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[音箱] 振膜,音响系统的灵魂(一):隐士音响铍振膜技术详解

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发表于 2022年11月28日 19:29 24383 0 来源:影院音频> 音箱 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |

小uu 帖主

2022-11-28 19:29

发烧友一起探讨音响系统,更多是在讨论某某品牌的产品,抑或是什么型号的产品,励磁还是永磁,却极少去探究这套音响系统中用的是什么振膜。

音响系统既然是用来重播声音的,自然扬声器就是重中之重。而扬声器的素质高不高,其核心就是振膜。说振膜是一套音响系统的灵魂,毫不为过。振膜就如同人的声带一样,一个人声带决定了他(她)的先天优势,这不是后天可以弥补的。拥有好的声带,那就是老天爷赏饭吃,长得胖一点,穿得丑一点,什么种族、什么民族的都没有关系,声音自己会说话。而先天不足的声带,无论怎么努力,也不可能唱成某某歌星,只能自得其乐而已。

那么,什么样的振膜才是更好的呢?笔者认为,主要是看以下几个因素:

首先,振膜材料的密度要低。同样尺寸的振膜,密度越低的材料,振膜总体质量显然就越小。在扬声器总磁通量恒定的情况下,驱动更轻的振膜自然比驱动更重振膜的控制力更强,瞬态响应也就越好,自然解析力也就越高。


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▲分割振动在用软件进行有限元模拟分析时的呈现,可以直观地看到波浪形的振动模式

其次,振膜的刚度和强度要高。力是相互的,振膜做功推动空气时,就会反向受到压力,声压级越高、动态越大,反向的压力也就会越大。如果振膜的刚度即弹性模量不够,或者强度即抗拉强度不够时,声压稍大就会失真很大,而声压很大时振膜就可能会起鼓包,也有可能会开裂。振膜更高的刚度和强度,可以使振膜前后振动时更为同步,而非波浪式的扩散,专业术语叫分割振动。分割振动时,振膜各处位置的运动不再统一,处于失控状态,会发出大量的杂音,在尺寸大的低音盆上现象尤为明显,这是为什么目前一般的低频喇叭失真特别大、声音又闷又糊的关键因素。这种失真现象称之为“分割失真”,低频扬声器上普遍存在,尤其是一些专业音响系统的低音单元,为了追求高音压而降低了对失真的要求。

第三,振膜材料的内部声速要高。音圈是固定在振膜上的,往往中音、低音、超低音的扬声器中,音圈固定于振膜的中间,而高音、超高音单元则固定于振膜的外缘。音圈振动时,从音圈与振膜的接触处往振膜的其他部分传导,这中间存在路径差。振膜材料的内部声速越高,声音在振膜传导的速度就越快,从振膜不同位置出发的声波相互之间的时间差就越小。高音单元由于频率高、声波短,这点就尤其重要。举例来说,10000赫兹的振动周期为万分之一秒,如果声音从音圈跑到振膜中心花了两万分之一秒,那么从振膜中心传出的声音就会和振膜边缘传出的声音刚好相位相反,导致互相抵消衰减。

第四,振膜材料的散热性能要好。重播的动态越大,通过音圈的电流也就越大,这时候的音圈就成了一个大电阻,瞬间发烫,温度甚至可以高达200多摄氏度。音圈除了自身的散热外,很多热量需要传导到振膜进行散热。如果振膜散热不好导致过热,就会引发振膜形变、强度下降、音圈脱胶、音圈烧毁等等严重问题。为什么绝大部分高保真音箱不可以K歌或者放大音压电音,绝大部分原因就是因为这个。

再者,振膜材料的泊松比要低。泊松比指的是对一个物体施加单向拉力或压力时,纵向变形与横向变形的比值。在扬声器的振膜上,指音圈做功对振膜的推拉时,声波在振膜传递过程中变形程度。泊松比越高的振膜横向变形越大,谐波失真也就越多。

最后,振膜材料的振动阻尼要高。振动阻尼指的是材料耗散振动能量的能力,分为材料阻尼、结构阻尼和流体阻尼。举例来说,锣鼓就是一种振动阻尼特别小的乐器,当我们敲击它一次后,它还会振动相当长的时间才停止,而这是音响单元的振膜要极力避免的。因为音响系统是用来重播,而不是进行再创作或者参与创作,虽然振膜也是依靠振动进行发声,但我们需要的是与信号一致的振动,振膜自身特性导致的振动是越少越好,重播还原度就越高。如果每个信号脉冲都会导致后续不断的余音,那么声音就会不干净,这就是我们通常所言的音染,也是某些发烧友津津乐道的“某某声”。


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▲锣鼓的阻尼特别小,敲击后会振动相当长的时间才停止。

以上这些特性是相互制约的,不能一味追求单一指标的极限,不然就会“按下葫芦浮起瓢”。振膜太轻就会太薄,强度就可能不够;振膜强度很高的时候,重量又可能超标,凡此等等不一而足。要同时满足六个指标都优秀,极其极其困难,付出的代价也极高。目前市售音响系统的绝大多数振膜材料,都是功能性和经济性妥协的产物,只追求满足部分的要求。比如绝大多数锥盆扬声器的振膜用纸盆,具有密度低、内阻高的优势,但是存在强度低、内部声速低、散热差、泊松比高的劣势;使用铝材料的振膜,具有强度高、内部声速高、散热好、泊松比低的优势,但是存在密度较高导致重量大、内阻低的劣势;使用碳纤维复合材料的振膜,具有强度高、内阻低、泊松比低的优势,但是存在内部声速低、散热差的劣势。


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▲不同频率下铝、钛和铍振膜声音传递过程中的变形程度。

那有没有哪种材料在各方面都很优秀呢?

有的,那就是铍。

铍,在所有元素中排行老四,密度1.8克/立方厘米,是铝的三分之二,钛的五分之二;弹性模量309000MPa,是铝的4倍,钛的2.5倍,钢的1.5倍;抗拉强度240MPa,略次于钛的265MPa,远胜铝的90MPa;内部声速12.9km/s,是铝和钛的2.5倍;比热容(是单位质量物质的热容量,即单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量。比热容越高,散热性能就越好)为所有金属之冠,达到1.88kJ/(kg·℃),而铝为0.88kJ/(kg·℃),钛为0.52kJ/(kg·℃);泊松比0.032,是钛和铝的十分之一;至于材料阻尼,由于与激励频率显著相关,所以没有固定的数值,但如果采用铍、铝和钛制作相同形状和大小的物件,铍从振动到静止要显著地快于铝和钛。


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▲还记得背诵门捷列夫元素周期表时的“氢氦锂铍硼”吗?

因为具有这么多优异的性能,铍金属被称为元素之王,除了音响振膜以外,还广泛用于原子能反应堆材料、宇航工程材料、X射线透射窗等。但是,铍是很稀有的元素,在地壳中的丰度仅为百万分之2.8,且以非常低的浓度存在于30多种矿石中,提炼非常复杂,故而产能很低。2020年全球的铍产量仅240吨,相比之下,黄金都有3478吨,可见其珍贵异常。目前全球最大同时也是纯度最高的铍产地位于美国犹他州,该矿归属美国Materion公司(原名Brush Wellman)所有。这家公司的主业是为美国的航空航天、核工业提供铍制品,是典型的尖端科技公司,而制造铍膜只不过是其顺手开发的一项副产品。


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▲洲际弹道导弹惯导系统的核心部件,由一整块铍金属制成。

不过首先问世的铍膜并不由Materion生产,而是日本雅马哈推出的蒸镀法铍膜,TAD、Focal后来居上,TAD的铍振膜驱动头、Focal的铍高音都是音响界的标杆性产品。但是从理论上来说,蒸镀法制造的铍膜从微观上看是粉末状的铍,并不能完全发挥出铍金属原有特性的潜力。而铍金属还有一种特性,就是对人体的剧毒,万一这种蒸镀法的铍膜破裂,难免会有铍粉末扩散到空气中,人一旦吸入,具有一定的致癌危险性。理论上,采用压延法,也就是整张铍金属片材通过锻打再热压成型,才是最理想的,而且片材也不会产生粉末影响安全。但是这极为不易,因为铍虽然强度很高,但延展性却很差,属于脆性金属,必须在加热到接近熔点的温度左右才能柔韧到可以进行热压,而这一温度的把控必须极为精确且各处均匀一致,否则就会因为温度过高而熔断或者因为内应力而变形,又由于铍的剧毒性质,在接近熔点时有一定的挥发性,整个过程必须在无人的条件下自动完成。


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▲法国劲浪的标志性产品,乌托邦系列的一寸铍高音振膜。

这些过高的技术门槛使普通的振膜制造企业望而却步,但对于日常给nasA供应铍制品的Materion来说却是有技术上的优势。巧的是,Materion的老板也是一名发烧友,有什么能阻挡发烧友一颗追求极致的心呢?于是在2006年,Materion成立了名为Truextent的子公司,Truextent来自英文单词true“真正的”与extent“延展”的结合,其含义昭然若揭,就是要打造真正的压延法铍膜。其后,Truextent聘请了曾在阿波罗计划中工作,现在是音响励磁单元专家的Sam Saye先生来领衔开发这种铍膜,而Sam Saye,正是ESD隐士音响中的“S”——也正因此,后来Sam将全球第一张压延法铍膜作为纪念,送给了合作伙伴同时也是隐士音响总设计师的戴中天。从2006年到2009年的三年里,Truextent团队耗资数百万美元,终于做出了压延法的铍膜。从技术的角度,这款铍膜的开发是极为成功的,而从商业的角度来看,这款铍膜的开发并不算成功甚至可以说是失败的,因为始终只能在实验室环境的苛刻要求下,才能小批量的生产,从未进行过量产。因此,也使得Truextent压延法铍膜的价格始终居高不下。因为其高昂的价格,一直到2016年,几乎没有扬声器厂家采购他们的振膜产品,Materion曾一度考虑出售铍膜生产的业务。好在ESD隐士音响成立以后出于战略储备的考量,一口气包了Truextent铍膜实验室产线几年的全部铍膜产能,才使这条产线幸运地生存至今。


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▲隐士音响使用的四寸Truextent压延法铍中音振膜。

原文:隐士音响公众号

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