一階分音器實作－原箱的共鳴

一階分音的頻率交越是以-6db/oct的模式衰減高音單體與中低音單體的響應頻率曲線，兩單體各自的衰減曲線緩和，因此會有較多的重疊頻段。相對於二階分音(-12db/oct)、三階分音(-18db/oct)、四階分音(-24db/oct)甚至六階分音(-36db/oct)，一階分音的-6db/oct似乎沒有善盡"分頻"的責任，高音單體與中低音單體在分頻點附近有相當大的範圍得同時發聲。

同時發聲會造成什麼問題呢? 以唱歌來比喻好了，男中音唱低聲部和男低音唱低聲部的聽感是不同的，男中音唱高聲部和男高音唱高聲部的聽感也不會相同，雖然音準正確，但音色卻差很大。這個人音色的差別在合唱團不會是問題，因為合唱團講求的是團體混音後的音色，如何凝聚一個聲部眾多聲帶的聲音成為一聲道，是每一個合唱團指揮的基本考驗。

回到音響重播的領域，讓中低音單體和高音單體在同一個頻率上各唱各的調可就不能說是一個聰明的想法了，因為其中影響最終成音的變數太多，尤其是對個別單體的響應曲線一致性要求會變得非常嚴苛，因此如何讓分頻點切得更乾淨，成為商業上分頻喇叭設計的要點。

可惜這種運用被動原件分頻的方式有一個嚴重的缺憾，那就是相位差：二階分音的相位差是180度，三階分音相位差270度，四階分音相位差360度，而一階分音的相位差是90度，相位差一旦超過90度就無法抵銷，無法抵銷的相位差會造成聽感的混淆，唯有採用一階分音器的高音單體和低音單體的相位差在0度的位置可以互相抵銷，因此知名大廠Dynaudio和THIEL都堅持以一階分頻的模式來設計分音器。在這種模式下，高低音單體的重疊頻段範圍很大，除了頻寬要求更廣以外，音色也要接近才行，更重要的是為了保持重疊頻段的響應頻率穩定，補償線路變成格外重要。

雖然一階分音本身的被動原件很少，但加上補償線路後，分音器就會變得異常龐大，有機會Google一下THIEL原廠設計的分音器件，那麼多的零件還真不像是一階分音呢。

前一陣子完成的積層板音箱是以德國Becker單體為低音搭配類號角絲質高音所製作的四階分頻二音路喇叭，聽了二個多月下來，我對這顆Becker單體的中低頻頗為滿意，可惜幾經調整，高音單體在極高頻的音色顯得單薄依然沒有改善。有興趣的同好可以先看一下這一篇：

http://tw.myblog.yahoo.com/jw!tu._e_KEERsngeUWOEqcMw--/article?mid=513&prev=516&next=480

幾經考量，換掉高音單體是最直接的作法，剛好也可趁這機會來嘗試一階分音器的實作，高音單體的部分最後我決定用Fostex FE83E三吋全音域單體換下原本的高音單體。

用全音域替換高音乍聽之下似乎行不通，但基於前述理由我們知道，要想做一階分音喇叭，使用的單體要比更高階的分音喇叭擁有更寬的響應頻率來應付分頻點附近的重疊區段。手上這顆FE83E我已經聽了好幾年了，他的Fs=127Hz，要當全音域重播其實還有點差距，但是他的高頻音色相當綿密，更重要的是可以直上30kHz達到超高音的範疇。

本文的實作即是取Fostex FE83E全音域單體的高頻和Becker全音域單體的中低頻以一階分音型式連結起來...

但首先遇到的問題就是如何決定分頻點，試接過程中我發現分頻點切得愈高愈不容易展現FOSTEX的中高頻綿密的特色，但切得太低Becker的權威式中頻又會支離破碎，測試結果是將分頻點設在1.5K~2.5K之間可以完整呈現兩單體各自的特色，而且頻率愈低愈好。

THEIL的創辦人Jim Theil曾經提到他是如何決定喇叭帳板單體間的距離，基本概念是當一階分音的高低音兩隻單體同時發出相同頻率時彼此會有干擾發生，此時最佳的解決方法是將兩單體間的距離設定為分頻點波長，此時鄰近單體的發出的同頻率聲波雖會互相干擾，但增幅波形接近原生波形，這樣就可以確保傳遞到聆聽者耳朵的聲音訊號乾淨無虞。

按照Jim Theil的理論，我實際量測兩單體軸心到軸心的距離是21cm，以聲速343m/sec計算可得頻率為1,630Hz，頻率也在上述分頻點範圍內，於是就這樣決定了一階分音的分頻點。

實際量測單體直流電阻，分頻點1,630 Hz，以Butterworth公式計算可得：
高音單體：7.8 Ω
低音單體：2.95 Ω
高頻濾波電容C1：12.5 uF
低頻濾波電感L1：0.29 mH

決定好分頻架構後，再來要面對的就是調整音色，由於小口徑單體的低頻本來就很快速，要讓原本就有點溫吞的Fostex高頻連接得好，高頻濾波電容的選擇勢必是關鍵，實驗過多種電容組合後，最後我捨棄大容量電容而用小容量電容併聯，這樣做可以提升音色的明確感且保持高頻反應速度。

如下圖所示：7顆1.5uF和2顆1.0uF CDET電容組成了12.5uF的高頻濾波電路。

低頻電感採用加拿大的SOLEN空心電感，這個品牌的電感動輒好幾千，還好我要的數值只有0.29mH，呵呵~

補償線路的設置是按照低音單體的量測結果，計算如下：

單體直流電阻Re：2.95 Ω
單體線圈電感Le：0.083 mH

補償電阻R：2.95*1.25 = 3.68 (取3.7 Ω)
補償電容C：0.083/(3.7)² = 6 uF

下圖是Fostex和Becker的組合，照片中是已拆除鐵灰色前帳板的單體安置過程，可以看到為了解決相位差問題，兩顆單體各自用木料做不同程度的墊高，加上前帳板後兩單體軸心到軸心的距離是21cm。

實際上電聆聽，除了高音密度和厚實感明顯提升以外，最意外的變化是音場定位特別好，不止人聲浮凸，連後方樂器擺在左邊右邊甚至中央後方都可以聽聲辨位，小編制爵士演唱如此，大編制交響樂也是清清楚楚，實在令人激賞。但這個一階分頻的低音的部分卻不如原本四階分頻的沈，變更的分頻點位置遠高於低頻表現區間，而且四階分音和一階分音的差異主要是在頻率交越點的衰減斜率，低音不沈的原因實在久思不得其解。我試著先把高音單體拆除，直接上電聽濾除高頻的Becker聲音，發現低音還是沈不下去，就算加大音壓也一樣，確定不是單體效率不平衡的問題，此後也排除了低頻補償線路的反餽影響，剩下唯一的被動原件可以檢討~電感。換上一顆特別訂製以1.5mm銅線繞製的低頻電感，Bingo! 低頻回來了，線條和量感都一一浮現，總算為這次的試做劃下完美的句點。

下面這張圖就是換掉SOLEN空心電感後的分音器，右上方那個很大一顆就是用1.5mm銅線繞製的0.29mH低音電感，其實用這麼粗的銅線繞製電感很少見，最大的隱憂是聲音會變呆~有速度沒有深度。這次之所以合用，我猜和小電感值有關，若不是Becker的直流阻那麼低，低音電感不可能用到這麼小的數值。

{ 後記 }

FOSTEX的聲音雖然絲滑多汁煞是好聽，可惜音色非常強烈，整個改變這組喇叭的聽感，原本Becker的特色因此被吃掉了大半，更大的問題是FE83E在2K附近有一個陷落，實際聆聽時發現分頻後2K以上的音量會突然放大，所以聽了一陣子之後，我又把FE83E換下，改用4歐母的全音域單體來承接1,630Hz以上的中高音，並重新計算高通濾波電容值(如下圖)。