漫谈扬声器系统(音箱)的发展史
一、发展的初期
1924年通用电器公司(General Electric Company)研究试验室的C.W.赖斯(Rice)和E.W.凯洛格(Kollogg) 获得扬声器专利,公认赖斯和凯洛格是扬声器的发明者。图1 即是在1925年制造的这种扬声器。它是我们现在使用的电动式扬声器的鼻祖。现在扬声器除采用永磁磁路以外,其余部分与1925年扬声器外表极其相似。
图1、1925年的电动式锥形扬声器
当然,之前的许多扬声器研究者的功绩也是不应埋没的。例如在1910年布劳恩(Brown)研制出一种针端线圈扬声器,如图2所示。不难看出,布劳恩的扬声器比赖斯的扬声器结构复杂。后人往往是在先人的基础上改进发展的,这是科技发展的规律、历史发展的规律。现代一家普通扬声器厂生产的扬声器可能比布劳恩、赖斯最初制作的扬声器要好,但这不能成为轻视、抹杀前辈的理由。
图2、布劳恩在1910年发明的针端音圈扬声器
扬声器出现后,遇到的一个问题是如何使用?还是这个赖斯在1924年提出使用障板在解决低频声短路问题。障板的概念还可以追溯到更早的1978年。著名声学家L.瑞利在其名著《声学原理》中,提出无限大障板中刚性活塞的振动特性和声辐射特性的理论。图3是在1878年提到的无限大障板。
图3、1878年提到的无限大障板
对于一只扬声器来讲,前后声音是反相的,如图4所示,这样前后的声音就会抵消。扬声器放在一个障板中,就会使背后的声音产生滞后,如图40.5所示。这就有可能使扬声器前后抵消减少,甚至相加。一种极端的情况,障板上顶天花板下顶地板,可以看成是一个无限大障板。当然实际情况这样安装扬声器几乎是不可能的,如图40.6所示。
图4、扬声器前后声音反相
图5、障板后的声音滞后
图6、相当无限大障板
到了1929年,发现了1/4波长原理,即障板的半径,或者说从障板中心到障板边缘是1/4波长时,这只障板的作用相当于无限大障板,如图7所示。对于100HZ,1/4波长相当于85mm。
图7、1/4波长原理
作为对比,如果扬声器放在障板的中心,由于相同距离而产生抵消,如图8所示。扬声器放在障板不对称的位置,抵消的状况就轻得多,如图9所示,这就揭示了国家标准规定的扬声器测试障板,扬声器安装位置不对称的理由。
图8、相同距离的抵消
图9、距离不同曲线平直
我们在研究扬声器历史时,障板的出现与上述理论研究和分析有关。但我更相信,障板的出现是出于实际的需要。在实际使用中扬声器要对着观众,为此可手持(难于持久);支撑;悬挂;而固定在一个障板上无疑是最佳的选择。作为例证,我找到一张1920年的照片,这是采用布劳恩在1910年发明的针端音圈扬声器,用于剧场扩声,如图10所不。可以清楚地看到,扬声器是固定在一个障板上的。
图10、1920年的剧场扬声器系统
图11、1925年的扬声器障板
而1925年赖斯-凯洛格发明的扬声器也是安装在一个障板上的。如图40.11所示。或者可以说,障板与扬声器是同步出现的。
二、箱体的出现
从障板向箱体转变,有资料讲是1923年,最初出现的是敞开箱,然后是闭箱,如图12所示。敞开箱的出现,应该是与实际应用有关的。扬声器最早的应用场合之一是收音机。收音机可视为一个敞开箱,图13是收音机背面,图14则背面打开。
图12、敞开箱和闭箱
图13、收音机背面
收音机背面打开
从敞开箱到闭箱只是一板之隔、咫尺之遥,在敞开式音箱的使用过程中人们发现扬声器背后辐射对声音的干扰,采用一些办法来吸收背后的辐射,图15就是20世纪30年代采用的一个例子。这种结构在扬声器背后装有10层金属网,而又用棉纱将金属网包住,以达到吸声效果。
图15、挡板式吸声结构
图16、纱布吸声结构
图16则是另一种吸声结构。在箱子后面放一块吸声的纱布,这实际上就是闭箱的雏形。如果将纱布变厚、变硬,最后变成一块木板,闭箱就诞生了。所以我们有理由讲,闭箱是由敞开箱演变、发展、进化而来。
图17、各种吸声结构
闭箱出现后,闭箱内的声能要吸收。就采用各种吸声材料,将箱体内的声能吸收掉。图17所采用过的种种吸声结构,一直到现在这些方法仍在使用。
闭箱由于结构简单,一直受到人们欢迎。1949年奧尔森(Harry Olson)和普里斯顿(J.Preston)提出的气垫式扬声器系统获得美国专利,将装有橡胶折环(或其他高顺性折环)扬声器装在闭箱中,称为空气悬置(气垫式)扬声器系统,刚开始这个专利还没有引起广泛的重视。
图18、AR音箱频响曲线
由于一位气垫式扬声器系统的推动者,美国AR公司(Acoustic Research)的维尔丘(E.M.Villchur) 在美国《Audio》、《J.A.E.S》杂志上发表一系列文章。文章中论述了气塑式扬声器系统的工作原理和设计方法,特别是讨论了填充材料的作用。图18是维尔丘1957年论文中,揭示AR音箱的频率响应曲线,图19则是AR公司最有名的气塑式扬声器箱AR-3的照片。后来AR公司的两位创办人克罗斯( Henry Kloss) 和维尔丘分别创立了KLH和Advent公司,持续推动气塑式扬声器系统的设计与制造。
图19、AR-3音箱
值得一提的是,AR-3是第一只使用球顶高频扬声器的音箱,其时间是1956年。类似的产品大约10年后出现。到了 1972年,澳大利亚的斯莫尔(Richard Small)发表了几篇闭箱的论文,将人们对闭箱的认识,提高到一个新的高度。
三、开口箱的出现和发展
在1930年贝尔实验室的瑟拉(A.L.Thuras) 提出了开口箱原理,并在1932年获得专利。他已认识到膜片与开口的作用,并推导了一个表示频响的多项式。
1946年开始,也就是第二次世界大战以后,电子技术在民用领域快速发展,对开口箱的研究也多起来。一些电声学者从1950年开始陆续发表研究开口箱的论文,其中有加州技术学院(California Institute Technology)的洛开西(Locanthi)、白瑞纳克(Beranek,《声学》一书的作者)、李尤文(Van Leeuwen )、博尔(E.de Boer)、林昂(Lyon)、强声公司(Jensen Manujacturing Company)的诺弗克(Novax)、基伯斯(Keibs)等。这些研究己经讨论了箱体的数学模型,并已演化成高通滤器。
值得一提的是,强声公司是美国老牌扬声器公司之一,生产前沿的扬声器技术人员,如诺弗克同样关注扬声器理论的发展,同时做出不可磨灭的贡献。图20所示被中外人士多次引用的箱体低频曲线,最早见于诺弗克在1957年《J.A.E.S》的论文中。
图20、Novax的曲线
有了这一系列研究,澳大利亚广播委员会 (Australian Breadcasting Commission) 的西勒集诸家之大成、删繁就简,更实际、更详尽、更具体地讨论了开口箱设计,并于1961年发表文章。但是当时文章并未引起重视,直到10年以后,人们才在《J.A.E.S》1971年的3、4两期看到西勒的文章《在开口箱中的扬声器》( Loudspeakers in Vented Boxes)。其间,野村(Nomura) 、邦松 (Bonson) 等人的研究也对开口箱理论做出贡献。
直到1973年澳大利亚悉尼大学的斯莫尔(Richard H.Small) 发表了开口箱的系列论文,使开口箱的分析和研究系统化、科学化。建立相应的数学模型,并可用公式、图表、计算机及软件设计,使开口箱的设计由经验型向理论与经验相结合的方式转变。斯莫尔的理论现已被国际电声界认可,并将设计音箱有关的参数定名为Tihele/Small参数,以肯定他们的贡献,T/S参数也被列人AES标准之中。
与其他大小学科相类似,开口箱理论的发展有众多的专家、学者共同努力,而西勒、斯莫尔正是在前人基础上达到一个新高度。
编者按:王以真老师是中国扬声器领域的资深专家。作为中国声学学会理事、天津市声学学会理事长、国务院特殊津贴获得者,同时也是“影音新生活”全媒体平台的专家委员。
王以真老师长期从事扬声器工艺、设计、研究和咨询工作。合译出版《扬声器系统》上、下册,编著出版《怎样选用扬声器》、《实用扬声器技术手册》、《实用扩声技术》等。王老师拥有丰厚的扬声器等领域的知识,被广泛邀请开展各类技术培训。同时,作为业内资深撰稿人,他以专业且富有深度的文章,更是启发指导业界探索。