意力电路怎么样，扬声器振膜材料

1.1.1. 振膜的主流造形
事实就是大家所看到的，市面上绝大多数扬声器系统采用的扬声器单元振膜（也叫音盆）都是锥形的，自然也包括了绝大部分号称Hi-End扬声器系统。所谓锥形扬声器振膜，就是其形状似一个圆锥台体，振膜前方口径大，然后由前向后收缩，到音圈连接处口径最小，形成一个锥度形的漏斗形状。
市面上大多数扬声器系统采用的扬声器单元都是动圈式的，振膜是扬声器品质的关键部件。扬声器品质与性能的好坏90%取决于振动系统，而振动系统由音圈、振膜（鼓纸）、弹波构成（高音单元无弹波）。振动系统品质与性能的好坏90%取决于振膜，振膜对频率响应特性、音色、音质、指向性、灵敏度等都有着密切的关联。而振膜音质50%取决于它的形状。
我们暂且不谈扬声器单元振膜材质、工艺等对音质的影响，但就形状而言，对发声性能的影响太大了。
从造形上看，当前应用的主流动圈式扬声器振膜大体上可以分为四类：一类为锥形振膜，即上述形状振膜中间加盖一个防尘帽，此类应用最为普遍；另一类为浅锅底振膜，是将浅锅底形状的振膜附着在一个锥形鼓纸上形成的双层振膜，这类振膜被大量使用在所谓的多媒体扬声器上，本质还是锥台形的；第三类为平板式振膜，这类振膜多用在带式高音扬声器或静电扬声器上；第四类为球盖式振膜，该类振膜被广泛用于各种材质的高音扬声器或中音扬声器上（业界称之为半球顶。这种称呼也不严谨。因为真正的半球顶永远是沿半径90度延伸的圆弧。这样，振膜的中心部位和边沿部位是一个平均角度，声音的频率响应特性极差。现在的动圈式高音振膜，弧顶延伸的角度起码有3个。所以球盖形提法更为准确。）。
1.1.1.1. 锥台型振膜的几何声学缺陷1.1.1.1.1. 导力失真
从振膜形状角度研究，当前应用最普遍的锥台形振膜无可消除的几何声学缺陷，第一个就是导力失真。见下图：

图 14 锥台型振膜的导力失真示意图
首先，由于锥台形振膜造形并不是垂直平面轴向连接音圈，音圈向前（上）运动时，侧向运动的振膜因振动方向与音圈振动方向的矛盾会产生力抗，阻碍音圈动力发挥。这一方面抵消了一部分音圈力，另一方面振膜的振动力通过力抗传导给音圈，形成反电动势，并将反电动势反馈给音圈的电回路，破坏系统的正常电磁特性，从而产生失真。
音圈的力可以理解为音乐信号电转磁的力，其与功放输出的电流电压动态是相关的，一旦该力不能100%的传导给振膜，或者被振膜运动力反噬，就会因振膜对音圈的反作用力形成对音圈轴向运动造成阻碍，这种力的阻碍使音圈被施加反电动势。
处在扬声器磁场强度为B的磁隙中的音圈通以电流I时，音圈会受到一个电磁感应动力F=BLI(L为音圈长度)推动，此受力的方向按楞次定律左手定则；在受力发生后，包括音圈在内的振动系统以速度V振动时，又会在音圈内部产生感应电压BLV，其运行方向按楞次定律右手定则，和驱动的电流方向相反。振动系统不同频率的振动时延，所产生感应电压也依次时延，造成反电动势依频率顺序时延。（请参照阅读拙作《高级音箱内涵》三（上）“分割振动”内容）。
换言之，锥台形扬声器振膜的发声是“变异”的。它在将电（磁）能转换成声能的过程中，已经破坏了原信号，“歪曲”了音乐信号的振动特性。这种现象我给一个新名词：导力失真。
1.1.1.1.2. 前腔效应
锥台形振膜的声波方向不是垂直于音圈运动的轴向，而是朝着振膜中轴的侧前方向。就像手电筒银碗聚光一样，将光波往内侧聚集。振膜各部位对称发出的声波就像光聚焦一样产生声聚焦，声波因子在振膜前腔会因为“聚焦”而相互碰撞，而碰撞产生的声波向前方的中轴线辐射，形成声波的相互干涉，同时带动振盆前方空气形成湍流，空气湍流进一步恶化声波的有序运动，造成音质的劣化。对这种因声聚焦而产生的声波相互干扰，业内称为前室效应（也叫前腔效应）。
声聚焦现象也被电声行业广泛应用。比如号角式扬声器系统：故意在振膜前（或单元前）加装一个喇叭状的号角（无论是高音喇叭、中音喇叭、甚至是低音喇叭），将振膜发声的能量圈挤成一股更细的传播面，以求得更高的声压。
这是以牺牲音质换取声压的无赖选择。
为了让声音传递更远，人们用双手圈成一个“号角”发声。电声技术在这一生活经验上，也为振膜“圈上”一个号角。对提高声压而言，它十分有效。原因之一是空气压缩：在振膜前方周围圈成一个“喉管”，使之空气形成压缩，较“喉管”之外的气压更高，声能量传递因子更密集；原因之二，声能量聚集，使之不扩散而集中于某个方向。这样，喉管更长的可以提升6dB声压，普通的可以提升3dB声压。相当于提升了2倍或4倍的声功率。
号角可以说是声压“高手”，同时，也是音质“杀手”。
因为号角并不是对所“圈”住的频率都起到聚焦作用，它只能对较低频率，也就是声相位较宽的频率起作用，而对较高频率（如完全直线式传输频率）起不到聚焦作用。所以，在电影院几乎听不到较高频，声音很粗。粗到小提琴像中提琴、中提琴像大提琴、大提琴像倍大提琴。号角能提高的声压也就在中频段。所以说它是音质“杀手”。
再就是盆腔效应。见下图：

图 15 盆腔效应示意图
锥台型镇模造型就像一个盆腔，盆腔内形成一个半封闭“气室”，气室内的空气较外面的空气压力要高，流量要少，形成与盆腔外空气的差异。它随同声聚焦、频率时差的矛盾，盆腔内的空气在振动中出现因声波紊乱引起的“湍流”（为了破坏类似湍流我与B&W都发明了防湍流倒相管专利），而湍流使得声波运动无序化。
前腔效应包括三个方面：一是导力失真而形成的反电动势；二是声聚焦形成的音质变形；三是盆腔效应产生的声波紊乱。
该三个方面，足以表明锥台型振膜不能高级的原因。
1.1.1.1.3. 时差效应
锥台形振膜与音圈的连接是鼓纸底部的锥台底部位。音圈的驱动力必须从鼓纸锥台底向鼓纸悬边（也叫折环）传导，这样鼓纸中心与鼓纸边沿就产生一个振动时间差：振膜中心振动早于振膜边沿。
锥台形振膜也就相当于若干大小口径不同的平面环状依次在不同的轴距上发声（参见前文关于分割振动的描述）。分割振动使锥形振膜靠中心的振动响应（较高频率）越早，所以振膜中心发声较高频率，它使锥形振膜靠外沿的振动响应（较高频率）越迟，所以振膜外沿发声较低频率。锥台形振膜的深度越大，里（中心位置）外（边沿位置）距离就越大，发声响应时间差就越大。见下图：

图 16 锥台型振膜的时差效应示意图
换言之，锥台形振膜由锥台底向锥台边（悬边）声传导时差也不同，它让各个频率点由高至低的时间顺序排位，形成一个频率由高至低的响应时序；但是，由于是锥台形，振膜边沿距离人耳最近，振膜中心离人耳最远，这个听觉距离差又形成了一个由低至高的感应时序。感应时序与响应时序的反差，造成了听感上的不自然，始终感觉有压迫感；另一方面，时序差与感应差并非同时将所有频率传输给你，就好像乐器演奏没有“音头”，发声犹豫，行音流淌滴水，不果断，听觉会明显地感到瞬态模糊，层次不清。
1.1.1.1.4. 声场失真
锥台形振膜口径越大，声辐射面积越窄。见下表：
直径
频率f
波长λ
D/λ
辐射角
12英寸
φ300mm
100Hz
3.4
0.087
＞＞1000
1000Hz
0.34m
0.87
≈1000
5000Hz
0.068m
4.35
180
10000Hz
0.034m
8.7
9.50
4英寸
φ100mm
100Hz
3.4
0.03
＞＞1000
1000Hz
0.34m
0.3
＞1000
5000Hz
0.068m
1.5
500
10000Hz
0.034m
3
260
表 1 4英寸与12英寸锥台形振膜辐射角比较
因为，锥台形振膜面积越大，锥度就越深，其侧向交叉振动波向外辐射角度就越小，所以指向性就越窄。指向性越窄，声场就越窄。指向性，就是振膜纵轴向覆盖面积及其扩散角度。见下图：

图17 4英寸与12英寸锥台型振膜的辐射角比较
图17表示：同在5000Hz（中频段），4英寸辐射角为500,12英寸辐射角为180。两相比较，4英寸辐射角宽了2.7倍。从室内声学看，振膜辐射角越宽，室内反射的面积就越大，声场就更饱满，听觉的被包围感就越强，气氛就越活泛。
中频段是音乐最重要的频段，许多乐器都在这一频段重合。如果声场上中频段有所压缩，使该频段的声场伸展不开，声场就是“死瘪瘪”的，就像一个无精打采的病人。
实际应用中，锥台形中/低音扬声器与球盖形高音扬声器搭配很多。前者指向性窄（如5000Hz50~18度），后者指向性宽（如170度甚至更宽），那么就构成了一个极不协调的声场，听感很奇怪、很不自然。（很遗憾的是不少整天把声场、定位挂在嘴边的评论家和发烧友却从未感到或未提到如此奇怪的声场）。
正常重放声场辐射，应该是1800，低于这个幅度，就是声场失真。因为无论是话筒拾音，或真是乐器（人声）的发声基本上都是1800。就连公鸡打鸣，那么窄的一张嘴，声辐射也远远超过180、500。
1.1.1.1.5. 互调失真
前述提到的“时差效应”带动了另一种现象就是互调失真。
振膜振动中追容易变形的是悬边。悬边材质很软，很容易扭曲。见下图：

图 18 悬边的扭曲变形
在这种环境下，时差效应带动了频率分割振动的异步。见下图：

图 19 锥台型振膜振动异步示意图
图19中红色为正向振动、蓝色为负向振动、灰色为不振动。8600Hz时，振膜中心的防尘帽中心部位正向振动，它的周围为反向振动，再外面不振动；500Hz时，酮体部分几乎全为正向振动，悬边却反向振动。
德国Klippel公司在题为《Measurement and Visualization of Loudspeaker Cone Vibration》论文中，通过对浅锅底纸盆的传统扬声器振膜做了激光测视分析，以此来观察振膜的运动规律，得出“振膜的形变（分裂振动）其实是由外到内的振动过程，随着频率的提升，振膜越难保持形态，发生向内折或向外折的振动，这两种振动会相互抵消声压，只有向外振动幅度比向内振动的幅度要大，才会发出正向的声音。由于分割振动的影响，使得随着频率的提高，振膜的有效发音的部分越来越小，产生的声压越来越低，这就是为什么动圈是扬声器振膜的频响曲线在高音为一条向下的曲线”的结论。
文章中将振膜运动模式分为：径向振动、圆周振动、活塞运动、环共鸣、环绕共鸣、过渡区域振动等方式。见下图表：

图一，分割振动：2000Hz


图二，活塞运动：58Hz


图三，径向振动：375Hz


图四，圆周振动：375Hz


图五，环共鸣：796Hz


图六，环绕共鸣：984Hz


图七，过渡区域振动：3046Hz


图八，过渡区域振动：7640Hz

图 20 不同频率分裂振动引起的互调失真图示
图20：对朝前方运动（正向）的振膜部分用蓝色，对朝后方运动的振膜部分（负向）用红色，没有振动的区域为白色，颜色越浓表示振膜运动的幅度越大，激光扫描精度无法精确测量的用灰色着色，某些简化图直接用黑白程度来表示振幅程度。
黑色虚线表示振膜形状，红色实线表示振膜振动形状。其中，红色实线与振膜形状相似性越高，表示分割振动引起的互调失真越小。反之越大。
图三的“径向振动”被视为振膜运动正常模式；图四的“圆周振动”是因为音圈或振膜刚性不够形成的振盆扭曲变形影响了振膜正常振动：红色为负向，蓝色为正向，振膜酮体边沿出现对称式的反向运动，典型的互调失真。
图一的“分割振动”表示出2000Hz时，剧烈的正负方向振动冲突，振膜变形厉害，几乎是“波浪滔天”，焉有不失真之理。
图二的“活塞运动”表示出58Hz时，就是本文前面分析振膜形状时提到的轴向振动。鼓纸整体与音圈振动方向是一致的，振膜振动也与基本形状相似，基本上没有失真。
从图五，到图六、图七，再到图八，随着频率越来越高，到7640Hz时，振膜变形已经不成样子了，出现有多又大的皱褶，失真到达顶点。图五、图六的变形主要在折环（R环）上，图七、图八振膜变形波及整个鼓纸。
再看看下表图。为锥台型中/低音单元：

500Hz，基本上保持正向振动，没有分割振动引起的互调失真。

1600Hz，鼓纸中间部分朝下负向振动，外周围部分朝上正向振动。白色部分未振动。蓝色部位处于振膜边沿，本不应该在1600Hz振动部位，之所以振动是由互调失真引起的受迫振动，产生不良的声染色。

2200Hz，与1600Hz相仿。未振动部分面积进一步增大。

4200Hz，边沿部分正向振动面积进一步缩小，中间部位未振动面积进一步增加，4200Hz发声范围受到互调失真影响，声压压缩严重。

5000Hz，与4200Hz振动相仿。

6500Hz，集中在中间部位的防尘帽部位负向振动，周围有少量的正向振动。

7400Hz，由里向外多次分割振动与多次反向振动，声压缩严重且互调失真剧烈。

8600Hz，与7400Hz相仿。

10000Hz，就防尘帽中间部位发声，且对防尘帽外围产生强迫共振，声压缩到最严重水平。

图 21 分割振动因互调失真的测试图
（以上图片采自http://www.soomal.com）
综合上述图21，可以看到振膜被分割后产生异步振动，你朝前时我朝后，你振动时我不动，振膜被拉扯得四分五裂，不同频率、不同部位、不同方向的混乱振动秩序，进一步形成不同频率、不同部位、不同方向的相互调制。
无论是锥台形振膜还是浅锅底振膜，因为导力与分割振动产生的时差效应，又进一步引起了振膜的互调失真。
在这种状态下，你能期待会有一个好的声音效果吗？当然是：否。
1.1.1.1.6. 软硬效应
文前提到了锥台形振膜的几何造型（见《高级音箱内涵（三）振膜的高效性（上）》“2.3形状与声相位”内容），其力学特性为“前硬后软”。朝前振动刚，朝后振动柔。这使得振膜前后的频幅不一样，振动状态也就不均匀不正常了。
进一步说，锥台形物理造形的抗力是向前的。也就是振膜朝前运动时能抵抗住较大的空气压力，力学强度因锥台体后部音圈逆向支撑，且振膜材质因向后倾斜而逐渐压缩形成的硬度。相同质量的物体，面积越小越越硬。这是因为相同压力下，接触面越小，压强越大（压强=压力÷受力面积）。由此，锥台型几何造形抗力是向前逆向，向后则顺向，振膜向后运动的刚性，正好是振膜向前运动刚性的倒数。也就说，锥台形振膜几何形状力学特性是向前运动具有抗力（反作用力），向后运动则是順力（附作用力），此决定了它正面与背面振幅和阻尼都不一样，振膜也就不能充分均衡发声，加剧了上述各种失真。

1.1.1.1.7. 重影效应
奇怪的是大多数锥台形振膜几乎都有一个防尘盖。名字叫“防尘盖”，实际上是振膜的一部分，是要发声的。由于防尘盖是球盖形，较高频带就是由它来发声。见下图：

图 22防尘盖组装与振动示意图
防尘盖一般组装在鼓纸根部周沿，它的振动方向与鼓纸不一样，且其靠近底部的振动与鼓纸根部振动重叠。有与相位不同，重叠会造成声音的重影。
更奇怪的是：有些振膜，为了美观，在前锅底振膜后面另加一张振膜，形成一个“二皮脸”。

图 23 号称“监听**”单元爆炸图
23图中可见：音圈前面加了一个锥台型振膜以作为最前面鼓纸的“托”，用音圈带动“托”，再由“托”带动最前面的振膜。我也曾试做过类似振膜实验，结果声重影严重到浑浊不堪。
至于普遍应用于桌面多媒体扬声器系统的采用鼓纸上粘接浅锅底形振膜的全频扬声器，除具有上述缺陷外，还由于鼓纸与浅锅形振膜的非同步振动造成更严重的失真，更严重的音质劣化后果。这种结构的扬声器是由音圈带动锥形鼓纸振动，再由锥形鼓纸带动浅锅底振膜振动。由锥形鼓纸形成的分割振动以及声聚焦前室效应发出的非纯净声波会与浅锅底振膜背面辐射的声波产生复杂而紊乱的湍流声波碰撞，致使直接面向人耳的浅锅形振膜不能保持正常的运动，导致该类扬声器更为严重的分裂振动失真、双振膜互调失真、双振膜声重影声染色等。
上述导力失真、前腔效应、时差效应、声场失真、互调失真、软硬效应、声重影效应等七大缺陷，是锥台形振膜在几何造型上不可克服的缺陷。通过技术手段解决不了的。
这些物理缺陷都不是孤立的，而是锥台形的几何缺陷所表现出来的诸方面。如果通过技术手段（如提高材质硬度）或去解决其中某个问题，那么另一个问题就会冒出来。“按下葫芦浮起瓢”。
换言之，频率范围100Hz以上的锥台形振膜，没有“实力”也没有资格进入高级音箱设计及制造的范畴。这是几何声学本质所决定的。
1.1.2. 折叠振膜的危害
海尔式高音振膜，被很多发烧友盲目追捧。这里也顺便指出它的危害。
海尔是高音单元是带式高音单元的一种，以发明人海尔命名。它的振膜结构主要特点就是折叠。将一个箔带折叠后，相同组装面积可提高2倍、3倍、甚至更多。
铝粉线路印刷在Kapton上的带式高音振膜，音质是高分子与金属的综合；铝带式高音振膜是电路振膜一体化（由于没有电阻，必须配上一个变压器），音质是铝金属。另种带式都可以折叠。其折叠的“优点”在于增大振动面积，在振动投影面积内较非折叠投影面积声压级高很多。因为通过折叠，投影面积内的实际面积增大了许多。如果实际面积较投影面积大2倍（×2）则声压提高3dB。
折叠式振膜与号角有“异曲同工”之处：号角是通过压缩空气增大音量，海尔式是通过压缩振膜增大音量。这都是以节省成本而增大音量的方法。因为强行提高声压，换取的代价是音质极差。
上面提到锥台式振膜因前腔效应而影响音质。海尔式的前腔效应比锥台式振膜、比号角过之而无不及。
它将振膜折叠起来，相对于平面振膜增加了振动面积，这对强调音量（所谓灵敏度）有好处。但对强调音质而言害处更多。这也是以牺牲音质为代价换取音量的方法。失真很大，非常刺耳。不仅有前腔效应，还有后腔效应。见下图：

图 24海尔式前腔效应示意图
图24：箭头示意声波辐射方向。它有多少次折叠，就有多少个前腔。
首先，振膜振动方向不不是轴向，而是交叉斜向的，声能量依箭头方向辐射，在每一个前腔都会形成声能交错和碰撞，前腔内的空气湍流一团糟，声波“湍流”也是一团糟；第二，声波在前腔挤成乱麻，在后腔也挤成乱麻（后腔与前腔是对应的）。后腔中的声波经由磁路的阻挡，会反折射施加对振膜的作用力，在后部干扰振膜的正常振动。所以这种单元发声即染色，“糙得很”，“吵死人”；第三，折叠式振膜由于电路与磁路不在一个平行线上，线路磁感应BLi值成波浪形，非线性磁路失真严重。见下图：

图 25 海尔式振膜与磁路关系示意图
图25：上面是单磁式，下面是双磁式。从中可见振膜的感应磁性是波浪形的，与永磁的磁力交互不是线性的关系，具有明显的磁路非线性失真。
为了进一步提升音量，业界也采用双磁式磁路（有些企业将之命名为等磁式）：即两个永磁磁极相反把振膜夹在中间，形成磁路推挽，倍增BLi值。但代价是音质更乱。见下图：

图 26 双磁路（等磁式）海尔式振膜与磁路关系示意图
双磁式或称等磁式的海尔式扬声器，因在振膜前加装了磁路，在透声率严重下降的同时，将声阻率同比面积的声能量反射回去，直接干扰振膜的正常运动。
所以，海尔式振膜为了音量，几乎完全不顾音质。这种发明是一种音质危害的创新，几乎是在蹂躏扬声器的音质。遗憾的是，德国意力（ELAC）、德国亚当（ADAM）、德国柏林之声（Burmester）、瑞士贵丰（THE GRYPHON）、美国马克丹尼（Mark Daniel）等都在使用这种音质粗糙嘈杂的高音单元。
最后再说它最严重的危害：由于振膜被折叠后，振膜前后都会形成若干锐度较大的夹角，在振膜折叠的（三角形）最小夹角处，会产生声波传播方向相反、振动方向相同、振幅相同、频率也相同的平面简谐波叠加现象，也就是驻波。驻波令其发声含混不清。折叠多少次就有多少个锐度大的驻波条件，折叠越多越深，交叠失真与驻波失真就越大。双磁式更是加倍了驻波的存在。
所以，海尔式高音喇叭也是不能作为高级音箱使用的。
1.1.3. 被动低音振膜的危害
被动低音振膜，是美国人哈利-奥尔森发明的。他一生发明无数，获奖无数，以其科学家地位发明的“被动低音”也“害人无数”，就跟海尔一样。
所谓“被动低频扬声器”，也叫无源低频辐射器。其结构就是振动部件+安装盆架。口径大一点的带弹波，口径小一点的无弹波。就是一只没有磁路系统的驱动单元。见下图：

图 27 无源低频辐射器口径大的带弹波口径小的无弹波
它是利用共振原理，而增大低频音量的一种技术。
每一个物体都有共振频率。被动低音振膜被设计成一个能与主动扬声器（完整的扬声器）共振频率相同的振膜，主动扬声器的共振频率（最大振幅处），其推动能量便像“鼓槌”一样把它“敲”响。由于它的低频振动面积＞主动扬声器，所以低频能量会增加。
把它安装在音箱上之后，就是一个“鼓”的结构。音箱的箱体就是鼔围，它就是鼓面，鼓槌就是主动扬声器的能量。
增大低音量不好吗？好啊！但是不能破坏音质啊。
人敲鼓时，可以用手蒙音，制止它的残响。被动低频扬声器可好：它只管“敲”，不管“蒙”。随着振膜的振动惯性，不停地余震，完全没有控制。主动单元的振动有音圈控制，该动就动，该不动就不动，音圈说了算。可被动单元一俟动起来，那就是它自己说了算：想动就动，动起来就不停。一个余音未了，另一个“敲击”声又叠加上去，总是在“余音绕梁”把整个低频搅到浑浊又浑浊，十分恶心，听着就想生病。
小音箱用它大行其道，已经泛滥成灾。低端音箱用此听个响没问题，它们反正是比声音大，不比声音好。但是要作为高级音箱，不够格，危害太大了。
它与倒相管的共振截然不同。倒相管余震极小，除非其空气容积质量大到超过磁力的质量；它的余震极大，大到把主动扬声器的低频完全覆盖。
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