高音重播面面觀
邱立祥
<圖1>不同的高音單體設計，可以達到不同的效果，但是振膜與空氣分子之間的關係不會變
<圖2>早期的金屬振膜由於處理較差，可能會產生比平均頻率響應高出15─20dB的盆分裂共振現象。所幸，現今的金屬振膜高音已透過材料、形狀，和阻尼物的最適化而將這個效應壓低至最小，或使其頻率提高至人耳無法查覺的更高頻率。
<圖3>鋁帶振膜發聲單元的應用，以Apogee最具代表性。極輕的振動質量和平均直接的驅動方式，是這種發聲單元二大優勢，不過低磁束密度造成的低效率卻是一大缺點。
<圖4>一般談到平面振膜與動圈單體相互契合的可能性，大家總認為問題出在速度感上頭。其實不是，關鍵是在於「點音源」和「線音源」的擴散模式不同所致。
<圖5>Genesis將特殊的螺旋狀音圈貼附在振膜上，再懸掛於特別安排的磁迴路中。與真正絲帶單元的差異在於，它不是用振膜本身來驅動自己，而是用變體音圈。
<圖6 7>Elac香菇頭4π超高音，可以視為長條形的絲帶發聲單元的聰明改裝版，整體設計極盡巧妙之能事，缺點則是實在太貴了。
你聽過最飄逸細緻的高音是什麼？銅鈸？三角鐵？小提琴泛音？豎琴撥弦的尾韻？是現場的真實聲響還是錄音重播？用什麼喇叭？或者再細問，什麼單體？
在你印象中，高音傑出的喇叭用的是哪些單體？它們是否有些共同點？或有不同的個性和特徵？
請和我一起做個小實驗：取出二個新台幣一元的硬幣，其中一個用指尖頂起來使其平衡，再用另一個硬幣來敲擊。敲擊時小心勿使指尖上的硬幣掉落，此時你應該會聽到一陣富含高頻諧波的金屬鈴震。或者，二個硬幣都用指尖頂起來，再使其邊緣互相碰撞。這樣，你會聽到更加豐富的聲響。
藉由這個實驗，我們就可以解釋喇叭單體的組成及操作時的互動關係，尤其是高音單體。
首先，硬幣本身可比之為單體振膜，而敲擊的工具和動作可比之為單體的動力來源，一般是磁路系統及音圈。最後，手指和硬幣間的接觸便可比之為單體振膜的懸掛，一般為振膜外圍的環形懸邊。
「一指蔣」高音單體於焉誕生。一連串的問題也隨之而來。
振膜和空氣分子間的互動
以最常見的凸盆振膜高音單體來說，我們聽到的聲音是由單體的磁路系統和音圈驅動了振膜，振膜再驅動空氣分子，造成疏密波而傳播出來。
我們來看看振膜和空氣分子間的互動：以物理學的角度來看，同密度或同質量的物體間才能夠最有效率的傳遞機械能。反過來說，承接能量的一方對傳播能量的一方產生的反作用力，也會以最有效率的狀態回傳。簡單的說，也就是阻尼效果很好。
回頭看看空氣和振膜（嚴格說應包含音圈組）。由於現階段的材料科技尚未能夠做出和空氣一樣輕又具有足夠剛性的物質（註1），一般用於單體振膜的材質密度皆遠高於空氣，因此振膜要將能量傳遞至空氣的效率實在很低，而空氣對振膜的阻尼也很弱。
目前效率最高的直接發聲單體 ─ 100dB/W左右，其功率效率約在5.2％─5.3％，只有約二十分之一的功率變成聲波，其他的都耗費在音圈發熱，若是效率較低的單體（88dB/W），功率效率約只有0.5％。
95.5％都拿去發熱，這音圈乾脆改名為電熱絲算了！
不過話說回來，還有一大半是磁路系統和聲學耦合方式的問題，也不全是振膜的錯。如壓縮驅動器配合適當的號角負載就可達30％的功率效率，約相當於112─114dB/W！
一個極端差勁的例子便是「一指蔣」高音，由於硬幣的高質量，所以要驅動它有效的發聲所需的功率很大，我們就算死命的敲，它還是一樣響得很小聲。另外，它的剛性很強，內部損失極低，敲擊的能量不斷在其本身流竄不休，所以我們會聽見持續一段時間的鈴震聲。而相對於空氣，其質量密度也都不成比例的高，運動慣性很大，稀疏的空氣分子要阻止質量密度如此強勢的金屬硬幣簡直是蟻臂撐屋。要不是你肉肉的指尖貼住了硬幣的部分面積，作為機械性阻尼，它會響得更久，如同鄰家女孩窗前的風鈴一樣。
兩難（+s）
好吧，你的高音單體振膜當然不會像我的一指蔣高音這樣，要它響又不太會響，一響又停不下來，因為他們有辦法將振膜做得又輕又薄。如此一來，發聲效率就可提高，音圈的驅動和空氣的阻尼都大大改善。但是這麼一來又面臨另一方面的問題 ─ 不易維持足夠的剛性，高速運動下振膜本身便會產生難以控制的變形，失真於是加大。
那麼我們盡量把剛性做好，厚一點沒關係，再將振膜面積加大，推動的空氣增加，效率也可提高。但不幸的是，礙於磁路系統可能不夠力，無法將大面積振膜的較高質量推動到高頻發聲所需的高速往返，產生質量滾降。連同較多的空氣分子施加在振膜上較大的總壓力，對於不夠力的磁路系統更加不利。再看看高頻擴散性和完美活塞運動所需的高剛性，和大面積振膜更是漸行漸遠，最後看起來實在是此路不通（註2）。
那麼我們犧牲些效率，讓振膜小些，換取較佳的擴散性，再使其強硬，在高速下仍能保持完美的活塞運動，失真降至最低。
不幸的是高剛性物質往往內部損失極低，就像「一指蔣」一樣，動起來可能就停不了，這對音樂的重播可是一點好處也沒有，除非你只聽自己錄的三角鐵獨奏大全集。
這個問題在早期的金屬振膜上較為嚴重，1吋直徑的鋁膜或鈦膜在較差的處理下，可能產生比平均頻率響應高出15─20dB的盆分裂共振（註3）！
所幸，現今的金屬振膜高音已透過材料、形狀，和阻尼物的最適化而將這個效應壓低至最小，或使其頻率提高至人耳無法查覺的更高頻率。
或者，有些廠家反其道而行，採用軟質振膜，非常巧妙地利用其緩和過渡的盆分裂特性來創造出極佳的高端延伸和擴散性，唯缺點是效率稍低。一些北歐單體廠便愛用這招，下次有機會我們可以再回來聊聊這個主題。
無論如何，綜合以上所言，現在市面上90％的喇叭所用的高音都是以1吋左右的圓頂形（或其近似）的振膜來發聲，這是在眾多條件最適化後的結果，或者也可以說是被眾多兩難夾殺之下的殘餘妥協。
另闢蹊徑
從以上的討論可以得知，若不妥協，我們就需要質量輕的大面積振膜，加上很強的磁路系統。
但這樣的要求在一般動圈單體上不易達成，最主要是因為發聲振膜是由音圈來驅動，施力不均勻，若再遇上大面積的振膜，更加不易平均的驅動。
那麼不要用音圈算了，就用振膜自己來驅動自己。
絲帶（鋁帶）及靜電發聲單元於焉產生。我們先談鋁帶，往後有機會再談靜電。
鋁帶單元總標榜其極輕的振動質量，和平均直接的驅動方式。的確，這是它先天的二大優勢。但缺點便是低磁束密度造成的低效率，因為在先天的結構中，這種發聲單元的磁極間必須離開得較遠，以便讓出空間給振膜運動和發聲。若運用在中低音，這個限制會更形嚴重，這也就是為何全音域皆採用此方式發聲的品牌屈指可數。
但把它用在高音倒是非常適合。因為除了磁力較弱，其他的兩難似乎都已排除。而事實上磁力不足的問題也可用錢來解決，如多用一些昂貴的Neodymium磁鐵，再配合適當的振膜面積，有些效率甚至可達100dB左右。歐美及日本都有少量的這種產品，可惜台灣的代理商沒有引進，有可能是價格因素。
好了，我們已經有了寬頻、低失真、高效率的高音發聲單元，一切是如此的完美。身段曼妙的高音公主和英勇強壯的低音王子從此過著幸福快樂的生活，直到……
直到我們發現了真相。
鋁帶單元的優勢和問題
一般較常見的鋁帶高音都是垂直的長條狀，懸掛在左右水平的磁場中。如此安排主要是因為可以同時獲得較大的驅動面積和總磁通量，再來還可以利用這樣的形狀達到近於線音源的擴散模式，狹窄的垂直擴散能使音壓的衰減趨近於與距離成反比，相較於一般單體的點音源擴散（與距離的平方成反比），能夠以較輕鬆的方式傳送到遠方。假設我們在一個點音源外三公尺處聆聽，音壓會因球面擴散而衰減至音源處的九分之一；換作線音源，同樣距離，只會衰減至三分之一。所以先天效率較低的劣勢在此扳回一城。
再者，它據稱更能再生真實的音場和音像。Stereophiles 的Dick Olsher 在一篇Magnepan MG-20的評論中，除了對這二片漂亮的大門板讚譽有加之外，還特別寫了一整頁的「邊欄」來闡述平面喇叭的優越。
可惜我沒機會好好的聽一對校調良好的MG-20，但有幸聽了他們家最小的一對，印象是非常的輕鬆舒適，沒有壓力，令人沉醉的聲響。但那天用的是Threshold純A類100瓦後級！
線音源再加上雙向發聲的魅力實在是不容忽視，但一來使用上佔地寬廣、視覺壓迫，再來便是剛剛提到的，難驅動啊！
關卡在於平面低音，無法達到高效率和高音壓。
Hybrid
這樣的話，我們就只用鋁帶高音就好了。中低音還是用一般動圈單體，各取其長，好像不錯！
不錯？
身段曼妙的高音公主和英勇強壯的低音王子，終於還是因為個性不合而無法琴瑟合鳴。他們各自優秀，但沒有交集。
什麼意思？
你又覺得是速度的問題嗎？我要告訴你，不是。好的動圈單體在脈衝響應和回復時間的表現上不見得較鋁帶差（同頻率的測試條件）。關鍵在於剛剛提到的點音源和線音源擴散模式不同。
第一、在音壓的整合上，難以取得平衡。你要取幾米的聆聽距離？背波算不算？空間反射算不算？怎樣的空間？無響室？你的客廳？還是我的臥室？
第二、在分頻點附近重疊的頻段會產生極座標響應的不規則複雜波瓣，嚴重影響離軸響應，有效聆聽區會縮得很小。
再妥協
為了和一般的動圈單體好好相處，就必須放棄、或降低鋁帶單元的線音源特性，才能在極座標響應上避免難以收拾的混亂。這樣，鋁帶的長度就必須縮短，使其擴散模式較接近點音源。
但縮短後阻抗便太低了，要加上阻抗匹配的變壓器才能與一般的擴大機一起工作。但即便如此，還是能保有絲帶的魅力。如早年Infinity的Kappa系列喇叭上裝置的EMIT K絲帶高音，或更早的傳奇性Decca絲帶超高音，它們都非常的甜美飄逸，和其他頻段的銜接也沒有問題。較之一般喇叭，只覺質感更加細緻高貴。
缺憾是小面積驅動，效率不高，頻寬往低端的延伸有限。尤其是Decca，加了號角負載還是不太會響。可惜！
除了少數採用昂貴磁鐵的超高音外，較短的絲帶高音還是會有效率不夠的問題。
變體
繼EMIT K絲帶高音之後，Infinity又推出了1吋直徑的圓形平面高音，後來的Genesis也延續了這個設計。這勉強可說是絲帶的一種變體，將特殊的螺旋狀音圈貼附在振膜上，再懸掛於特別安排的磁迴路中。
嚴格講起來這應不能歸類於絲帶單元，因為它不是用振膜本身來驅動自己，而是用變體音圈。優點是驅動力較一般圓頂形單體要均勻得多，分佈於整個振膜，而非只有外圍一圈。而且，成本較純絲帶單元低。
雖然頻率上限可突破30KHz，但比起純絲帶動輒40K以上的頻寬和較大的驅動面積，這種單體在聽感上仍不敵純絲帶的輕鬆和飄逸。
異軍突起
有什麼其他的方式能維持長條狀的振膜，保有大驅動面積，又能達到近似點音源發聲的方式？
多年以前，德國的海爾老兄一記神來之筆，將鋁帶摺疊起來，發聲的正面面積大幅縮小。更厲害的是，效率較原直線式的絲帶單元大幅度提高，一般可達94─95dB/W，頻寬表現也相當不錯，多款可下達1KHz左右，往上則輕易突破22─24KHz以上（以『當年』的材料技術，已屬佳作）。另外，還可以進一步加大面積作成中音。
海爾高音的發聲原理是摺疊後的水平面（或垂直面，二者都有可能），與聲波傳播的方向成垂直，相鄰二邊互相靠近壓縮或相互遠離舒張時，便擠壓或吸引空氣而發聲（請看圖解）。這和其他任何單體都大異其趣，因為振膜的運動方向和空氣分子的運動方向竟互相垂直。
它最大的優勢是振膜只需小幅運動，就能將空氣大幅的擠壓出來，或反向的吸入，從而產生聲波（註4），如此便造就出高效率和低失真。不知是當時的廠商沒有好好經營還是產品外形不討好，一陣子便消聲匿跡，只在一小撮國外的DIY狂熱分子間繼續存活。這些人真的在家裡從薄膜電容中抽出鋁膜，自己買了一堆磁鐵和極片，建造自己的單體！真是精神可佩。（我本想起而效法，但只到紙上作業的階段便無以為繼，心想這種事還是交給專業的人去辦比較妥當）
後來，又有廠家看上這種設計的優點，再次投入生產和銷售，這次仗著材料科技的進步和高科技磁路系統，試圖再次吹起旋風，就連外觀處理也較當年好看精緻得多。
這種設計可以有多種變體，主要在其磁路系統的安排。要讓摺疊振膜如此運動，用多種不同方向的磁場都可達成。以高中物理的左手定律來驗證，你也可以找出至少二種方式。其中有一些方式可能會使得磁極剛好擋在振膜的前方，因而擋住聲音，這時就需要小體積、強磁力的磁鐵（如Neodymium），或用其他特殊的極片形狀來達成。
無論如何，摺疊振膜的基本型態和發聲原理應該還是差不多，是否有運用微妙的安排來達到特定的擴散性需求或其他訴求，如特殊材質或特殊處理的振膜，這些便是各家廠商不願公開的密技了。
這些後起新秀大至上保有原設計理念的低失真、反應快的優點，而頻寬卻因面積的縮小而減損，或者說是頻帶往高端移動了。運作效率則取決於各家磁路系統的強度、效率（註5）和振膜材質的運用。
另類創意
再來還有一個神來之筆，便是大家已頗為熟悉的Elac香菇頭 ─ 4π超高音。
4π的發聲原理其實和其他垂直長條形的絲帶高音是一樣的，巧妙的是它將這個長條彎曲成一個圈圈，再轉90度成水平，這便形成了360度發聲的環形振膜。你看一下它的正後方，有一塊小小的區域不是鋁振膜的銀灰色而是黑色，這便是相當於長條形的絲帶的起終點，連接訊號輸入的地方。
當然，如此運作，振膜動起來的狀態會相當於這個圈圈直徑大小的改變，為了因應這樣的動作，因此振膜會有小幅度的波浪狀加工，以承受變形。另外，振膜的背波，此時被關在圈圈內部，所以適當的吸音和阻尼也是必然的處理。上面圓圓的香菇頭裡面便是磁鐵及相關結構，透過圈圈內部的圓筒形極片將磁力繞到振膜下方，而在振膜的垂直方向形成磁場，整體設計極盡巧妙。
而它的360度發聲更是魅力四射，凡人無法擋。除了輕鬆自然，細膩飄逸，極其開闊的空間感實在是其他喇叭難以企及的。
可是，和一般的中低音單體相配合時，雖然在聽感上不會有什麼不妥，但你會在沉醉於這個完美高音之餘，想要中低音也有這樣的特性，而不是只有高音這樣。
還有，實在太貴了。
終極高音
什麼，還有更高段的？
一開始的時候，我便暗示性的提到，驅動空氣最好還是用空氣……
電漿（離子）高音。
把氣體分子施以強大的射頻功率，使其電離，便形成離子化的氣體分子（或直接稱為氣體離子），也就是電漿。帶電的氣體離子會受磁場影響而運動，若我們以音樂訊號調變這個磁場，氣體離子便相應起舞，鄰近的空氣分子就一起被驅動而發聲。
頻寬？蝙蝠聽感的等級。
失真？比測試儀器還低，無法測得。
頻率響應誤差？比標準測試麥克風還低，一樣無法測得。
這實在太酷了！酷到我們不配擁有。
首先，雖然用空氣來驅動空氣是最好的方式沒錯，但是你要產生電漿便已大費周章，還要去買很貴的專用氣體，而這些氣體是會消耗的。再者，你的後級恐怕不夠力去驅動那一大把恐怖的線圈，用以產生足夠的磁場來驅動這些氣體離子，所以它要有驅動線圈的專用擴大機。然後，最可怕的是，它會讓你聆聽室的氧氣（O2）轉成臭氧（O3）。若是聆聽室通風不良，一會兒工夫你就會頭暈，還以為是沉醉在這天上仙樂和電漿誘人的柔光中。但再過不久，你可能就會臭氧中毒了（註6）。
真是致命的吸引力！
希望有一天，這個偉大的設計能夠真正下凡人間，然後再讓它便宜些。因為剛剛被嫌貴的香菇價錢，比起這個有毒氣體製造機，竟成了零頭！
各位看倌，我們一同祈禱吧。
註1：Discovery頻道曾播出過比重較空氣更低的固體材質，目前為實驗室產物，但它在其他方面的適性是否適於用作喇叭振膜還很難說，離商業性量產更是未知數。
註2：也不見得一定不通，端看你的執著和投入的程度。專業的中高音壓縮驅動器使用4吋直徑振膜的比比皆是。如TAD，平直延伸超過20KHz，響應曲線是我見過最平直的之一。Lowther全音域發聲的紙盆，連同音圈組合等，重量為11.52g，而Dynaudio D21/2為0.35g，但Lowther仗著超強的磁路系統，還是能夠推至22KHz！
註3：不要害怕，它不是真的裂開了，這是譯自原文Break-Up Mode或Break-Up Resonance，指的是振膜在某個頻率以上開始無法作完美的活塞運動而產生雜亂不規則的波狀變形，從而衍生的自體共振。
註4：千萬別誤會，不要把它想成鼓風機，因為產生的是音波，是空氣分子形成的疏密波，所以空氣分子只在那附近忙碌的往復運動。真正「噴」到你臉上的，是本來就在你附近的空氣分子因波動能量的傳遞而打在你臉上。
註5：指的是磁鐵的磁力是否被有效的引導，而真正施加在振膜上，而不是浪費在磁迴路的其他環節。
註6：Nelson Pass老兄在多年前實驗性的製作了一對「全音域」的離子喇叭，外形就像放大的烤肉架，需要4,000瓦的擴大機來驅動。大功率對Pass兄來說不成問題，問題是他雖然是大師，但還是人，受不了可怕的臭氧中毒。
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