扬声器的构造和原理（扬声器组件大解析）

撰文/珊迪 修订/莉莉

你可曾听过「单体」(Speaker Driver)这个词？那个只要接上线、就能让音乐变大声的箱子里，到底隐藏着多少秘密? 是什么样的机关，让它可以恣意表现出各式不同的效果？

从厘清音响发声的组件开始，再进入音箱如何影响声波的原理，科学小知识为你敲开音响世界的第一扇门。

扬声器的组成

一般人大多会把音响设备中发出声音的方盒子称为「喇叭」，另一个较专业的用语则会称之为「扬声器」(Loudspeaker)。既然名为扬声器，就代表它在音响设备中所担负的工作是「发出声音」。这个发声的过程，需经由许多小部件共同运作而成，「单体」就是在盒子中发出声音、通常是黑色的、看起来有点像眼睛的圆形体，同时也是整套音响发声的起点。那我们就从单体构成的原理开始，来了解扬声器的点点滴滴。

单体剖面 奥秘藏在组件中

每一个扬声器中必定藏有单体，单体是扬声器作动的最重要组件，而根据单体发声方式的不同，可分为动圈式、电感式、静电式、平面振膜式、铝带式等等。目前市面上所看到的扬声器，95%皆采用 「动圈式」。

动圈式单体的设计最早出现在 1887 年，当时并不普及，直至一战后，电影事业蓬勃发展，无声电影渐衰，有声电影兴起，扬声器的需求大为增加。相较于其他种类的单体，动圈式单体发展时间长， 相关制造及投入厂商众多，至今仍是最普遍的单体形式。

声音是如何被我们听见的呢?

「磁电效应」赋予动圈单体生命

单体运作原理

1819 年，丹麦物理学教授厄斯特(HansØrsted, 1777-1851)意外发现，一条通有电流的导线竟会使附近的磁针产生偏转，意味着载有电流的导线周围会产生感应磁场，且感应磁场的方向会随着电流的流向不同而改变。这个物理史上的重大发现即为「电流的磁效应」，也是动圈式单体运作的基本原理。

动圈式单体的运作力量，来自于单体中间的永久磁铁与音圈。当音圈通上电流方 向不断改变的讯源后，音圈的周围会产生方向不断变动的感应磁场，这个感应磁场与永久磁铁所生成的磁场交互作用，时而互相排斥，时而互相吸引，进而使音圈上 下运动。

有关载流音圈在磁场中的受力方向，可用「佛莱明左手定则」简单地判别。图 B 截取图 A 音圈与磁铁的一小段来作说明，大拇指代表导线运动的方向，食指代表永久磁铁的磁场方向(由N 指向 S)，而中指则代表电流方向。当电流的方向为出纸 面时(如图 B 所示)，线受力向上运动;当电流的方向为入纸面时，导线则会受力 向下运动。

由此可知，随着电流方向不停地改变，音圈会依电流反向的频率上下往复运动， 而与音圈相连的振膜也会跟着上下运动，进而推动空气产生疏密波，进而发出声音。电流方向变化的频率越快，所发出的声音频率也会越高，这就是动圈式单体运 作的方式。

频率定位 各有专业表现

了解动圈式单体作动的原理之后，更进一步来讨论不同种类的单体。

辨别其差异，但在听不见的范围中，人们还是可以透过身体或其它的感官，感受 到声音的存在。例如:当大批动物跑过草原，站在远方地面上的人，会先感受到地 面的震动，才看到跑过眼前的动物、听见跑过时的嘈杂声，因此人类的五感是彼此影响，进而促成脑中所出现的感受，这是一个复杂的生理运作过程，而追寻愉悦的 路上，正需要了解自己对五感的需求。

市面上多以「频率」来区分动圈式单体，常见的种类如以下:

1. 超低音单体：工作范围大约在 15赫兹到 200 赫兹。

30 赫兹以下人耳不容易听见，但身体会感受到。像电影中出现的地震场面，或是火箭发射的震撼感，超低音拥有足够的量感及冲击力，能让听者获得相当大的满足感。

2. 低音单体：工作范围大约在 30 赫兹到 3k 赫兹。

一般而言，低音单体需要较大的体积才能产生较好的表现，作动出厚实的低 音，因此低音单体的直径多在 8 吋以上，又以 12 吋或 15 吋最为普及，常见于 KTV、舞台等宽阔的场所。

3. 中音单体：工作范围大约在 200赫兹到 4k 赫兹之间。

中音域是分布在人耳最敏感并且讯源集中的区域，中音单体的发声表现往往能够做到逼真还原，音色干净有力，且让人感受到强烈的节奏性。

4. 高音单体：工作范围大约在 2k 赫兹到 20k 赫兹之间。

讯源中的乐器，像是小提琴、吉他等等的乐器都包含了泛音，所以高音单体通常都必须设计成20k 赫兹才行。

5. 超高音单体：通常是指超过人耳听觉上限 20k 赫兹的高频，工作范围大约在 4k 到 40k 赫兹。

像是海豚、蝙蝠所发出的声波就是超高音。不过既然人耳听不到，为什么还需 要超高音呢？那是因为超高音虽然听不到，但有助于定位，且让音场更为宽阔。现在的音乐格式例如 SACD，取样频率已经远远超过 20k 赫兹，如果想完整 呈现音乐内容并单就高频作提升，加装单独的超高音喇叭就是简单又立即的方法之一。

另外还有二种单体的组成形式，这二者因为外观都是一个单体组成的扬声器，有不少人会将这二者搞混:

同轴单体：

采取复合式的设计，先经过分音器将音频分成二音路（Coaxial）或三音路（Triaxial），同轴是将高音与中/低音单体，装置在同一个单体中，由于采用同一条轴心线，因此称为「同轴」。采用同轴设计单体的好处是，因二/三音路单体共享相同的轴心，需在振膜面上重合，因物理定位接近同点的声源，所以重新演绎音乐之音场定位表现更为理想。

全音域单体：

所谓全音域（Full-Range）是以一个单体，涵盖大部分的频率表现。因为没有经过分音器，也没有声音的损耗、频率被分割与相位的问题，所以高低频到耳朵的时间一致。其强项在于中频的表现，曲线平顺自然，适合长时间聆听，人声、乐器的定位准确，可以听到音乐演奏的微小细节，因为只有一个振膜发出声音，且高低音音色一致，是全音域单体的一大特色。

单体部件材料形状定大局

在动圈式单体中，每一项组件都会影响该单体的表现，以下将针对不同组件的 材质及形状进行更详细的介绍，希望透过这些原理的说明，让您了解单体发声时的奥秘。

振膜形状决定音域

还记得小时候用两个养乐多空瓶，在瓶底挖洞后绑上一条线，就可以和朋友说悄悄话的游戏？振膜原理即类似如此，其制成材料及制作时的工艺技巧等，都会大大影响单体的发声质量。而振膜的材料与形状，也会影响单体发声时的状况，振膜的材料选择多元，从纸盆、陶瓷、羊毛到聚丙烯、金属、木质等，每种材质皆有其特色及优缺点，可以依照每个人听音乐的习惯及喜好来做选择。

此外，振膜的形状也会影响单体在高低音输出时的表现，或是发声时指向性的强弱。在形状上，可分为锥形、平板、球顶等四种。

悬边用过后才Q弹

单体组成中，振膜与框架间透过悬边固定，振膜在作动时会进行前后运动，为了使振膜在运动时，音圈维持于中心位置，使单体发挥最佳表现，故悬边的弹性就非常重要。足够的柔软度，才能提供振膜运动足够的恢复力。若悬边的表现不佳，就会像没有上油的机器，无法协助单体进行最滑顺的表现。

悬边过硬或过软，也会影响该单体在声音输出时的表现。所以全新的单体刚开始都需要进行一段时间的使用，才能使悬边软化，与这颗单体完成最完美的结合，一般将这样的过程称为「Break in」，就像新车上路时，也需要经过一段时间的磨合。

直接用单体发声不行吗?

音箱之必要性

知道单体是根据「佛莱明左手定则」进行前后运动，挤压空气进而产生声音 的原理后，难免会思考，如果只有单体就可以发出声音，为何市面上的扬声器却总是要将单体藏在音箱中呢?

单体跟音箱彼此之间有密不可分的关系。振膜向前运动时，振膜前方的空 气被挤压形成密波，而振膜后方的空气松散形成疏波。反之，当振膜向后运动时，振膜后面形成密波，前面形成疏波。

如果让单体在赤裸裸的状态下运作，会感觉到发出的声音讯号很空洞，那是 因为在单体连续前后运动之后，前后声波以振膜为分界点进行反作用，并且互相削弱音量。较空洞声音的出现，是因为低音波长较长，造成彼此间容易互相削弱，使讯号仅留下高音的部分，这也让声音讯号变得薄弱。

为了防止这种情况发生，在制作扬声器时，常用 障板来隔离振膜前后的空间，以避免前后声波互相 抵消因而减弱的状况，使讯号能够被更完整呈现，而透过这种方式制作的扬声器，也更容易听到更为完整的声音表现。

但由于低音的波长比高音还要长，为了能够完整地呈现中低音讯号的表现，必须透过无限大障板才能完全阻隔声波，不过这仅是一个理想化的状况，考虑到使用空间，并无法拥有一个无限大的障板。大约在 1920 年代，出现了将声音包覆在音箱中的 构想，也是你我现在常见音箱的起源。

音箱结构秀出声音魔法

音箱介绍

在寻找扬声器时，单看扬声器的外型，音箱内部的结构通常无法一窥 究竟，但扬声器的运作原理正隐含其中，以下就用剖面方式来解开音箱结构的秘密。

虽然，听觉感受无法完全透过视觉来了解其差异，然而扬声器的发声 原理，正是物理现象的实作，来呈现完美的声音。

以不同组件及材质组装完成的单体，要有完美运作的表现，还需要搭 配上一个适合的音箱，才能够为不同层次的声音提供最真实的表现平台，以下让你一览不同音箱设计的原理说明，了解运作及组合的原理之后， 将有助于理解，为何在挑选扬声器时，在听觉感受上会产生那些难以解 释的感受。

障板式（无音箱）

特色：高音清亮，人声表现佳。

原理：障板是最基本的音箱形式，单体要安装在障板的中心附近。透过障板，可以将单体前方与后方的声波隔离，越大的障板越能有效地隔离声波，并且能够听到更多的低音。

延伸阅读：也有人选择将障板往后折，形成一个后开放式无背板的音箱，与障 板相较之下，体积稍微缩小一些，但是低音的量感还是有其限度。

密闭式音箱

特色：忠实呈现单体的低音，而且低音反应迅速。

原理：将单体装在一个适当容积的箱子里，使单体前后方的声波不会互相干扰。听众只会听到单体前方所发出来的声波，而制作音箱的关键就在于「箱体黏合时是否确实气密，不产生漏气」。

延伸阅读：何谓「适当容积」的箱子？这必须根据单体的尺寸、大小与规格等参数进行搭配。由于是密闭式音箱，所以从单体后方所发出的声波，会完全消失在箱体内，无法善加利用。另外在〈聊经典〉单元，会跟各位谈到音响历史上的传奇经典LS3/5A，就是密闭式音箱。

低音反射式音箱

特色：若将与密闭箱一样大小体积的两种音箱进行比较，低音反射式音箱 拥有更多的低频量感，因此成为目前市面上最常见的音箱形式。

原理：低音反射式音箱利用单体后方的声波，经过设计过的共振管，让声 波共振并反转相位，增强单体前方的声波，故又称倒相式音箱。

延伸阅读：共振管的位置及大小，是根据亥姆霍兹共振器(Helmholtz resonator)原理。想象对着一个酒瓶口吹气，瓶口的空气柱产生振动，振动的空气 柱与瓶身内的空气腔相互作用产生了共振，因而发出呜呜的响声。瓶子 里装些水时，声音也会有所不同，这是因为瓶身空气腔的体积发生了变化，影响到瓶口空气柱的共振频率，声音也就跟着不同。

传输线式音箱

特色：藉由内部传输管在音箱内折迭，小音箱也能获得大型落地喇叭的壮 观气势、音场表现及低频延伸。

原理：音箱内部有着长长的「传输管」，单体装置在一端，声波通过传输 管最后到达「开口」。传输管的有效长度越长，越能完整呈现低音的延伸。

延伸阅读：为了拥有够低的低频延伸，传输管要尽可能延长。但这纯属早年的理论 结构，以家用产品的实用大小而言，难以实现。这类音箱内部结构极为复杂，传输线的通道宽窄及内部阻尼(参见 P40 小小声观察)结构等， 需配合转弯处而有所不同。

被动辐射器

特色：被动辐射器(参见 P40 上图)从音箱外部看起来与一般单体无异， 检视音箱内部可看出没有驱动系统。特色是可以推动更多的空气， 拥有更充沛的低音。因为不需要电源，也能够发出声音，所以又称为被动振膜、空纸盆。

原理：被动辐射器的设计方法和性能，与低音反射式音箱非常接近，被动 辐射器是倒相管的一种替代品，它本身也是一个发声器，但不包含驱动系统，主要随着喇叭振动，音箱内部的空气随之压缩或舒张， 进而被驱动发声。

延伸阅读：结构与标准的单体相似，拥有独立的悬挂系统，框架、悬边、弹波一应 俱全。随着微型喇叭的兴起，这种设计被广泛运用，但也被做了很大的简化，仅保留了悬边作为悬挂系统。

带通式音箱

特色：从外部触摸不到喇叭单体，只透过通气孔发出声音。好处是不需分 频电路，发声时只有管口的空气策动外接空气运动，造成声辐射。

原理：在长方形的密闭箱中，正中间装一块隔板，把箱体分成二个音室，其中一个音室装个共振管变成倒相箱，另一个就成了密闭箱，在中间隔板上开孔装设单体，单体的尾端在密闭室内，此箱体唯一的开口就是一个管道，这样的设计常用于低频扬声器。

延伸阅读：「带通」意指这类型箱体本身对声音讯号具有带通滤波器的作用，只允 许一定频率的声波辐射出来。箱体的作用和一般扬声器的分频器作用一样，只不过这里是声学滤波而不是电路滤波。基本上有四阶带通与六阶 带通二种，但是六阶设计极为困难，所以很少见。

小小知识家：扬声器的悬吊系统

「阻尼」源自英语 damping，指任何震动系统在震动时，由于外界作用或系统本身引起的震动幅度逐渐下降的特性，以及此特征的量化表征。

以车子为例，每台车子都会有悬吊系统来避免路面上的坑坑洞洞伤害到乘客，那我们可以用弹簧当作悬吊吗？答案是不行的，如果使用弹簧只会使过坑洞时车子还是继续弹跳。一套好的悬吊系统最重要的功能就是抑制弹跳和震动，扬声器同样也需要一套良好的「悬吊系统」，否则振膜会容易在共振时过度震动。单体的「悬吊系统」最主要的就是悬边与弹波，再来音圈、磁气路以及扩大机的输出阻抗多多少少都能帮助提供阻尼。箱体的阻尼就是里面的吸音材料，要达到秾纤合度的阻尼量并不是件简单的事情，像箱体构造与使用的单体种类都该被考虑进去。如果单体设计不良，会导致阻尼过多或不足。当阻尼不足时，会导致发声时产生多余的波动，就很难再现瞬态讯号。如果阻尼过多时，低频响应将会变差。

音箱材质影响声音原色

除去相对少见的金属、石头、玻璃等材料之外，常见的扬声器音箱材料有塑料、密集板（MDF）、胶合板以及原木等四种，不同的材质各有各的优点与缺点。

塑料

一般塑料射出成形之后，容易产生内缩问题，而且塑料箱体的低频单薄，容易产生共振，进而让声音失真。塑料的优点是外型加工容易，造型可以做得非常有特色，并且在大批量产时可以有效压低成本。

话虽如此，并不代表塑料制就是低档扬声器的代名词，像一些国外知名的品牌，在高档产品中也有使用塑料材质制作音箱，只要能克服塑料音箱共振的问题，例如灌沙处理，利用沙子的阻尼特性，或采用可以消 除共振的特殊设计，仍是可做出音质不错的扬声器。

密集板

MDF 在台湾一般被称为密集板，英文Medium Density Fiberboard 的 缩写，翻成中文就是「中密度纤维板」，取前缀的三个字简称为 MDF。其生产方法就是用木材纤维混合树脂与黏胶经过高温高压而制成的人工 板材。

这种板材的密度落在每立方公分 0.35-0.8 克之间，跟一般木材的密度相近，并且表面平整容易上漆、切削做造型，可直接用木工机具设备进行加工，但由于是以纤维制成，碰到潮湿容易吸水，就会导致板材膨胀变形。为避免受潮，表面一定需要上漆或加上贴皮等工序来防止水份渗入，而这些工序也决定了 MDF 的质量与耐用度。

胶合板

胶合板（Plywood），俗称夹板，是由奇数层的薄木板堆栈后，使用胶水在高温与高压下成形。透过此方式制造出来的木板，能维持天然原木的质感与特性外，还可以克服原木易变形、密度不均匀以及加工困难等问题。东南亚生产的多为柳安夹板，属于软夹板，在台湾一般的建材行都能买到。

白桦木夹板生产于北欧、东欧以及俄罗斯等等地，属于硬夹板，因价格高，在台湾取得不易。白桦木的特性为耐磨、耐压、高强度、高着钉力、以及良好的外观质感。常见的用途为船舶的甲板、房屋的主结构、木制地板的基材。高级音箱常使用桦木夹为基材，声音的质感极佳。

原木

原木制作的音箱有着较佳的抑振效果，音质较纯净、质感更好，能让 喇叭单体也更好的发挥。不过，原木制造的音箱除了材料取得不易之外，还有加工困难、容易变形、龟裂以及质地不均匀等问题，所以采用原木制作的音箱成本都极为高昂，只用于高价位或有特殊定位的扬声器。但是正因为这就是木料最原始的样貌，将木头融入了拥有者的精神与生活方式，越能彰显其价值。

只有好的单体不一定能确保声音的完整性，只有好的箱体也不一定就是好的扬声器，唯有单体与箱体完美的搭配，才能创造出美好的声音。

来自soundbody-audio

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