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宏音

静电音箱前世今生之:起源篇

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静电音箱前世今生之:起源篇

“玛丽有只小羊羔/它皮毛白如雪/不管玛丽往哪儿去/它总跟在后头跑”……
……

145年前,一个奇怪的年轻人取出一张锡箔,卷在一个刻有螺旋槽纹的金属圆筒上,让针的一头轻擦着锡箔转动,然后这个年轻人对着一个纸筒唱起了“玛丽有只小羊羔……”。
唱完后,年轻人把圆筒转回原处,再换上另一根金属管,然后再次转动曲柄。这时候机器里立即还原出了他刚刚唱的声音。唱完后,把针又放回原处,轻悠悠地再摇动曲柄。接着,机器不紧不慢、一圈又一圈地转动着,唱起了“玛丽有只小羊羔……”与刚才年轻人唱的一模一样。在一旁的助手们惊讶得说不出话来。

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这个奇奇怪怪的年轻人叫托马斯·阿尔瓦·爱迪生,这台当年奇奇怪怪的机器后来有了一个更通俗的名字-留声机,这是人类首次记录声音并将它重放出来,算起来爱迪生也是音响行业的祖师爷了。

其实关于声音的研究,还可以追溯到更早的1500年,人们首次发现声音是一种波。
而在1857年3月,一位法国人斯科特得到灵感,将声波震动画在纸上,把声音的自动记录下来,称为“声波记振仪”。但是这个装置只是实现了声音的图形化记录,却并无法将声音重放出来。
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      而将声音重放出来的实现,是伴随着扬声器,也即俗称喇叭的诞生开始的。


 扬声器起源 


略显疯狂的喇叭原型诞生过程


     当21世纪的今天,我们站在高保真音箱面前欣赏音乐的时候,闭上眼睛如同身临音乐厅现场。这种在我们看来很稀疏平常的应用,曾经在一百多年前可谓异想天开,只能靠想象。

……一百多年前的奇想1818年,诗人雪莱的第二任妻子玛丽,在她著名的科幻小说「科学怪人」中,描述科学家以支解的尸体合成一个可怕的怪物,经通电后重新获得生命,当时所有人都对科学有无穷的信心,包括如何还原声音,当然也只能靠想象。

有一句话叫科学家都是疯子,这个疯子出现了,后来在1875年发明电话的贝尔尝试制造「声音分析器」,真的就拿支解的尸体为材料,以人耳耳膜与耳骨制造了一具「记音器」(Phonautograph)。这个机器能画出声波图,但无法重现声音。


    1877年7月18日,爱迪生进行以金属薄膜及唱针记录声音的实验,他对金属箔唱了一首「玛丽有只小绵羊」的儿歌,当唱针将拾取到的振动讯号透过号角放大,在场的人全都傻眼了 这便是文章开头的场景,也是这是留声机诞生的经过。

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今天再让各位读者欣赏一百年前的留声机,你一定无法想象,那种频宽不足、毫无动可言、杂音奇大、失真又严重的「音响」,居然也能流行起来。


    很快原始的号角被舌簧式喇叭取代,这种喇叭是在一块马蹄型磁铁前端设置一个线圈,线圈中间有一个可摆动的金属片,当线圈中有音频讯号电流通过,磁场发生变化使金属片摆动,连带牵动纸盆而发声。


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8681809a58f513a2f71d934bcb914987.jpg这种设计仍不理想,却是日后以纸盆发声的基础;而把纸盆作成圆筒状,磁铁与舌簧装在筒内,可以向四面扩散,这也成了日后无指向性喇叭的起源。



 扬声器岔道口



扬声器发展的首次分支


其实早在1877年,德国西门子公司的Erenst Verner就根据佛莱明左手定律,获得动圈式喇叭的专利。

1898年,英国Oliver Lodge爵士进一步依照电话传声筒的原理发明了锥盆喇叭,与我们所熟悉的现代喇叭十分类似,Lodge爵士称为「咆哮的电话」。不过这个发明却无法运用,因为直到1906年Lee De Forest才发明了三极真空管,而制成可用的扩大机又是好几年以后的事,所以锥盆喇叭要到1930年代才逐渐普及起来。 

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     另一个原因是1921年以电气方式录制的新唱片问世了,它比传统机械式刻制的唱片有更好的动态范围(最大到30dB),逼得人们不得不设法改良喇叭特性以为配合。1923年,贝尔实验室决定要发展完善的音乐再生系统,包括新式的唱机与喇叭,立体声录音与MC唱头、立体声刻片方式等,就在这波行动中被发明出来。

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研发喇叭的重责大任,落在C.W. Rice与E.W. Kellogg两位工程师身上。他们所使用的设备都是当时人前所未见的,包括一台200瓦的真空管扩大机、许多贝尔实验室自己完成的录音,以历年来贝尔实验室发展出来的各种喇叭 - 像是Lodge的锥盆喇叭雏形、用振膜瓣控制压缩气流的压缩空气喇叭、电晕放电式喇叭(今天叫电离子驱动器),以及静电喇叭。


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没多久Rice与Kellogg从众多样式中挑选出两种设计 - 锥盆式与静电式,这一个决定使喇叭发展方向从此一分而二:传统式与创新式。

动圈式喇叭动圈式喇叭是从舌簧喇叭的基础演变而来,在环状磁铁中间有一个圆筒型线圈,线圈前端直接固定纸盆或振膜上,但线圈中通过音频电流,磁场受到变化,线圈就会前后移动而牵动纸盆发声。动圈式喇叭问世之初由于永久磁铁强度难以配合,所以多采用电磁式设计,在磁铁中另外缠绕一个线圈来产生磁场,这种设计曾流行廿年之久。但电磁喇叭有它的问题,比如通过电磁线圈的直流脉冲容易产生60Hz与120Hz的交流声干扰;而电磁线圈的电流强度随音频讯号而变动,造成新的不稳定因素。

 扬声器突破期 



带着味道诞生的静电音箱


1930年代经济大萧条期间,爱迪生留声机公司倒闭了,其它人也好不到哪去,需要扩大机驱动的喇叭因此推广不顺,老Victorla留声机直到二次世界大战前都还很流行。二次战后经济起飞,各种新型音响配件成为抢手货,锥盆式喇叭再度受到严重考验。这段时间由于强力合金磁铁开发成功,动圈式喇叭由电磁式全部变成永久磁铁式,过去的缺点一扫而空(常用的除了天然磁铁钴以外,还有Alnico与Ferrite磁铁,除了磁通密度外,天然磁铁的各种特性都较优越,近年来高级喇叭则采用钕磁铁)。为配合LP的问世,以及Hi-Fi系统的进展,锥盆喇叭于是在纸盆材料上寻求改革。常见的像是以较厚重材料制造低音单体,轻而硬的振膜当高音;或者把不同大小的喇叭组装成同轴单体;也有在高音前面加号筒变成压缩式号角高音喇叭;甚至有将高音号筒隐藏在低音纸盆后面的设计。

图片

1965年英国的Harbeth发明了真空成型(Bextrene)塑料振膜,是材料上的一大进步,这种柔软但阻尼系数高的产品,在KEF与一些英国喇叭上仍可见到。后来

Harbeth还发明了聚丙烯塑料振膜,这种新材料有更高的内部阻尼系数,质量更轻,目前仍被许多喇叭采用。工程师设计喇叭时变成有两个思考方向:低音喇叭寻求音箱结构的突破;高音喇叭则进行单体的改良。


所以这个时候出现的一些新设计,几乎都是高音单体。比较成功的设计,就属静电喇叭了。


静电喇叭前面提到贝尔实验室的Rice与Kellogg实验喇叭,他们制造的静电喇叭大得像扇门板,振膜由猪大肠外包金箔构成(塑料还未为上市)。当真空管的光辉照耀,发亮的金色庞然大物具有催眠作用,加上实验室空气中充满猪肠腐臭味与臭氧味,两位科学家也许会想到「科学怪人」与利用死人耳朵制成的贝尔「记音器」。但开始发声后,它光彩夺目的声音与逼真的音色,简直让大家吓呆了,他们明白一个崭新的时代已经来临了。不过Rice与Kellogg在设计静电喇叭时遇到了无法克服的问题:需要有庞大的振膜才能再生完整的低音,在技术难以突破的情况下,贝尔实验室只得转向锥盆喇叭发展,这一停滞使得静电喇叭沉寂了三十年。 

   

     1947年一位年轻的海军军官Arthur Janszen受指派发展新的声纳探测设备,而这套设备需要很准确的喇叭。Janszen发现锥盆喇叭并不线性,于是他动手试做了静电喇叭,在塑料薄片上涂上导电漆当振膜,事后证明无论是相位或振幅表现都不同凡响。Janszen继续研究,发现将定极板(Stator)绝缘可防止破坏作用的电弧效应。1952年,Janszen完成商业化生产的静电高音单体,与AR的低音单体搭配,是当时音响迷梦寐以求的最佳组合。

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但是,把静电只是当作高音喇叭显然并未能满足追求更高品质声音的人们。1955年,一位英国人Peter Walker在英国的「无线电世界」一连发表多篇有关静电喇叭设计的文章,他认为静电喇叭与生俱来就有宽广平直的响应,以及极低的失真,失真度比当时的扩大机还低得多。不过这个既是乐队长号手又喜欢钻研技术的人并没有把静电音箱的改良停留在文字上,接下来的行动掀开了静电扬声器全新的一个时代。


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