ONE的分音器設計使用Two ways Second - Order Butterworth方式設計。

SPEAKER ONE的分音器線路圖

新的分音器雖然比原廠的複雜,但看真點都只是多了數個零件。分音器中的線圈最好使用空氣芯的。 6.4u,4.8u可用兩至三只電容並出來再並上0.1u電容。至於使用什麼品牌就視各位喜愛什麼聲音了。8Ω、7.1Ω電阻要使用5W以上。其中8Ω電阻是用來衰減高音的靈敏度，這裡使用8Ω可能大了一點。如果覺得高音暗可使用細一點直到平衡。喜歡雙線分音的話可依圖中所畫把高,低音的IN + IN - 分開。如不喜歡則可分別把高,低音的IN + IN - 接在一起便可。箱內的吸音材料使用我最喜歡的(大衣內的綿).如果大家找不到可使用玻璃綿代替，但使用時要小心，因玻璃綿會使皮膚敏感。音箱方面可找廠商代做,最好使用35mm MDF作為材料.

圖中的尺寸是使用19mm MDF. 如使用35mm MDF便要把H,W,D的尺寸加大.反射管可使用PVC水管.在做箱時叫師專把PVC安裝入箱子的背板反射管的長度為12cm比原廠的長,這裡要注意.經過多日的製作終於可以試聽了，大家不要期望一出來的聲音會很好，因為使用的單元，零件，接線全都是新的，要經過一段時間run -in才可進入狀態。這對喇叭的聲音雖然不會有無比的分析力，氣勢磅礡的低頻，晶瑩通透的高音，但出來的聲音自然,明快，音場合理，實是一對非常好的喇叭。最皇要的是這對喇叭只須約HK$2500的價錢就可做到，如此的喇叭已經卻有如此的聲音， 已是非常難得。

低音: H624 x 2 HK$ 920

高音: H519 x 2 HK$ 380

音箱: 1對 HK$ 800

分音器,接線柱,接線 HK$ 400

TOTAL HK$2500

心得

這是我第一對實作出來也是我最喜歡的一對喇叭。在製造時都沒有什麼特別困難，但要注意分音器的線圈不能太接近喇叭單體，線圈的放置也要小心，最好一個水平放，一個垂直放.最初試聽時分音器可暫時不放在箱內，待慢慢試聽及細改後才放入去.這樣可省回很多時間。

最後祝大家成功!

整篇完

以上文章有任何錯誤請大家指正.