揚聲器挑選的完全指南

揚聲器在音訊系統中相關重要，可當作傳感器使用，將電氣訊號轉換成使用者可聽到的聲波。若要充分瞭解其在聲音重現中的作用，就必須探索其運作背後的工程原理，以及涉及的關鍵元件。本文將詳細說明揚聲器技術，包括基本運作原理、重要規格、設計考量事項、錐盆和磁鐵的類型等。

揚聲器基礎知識

揚聲器的發聲屬於精心設計的過程，當中利用了電磁學和機械運動的原理。此過程的起點是電氣訊號，也代表要重現的音訊內容。此訊號可能來自各種來源，例如智慧型手機、筆記型電腦或其他任何會產生電氣脈衝的音訊裝置。無論是歌曲的旋律、Podcast 的清晰度，還是電影的身臨其境效果，這些訊號都是揚聲器用來營造聽覺饗宴的電氣藍圖。

揚聲器的核心關鍵元件包括音圈和永久磁鐵。音圈通常是緊密纏繞的電線，且連接到柔性錐盆或振膜。此線圈會圍繞一個永久磁鐵，即可構成發聲核心。當電氣訊號通過揚聲器的電線，就會將音圈通電，從而觸發由電磁力驅動的一系列動作。電流會在線圈周圍產生磁場，極性會依據電氣訊號的變化而改變。

揚聲器的運作取決於這些磁場之間的交互作用。隨著磁場波動，就會交替排斥和吸引，導致音圈及其附著的錐盆快速來回移動。錐盆的這種振盪運動會跟周圍的空氣分子交互作用，讓空氣分子隨著錐盆的運動和諧地振動。

這些振動會在空氣中產生壓力波，一路傳播到人耳，再由大腦解讀成聲音。這就是聲音感知的整個過程，也就是將電氣訊號轉化為豐富的聽覺體驗。

圖 1：揚聲器的工作原理。(圖片來源： Same Sky)

探索揚聲器的解構圖可發現有幾個關鍵元件會一同運作，以產生聲音：錐盆、音圈、導磁板、磁鐵、盆架和軛鐵以及印刷電路板 (PCB)。下圖顯示出揚聲器拆解後 (圖 2) 與組裝後 (圖 3) 的內部結構。

圖 2：揚聲器元件的爆炸圖。(圖片來源：Same Sky)

圖 3：揚聲器元件組裝後的示意圖。(圖片來源：Same Sky)

重要的揚聲器規格和考量事項

對揚聲器運作和結構有基本的瞭解後，在挑選揚聲器時就必須考量幾個關鍵規格和效能條件。這些參數對於確保揚聲器符合所需的音訊效能和可靠性標準相當關鍵。

• 聲壓位準 (dB)：聲壓位準 (SPL) 可量化空氣中的聲波強度，基本上就是指響度。與聲音來源的距離以及環境條件都會影響 SPL。分貝 (dB) 是測量 SPL 的標準單位。瞭解 SPL 相當重要，不僅有利於揚聲器設計，也可在各種環境中評估雜訊位準，這對於雜訊控制和調節來說非常重要。
• 最大輸入 (W)：此規格表示揚聲器可以在短時間內處理而不會遭受永久性損壞的最大功率。
• 標稱輸入 (W)：標稱輸入瓦數是指揚聲器在連續、長期運作期間可以安全處理的功率。這是確保揚聲器在正常操作條件下，維持使用壽命和可靠性的關鍵因素。
• 阻抗 (Ohm)：會測量電流從放大器流向揚聲器時的電阻。較低的阻抗意味著揚聲器會消耗更多電力，因此將揚聲器的阻抗與放大器的阻抗互相匹配非常重要。適當的阻抗匹配對於達到最佳效能、高效的功率傳輸以及維持高傳真音訊重現相當關鍵，同時也可避免設備受損。
• 共振頻率 (Hz)：這是揚聲器可最有效率振動的頻率，可藉此瞭解揚聲器的低頻響應。瞭解諧振頻率有助於比較不同揚聲器的效能，尤其是低頻範圍內的效能。
• 尺寸 (mm)：揚聲器的實體尺寸對其頻率範圍有直接影響。較小的揚聲器會針對較高頻率進行最佳化，而較大的揚聲器在更低頻率下則可表現更優異。針對特定音訊輸出 (例如深沉的低音或清晰的中頻人聲) 設計系統時，上述關係就是關鍵考量。
• 總 Q 值：Thiele-Small 參數稱為總 Q 值，可在挑選理想的揚聲器外殼類型時，當作大方向參考指標之一。總 Q 值為 0.4 或更低時，則表示揚聲器最適合通風外殼。若值介於 0.4 和 0.7 之間，則建議採用密封外殼；0.7 或更高，則表示揚聲器適用於自由空氣、半開放式背板，或無限障板設置。然而，這些準則並非絕對，重要的是要考量設計中的所有相關參數，以達到所需的音訊效能。
• 侵入防護：揚聲器可以提供多種侵入防護 (IP) 等級，以便設計可在嚴峻環境中因應潮濕與污染。
• 安裝樣式：根據應用需求，揚聲器有多種連接方式可供選擇，包括通孔、引線、彈簧端子等。

圖 4：常見的揚聲器連接配置。(圖片來源：Same Sky)

揚聲器的測量和測試

依據上述關鍵規格挑選揚聲器後，務必進行額外的測量和測試，以確保揚聲器正確整合到設計中並依照預期運作。Same Sky 的音訊設計服務能為以下關鍵的測量和測試提供支援：

• 頻率響應：視覺化呈現揚聲器重現整個可聽頻率範圍的能力。Same Sky 有兩篇部落格文章的主題是音頻範圍和諧振頻率，其中就詳細探討了頻率響應表。
• 步進頻率掃描：以疊頻為目標，以進行更詳細的頻率響應分析。
• 位準和增益：判定揚聲器的能量輸出容量。測量方法是將裝置的輸出位準除以其輸入位準。
• 總諧波失真加雜訊 (THD+N)：當不想要的音調添加到音訊訊號中時，就會發生諧波失真，進而降低音質。THD+N 能以單一數字呈現效能指標，已廣泛理解和接受。
• 相位：描述波形和參考訊號之間的時間偏移。音訊設計中的兩個主要相位測量值包括裝置輸入／輸出相位，以及通道間相位，可確保系統中多個揚聲器之間達到正確同步。
• 摩擦和嗡嗡聲：可針對回應低頻刺激而產生的高頻諧波產物進行偵測，這有助於識別瑕疵，以免導致不想要的雜訊。
• Thiele-Small 參數：這組測量值可擷取受測揚聲器的複數阻抗，並提供可定義揚聲器低頻效能的機電參數。Thiele-Small 參數 (包括總 Q 值) 對於設計揚聲器外殼和生產測試來說相當重要，因為可說明揚聲器如何與外殼互相作用。
• 阻抗值：測量揚聲器的阻抗相當重要，可瞭解揚聲器對 AC 訊號 (例如來自放大器的音訊) 的流動造成多少阻力。阻抗的測量單位為歐姆，會影響揚聲器從放大器汲取的電力多寡，以及其運作效率。

揚聲器錐盆和磁鐵類型

揚聲器的錐盆材料對音質有很大影響。雖然資料有其實用性，但聆聽和測試仍是關鍵。耐用性因材料而異：塑膠最耐用，其次是紙和布，最後是泡棉。使用壽命也取決於濕度、環境和應用。以下概述常見的錐盆材料：

• 塑膠：經久耐用、防塵防水，具有精確的製造公差，可減少失真並增進音質。成本隨厚度和生產技術而異。
• 紙和布：提供出色的聲音和自阻尼，但會受到濕度影響。由木纖維搭配添加劑製成，因重量輕，因此常用於大型揚聲器。
• 泡綿：泡棉很少單獨使用，通常會結合金屬或紙質等材料使用，以增強內部損耗，進而產生更自然的聲音。

磁鐵類型也是揚聲器結構和效能的關鍵因素之一。以下概述揚聲器最常用的類型：

• 鐵氧體：成本低且耐用，具有良好的耐腐蝕性，但較重，不適合可攜式用途。在接近最大容量時仍可發揮良好效能。
• 鋁鎳鈷合金：提供經典的音色，不易裂開，但價格較高。如今已不太常見，僅用於高階應用。
• 釹 (釹鐵硼)：重量輕、磁場強度高，非常適合小型、高 SPL 揚聲器。可提供良好的頻率響應，但容易破碎。
• 釤鈷：價格昂貴，但在耐腐蝕性和溫度穩定性方面表現優異。強度較低且容易碎裂。

結論

瞭解揚聲器機制有助於工程師打造身臨其境的音訊體驗。本文重點介紹挑選合適揚聲器時會涉及的各種元件和規格。然而，即使對這些參數有深入的瞭解，在最終設計階段進行徹底的測試和測量也相當重要。Same Sky 提供一系列微型和標準型揚聲器以及音訊設計服務，有助於完成此過程。