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【摘 要】 專家密切注意了揚聲器元件，提供了一種內行人對揚聲器元件如何工作以及如何工作得更好的觀點。美國磁液公司對本文作了完善補充，討論了什么是磁液，為什么它們會使用在低音、中音及高音單元中；以及這項技術的新發展。
毫無疑問，讀者早已應在揚聲器廣告中看到過“磁液”、“液冷”或者“磁液懸浮”等術語，并且也從揚聲器生產商著作中讀過受益于磁液的描述。但磁液在音響業中應用了25年，在超過5億只揚聲器中使用后，現在是全面綜合地看一下高保真揚聲器中音響質量與磁液的關系的時候了。
1 背景
磁液由懸浮在液載體中的四氧化三鐵的超微粒子所組成的，首先是為NASA(美國國家航空航天局)研究而生產。磁液公司組建于1968年，由NASA授權研究及開發磁液技術。磁液應用包括軸承及密封，例如計算機硬盤驅動器中，光學掃描儀和循環半導體操作設備。高性能機器人系統在步幅電機中使用磁液以改善穩定時間。最近，新一代的DVD播放器和高速CD－ROM和DVD－ROM驅動器應用磁液以制止激光伺服激勵器的振動從而令尋道及聚焦更穩定，另外也能簡化生產操作。
揚聲器生產商采用磁液是因其具有導熱性。磁液能降低音圈燒毀程度，而且磁液在磁氣隙中形成的靜態磁力(一種均勻集中的輻射力)，可以抑制音圈晃動。因磁液受磁場影響而被吸引至音圈氣隙磁場內，當音圈移到氣隙中央時磁液像一只彈簧一樣發揮作用，好像有一股復原力在維持同心度，由此阻止音圈碰撞和蜂音，這僅是利用了靜態磁力部分的懸浮作用。
減低音圈摩擦揚聲器前夾板的另一因素是較低的音圈工作溫度，這會限制音圈膨脹及影響氣隙清潔度。即使磁液很簡單的潤滑作用也可以降低音圈與前夾板碰撞而引起的摩擦。磁液也可以抑制塵埃或微粒進入氣隙而且也能夠防止音圈和氣隙發生腐蝕現象。所以用于救生和聲音警報的揚聲器幾乎總是采用磁液以通過嚴格的UL認證測試。
許多揚聲器生產廠家在高音和中音單元采用了磁液已經取得了明顯的效果，但仍需要一種更適當的磁液用于低音單元——需要一種低粘度而高磁化強度的磁液以使磁液本身可以留在氣隙中即使是在大沖程時也不用對現有的低音單元設計作很大的改動。大約七年前，低音級磁液被商業化。第一家在超低音中使用磁液的揚聲器公司是專業音響生產商，跟著是汽車音響生產商。過了不久高保真揚聲器公司首先開始關于五年前的低音磁液單元的評價，到了今天已有許多商業用磁液產品可以使用。
2 低音音質
磁液通常改善傳輸響應穩定時間(當信號停止而揚聲器隨即停止的能力)。阻尼材料由于其直接作用在磁路內而馬上生效，而不是作用在錐盆或者支片上，就像用了“事后”的阻尼處理。如果低音單元在高端頻響有一個峰值，磁液會將這種情況控制住，而副作用比用無源分頻網絡解決要少。在錐盆移動時，磁液能減少在音圈里面和周圍產生的一定的機械噪音。
也許最大的差異不僅是你聽到的，還有你聽不到的。當音圈熱起來時，揚聲器音質就會改變——通常在以現場的聲壓級(或更高聲壓級)播放音樂時的一個擴展的時間周期內出現。由于磁液抑制了很多反作用導致的功率壓縮效應，用了磁液的揚聲器聲音特性整個放音時間內變得更穩定了。
3 溫度升高及功率壓縮
功放機上的散熱片是一個家喻戶曉的標志，這是由于大多數的功放機都只可以有少于75％的效率，而大于25％的功率則浪費在發熱上。一臺消耗功率100W的功放機會輸出大約75W的音樂功率和25W的熱量。但當75W音樂功率信號傳送到揚聲器上，則幾乎所有功率都成了熱量在驅動器內消散了，僅有極少部分信號實在地轉換成音樂輸出。就算靈敏度最高的揚聲器僅僅能達到5％的效率，用上阻尼最好的球頂高音和中密度紙質或聚酯錐盆低音單元效率才接近了1～2％。
現在說一下揚聲器接到功放機上在1W／m級別上測試阻抗和頻響。接著開啟功放。在CD機上播放一小時后，揚聲器再測一次就發現阻抗明顯升高了。對于T／S參數，音圈溫度升高導致揚聲器音圈的直流電阻有一個向上的偏移因此Qes值出現了偏移。這樣導致驅動器低端和高端響應均有一個損耗。分頻器網絡的轉折點也因揚聲器阻抗的偏移而明顯地偏移。
圖1和圖2兩組曲線顯示了一個4英寸中音揚聲器在35W時工作的頻響圖。第一組的揚聲器沒有用磁液，有一條曲線是立即測得的，另一條是45分鐘后測得的。整個頻響范圍都有3～8dB的損耗，在高端輸出上有一個強烈的損耗；第二條的4英寸揚聲器采用磁液處理，在同一條件下測試，請留意其輸出僅有1～3dB差異，在高端響應上只有輕微的偏移。磁液可以幫助保持揚聲器線性響應。消除一些通常叫做功率壓縮的不良現象。
圖1 沒有磁流體，35W時的功率壓縮
圖2 帶有磁流體，35W時的功率壓縮
4 頻譜污染
暫且不論頻率響應及其典型應用到判斷揚聲器重放的基本測量方法，復雜的多音色技術也被創造出來。使用頻譜污染測試，揚聲器的“自身噪音”可以被揭示出來，頻譜污染是音調互調失真的測量方法，但典型的互調失真僅有兩個測試音調組成，然而音樂則包括許多音調，所有揚聲器都有少量(或者較多)的蜂音、嘎嘎聲、噪音調節，以及其它異常聲響。
頻譜污染使用各種同時產生的測試音調(有50種或更多)饋給揚聲器。每一種音調大約1Hz帶寬而且有數Hz的分隔這種測試信號接近音樂的復雜性。
Deane Jensen根據這一技術搞了一項多樣化設計且寫了一篇供AES的論文(預印號2725；1988年洛杉磯第88屆會議)論述了這一細節。貝爾實驗室的SYSid聲學分析測試系統提供了頻譜污染測試，而Audio Precision One使用了一項相同的步驟叫做FASTEST。有趣的是，AUDIO PRECISION認為FASTEST是一個對離開生產線后揚聲器的蜂音及自動摩擦進行自動測試而設的QC程序。如果有足夠高的動態范圍(其實就是與SYSid使用的一種叫同步中和的技術差不多)。那么不同的恰當地操作的揚聲器設計可以從虛擬的共振中計算其相對應的自由度。
在這項測試中，揚聲器內在的自身噪音趨向于填補音調之間的空間，即使音調稍微有了下降。例如一個振膜高度不夠，相對無阻尼的金屬球頂高音單元將會經常有噪音。當高音單元被多音調測試信號激勵時，所有共振就會被激勵且對輸出產生影響。可能在一個相當大的中等口徑的金屬球頂高音單元上“聲學塵埃”會降低30或35dB，一個品質十分優良的處理過的纖維軟球頂高音單元也許會產生微不足道的噪音且絕大多數都正好能通過離散的測試音調，此時揚聲器的自身噪音會降低40～50dB或更多。
為什么這會如此重要，而且這與磁液有什么重大關系？實際上頻譜混合剛好是表示揚聲器質量的最重要的唯一測試。如果一個揚聲器的頻譜污染很低的話，那么音樂的氛圍和內在聲音就不會被揚聲器垃圾聲音所掩蔽。粗制濫造的揚聲器會向音調之間塞進廢料。(圖3、圖4就表示了是否帶有磁液時頻譜污染的情況。)
圖3 沒有磁流體時頻譜污染(1"球頂高音揚聲器1W時)
圖4 帶有磁流體時頻譜污染(1"球頂高音揚聲器1W時)
5 共振
磁液不能幫助制止錐形振膜直接斷裂，但當音圈骨架扭曲時，有磁液，共振就戲劇性地降低了。事實上，最初磁液主要就是使用在軸承和計算機磁盤驅動器的精密主軸電機上阻尼扭曲共振的。
骨架是幫助揚聲器音圈線纏繞時成形用的，在聲音重放中這是一個要求較嚴格的元件，因為來自音圈的振動必須穿越骨架才達到錐盆或球頂振膜。任何包括骨架在內的共振在到達振膜前將會污染聲質量，因此這種不需要的能量將會輻射到房間中去。在氣隙中有了磁液，骨架被阻尼，所以其“噪音”也被減弱了。
一個評估磁液的方法就是造一只無錐盆的單元，僅帶有音圈、支片和防塵帽，骨架的噪音在沒有磁液時是明顯聽得見的，然而有磁液的那一只單元就顯著地靜得多了。在大約20年前當先鋒公司首次在球頂高音中使用磁液時，他們曾對同樣現象進行過測試。
在球頂高音單元里振膜與骨架非常緊密地連接著，骨架的失真(且失真將由于磁液作用而降低)是最戲劇性的。但在單元有較大的錐盆面積時，發生在骨架的振動作用比錐盆的直接拍動作用遠遠小得多，所以單元的表現取決于工程師選擇一個優質的錐盆更甚于選擇磁液阻尼。
6 開孔技術
磁液應用在低音單元中還有另外一個方面，就是恰當的腔室開孔，使用開孔以防止磁液濺射的技術，因為產生在音圈后面的壓力(來自磁路結構所包圍的空氣)有了開路，也會戲劇性的衰減單元的調制噪音。衰減單元的調制噪音對保持清晰度和保真度是十分重要的(圖5畫出了各種低音單元開孔的草圖)。
圖5 低音揚聲器的開孔方案示意圖
在單元防塵帽之后的磁芯。在向后沖擊期間，匯集在防塵帽后的空氣將會向外吹，而且在向前的沖擊上，防塵帽將會向內彎折，兩種情況都會產生不愉快的噪音。防塵帽最后甚至會被吹掉(演奏“1812序曲”時給人留下很深的印象)！
在許多低音單元中磁芯開孔既為了減弱防塵帽下面腔室的壓力又為了幫助冷卻音圈。給磁芯開孔不是沒有問題的，既有費用也會減低磁感應強度(例如小直徑磁芯)。這種情況下防止壓力產生可以由透氣防塵帽或者開孔的音圈骨架還有在防塵帽下面的錐盆上開孔來完成。
由磁鐵的內部范圍、磁芯的外圍，以及上下夾板之間空間會組成的一個腔室。在向下沖擊時音圈進入這個容積，腔室內的壓力增加。如果沒有開孔，包圍的空氣被迫以高速從音圈氣隙中通過，如果音圈的行程大的話磁液就會濺射。這時可以將下夾板開孔。或者，如果磁芯已經開孔，交叉開孔可以讓下夾板腔室與開孔磁芯相連。上夾板開孔也可成功被應用來減輕這股壓力。支片和盆架之間的腔室也應開孔以減輕其中的壓力。支片就是可以從低音單元盆架開口處看到的那塊黃褐色編織纖維。盡管支片看上去是一種透氣纖維，但處理過的纖維的空氣阻力還是很大的。
有了恰當的腔室開孔技術，在音圈氣隙中的空氣速率和渦流噪音能大大降低，但是，沒有應用磁液將會令揚聲器單元音圈產生摩擦聲和蜂音的機會增加。沒有開孔技術，通過氣隙(來自無開孔的空氣腔室)的高速空氣流產生氣隙中的空氣軸承效應，并伴隨有太多的尖哨噪音。但當腔室恰當開孔及應用磁液后，氣隙調制噪音可完全消除，這是因為氣隙被密封也因為磁液阻止了骨架的扭曲振動。
7 空氣調制噪音
錐盆揚聲器有許多內部腔室：支片后面，及音圈后面(由磁鐵內部和下夾板組成的空間)。由于驅動單元(音圈)前后移動，錐盆／支片／防塵帽一起壓縮又一起在這些腔室內產生真空。這樣可以導致產生空氣抽吸噪音(空氣調制噪音)，或更有甚者，使驅動單元振膜部件彎曲或產生寄生音。留心粘度對溫度變化曲線和驅動器效率及工作帶寬的作用來選擇磁液的優化粘度是重要的。
當典型的正常工作溫度時，那么高粘度磁液的阻尼效應可以作為一個完整的設計因素來應用。當音圈通常在高溫工作時，你所選擇磁液的粘度要令驅動單元的通帶響應不會被處于正常工作溫度的磁液影響。磁液粘度的減少會抵消高溫工作期間的功率壓縮效應以及頻率響應不會有明顯的改變。
早期設計偶然應用磁液的作用只是較多地利用了磁液非常高的阻尼特性。磁液不但要應用于控制高端共振問題，而且也應用于限制高音單元的低頻位移。在七十年代，一種日本的演播室用監聽揚聲器完全地消除了分頻器網絡(從而令其產品進入美國市場并在音響愛好者市場上出售)其中就應用一種有數千厘泊的高粘度磁液。如今，大多數APG(音響產品級別)的磁液的粘度已是僅有幾百厘泊，或者更少了。
國產Hi－Fi揚聲器專用磁液性能已達美國APG的同類產品水平，且性價比優勢是很有吸引力的，并且有能提供使用指導，實在是中國揚聲器行業的一大福音.
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文章來源：Speaker Builder
