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昨天，為轉(zhuǎn)貼的音響入門文章寫評論的時候，突然萌發(fā)想法，想就此問題寫一篇文章，來澄清一下在多媒體音箱用戶特別是媒體中存在的相關錯誤認識。于是，今天趕緊提筆寫了這篇東西。
倒相音箱，是我們非常熟悉的技術，在多媒體音箱中，除了部分X.1音箱的衛(wèi)星箱和極少幾款2.0音箱采用了密閉箱設計外，大部分都采用了倒相技術。但是，從各方面的反應看，我們發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)用戶，特別是大部分的媒體，對于倒相技術缺乏正確的理解，甚至是做了完全錯誤的理解。
其中，一個歷史悠久的錯誤認識，就是——“倒相音箱就是通過在箱體上開倒相孔，使揚聲器背面輻射的聲波經(jīng)過箱體內(nèi)部反射后向前輻射出來，與揚聲器正面聲波疊加，從而增強了低音效果”。相當多的媒體評測和技術文章都這樣寫，但是我就始終不知道，這些作者是否認真想過：如果倒相箱僅僅是為了將揚聲器背面的輻射聲波“反射”出來，那么為什么還要倒相管的存在？直接在箱體上開一個碩大的孔不是能獲得更高的能量利用效率？其次，眾所周知，倒相箱的低音下潛深度是結(jié)構(gòu)接近的密閉箱的0.7倍，如果倒相孔所出來的僅僅是“揚聲器背面的聲波”的話，那么理應只是在響度上相對密閉箱增強，憑什么下潛深度也會增加？
其實，這個問題早在我兩年多以前的老文《揭開“金嗓子”和“鴨嗓子”的秘密》里就已經(jīng)闡述過了，不知道是這些作者沒有看過或是不能理解？也可能是我當年闡述的并不詳細，那么這一次，我就用大篇幅來詳細解釋一下這個問題。
要說倒相箱的工作原理，必須從亥姆霍茲共振原理說起。當然，這個名詞我當年也寫過，而很多如上述文章的作者也會寫這個名詞，但什么是亥姆霍茲共振原理？一種常見的說法是“利用亥姆霍茲共振原理,在揚聲器振動的時候減小振膜的阻力,增強低音效果”，倒相箱的確能夠減小箱體內(nèi)的氣墊效果，從而降低回放的最低頻率，但這和“亥姆霍茲共振原理”沒有任何關系。
亥姆霍茲（H·von·Haimuhuozi），是德國19世紀偉大的物理學家和生理學家，我們大學所學的力學三大基本守恒定律之首的“能量守恒定律”就是他最大的科學成就。而亥姆霍茲共振原理，則是亥姆霍茲在聲學領域的著名成就之一。
首先，建立一個由理想剛體構(gòu)成的密閉空腔，這個空腔就叫做“亥姆霍茲共振腔”，在空腔的表面開一個面積相對于空腔表面積很小的孔，在孔上插入一根空心剛體管道，組成的結(jié)構(gòu)就稱為“亥姆霍茲共鳴器”。
對于一個亥姆霍茲共鳴器而言，當其內(nèi)部空氣受到外界波動的強制壓縮時（無論強制力施加于空腔內(nèi)的空氣還是管道內(nèi)的空氣，施加的外力是來自聲波還是腔體振動），管道內(nèi)的空氣會發(fā)生振動性的運動，而空腔內(nèi)的空氣對之產(chǎn)生恢復力（換句話說，共振腔內(nèi)的空氣是一個“空氣彈簧”）。在聲波波長遠大于共鳴器幾何尺度的情形下，可以認為共鳴器內(nèi)空氣振動的動能集中于管道內(nèi)空氣的運動，勢能僅與腔體內(nèi)空氣的彈性形變有關。這樣，這個共鳴器是由管道內(nèi)空氣有效質(zhì)量和腔體內(nèi)空氣彈性組成的一維振動系統(tǒng)，因而對施加作用的波動有共振現(xiàn)象，其固有頻率是。
公式中f0是亥姆霍茲共鳴器的最低共振頻率，c是聲速，S是管道的截面積,d是管道的直徑，l是管道的長度,V是空腔的容積。在強度為一定的振動作用下,在這個頻率時，管道內(nèi)空氣的振動速度達到最大。這，就是所謂的“亥姆霍茲共振原理”。
亥姆霍茲共鳴器是一種高效率的聲能轉(zhuǎn)換裝置，它既可以在內(nèi)部設計吸音材料，成為“共振吸音結(jié)構(gòu)”，在管口處具有相當強大的消耗接近f0頻率的外界聲波的吸音能力，或者，也可以通過驅(qū)動其內(nèi)部空氣，將微小的振動轉(zhuǎn)換為強度很高的聲波從管口傳輸出去。
由于這是一種不需要任何獨立能源，完全依靠外界振動激發(fā)的高效率聲能轉(zhuǎn)化裝置，所以亥姆霍茲共鳴器的應用范圍很廣，作為吸聲裝置，其最典型的應用就是音樂廳、電影院吸音墻的微結(jié)構(gòu)，而作為擴聲裝置，其最典型的應用就是各種樂器的共鳴箱。
回到倒相箱的設計上來，由亥姆霍茲共振原理，我們就可以清晰的認識到，在倒相箱上，從倒相管傳出來的，并不是真正的“揚聲器振膜背面的輻射聲波”，而是因為倒相箱體內(nèi)的空氣在揚聲器振膜背面的振動下被強制壓縮，從而產(chǎn)生諧振，這種振動推動著倒相管內(nèi)的空氣發(fā)生高速的亥姆霍茲共振，劇烈而高速的管道空氣振動在管道出口也就是倒相口處用力推動箱體外的空氣，從而產(chǎn)生了強大的聲波。實際上可以認為，此時，倒相口成了一個虛擬的揚聲器振膜。而管道本身的規(guī)格決定了這個“第二揚聲器”的各項參數(shù)（這也就是為什么需要一個倒相管而不是直接開口）。
在倒相箱中，倒相聲真正的發(fā)聲源是倒相管內(nèi)高速振動的空氣，揚聲器此時只是起了一個驅(qū)動器的作用，雖然振動的最初來源是揚聲器，但發(fā)聲的卻不是它。這就如同在普通的揚聲器上，真正主動振動的，其實是揚聲器內(nèi)部的音圈而不是看得見的振膜。但發(fā)聲的卻是振膜而不是音圈。
實際上，真正最有可能從倒相管中直接“反射”出來的并不是低音，而是揚聲器背面發(fā)出的中高音，在倒相箱箱體中填充吸音棉的目的之一就是為了衰減揚聲器的中高音背面輻射（這和密閉箱有所不同，密閉箱填充吸音棉主要是為了虛擬無限大障板），有些箱子，例如惠威的T200A干脆將高音單元直接放到了獨立空間內(nèi)或放到了箱體外頭。
倒相箱的設計是非常有學問的，要經(jīng)過設計者根據(jù)揚聲器的參數(shù)進行精細的計算，一般來說，揚聲器確定了，箱體的容積、倒相管的長度、截面積也就基本確定了。不過在此基礎上也可以做一些微調(diào)，如果加長倒相管的長度或減小倒相管的截面積，就可以降低諧振頻率一些，但此時氣流摩擦聲也會明顯增大，對倒相聲的利用效率也會降低。
現(xiàn)在回過頭來說，為什么倒相箱的最低頻率比密閉箱要低？為什么倒相箱的效率比密閉箱高？為什么倒相箱的瞬態(tài)不如密閉箱？這都和倒相箱的結(jié)構(gòu)和原理直接相關。
密閉箱本身由于箱體內(nèi)部的密閉空氣在受到壓縮時，實際相當于一個“空氣彈簧”，所以它在控制揚聲器振膜的非線性位移，減小揚聲器的失真的同時，也提高了揚聲器的最低諧振頻率。而倒相箱由于是一個開放的亥姆霍茲共振腔，所以不會發(fā)生類似的現(xiàn)象，而且，由于亥姆霍茲共振的存在，它可以將揚聲器在接近揚聲器最低諧振頻率時的振動加以高效轉(zhuǎn)換，使之分解為在該頻率上下兩個頻率范圍上較小強度的諧振，使得音箱能夠在本來揚聲器工作效率很低的頻率乃至低于揚聲器最低諧振頻率的頻率下發(fā)出可聞的聲音（倒相管能輸出的最低頻率要低于揚聲器的最低諧振頻率）。這就使得倒相箱的最低回放頻率能夠明顯低于密閉箱。
而倒相箱的效率要高于密閉箱，這就是非常好理解的。因為倒相箱充分利用了揚聲器背面的振動能量，而不是將其在箱體內(nèi)部消耗掉。加上亥姆霍茲共鳴器的高效率轉(zhuǎn)換作用，這些能量能夠充分轉(zhuǎn)化為對外輻射的聲音。所以其將電能轉(zhuǎn)換為聲能的效率要遠遠高于密閉箱。
但反過來，倒相箱的瞬態(tài)是明顯低于密閉箱的，這是因為倒相口所輻射的聲波，雖然與揚聲器振膜所輻射的聲波同頻同相，但二者存在明顯的時間差。也就是說，無論揚聲器起振還是停振，都會有一個“慢半拍”的聲音跟著攪和，自然瞬態(tài)就會比較差了。
倒相箱的箱體形狀和倒相管的形狀沒有一定的嚴格要求。但是，一個理想的亥姆霍茲共鳴器應該是由一個球形的亥姆霍茲共振腔和一個圓管型的管道組成的。如果采用變形的形狀，就多多少少會出現(xiàn)一些不好的影響。
很多倒相音箱回放的聲音很悶，很亂，造成這種情況的原因就是箱體內(nèi)諧振的空氣在大動態(tài)振動時，由于箱體的特殊形狀導致在箱體內(nèi)部的多次反射中產(chǎn)生了大量的奇次諧波，這些奇次諧波產(chǎn)生了復雜而混亂的共鳴，這就是箱體設計不良的典型結(jié)果。
而倒相管的形狀，雖然在理論上不影響回放的效果。但實際上，非圓形的倒相管，例如方形、條形等等，由于存在尖銳的棱角，會由于氣流的高速運動產(chǎn)生劇烈的摩擦聲。而有些倒相管采用了特殊的雙曲線設計，就是因為雙曲線管道在流過高速氣流時，發(fā)生的摩擦最小，所以比較適合做一些超低頻調(diào)諧的倒相管。
有些產(chǎn)品，如惠威的第二版T200A，采用了雙倒相管的結(jié)構(gòu)。雙倒相管在理論上，等效于一個長度相同而截面積等于兩個倒相管之和的大倒相管。在聲學設計上二者沒有任何區(qū)別。但使用雙倒相管可以避免使用不安全的超大口徑倒相管，另外，有時會將兩個倒相管置于不同的箱體面上，以獲得全面的低音擴散效果。
不過，有些音箱，使用的兩個倒相管長度是不同的，這就不是雙倒相管結(jié)構(gòu)了，而是帶通調(diào)諧結(jié)構(gòu)，這里我們就不談了。
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文章來源：音響網(wǎng)
