什么是振膜的高效性？它在揚(yáng)聲器中的地位和意義起什么作用,？

首先須了解振動(dòng)學(xué)原理,。

1. 聲音的四大特征

聲波是聲音的傳播形態(tài)，是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)位移的周波,，位移周期性運(yùn)動(dòng)就是振動(dòng),。

物體的振動(dòng)有四大理論特征：振幅、頻率,、音色,、相位。就現(xiàn)有物理學(xué)認(rèn)識(shí)角度能發(fā)現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象也就莫過(guò)該四大特征。為了解釋這四大特征,，學(xué)界利用傅里葉函數(shù)轉(zhuǎn)換成圖形表達(dá)如下：

圖 1聲音四大特征解析圖

聲音本無(wú)圖形。上述圖形是為了從理論上解剖并表達(dá)聲音的結(jié)構(gòu),，而用傅里葉函數(shù)分析的結(jié)果,。

1.1. 振幅

振幅比較好理解，就是振動(dòng)幅度,。振動(dòng)幅度大則音量大,，相反則小。從最小振幅到最大振幅范圍為量域,，即振動(dòng)的規(guī)模數(shù)量,。

振幅相對(duì)應(yīng)的聲學(xué)意義為聲壓級(jí)。但不能絕對(duì)理解：在同一條件下振幅=音量,。在不同條件下振幅≠音量,。如1只12英寸單元90dB時(shí)振幅并不大，但1只3英寸單元90dB時(shí)振幅已經(jīng)很大了,。

振幅與能量相對(duì)應(yīng),。振幅越大、聲能量越大,。

聲能量的傳遞必須靠介質(zhì),。常識(shí)中的聲音通常是在空氣中傳播?？諝庵械奈镔|(zhì)也就是聲能量傳遞的介質(zhì),。物質(zhì)（物體）在真空環(huán)境下也會(huì)振動(dòng)，但沒(méi)有聲音,。因?yàn)檎婵罩袥](méi)有聲音傳遞介質(zhì),。

聲能量傳遞介質(zhì)必須振動(dòng)。介質(zhì)振動(dòng)本身也會(huì)耗能,。耗能部分就是振動(dòng)摩擦生熱,，將部分聲能轉(zhuǎn)換成熱能。將吸音棉裝入音箱,，揚(yáng)聲器振動(dòng)后,，吸音棉溫度上升就是這個(gè)原理。所以,，聲能量傳遞過(guò)程也是一個(gè)聲能量消耗過(guò)程,。因此，聲能量隨著傳遞距離有所衰減,。

但聲能量傳遞的不同介質(zhì)環(huán)境（條件）效率不同：物質(zhì)密度越大,，衰減越小，聲速越快，聲效率越高,；反之衰減越大,、聲速越慢、聲效率越低,。這是因?yàn)槲镔|(zhì)密度越大,，被利用傳遞的介質(zhì)越多，振動(dòng)產(chǎn)生的摩擦面越少,，熱轉(zhuǎn)換率越低,，損耗越低。如空氣的密度1.29kg/m3,，在15C0條件下聲速為340米/秒,；鋁的密度2700kg/m3，聲速則為6300米/秒,。

聲速越高,，損耗越小。

1.2. 頻率

頻率也好理解,，就是單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)周期,。聲波以秒為計(jì)量單位：每秒振動(dòng)周期100次為100Hz，每秒振動(dòng)周期1000次即1000Hz,。

從最低頻率~到最高頻率的時(shí)間范圍稱為時(shí)域,。

1.3. 音色

音色不太好理解。它是構(gòu)成頻率的泛音排列關(guān)系及其結(jié)構(gòu)的“外觀”,?！吧笔且粋€(gè)視覺(jué)外觀名詞，借用它來(lái)作為聲音的名詞,，就是指的聲音的“外觀”,。只不過(guò)它不是視覺(jué)之觀，而是聽(tīng)覺(jué)之觀,。

為什么樂(lè)器在同一頻率上聽(tīng)感不同即音色不同,？

我們將頻率從聲波中解析出來(lái)，并按照單位時(shí)間振動(dòng)次數(shù)定義其理論特征,。但實(shí)際上任和聲波都不是單一頻率,，幾乎都是復(fù)合頻率。我們?nèi)粘Ｋ念l率,，是物體振動(dòng)復(fù)合頻率中振幅最大的一個(gè),，并將之定義為基波，其余復(fù)合頻率定義為泛音或諧波,。

從1個(gè)頻率~若干頻率的范圍稱為頻域,。就聲波而言,，1Hz~20KHz這個(gè)范圍就是頻域。

換言之,，任何物體的頻率都有它獨(dú)特的頻域,，即該頻域中構(gòu)成的泛音排列關(guān)系。下圖是小提琴,、長(zhǎng)號(hào),、長(zhǎng)笛同一基波（346.23Hz）上構(gòu)成的泛音排列關(guān)系。

圖 2不同樂(lè)器的泛音排列關(guān)系

圖2中泛音排列是按照頻域顯示的,，橫軸左邊起點(diǎn)是基波，右邊是泛音及其排列方式,；縱軸是量域,。從中可見(jiàn)小提琴泛音個(gè)數(shù)多，而且相應(yīng)泛音振幅較大,；長(zhǎng)號(hào)泛音個(gè)數(shù)較小提琴要少,，而且泛音隨頻率升高而較有規(guī)律直線衰減，但泛音排列的末端較小提琴更多,。這就是長(zhǎng)號(hào)及其銅管類聽(tīng)上去有“嘶嘶”聲的原因,；長(zhǎng)笛明顯地泛音個(gè)數(shù)更少，也是聽(tīng)感較小提琴要“干”的原因,。

不同樂(lè)器在同一頻率（音高）上音色不同,，就是頻域上的泛音構(gòu)成關(guān)系及其排列不同造成的。

1.4. 相位

相位也是不太好理解的概念,。

通常電子電聲愛(ài)好者,，甚至將聲音的相位同等于電學(xué)上的相位來(lái)理解。這是欠妥的,。揚(yáng)聲器由電（磁）力推動(dòng),，電性能的相位對(duì)揚(yáng)聲器有對(duì)等的影響，但不是絕對(duì)的,。因?yàn)槁曇粲兄约旱南辔灰?guī)律,。

聲學(xué)上的相位，與頻率有一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系,。這是由物體擾動(dòng)空氣傳播的聲音形狀造成的,。而且它與頻率成對(duì)應(yīng)關(guān)系。見(jiàn)下圖：

圖 3 500Hz~2KHz聲音形狀示意圖

圖 4 4KHz~16KHz聲音形狀示意圖

圖3,、圖4示意了500Hz~16KHz聲音的平面形狀,，可以將之作為三維存在的二維顯示。其中,，頻率越小形狀越圓,，頻率越大形狀越不圓,；形狀越不圓指向性越窄，相反則越寬,；形狀越不圓離中心位置能量分布越不均勻,，平面看更接近90度，形狀越圓離中心位置能量分布越均勻,，平面看更接近360度（0度=360度）,。圖中0度、90度,、180度,、270度的交叉點(diǎn)為聲音能量分布的中心點(diǎn)，由這個(gè)中心點(diǎn)輻射能量方向的分布方式,，決定了頻率的聲相位的區(qū)別,。換言之，低頻率沒(méi)有相位差,，高頻率有相位差,。所以頻率越低越?jīng)]有指向性，相反指向性越清晰,。這些頻率形狀之間差異,，構(gòu)成了聲波的相位差。所以也就有了低音衍射,、高音直射的理論,。

低音衍射，高音直射的理論很多人都懂：低頻遇到障礙物它會(huì)“水漫金山”,，向水一樣浸過(guò)去,、繞過(guò)去；高頻遇到障礙物就過(guò)不去,，會(huì)被障礙物阻隔或反射,，且根據(jù)障礙物阻擋角度產(chǎn)生直線性折射或反射。

2. 振膜的聲學(xué)特征

上述四大特征是一切物體的聲學(xué)共性,，再來(lái)看看振膜的聲學(xué)個(gè)性,。

2.1. 固有頻率

振膜是一定物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其形狀組成的，首先,，須了解物質(zhì)固有頻率規(guī)律,。

任何物質(zhì)物體都有固有頻率。只要振動(dòng)就必有該物體的固有頻率,。通常,，檢測(cè)振膜的固有頻率，采用的是F0的檢測(cè)方法,，即共振頻率檢測(cè)方法,。

什么是共振頻率,？很多理論沒(méi)有講清楚。尤其是電聲界,，常常標(biāo)記F0或Fs,，工程師也常常將之解讀為一個(gè)頻率點(diǎn)。其實(shí),，共振頻率是一個(gè)頻率帶而不是一個(gè)頻率點(diǎn),。

圖 5 共振頻率示意圖

圖5中可見(jiàn)頻率范圍為5~100Hz以上，其中以32.2Hz頻率點(diǎn)振幅最大,，由此往左漸次衰減到20Hz開(kāi)始平穩(wěn),，由此往右漸次衰減到50Hz開(kāi)始平穩(wěn)。也就說(shuō),，起碼其共振頻率是一個(gè)20Hz~50Hz的頻率帶,，只莫過(guò)其中的32.2Hz頻率點(diǎn)振幅最大而已。換個(gè)角度理解：或許是32.2Hz的振動(dòng)“帶動(dòng)”了左右兩邊的頻率,，或許是由左到右的頻率帶振動(dòng)“推動(dòng)”了32.2這個(gè)頻率點(diǎn)。無(wú)論如何,，共振頻率是復(fù)數(shù)不是單數(shù),，否則就不是共振。共振一定是復(fù)數(shù)同時(shí)振動(dòng),。但通常業(yè)內(nèi)所說(shuō)的共振頻率,，實(shí)際上是指的最大共振頻率點(diǎn)即F0。圖5中的共振頻率至少顯示了5Hz~200Hz一個(gè)頻率帶,。聲學(xué)中常提到的固有頻率,，是指F0，即共振頻率中振幅最大的一個(gè)頻率,，以它作為整個(gè)共振頻率（復(fù)數(shù)）的代表,。

在上述解讀中，首先要明白振膜的固有頻率是一個(gè)復(fù)數(shù),，很多個(gè)頻率組成,，其中振幅最大的一個(gè)頻率即共振頻率帶的代表，是一個(gè)頻率點(diǎn),，代表整個(gè)復(fù)數(shù)的共振頻率帶的頻率點(diǎn),；其次要清楚的是，既然共振頻率是一個(gè)頻率帶,，那么固有頻率從頻域角度看就是很多個(gè)聲音,。

任何物體，只要振動(dòng),，固有頻率就會(huì)產(chǎn)生,。無(wú)論什么方法驅(qū)動(dòng)振膜,，只要振膜振動(dòng)就會(huì)發(fā)出它自己的共振頻率。它會(huì)顯示融入總諧波失真的“瀑布圖”中,。

2.2. 頻率分布

振膜大體上分兩類造型：一類是平面（如帶式,、平板、靜電式,。簡(jiǎn)稱：A類）,，一類是非平面（錐臺(tái)形、球蓋形,。簡(jiǎn)稱：B類）,。兩類的頻率分布是不一樣的。

物體的頻率總是與材質(zhì)機(jī)理和形狀相關(guān),。相同形狀條件下,，硬度高的頻率大，質(zhì)量大的頻率低,；相同材料條件下,，體積小的頻率大，體積大的頻率小,。

這一定義,，使頻率的分布總是朝著與物體質(zhì)量反比的方向進(jìn)行：頻率越大分布的物體質(zhì)量越小,；反之,，頻率越小分布的物體質(zhì)量越大。

圖 6 錐臺(tái)形頻率分布

圖 7 球蓋形頻率分布

振膜的驅(qū)動(dòng)源是音圈,，而音圈是軸向振動(dòng),，所以聲波的傳播主要能量表現(xiàn)為縱波，而縱波在圓錐臺(tái)形和球蓋形振膜中自然形成了頻率與質(zhì)量成反比的規(guī)律,。

對(duì)于B類振膜,，錐臺(tái)式或球蓋式，可以將之理解為不同質(zhì)量物體的無(wú)縫組成,。整個(gè)振膜中,，面積小的部位（錐盆的喉口或球蓋的球頂）質(zhì)量最小，分布較高頻率,；面積大的部位（錐盆的邊沿或球蓋的邊沿）質(zhì)量最大,，分布較低頻率。依次理解：由振膜中心~振膜邊沿頻率由大到小進(jìn)行分布,。頻率的依次分布是由振膜的造型質(zhì)量由大到小或由小到大的次序決定的,。這種形態(tài)，可以稱為頻率在振膜上的“分割排序”,。

頻率的分割排序,，類似業(yè)界所說(shuō)的“分割振動(dòng)”,，但又不盡相同。

頻率在非平面振膜上的分割排序,，是物理自然選擇,，正常的。由于分割排序,，頻率不同,，振動(dòng)部位不同，從這一意義上理解可以看成是將整體振膜進(jìn)行了分割振動(dòng),。但和業(yè)界常說(shuō)的分割振動(dòng)不同,。業(yè)界常說(shuō)的“分割振動(dòng)”，在這里描述為“分裂振動(dòng)”,。如下圖：

圖8 按自然分布振膜頻率產(chǎn)生分割振動(dòng)

分割振動(dòng)不會(huì)造成聲音的劣質(zhì)化,。但一俟分割振動(dòng)遭到破壞，被分割的部分遭到“分裂”,，聲音就會(huì)劣質(zhì)化：一部分正向,、一部分負(fù)向、一部分抵消,，就形成“分裂振動(dòng)”,。

再見(jiàn)下圖：

圖 9 與分割振動(dòng)截然不同的分裂振動(dòng)

圖9是分裂振動(dòng)：藍(lán)色為正向、紅色為負(fù)向,、白色為抵消。不同的部位振動(dòng)不同頻率,，不會(huì)引起失真,。但同一部位振動(dòng)形成聲相位的矛盾和沖突，形成分裂振動(dòng)就會(huì)引起嚴(yán)重失真,。

分裂振動(dòng)與分割振動(dòng)不同：它是將振膜分割成沒(méi)有規(guī)則的若干振動(dòng)單元,，并且振動(dòng)單元之間出現(xiàn)正負(fù)向矛盾并聲相位沖突，還會(huì)引發(fā)大量奇次諧波,。奇次波就是振膜折彎變形的自振波,。非常刺耳。

分裂振動(dòng)的原因是振動(dòng)導(dǎo)力+分割振動(dòng)時(shí)差的和,。見(jiàn)下圖：

圖 10球蓋形與錐臺(tái)型振膜的導(dǎo)力時(shí)差示意圖

圖10中,，由音圈的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)到力傳導(dǎo)終點(diǎn)（球蓋的終點(diǎn)在中心，錐臺(tái)的終點(diǎn)在邊沿）,，有一個(gè)時(shí)差,。即振膜不是整體同步振動(dòng)。如果振膜材質(zhì)傾向硬,，聲速高,，力導(dǎo)時(shí)差縮?。蝗绻衲げ馁|(zhì)軟,，聲速低,，力導(dǎo)時(shí)差拉大?？諝鈮毫蛯?dǎo)力時(shí)差在作用振膜時(shí),，會(huì)使振膜“顛簸”變形。

2.3. 形狀與聲相位

振膜材質(zhì)相同,，形狀不同則力學(xué)特性不同,。力學(xué)特性不同，則聲傳播相位不同,。

在與空氣產(chǎn)生摩擦中,，所有非平面造型，順力則軟,，抗力則剛,。

圖 11 球蓋形振膜與錐臺(tái)型振膜的幾何剛性示意圖

圖11表示：音圈是發(fā)力的起點(diǎn)和支點(diǎn)，球蓋形振膜向前運(yùn)動(dòng)時(shí)與空氣摩擦面小,，向后運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦面大,，所以球蓋形朝前運(yùn)動(dòng)為順力方向，錐臺(tái)型則相反為抗力方向,；球蓋形朝后運(yùn)動(dòng)為抗力方向,，錐臺(tái)型則相反為順力方向。這種現(xiàn)象的原因,，是因?yàn)榍蛏w形或錐臺(tái)型的凹面內(nèi)空氣受到造型的“壓縮”,，氣壓偏高，加上音圈動(dòng)力支點(diǎn)作用,。

由于幾何造型形成了順力與抗力的差別,，也就造成了振膜正負(fù)振動(dòng)幅頻的差。即：錐臺(tái)型正面幅頻＞背面幅頻,，球蓋形與錐臺(tái)型相反,。

圖 12 錐臺(tái)型揚(yáng)聲器正負(fù)頻幅差異示意圖

圖12：藍(lán)色色曲線是音源的原始波形，紅色曲線是錐盆揚(yáng)聲器系統(tǒng)重放波形,。從中可以看出錐臺(tái)型揚(yáng)聲器正面與負(fù)面的幅頻不一致：正＞負(fù),。

正負(fù)幅頻不一致，也就會(huì)造成振膜變形：或扭曲,、或顛簸等,，再加之時(shí)差就構(gòu)成了圖9的分裂振動(dòng)。而分裂振動(dòng)就造成了各個(gè)部位發(fā)聲的時(shí)間差與相位差。

振膜的發(fā)聲都是按照振膜平面90度切角呈縱向傳播,。因此,，錐臺(tái)形振膜縱向發(fā)聲正面為聚焦輻射，球蓋形縱向發(fā)聲正面為散焦輻射,。

圖 13 球蓋形,、錐臺(tái)形、平面形聲輻射示意圖

圖13：球蓋形正面為散焦輻射,，背面為聚焦輻射,；錐臺(tái)形正面為聚焦輻射，背面為散焦輻射,；平面形正面與背面都是無(wú)焦點(diǎn)輻射,。

人耳能聽(tīng)到的直達(dá)聲大多是正面聲波，背面聲波假如能聽(tīng)到也是反射或折射波,。所以振膜正面的聲波及其重要,。由于幾何形狀不同，正面散焦輻射的面積更寬,，正面聚焦輻射的面積更窄,，無(wú)焦點(diǎn)輻射面積無(wú)所謂寬窄。輻射面越寬聲場(chǎng)越寬,，輻射面越窄聲場(chǎng)越窄,。無(wú)焦點(diǎn)輻射的空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是平均推動(dòng)的，其能量損耗最小,，所以距離每增加1倍衰減3dB,；散焦輻射的空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是分散的，其能量也被分散,，消耗要大些,，距離每增加1倍衰減4dB；聚焦輻射的空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)理論上是聚能,，應(yīng)該穿透力更強(qiáng),，衰減更小,，但實(shí)際上聲波在聚焦的過(guò)程中所驅(qū)動(dòng)的空氣質(zhì)點(diǎn)交叉相撞,，聲波自身摩擦產(chǎn)生熱能被自我消耗，距離每增加1倍衰減6dB,。

球蓋形,、錐臺(tái)形、平面形三類幾何形狀振膜,，物理應(yīng)用缺陷最多,、最大的是錐臺(tái)形。這也是我不主張錐臺(tái)形振膜納入高級(jí)音箱范疇的主要原因。

2.4. 振膜形狀禁區(qū)

當(dāng)前,，無(wú)論是號(hào)稱Hi-End揚(yáng)聲器,、Hi-Fi揚(yáng)聲器還是普通揚(yáng)聲器，絕大多數(shù)廠家都使用錐臺(tái)形振膜,。它歷史悠久,，覆蓋面寬，甚至到了一提到揚(yáng)聲器,，均會(huì)出現(xiàn)錐臺(tái)形狀的形象,。這使人們覺(jué)得，揚(yáng)聲器就應(yīng)該是錐形的,。

嚴(yán)格說(shuō)錐形或者錐盆提法是不準(zhǔn)確的,。錐形或錐盆的幾何形狀是尖頂或尖底，但所有被稱為錐盆的振膜既不是尖頂也非尖底,，而是平頂或平底,，只是一頭大一頭小。形象說(shuō)法,，約定俗成不糾結(jié),。科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶岱☉?yīng)該是錐臺(tái)形,。

錐臺(tái)形振膜源于西方,，迄今已成為揚(yáng)聲器發(fā)展的一大天花板，極大地限制了揚(yáng)聲器技術(shù)往高水平的發(fā)展,。

它的確帶著歷史的缺陷進(jìn)入到本世紀(jì),，成為了電聲技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一座大山。觀察歐美現(xiàn)代揚(yáng)聲器技術(shù),，商業(yè)觀壓倒了科技觀,，民用電聲科技進(jìn)步靠他們靠不住了，只能靠我們這個(gè)電聲產(chǎn)業(yè)大國(guó)來(lái)主動(dòng)解決相關(guān)問(wèn)題,。

（篇幅有限,，請(qǐng)續(xù)讀《高級(jí)音箱內(nèi)涵（三）振膜的高效性（中）》）