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振膜,音響系統的靈魂(一)——隐士音響铍振膜技術詳解

作者:隐士音響杭州有限公司

發燒友一起探讨音響系統,更多是在讨論某某品牌的産品,抑或是什麼型号的産品,勵磁還是永磁,卻極少去探究這套音響系統中用的是什麼振膜。

音響系統既然是用來重播聲音的,自然揚聲器就是重中之重。而揚聲器的素質高不高,其核心就是振膜。說振膜是一套音響系統的靈魂,毫不為過。振膜就如同人的聲帶一樣,一個人聲帶決定了他(她)的先天優勢,這不是後天可以彌補的。擁有好的聲帶,那就是老天爺賞飯吃,長得胖一點,穿得醜一點,什麼種族、什麼民族的都沒有關系,聲音自己會說話。而先天不足的聲帶,無論怎麼努力,也不可能唱成某某歌星,隻能自得其樂而已。

那麼,什麼樣的振膜才是更好的呢?筆者認為,主要是看以下幾個因素:

首先,振膜材料的密度要低。同樣尺寸的振膜,密度越低的材料,振膜總體品質顯然就越小。在揚聲器總磁通量恒定的情況下,驅動更輕的振膜自然比驅動更重振膜的控制力更強,瞬态響應也就越好,自然解析力也就越高。

振膜,音響系統的靈魂(一)——隐士音響铍振膜技術詳解

分割振動在用軟體進行有限元模拟分析時的呈現,可以直覺地看到波浪形的振動模式

其次,振膜的剛度和強度要高。力是互相的,振膜做功推動空氣時,就會反向受到壓力,聲壓級越高、動态越大,反向的壓力也就會越大。如果振膜的剛度即彈性模量不夠,或者強度即抗拉強度不夠時,聲壓稍大就會失真很大,而聲壓很大時振膜就可能會起鼓包,也有可能會開裂。振膜更高的剛度和強度,可以使振膜前後振動時更為同步,而非波浪式的擴散,專業術語叫分割振動。分割振動時,振膜各處位置的運動不再統一,處于失控狀态,會發出大量的雜音,在尺寸大的低音盆上現象尤為明顯,這是為什麼目前一般的低頻喇叭失真特别大、聲音又悶又糊的關鍵因素。這種失真現象稱之為“分割失真”,低頻揚聲器上普遍存在,尤其是一些專業音響系統的低音單元,為了追求高音壓而降低了對失真的要求。

第三,振膜材料的内部聲速要高。音圈是固定在振膜上的,往往中音、低音、超低音的揚聲器中,音圈固定于振膜的中間,而高音、超高音單元則固定于振膜的外緣。音圈振動時,從音圈與振膜的接觸處往振膜的其他部分傳導,這中間存在路徑差。振膜材料的内部聲速越高,聲音在振膜傳導的速度就越快,從振膜不同位置出發的聲波互相之間的時間差就越小。高音單元由于頻率高、聲波短,這點就尤其重要。舉例來說,10000赫茲的振動周期為萬分之一秒,如果聲音從音圈跑到振膜中心花了兩萬分之一秒,那麼從振膜中心傳出的聲音就會和振膜邊緣傳出的聲音剛好相位相反,導緻互相抵消衰減。

第四,振膜材料的散熱性能要好。重播的動态越大,通過音圈的電流也就越大,這時候的音圈就成了一個大電阻,瞬間發燙,溫度甚至可以高達200多攝氏度。音圈除了自身的散熱外,很多熱量需要傳導到振膜進行散熱。如果振膜散熱不好導緻過熱,就會引發振膜形變、強度下降、音圈脫膠、音圈燒毀等等嚴重問題。為什麼絕大部分高保真音箱不可以K歌或者放大音壓電音,絕大部分原因就是因為這個。

再者,振膜材料的泊松比要低。泊松比指的是對一個物體施加單向拉力或壓力時,縱向變形與橫向變形的比值。在揚聲器的振膜上,指音圈做功對振膜的推拉時,聲波在振膜傳遞過程中變形程度。泊松比越高的振膜橫向變形越大,諧波失真也就越多。

最後,振膜材料的振動阻尼要高。振動阻尼指的是材料耗散振動能量的能力,分為材料阻尼、結構阻尼和流體阻尼。舉例來說,鑼鼓就是一種振動阻尼特别小的樂器,當我們敲擊它一次後,它還會振動相當長的時間才停止,而這是音響單元的振膜要極力避免的。因為音響系統是用來重播,而不是進行再創作或者參與創作,雖然振膜也是依靠振動進行發聲,但我們需要的是與信号一緻的振動,振膜自身特性導緻的振動是越少越好,重播還原度就越高。如果每個信号脈沖都會導緻後續不斷的餘音,那麼聲音就會不幹淨,這就是我們通常所言的音染,也是某些發燒友津津樂道的“某某聲”。

振膜,音響系統的靈魂(一)——隐士音響铍振膜技術詳解

鑼鼓的阻尼特别小,敲擊後會振動相當長的時間才停止。

以上這些特性是互相制約的,不能一味追求單一名額的極限,不然就會“按下葫蘆浮起瓢”。振膜太輕就會太薄,強度就可能不夠;振膜強度很高的時候,重量又可能超标,凡此等等不一而足。要同時滿足六個名額都優秀,極其極其困難,付出的代價也極高。目前市售音響系統的絕大多數振膜材料,都是功能性和經濟性妥協的産物,隻追求滿足部分的要求。比如絕大多數錐盆揚聲器的振膜用紙盆,具有密度低、内阻高的優勢,但是存在強度低、内部聲速低、散熱差、泊松比高的劣勢;使用鋁材料的振膜,具有強度高、内部聲速高、散熱好、泊松比低的優勢,但是存在密度較高導緻重量大、内阻低的劣勢;使用碳纖維複合材料的振膜,具有強度高、内阻低、泊松比低的優勢,但是存在内部聲速低、散熱差的劣勢。

振膜,音響系統的靈魂(一)——隐士音響铍振膜技術詳解

不同頻率下鋁、钛和铍振膜聲音傳遞過程中的變形程度。

那有沒有哪種材料在各方面都很優秀呢?

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,是鋁的三分之二,钛的五分之二;彈性模量309000MPa,是鋁的4倍,钛的2.5倍,鋼的1.5倍;抗拉強度240MPa,略次于钛的265MPa,遠勝鋁的90MPa;内部聲速12.9km/s,是鋁和钛的2.5倍;比熱容(是機關品質物質的熱容量,即機關品質物體改變機關溫度時吸收或放出的熱量。比熱容越高,散熱性能就越好)為所有金屬之冠,達到1.88kJ/(kg·℃),而鋁為0.88kJ/(kg·℃),钛為0.52kJ/(kg·℃);泊松比0.032,是钛和鋁的十分之一;至于材料阻尼,由于與激勵頻率顯著相關,是以沒有固定的數值,但如果采用铍、鋁和钛制作相同形狀和大小的物件,铍從振動到靜止要顯著地快于鋁和钛。

振膜,音響系統的靈魂(一)——隐士音響铍振膜技術詳解

還記得背誦門捷列夫元素周期表時的“氫氦锂铍硼”嗎?

因為具有這麼多優異的性能,铍金屬被稱為元素之王,除了音響振膜以外,還廣泛用于原子能反應堆材料、宇航工程材料、X射線透射窗等。但是,铍是很稀有的元素,在地殼中的豐度僅為百萬分之2.8,且以非常低的濃度存在于30多種礦石中,提煉非常複雜,故而産能很低。2020年全球的铍産量僅240噸,相比之下,黃金都有3478噸,可見其珍貴異常。目前全球最大同時也是純度最高的铍産地位于美國猶他州,該礦歸屬美國Materion公司(原名Brush Wellman)所有。這家公司的主業是為美國的航空航天、核工業提供铍制品,是典型的尖端科技公司,而制造铍膜隻不過是其順手開發的一項副産品。

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洲際彈道飛彈慣導系統的核心部件,由一整塊铍金屬制成。

不過首先問世的铍膜并不由Materion生産,而是日本雅馬哈推出的蒸鍍法铍膜,TAD、Focal後來居上,TAD的铍振膜驅動頭、Focal的铍高音都是音響界的标杆性産品。

但是從理論上來說,蒸鍍法制造的铍膜從微觀上看是粉末狀的铍,并不能完全發揮出铍金屬原有特性的潛力。而铍金屬還有一種特性,就是對人體的劇毒,萬一這種蒸鍍法的铍膜破裂,難免會有铍粉末擴散到空氣中,人一旦吸入,具有一定的緻癌危險性。理論上,采用壓延法,也就是整張铍金屬片材通過鍛打再熱壓成型,才是最理想的,而且片材也不會産生粉末影響安全。但是這極為不易,因為铍雖然強度很高,但延展性卻很差,屬于脆性金屬,必須在加熱到接近熔點的溫度左右才能柔韌到可以進行熱壓,而這一溫度的把控必須極為精确且各處均勻一緻,否則就會因為溫度過高而熔斷或者因為内應力而變形,又由于铍的劇毒性質,在接近熔點時有一定的揮發性,整個過程必須在無人的條件下自動完成。

振膜,音響系統的靈魂(一)——隐士音響铍振膜技術詳解

法國勁浪的标志性産品,烏托邦系列的一寸铍高音振膜。

這些過高的技術門檻使普通的振膜制造企業望而卻步,但對于日常給NASA供應铍制品的Materion來說卻是有技術上的優勢。巧的是,Materion的老闆也是一名發燒友,有什麼能阻擋發燒友一顆追求極緻的心呢?于是在2006年,Materion成立了名為Truextent的子公司,Truextent來自英文單詞true“真正的”與extent“延展”的結合,其含義昭然若揭,就是要打造真正的壓延法铍膜。其後,Truextent聘請了曾在阿波羅計劃中工作,現在是音響勵磁單元專家的Sam Saye先生來領銜開發這種铍膜,而Sam Saye,正是ESD隐士音響中的“S”——也正是以,後來Sam将全球第一張壓延法铍膜作為紀念,送給了合作夥伴同時也是隐士音響總設計師的戴中天。

從2006年到2009年的三年裡,Truextent團隊耗資數百萬美元,終于做出了壓延法的铍膜。從技術的角度,這款铍膜的開發是極為成功的,而從商業的角度來看,這款铍膜的開發并不算成功甚至可以說是失敗的,因為始終隻能在實驗室環境的苛刻要求下,才能小批量的生産,從未進行過量産。是以,也使得Truextent壓延法铍膜的價格始終居高不下。因為其高昂的價格,一直到2016年,幾乎沒有揚聲器廠家采購他們的振膜産品,Materion曾一度考慮出售铍膜生産的業務。好在ESD隐士音響成立以後出于戰略儲備的考量,一口氣包了Truextent铍膜實驗室産線幾年的全部铍膜産能,才使這條産線幸運地生存至今。

振膜,音響系統的靈魂(一)——隐士音響铍振膜技術詳解

隐士音響使用的四寸Truextent壓延法铍中音振膜。

振膜,音響系統的靈魂(一)——隐士音響铍振膜技術詳解
振膜,音響系統的靈魂(一)——隐士音響铍振膜技術詳解

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