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尝试缩减音箱体积:用315给水管设计圆柱式三分频箱体
前年夏天天热,头脑更热,发现HIVI的D10G技术数据甚佳,冲动之下购了4个,黄澄澄的盆,工艺甚佳,测试T/S参数与官网参数相当接近,而且4个之间误差很小,尤其可贵的是夏天与冬天的F0变化极小,证明其关键部位“橡胶悬边”的用料很好,应该是用进口材料做的,仅此一点,本人认为比易烂边的D10.8贵得有道理。

惠威HiVi D10.8喇叭
为什么买4个?是因为要做闭箱,那么不怕2个11.5寸(D10G其实是11.5寸,SD达415cm^2)闭箱的巨大体积?当时不是这样想的,因为与Lyticast共同研究负阻驱动,发现利用负阻驱动对喇叭的强大控制力,完全可以无视F0,,VAS等参数。大喇叭装在小箱体内,只要喇叭的SD够大,冲程够长,结合EQ电路,完全可以将F-3做到25Hz以下。事实上,用LSPCAD模拟也得出相同的结果,当时在论坛上讨论时OK版曾经提出“喇叭阻尼不是越大越好,过强阻尼有不良后果”,我当时虽然并没有接受OK版的意见,但对极强阻尼下的低音表现开始心存疑虑,迟迟不敢动手。
Lyticast是敢想敢做的人,用了几万元翻沙做了几百斤重的浇铸铝箱(壁厚25mm再加上网格加强筋),2个12寸的专业喇叭,可以说是无所不用其极,这个就是著名的"铁甲威龙"。
"铁甲威龙"的实际听感上,感觉低音是极其快速、清晰的,但是觉得太干太硬了,缺少韵味、宽松感,这是很致命的——我非常在意低音的宽松感。
我开始怀疑是小箱体大喇叭带来的不良后果,不幸的是实验结果证实了这一点,小箱体大喇叭带来的是装箱后Fb的大幅增高,喇叭在Fb以下的失真大幅增加......这个就是低音硬的主要原因。现在想起来这个结果是必然的,如果后音箱容积可以那么轻易地缩小而没有后遗症,那么也就根本不会有巨无霸的旗舰箱了。
这个实验结果使得4个D10G变成了鸡肋,要是Fb=40Hz,箱体容积要100L,2个D10G要200L!如此庞然大物,在寸土寸金的上海根本没有实际应用的可能。
那么退而求其次,放弃闭箱,用倒相或辐射盆箱,1个D10G足够了。但100L的容积也不小(D10G的官方推荐容积是65L,但是LSPCAD模拟结果是50-80段隆起,下潜不够,明显是偏AV音色,我不喜欢。用公式V=20*VAS*QTS^3.3的简易算法,得出结果是V=180L,参考OK版大金字塔D10.8 110L的容积,D10G 90-100L的容积比较适当),加上中音箱,体积也很大了。
还有一个可以大大缩减容积的方法就是将2个低音装在一个小室内,一个向外,一个向箱内,推挽工作。理论上,容积可以缩小1倍!100L变成50L,实现的可能性大大提高,当然这样做的代价极大!低音喇叭开销要多1倍,虽然电压灵敏度不变,但功率灵敏度低了1倍(8欧变4欧),对功放的电流输出要求高了1倍,幸好这些对于我现在的情况是无所谓的,因为4个喇叭早已购入,不用白不用,自制功放也是按4欧设计的超大功率。但是实际设计推挽工作音箱时发现问题远远没有解决:
1、推挽工作音箱有一个低音是内装的,D10G的直径298mm,如果箱子壁厚25mm,宽度就得360mm;360mm宽的座地箱,视觉上还是非常庞大,与我的听音环境不协调。
2、放弃座地箱做大书架呢?还是有问题。因为安装2的D10G占去的体积至少18-20L,加上低音净容积50L,再加上中音腔体,这个大书架的容积还是不小。在箱子仅作最简支撑的设计下,3围是360*630*480mm,图纸画好,觉得还匀称,实际比划一下就吓了一跳——480mm的深度太吓人了,而且还要加一个脚架,正面看还可以,但因为箱子摆位是要内拗的,侧面看视觉上还是太大太大。
翻到坛里一个朋友用315mm直径水管做箱子的帖子使我眼前一亮:用水管做圆柱式音箱!有的朋友可能怀疑,有效容积不变的情况下,圆柱式音箱为什么可以体积较小?实际画图的结果是有效容积不变的情况下,用水管做圆柱式音箱体积的确可以小很多。Why?
1、与平板相比,圆柱的受压形变几乎可以忽略不计。315mm直径厚15mm的管子,耐水压是0.8Mpa,比30mm厚的平木板不知强多少倍。
2、相同的容积,圆柱体的表面积比长方体大大减少,仅次于球体。
3、由于圆柱体刚性极好,省去支撑材料占去的容积。
设计的一个草图,低音部分外直径315mm,内直径285mm,高820mm,净容积50L。这个圆拄体的净容积,矩形箱在相同高度下,侧板厚25mm,前面板厚40mm,因为2个D10G推挽必须背对背安装,要占去18-20L的空间,为达到相同的净容积,最简支撑的情况下,最小尺寸为360*370*820mm。圆柱体占地面积0.078m^2,360*370*820mm的矩形箱占地面积0.1332m^2,圆柱体箱的占地面积只有矩形箱的58%!画在图上差异还不很大,实际的三维视觉差异还是非常大的,因为360*370*820矩形箱对角线是516mm!人在皇帝位看到的矩形箱侧面投影,宽度比对角线短不了多少。
低音2个D10G面对面“合扣”,一个在圆柱内,一个在圆柱外,直接辐射低音,倒相管或辐射盆在底部。
这样一个很大的好处是质量大、振幅极大的低音盆上下运动,产生的作用力直接通过脚钉传到地面,没有侧向的分力,箱子的稳定性有极大提高,现在有的高端厂箱标榜机械避振的绝招,实质也就是把震动直接偶合到地面,利用大地这个质量近乎无穷大的物体抑制箱体震动,所谓的“接地气”,因此本方案中箱体发生整体振动的量是极小的。
圆柱体箱体与长方体箱体的最大不同是:箱板受力由平板的垂直方向的抗弯曲能力,变为水平方向的抗拉或抗压能力,这二者之间绝对是有一二个数量级以上的差别。圆柱体的径向刚性极大,几乎没有明显形变的可能,而在圆柱体的两个端面,一头装喇叭,一头装辐射盆,都是将有效能量辐射到外部空间的发声部件,因此本方案中箱体发生局部振动的量也是极小的。
喇叭设计上:高音H1499裸露在外,装在低音前面。中音H1455,也装在圆柱形扁箱内,前面削去一块,形成平面装喇叭。后开口,圆柱形箱可以最大限度减低中音绕射的影响。中音箱与低音箱之间用金属柱支撑,改变后面2根金属柱的高度,可以改变中音箱的仰角。这个箱子的另一个特点是3个喇叭的位置最大限度靠近,接近点声源,低音360度辐射。
低音的“屁股”向外,这个有点奇怪,不过这样2个喇叭“合扣”安装,大大节约了空间,而且D10G是钕磁大音圈、铸铝盆架,磁体部分镀铬,屁股部分还很精致,一点不难看。如果实在嫌“不雅观”,围一圈纱网或金属网也非难事。再谈谈这个低音盆上下运动的特点与好处:
以前看到有人说书架箱脚架很重要,甚至有“换架如换箱”的说法,我是很不理解的,箱子整体这么重,难道会整体振动?
应该还是用数据说话。D10G的力系数是13.2 N/A,也就是说1A的电流流过音圈,箱体与喇叭骨架产生13.2牛顿力驱动音圈与音盆。根据牛顿第3定律,作用力等于反作用力,音圈与音盆也产生13.2牛顿力反向作用于箱体。具体就我的推挽设计来说,2.83V电压是89DB响度、电流是2.83V/4欧姆=0.71A,产生的力是0.71*13.2=9.37牛顿,差不多1公斤力了。1公斤力垂直向下是一点问题也没有的,但是如果喇叭装在80cm高度,侧向用力的话情况又会如何?我曾经设计过一个很窄很高的侧低音3分频箱,低音位置较高,正面看上去也很苗条的,但是对这个1公斤的侧向力大有顾虑,一般频率下可能还好,在系统的谐振点产生共振,问题会很严重,直接否决了。
另一个情况也能说明点问题,就是大多数的成品箱侧低音装得都很低。顾忌侧向稳定性可能也是个原因,低音位置太低,分频点也必须很低了,这样对中音压力太大,我不喜欢。
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管子到了(直径315mm,厚15mm),D10G放在管子上面后看看,发现管子不是标准纯圆的,最大直径315mm,最小处只有308mm,看来只有加工一个环,用螺丝固定在管子端面,在内圈直径275mm圆周上攻好12个5mm罗纹,固定面对面合扣的1对D10G。

315给水管
315给水管。这样的管子两根接起来时,用一种叫"直接管"的水管附件,套在管子外面的。
两个低音筒都锯准了,下面的工作就简单了,只要做几个密度板的圆环、装喇叭与辐射盆。不过我没有修边机也没有密度板,还是向做箱子的朋友定做吧,有工具应该很简单的。
中音箱倒是费脑筋,根据OKK大大以及OK板指出的驻波以及高音衍射等问题,再实际制作中又作出以下改动:采用160mm的PE管,长33cm,后开口(彻底的管箱喔),因为管的体积小,视觉上消除了庞大和头重脚轻的感觉。
原来LSPCAD也可以模拟辐射盆箱的,这个是2个D10G的情况:2个并联,合扣安装,Re减半,MMS加倍,VAS与CMS减半,F0与QES、QMS、QTS不变,模拟出来的低频响应是牛得很,实际能否达到未可知。
前段时间设想了中音360度辐射的方案,支持的少,怀疑的多,且放下不管,低音部分先做出来吧。
1、底座。用3层18mm粘合而成,画了图纸是有圆角的,结果寄来的板是方角的,只好自己加工。

 
作用:装在与315管子底部,以便装14寸辐射器,有2圈孔各12个,内圈用4mm自攻螺丝12个,与315管子连接;外圈用4mm圆机螺丝12个,装14寸辐射器。考虑到14寸辐射器要调节配重,可能要多次装拆,自攻螺丝在密度板上容易打滑,为了保险,在3层18mm叠成的底座中,埋入12个4mm螺母。方法很简单,先打4mm孔,然后在板的背面扩6.8mm,深度约10mm的沉孔,直接用锤子把4mm螺母砸进去就可以。
注意一定要垂直,否则螺丝拧不上。告诉大家一个窍门:先将螺母拧在4mm圆机螺丝上,将圆机螺丝上插在孔内,然后用锤子敲击螺丝头,这样埋入的螺母保证垂直。底座上还装了4个"高胖子"脚钉,可以调节高度的,以后会发现是及其重要。用35mm长的自攻螺丝12个将底座与315管子牢固连接,结合部分涂上白胶,防止漏气。
2、装14寸辐射器。大家注意底座圆弧上有一块黑斑,这个是在锯角时,锯过头了,修好圆后,有一块凹陷很难看,突然想起坛子里的一个木工帖里教的办法:用502胶拌木粉补在凹陷处,果然灵验,不过颜色不太一样。
3、装喇叭接圈A,这个是厚24mm的密度板圆环,有2圈孔各12个,外圈用4mm自攻螺丝12个,与315管子连接。内圈可以拧5mm内6角螺丝12个,固定2个D10G。接圈A的背面用同样的方法埋入12个5mm螺母。低音箱接线柱我用大号的仪表接线柱,纯铜,直径6mm,配上紫铜的铜鼻子,拧紧后的导通电阻绝对比那些用接插方法连接的"HIFI"发烧接线柱小N倍。
4、内装1个D10G,喇叭外圈的正反面都粘上软的垫片。
5、合上喇叭接圈B,厚36mm,上下各开直径299mm、深7mm的沉孔,余下22mm正好容下面对面安装的2个D10G的悬边高度。因为2个喇叭的盆是同方向运动的,只好保证在静态时不会碰到,再多2mm余量就可以了。
6、合上外装的D10G,对准孔位,要求内装D10G,接圈A、接圈B,外装D10G的孔在一条直线上,否则长达55mm的5mm内六角螺栓是无论如何拧不进的。一个孔对准容易,12个孔同时对准就难了。实际做法是先将内装D10G,接圈A、接圈B,外装D10G位置定好,先打一个孔,穿上螺栓固定住,再打其余11个孔,D10G上的安装孔是5mm的,所以先用5mm钻头打,然后再将接圈A、接圈B上的孔扩为5.5mm。
有人嫌HIVI喇叭的安装孔太多,不过在这儿12个孔正好,12个55mm长的5mm内六角螺栓将2个D10G和接圈A接圈B牢牢固定住,这个是很重要的。要知道实际工作时2个D10G盆在大幅度运动,反作用力是很厉害的,12个5mm内六角螺栓将一切HOLD得服服帖帖。如果喇叭仅有6个安装孔,那么接圈的强度和刚性就必须大大增加。
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我没有测量套件,不过有XD7低频信号发生器,可以扫描喇叭与音箱,测个F0什么的还行,没有现成的阻抗曲线,有耐心也可以一点一点描出来,好处是功率可调,可以大功率测量,这点也很重要。
两个箱子一个先装吸音棉350克,另一个装了700克左右的玻璃纤维棉(这个是玻璃纤维棉梳理棉,柔软度比最好的棉花还细软得多,重要的一点是并不扎手)。装吸音棉350克的箱子双峰如下:频率高的峰的位置在42Hz,高度为谷底高度的4倍,谷底位置为28Hz,频率低峰的位置在19Hz,高度为谷底高度的2倍。
装吸音棉700克的箱子双峰如下:频率高的峰的位置在40Hz,高度为谷底高度的3.5倍,谷底位置为27Hz,频率低的峰的位置在18Hz,高度为谷底高度的1.8倍。
吸音棉多少对于阻抗的关系还是挺大的。以前用LspCAD模拟过,见图:

阻抗峰的位置与装吸音棉700克的箱子非常符合,不过峰的高度实物比较低,尤其是频率低的峰的高度,可能实物箱子的阻尼比较大,性能应该是辐射盆的谐振比较弱一点,有接近闭箱特性的倾向。
如果实际SPL如同模拟曲线,-3db在25Hz,那就太牛了。不过由于频率低的峰的高度比较低,估计实际的低频滚降要大一点的。
这个阻抗峰的位置和OK版的大金字塔很接近,要知道OK版的大金字塔是占地550*550mm,容积100多升的大箱啊,而我这个不过是直径315mm的管子,容积才50升!缩减音箱体积的目的基本是达到了。至此,用D10GX2做的推挽式315管箱的低音部分,完全实现了原设计目标。

高音沉孔110mm,原来是准备可以换110mm直径的好高音,现在先用H1499听着,毛胚的照片
能够大幅度缩减音箱体积而又能够不损害低音下潜,主要得益于以下两点:
1、两个喇叭面对面推挽安装,节约了一半容积。
2、圆形的管子在同样截面的情况下表面积最小,而厚度15mm的PE管子刚性远远好于厚度30mm的平木板,抵抗震动的效果极好,节约的体积也是非常可观的。现在主要考虑吸音棉放多少合适,作为一个11.5寸的喇叭,40Hz的高频率谐振峰(双峰中较高的一个)是否太低了,查了下OK版的《名箱频响-群芳谱》,单拿旗舰大证据的高频率谐振峰也在40多Hz,众多名箱中只有B&W801的高频率谐振峰在30多Hz.。
谐振峰的频率较低,意味着低频滚降的频率也比较低,频率下限比较低。这一方面当然是好事,但是另一方面却有很大局限,这是因为谐振峰的频率较低,辐射盆或倒相孔起作用的频率也更低了。更多的低频声必须由喇叭发出,由于喇叭冲程的局限,最大不失真的低频声压就受到限制。下潜与声压是一对相互牵制的因素,那些名箱旗舰都是要在大场面工作的,照顾最大声压可是极其重要的。
从我听音的实际条件出发,因为听音室较小(否则也不会千方百计追求小体积了),所以对声压的要求不高。11.5寸的D10G即使是闭箱,声压也应该够了。在用LSPCAD模拟中,50L的箱子,2个D10G推挽的SPL是最平的,实际做出来的低频峰的幅度比较小,意味着箱子的辐射盆谐振起的作用较小,音色有向闭箱靠拢的倾向。但是因为频率高的谐振峰低达40Hz,即使是纯闭箱,低频响应也并不差了。要知道根据HIVI个官方推荐,D10.8在80L容积的闭箱内,SPL的-3db高达48Hz!所以,初步决定不缩小箱子容积(这个工作量很大),吸音棉放700克!

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