全音域喇叭實驗室#6：尋找最理想的喇叭箱體 - 何謂繞射？

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在上一集，我提到了全音域單體在重播中高頻以上音域時，聲波會受到錐盆振膜的限制而使擴散性受限。這次我們則要探討喇叭箱體對聲波擴散的影響。許多人可能認為喇叭箱體對重播的主要影響，在於箱內容積與密閉式或反射式等箱體結構，但其實箱體的造型也會對重播造成關鍵性的影響。箱體對於聲波的繞射現象，就是影響最顯著的因素。

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到底什麼是繞射現象呢？讓我們先從喇叭的原始型態開始看起。理論上最理想的喇叭，應該是將單體裝在一塊無限大的障板上，這塊障板的長度與寬度不能小於20Hz的波長，也就是17公尺。

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在這種狀態下，單體向前發射的聲波將會完全與背波隔離，兩者不會互相抵消。一般單體廠在測量單體的頻率響應時，就是在這種狀態下測試的。問題是，有誰的家裡可以放得下這種五層樓高的障板喇叭呢？既然無限障板不可行，於是喇叭設計演進成將單體裝在密閉式的箱子裡，將單體背波封在箱子裡，避免干擾單體向前發射的聲波。


6 D* Q1 \4 j- X- i' U1 f+ m# q" l現在問題來了，箱體障板縮小之後，聲波的波長小於障板時，還可視為無限障板狀態，但是波長一旦大於障板，原本因為障板阻擋而向前投射的聲波，在遭遇箱體邊角時，壓力頓時產生變化，就會在轉角處產生另一個新的發聲點，這就是所謂的Diffraction繞射現象。
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6 v/ q6 I6 q0 t7 A  I5 w# E5 o7 mDiffraction繞射其實並不只限於聲波，而是任何傳遞能量的波、如光波、水波、電磁波等，在遭遇不同形式的障礙時，都會產生的現象。


（資料來源：http://www.linkwitzlab.com/diffraction.htm）
( Y% {  ]5 y  N" |3 j當聲波遭遇箱體邊角時，會產生兩種狀況，一是當障板寬度等於二分之一波長時，邊絞繞射會與主聲波反相，此時繞射波會與主聲波相抵消，在頻率響應曲線上會形成一個波谷，只要聲波是障板的1 1/2、2 1/2……，都會產生反相抵消的波谷。
& R; e+ H: r7 h( ~5 W8 y另一種狀況是當波長是障板寬度的倍數時，例如一倍、兩倍、三倍時，繞射波會與主聲波同相，此時這些特定的頻率就會因此增強，量感最多可以提升3dB，而在頻率響應曲線上形成波峰。這種因為邊角繞射而產生的頻率震盪狀況，就是所謂的Baffle Step「障板階梯」現象。

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. E4 ~' o& n+ `, O" s  V% ^( M並不是所有頻段都會產生Baffle Step，當低頻波長遠大於障板寬度時，聲波會無視於障板的阻礙，直接擴散到喇叭後方，形成360度全指向性的點音源發聲狀態，不過聲波能量也因此而會降低6dB。當一般動圈單體的重播頻域高於中高頻時，此時指向性會較為明顯，聲波不太會擴散到喇叭兩側，邊角繞射的狀況也會大幅降低。


5 D; \: A3 K$ n以Diatone P-610的原廠建議箱體為例。一般而言，當波長為障板寬度的十倍以上，聲波將會無視於障板的存在，以360度全指向性擴散。原廠建議的障板寬度為325mm（毫米），十倍的波長3,250mm換算頻率為105Hz，也就是說，105Hz以下的頻率響應不會因為邊角繞射產生起伏震盪，但是會因為聲波向後擴散而損失6dB能量。
+ d0 _* n6 l" n2 h  \) P中高頻部分，根據上一集的計算，當頻率高於2.1kHz時，聲波會受到P-610的16公分錐盆限制，而使擴散性受限，所以大約2kHz以上的頻率受到邊角繞射的影響也會降低。由上可知，P-610原廠喇叭箱因為Baffle Step而產生頻率震盪的頻段，大約在2kHz到105Hz之間，對照Diatone原廠公佈的P-610裝箱頻率響應資料，的確可以看出這個走向。
1 P. H) a* d+ E9 u箱體邊角繞射問題該如何解決呢？一般現代多路分音喇叭的作法，是盡量縮減障板的寬度，將Baffle Step推向較高的頻域，再利用分音線路補償中低頻向後擴散所損失的-6dB能量。

但是全音域喇叭呢？因為全音域喇叭沒有辦法依靠多路分音線路補償Baffle Step，所以只能依靠箱體設計修正這個問題。許多全音域喇叭都是寬障板設計，就是為了藉此讓中低頻的延伸更多一些，搭配低音反射或是背載號角式箱體，也可補足中低頻的量感。

最後我要再次強調，千萬不要小看全音域喇叭了，它的架構雖然看似簡單，但是單體與箱體的設計難度卻更高、挑戰也更大。如果你以為全音域喇叭只是把一只單體裝到喇叭箱體而已，那就大錯特錯了。
; E* R) ^2 @6 T/ u: {至於Baffle Step所產生的頻率震盪，到底該如何藉由箱體設計化解呢？請讓我賣個關子，留待下集全音域喇叭實驗室解答。

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