扬声器喇叭的进化轨迹
原创 2016-11-11 HIFI秀 HiFi秀
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不管您叫它放送头也好，扬声器、喇叭也罢，这个可以将声音还原播放的东西，已经走过一世纪的岁月了。事实上喇叭发展的过程并不顺利，科学家想尽办法要让「原音重现」，不过这个目标至今仍未达成，反而是不同的发声方式，不同的制造方法与材料运用，使得喇叭百花齐放，成为音响世界中最辉煌灿烂的一块园地。
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一百多年前的奇想
1818年，诗人雪莱的第二任妻子玛丽，在她著名的科幻小说「科学怪人」中，描述科学家以支解的尸体合成一个可怕的怪物，经通电后重新获得生命，当时所有人都对科学有无穷的信心。1874年发明电话的贝尔尝试制造「声音分析器」，真的就拿支解的尸体为材料，以人耳耳膜与耳骨制造了一具「记音器」（Phonautograph）。这个机器能画出声波图，但无法重现声音。
1877年7月18日，爱迪生进行以金属薄膜及唱针记录声音的实验，他对金属箔唱了一首「玛丽有只小绵羊」的儿歌，当唱针将拾取到的振动讯号透过号角放大，在场的人全都傻眼了，因为他们听到爱迪生在机器中唱歌，这是留声机诞生的经过。今天再让各位读者欣赏一百年前的留声机，你一定无法想象，那种频宽不足、毫无动态可言、杂音奇大、失真又严重的「音响」，居然也能流行起来。很快原始的号角被舌簧式喇叭取代，这种喇叭是在一块马蹄型磁铁前端设置一个线圈，线圈中间有一个可摆动的金属片，当线圈中有音频讯号电流通过，磁场发生变化使金属片摆动，连带牵动纸盆而发声。这种设计仍不理想，却是日后以纸盆发声的基础；而把纸盆作成圆筒状，磁铁与舌簧装在筒内，可以向四面扩散，这也成了日后无指向性喇叭的滥觞。
其实早在1877年，德国西门子公司的Erenst Verner就根据佛莱明左手定律，获得动圈式喇叭的专利。1898年，英国Oliver Lodge爵士进一步依照电话传声筒的原理发明了锥盆喇叭，与我们所熟悉的现代喇叭十分类似，Lodge爵士称为「咆哮的电话」。不过这个发明却无法运用，因为直到1906年Lee De Forest才发明了三极真空管，而制成可用的扩大机又是好几年以后的事，所以锥盆喇叭要到1930年代才逐渐普及起来。另一个原因是1921年以电气方式录制的新唱片问世了，它比传统机械式刻制的唱片有更好的动态范围（最大到30dB），逼得人们不得不设法改良喇叭特性以为配合。
1923年，贝尔实验室决定要发展完善的音乐再生系统，包括新式的唱机与喇叭，立体声录音与MC唱头、立体声刻片方式等，就在这波行动中被发明出来。研发喇叭的重责大任，落在C.W. Rice与E.W. Kellogg两位工程师身上。他们所使用的设备都是当时人前所未见的，包括一台200瓦的真空管扩大机、许多贝尔实验室自己完成的录音，以历年来贝尔实验室发展出来的各种喇叭 － 像是Lodge的锥盆喇叭雏形、用振膜瓣控制压缩气流的压缩空气喇叭、电晕放电式喇叭（今天叫电离子驱动器），以及静电喇叭。没多久Rice与Kellogg从众多样式中挑选出两种设计 － 锥盆式与静电式，这一个决定使喇叭发展方向从此一分而二：传统式与创新式。
动圈式喇叭
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动圈式喇叭是从舌簧喇叭的基础演变而来，在环状磁铁中间有一个圆筒型线圈，线圈前端直接固定纸盆或振膜上，但线圈中通过音频电流，磁场受到变化，线圈就会前后移动而牵动纸盆发声。动圈式喇叭问世之初由于永久磁铁强度难以配合，所以多采用电磁式设计，在磁铁中另外缠绕一个线圈来产生磁场，这种设计曾流行廿年之久。但电磁喇叭有它的问题，比如通过电磁线圈的直流脉冲容易产生60Hz与120Hz的交流声干扰；而电磁线圈的电流强度随音频讯号而变动，造成新的不稳定因素。
1930年代经济大萧条期间，爱迪生留声机公司倒闭了，其它人也好不到哪去，需要扩大机驱动的喇叭因此推广不顺，老Victorla留声机直到二次世界大战前都还很流行。二次战后经济起飞，各种新型音响配件成为抢手货，锥盆式喇叭再度受到严重考验。这段时间由于强力合金磁铁开发成功，动圈式喇叭由电磁式全部变成永久磁铁式，过去的缺点一扫而空（常用的除了天然磁铁钴以外，还有Alnico与Ferrite磁铁，除了磁通密度外，天然磁铁的各种特性都较优越，近年来高级喇叭则采用钕磁铁）。为配合LP的问世，以及Hi-Fi系统的进展，锥盆喇叭于是在纸盆材料上寻求改革。常见的像是以较厚重材料制造低音单元，轻而硬的振膜当高音；或者把不同大小的喇叭组装成同轴单元；也有在高音前面加号筒变成压缩式号角高音喇叭；甚至有将高音号筒隐藏在低音纸盆后面的设计。1965年英国的Harbeth发明了真空成型（Bextrene）塑料振膜，是材料上的一大进步， 这种柔软但阻尼系数高的产品，在KEF与一些英国喇叭上仍可见到。后来Harbeth还发明了聚丙烯塑料振膜，这种新材料有更高的内部阻尼系数，质量更轻，目前仍被许多喇叭采用。
工程师设计喇叭时变成有两个思考方向：低音喇叭寻求音箱结构的突破；高音喇叭则进行单元的改良。所以这个时候出现的一些新设计，几乎都是高音单元。比较成功的设计，就属静电喇叭了。
静电喇叭
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前面提到贝尔实验室的Rice与Kellogg实验喇叭，他们制造的静电喇叭大得像扇门板，振膜由猪大肠外包金箔构成（塑料还未为上市）。当真空管的光辉照耀，发亮的金色庞然大物具有催眠作用，加上实验室空气中充满猪肠腐臭味与臭氧味，两位科学家也许会想到「科学怪人」与利用死人耳朵制成的贝尔「记音器」。但开始发声后，它光彩夺目的声音与逼真的音色，简直让大家吓呆了，他们明白一个崭新的时代已经来临了。不过Rice与Kellogg在设计静电喇叭时遇到了无法克服的问题：需要有庞大的振膜才能再生完整的低音，在技术难以突破的情况下，贝尔实验室只得转向锥盆喇叭发展，这一停滞使得静电喇叭沈寂了三十年。
1947年一位年轻的海军军官Arthur Janszen受指派发展新的声纳探测设备，而这套设备需要很准确的喇叭。Janszen发现锥盆喇叭并不线性，于是他动手试做了静电喇叭，在塑料薄片上涂上导电漆当振膜，事后证明无论是相位或振幅表现都不同凡响。Janszen继续研究，发现将定极板（Stator）绝缘可防止破坏作用的电弧效应。1952年，Janszen完成商业化生产的静电高音单元，与AR的低音单元搭配，是当时音响迷梦寐以求的最佳组合。
1955年，Peter Walker在英国的「无线电世界」一连发表多篇有关静电喇叭设计的文章，他认为静电喇叭与生俱来就有宽广平直的响应，以及极低的失真，失真度比当时的扩大机还低得多。1956年，Peter Walker的理想在Quad ESL喇叭上实现了（Quad是以他早年一种扩大机Quality Unit Amplifier-Domestic的缩写来命名），它的准确性被誉为鉴听新标准，不过仍有一些问题待克服：音量不足、阻抗负载令某些扩大机望而生畏、扩散性不足、承载功率也有限。60年代初期Janszen加入KLH公司为KLH-9的上市而努力，由于KLH-9的大尺寸化，解决了Quad ESL的问题，一直到当1968年Infinity公司成立前，KLH-9静电喇叭都是最Hi-End的产品。
Janszen的成就不仅于此，在他协助下，Koss、Acoustech、Dennesen等静电喇叭陆续问世，Janszen企业的首席设计师Roger West也自立创设了Sound Lab公司。当Janszen企业出售时，RTR公司买下生产设备，推出Servostatic静电板，Infinity的第一对喇叭就使用RTR的产品。Janszen公司几经转手，却始终没有消失，今天喇叭王之一 － Dave Wilson的WAMM巨型系统，里面就用了部份Janszen所设计的静电板。
静电喇叭的设计吸引许多厂商投入，比较有名的包括Acoustat、Audio Static、Beverage、Dayton Wright、Sound Lab、Stax与Martin Logan等。Acoustat X本身附有真空管扩大机，可以输出高压讯号而不必使用升压器；Beverage 2SW除了附有高电压扩大机、控制器，还有一对超低音。由于Beverage 2SW两公尺高的振膜装在一个椭圆音箱中，利用声波导板让声音由前方开口均匀传出，可以形成非常立体的音像，它的建议摆位是放在两侧墙边，然后面对面播放。Dayton Wright的设计也很特殊，振膜装在以六氟化硫惰性气体密封的塑料袋内，用以增加喇叭的效率与输出音压。最贵的静电喇叭，要属Mark Levinson的HQD。每一声道使用两具Quad静电喇叭，加上一个改良的带状高音与一个24吋的低音增加频率两端延伸，配上三台Mark Levinson ML-2后级与电子分音器，要价15,000美金，当时真的是天价。Martin Logan为解决大片振膜产生低音的问题，近年来混和锥盆低音的一系列设计获得很大成功，再加上延迟线、声学透镜、波浪状振膜等新技术的引进，让静电喇叭越来越可亲，相信它还会继续的存在。
带状喇叭
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1940年末，一位年轻的加拿大发明家Gilbert Hobrough使用扩大机时，一时大意在音乐播出中拆下喇叭线，并让发热的导线靠近电线的接地端。这是很危险的动作，但Hobrough惊讶的发现电线开始拌动，并发出音乐声，这个「具有增益的金属线」不久后才明白是静电效果。Hobrough进一步研究，才知道1910年左右已经有人提出这个问题，1925年在磁场内使用导电金属片的喇叭已经于德国取得专利，当时人说这是带状喇叭。1920年与1930年代分别有两种带状喇叭上市，不过昙花一现很快就沈寂了。
带状喇叭的原理是在两块磁铁中装设一条可以震动的金属带膜，当金属带通过电流，就会产生磁场变化而震动发声。在Hobrough重新发现带状喇叭时，Quad创办人Peter Walker也在英国推销一种号角负载的带状高音，这个高音并不成功，反而是1960年左右英国Decca推出很成功的带状高音。另一种类似的带状喇叭Kelly Ribbon由Irving Fried引进美国，他将Kelly高音配上传输线式低音而产生不错的效果。1970年代，Dick Sequerra为金字塔（Pyramid）发展的带状喇叭，首次扬弃号角的设计。
Hobrough发现带状喇叭后的三十年中，他以经营空中绘图和靠着自动机械的专利贴补，持续进行研究，终于在1978年发展成功频率响应低至400Hz仍然平直的带状单元（当时产品只能到600Hz），并且不会融化、破碎或变形，失真则只有1％。Hobrough与他的儿子Theodore Hobrough还获得一项专利：与带状高音搭配的多丙烯低音所使用的无谐振特殊音箱。不过他们以Jumetite Lab为品牌所制造的喇叭，一心想以较低价格提供给大家使用，在市场上却没有红起来。后来包括加州柏克莱的VMPS Audio、爱荷华市Gold Ribbon Concepts、麻州的Apogee Corporation，都发展出比Jumetite Lab频宽更大的带状喇叭系统。Gold Ribbon制造了频宽最大的带状驱动器（200Hz-30KHz），它们不是用铝，而是以厚度仅1微米（百万分之一公尺）的金制成振膜。不过最成功的，却是Apogee公司。身兼艺术经纪人与音响玩家的Jason Bloom，加上他的岳父Leo Spiegel － 一个退休的航空工程师，共同组成Apogee。它们用古典带状驱动器负责中高音，100Hz以下使用另一种准带状驱动器，近年来也加入锥盆低音作混和设计，评价都相当的高。
另外有一个带状喇叭家族的远亲 － BES（Bertagni Electroacoustic System）脉动振膜喇叭。BES跟典型的静电喇叭或Magneplanar平面喇叭一样，都有一个开放的架子与一块平面振膜，声音向前后辐射。不过BES不是很薄的金属板，而是厚度不一的泡沫塑料，外表有点像立体地图。BES的设计使振膜表面有多种谐振模式，振膜的不同部份在不同的频率部份振动，振动的方式不是机械活塞式，倒像随着宽广音频而均匀振动的音叉。BES的设计引起很大争议，最后当然就不了了之了。
平面喇叭
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在带状喇叭演化的过程中，衍变出一种平面动态喇叭，也称为假带状喇叭，它的问世要归功于美国3M的工程师Jim Winey。Jim Winey原本是业余音响爱好者，他很喜欢静电喇叭，但又觉得KLH-9太过昂贵，应该有办法降低成本才对。有天他获得灵感，他发现用于冰箱门边的软性陶片磁铁，质量轻、成本低、切割制造容易，很适于做磁性结构。这种磁铁可均匀的驱动扁平、宽大的整个振膜表面，可用在双极辐射型态的塑料振膜喇叭。Jim Winey设计的喇叭振膜上有许多细小的金属导线，金属线接收来自扩大机的讯号，并配合永久磁铁的磁场产生吸、推作用。1971年，Winey正式推出新型态的喇叭，起初命名「静磁」（Magnestatic），后来改名为「平面磁」（Magneplanar）。
Magneplanar上市后得到很大的回响，包括Strathearn、Wharfedale、JVC、Cerwin-Vega、Thorens等公司纷纷发展不同型态的平面动态喇叭，其中最有名的是Infinity。Infinity推出的Quantum Reference Standard附有双扩大机与电子分音器，它不是用一整块振膜，而是由许多小振膜组成。QRS高两米，宽一米，一共有20个高音单元，其中13个向前，其余向后，垂直成一直线排列。中音则有三个单元，也是垂直排列。加上一只15吋低音，使得QRS可以发出极为震撼的音量，频率也超出可闻范围。后来的EMIT高音（Electro Magnetic Induction）与EMIM中音，也是一种平面振膜，与后来Genesis所用的高音已经不太一样，Genesis的高音可以视为带状单元与平面单元的混合设计，而中音部份Genesis的大喇叭都采用带状单元，与Infinity分道扬镳。不过我们可以看到Infinity从IRS所建立的巨型喇叭架构，这么多年来仍是Hi-End扬声器的最高典范。
平面喇叭也有其限制，它的磁结构使得只有磁场的边缘通量能与振膜上分布的「音圈」相互作用，因此效率都不高，到目前这个现象能然存在。再一方面，平面喇叭所用的振膜比静电喇叭或带状喇叭都来得重，因此会限制它的频宽，过去只有Audire一家公司使用全音域的平面驱动器，连Magneplanar自己的喇叭后来都改采带状单元的中高音，加上平面振膜低音组合而成。Burwen与日本山叶曾利用平面振膜制成耳机，Pioneer则放弃磁性平板，改用高分子聚合物来制造耳机，但这些产品似乎都没有获得肯定。
海耳喇叭
非传统式喇叭中最成功的要属海尔式设计，就在Winey完成第一个平面动态喇叭后不久，德国物理学家海尔（Oskar Heil）研究出一种很高雅的带状喇叭变形物，他称为气动式变压器（Air Motion Transformer）。海尔的发明与平面动态喇叭很像，使用一层很薄的塑料振膜，上面覆以导电的铝制「音圈」。不过海尔式喇叭的振膜不是拉紧的，而是打褶的、松松的挂在架子上，因此导线音圈位于一堆垂直磁铁的间隙内，当磁力交替挤压弯曲皱褶的振膜，再将它们推开，空气就随着音频而挤压发声。
这样的设计有很高的效率，振膜上的强大磁力可降低有效质量电抗或音频阻抗，这也是「气动式变压器」名称的由来。事实上这种喇叭就是声音变压器，跟号角一样，较低的有效质量使它的高频可以往上延伸，普通的海尔驱动器有300Hz－25kHz的频宽，完全不需要等化。虽然海尔博士对自己的设计信心满满，认为自己的喇叭才是合理，别人的喇叭都是奇特，但因为制造质量掌控不佳，低音单元的配合又过于简陋，所以海尔喇叭逐渐淡出市场。
会冒火的离子喇叭
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当贝尔实验室的Rice与Kellogg面对许多未知时，称为响弧（Singing Arc）或环形放电喇叭的怪物，大概是最令人敬畏的。早于1920年代，无线电技术员就发现，用来调变发射机的高压电讯号有时会形成蓝色的球状发亮气体，广播的声音会从发亮的球体传出来，声音不大但很清楚，有人形容：简直很火舌一样。Rice与Kellogg并没有认真去研究这个现象，因为这种发音装置频宽不足，还会发出大量臭氧。1940年代，法国核物理学家Siegfried Klein再度发现此现象，并尝试开发新的喇叭，1950年他替新产品命名为「离子喇叭」。这种设计没有机械谐振，没有质量，有无限的顺服性，似乎是喇叭的一大突破。
英国的Decca、法国Audax、德国Telefunken、英国Fane与日本Realon都纷纷投入离子喇叭的研究，但首先商业化上市的却是美国Dukane（Electro Voice），它们在1962年推出名为Ionovac的新产品，后来改由American Audio Com.生产，持续了很长一段时间。至于Siegfried Klein本身并未参与生产，他继续研究，神奇的离子喇叭犹如烛光一样，可以朝它用力吹气而丝毫不损音乐播放。离子喇叭的另一优点是效率很高，105dB的音压只需10瓦的扩大机即可达成，频率响应也可降至1000Hz左右。Siegfried Klein的设计由德国Magant生产，但美国禁止出售，因为臭氧量超过标准，而且另一个Hill Plasmatronic的品牌也威胁Magant独占地位。
真正的锥型喇叭
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1985年由Ohm所推出的Walsh，其创意足以和BES相提并论，也是第一对真正的锥型喇叭，不但用锥型单元，喇叭本身就是个锥型。Walsh只用一个单元处理20Hz－20kHz的广阔频率，锥型驱动器放在音箱顶端，音圈和磁铁在上面，振膜朝向音箱内部。Walsh以管制的分解方式工作，频率上升时，对音圈起反应的纸盆范围缩小；频率较低时纸盆活动范围增加。未达到此一目标，纸盆由数种不同材料的同心环组成，同心环的作用等于低音滤波器。环越大，处理的频率越低，最低的频率使整个纸盆运动；高频则只用很轻的振膜维持，以阻尼的方式维持频率响应平直。这种设计不论相位或振幅都有很好的线性，最主要是它能180度发声。
号角喇叭
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1919年，美国物理学家Arthur G. Webster发明了指数型号角喇叭，由于高达50％的效率（一般的动圈式喇叭的效率只有1－10％，Klipsch的号角喇叭效率约为30％），很快就被普遍运用在剧院、体育场等需要大音量的场所。号角喇叭最大的特色就是效率高，一点点功率就能发出极大的声响。它的缺点则是不利于低频回放，如果要回放低频，需要有很长的号角，以回放50Hz频率为例，号角的开口直径要两公尺，长度则要大于五公尺才行。1940年美国工程师Paul W. Klipsch设计了一种体积较小适合家庭用的折迭式低音号角扬声器，利用房间角落装置驱动器，把房间的墙壁当成一个超大的号角，在Klipschorn庆祝五十岁生日时，这型喇叭仍然老当益壮的继续生产中。1927年就创立的Altec Lansing公司是另一个号角喇叭的传奇，1956年所推出的A7「剧院之声」，到现在仍有人捧场。1932年成立的英国Vitavox，在1947年推出可媲美Klipschorn的CN191号角喇叭，频率响应已经可达20Hz－20kHz，目前也仍在预约生产中。
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号角喇叭的特性会因号角长度、形状与使用的材料不同而有所差异。从早期的铁制、铝、锌号角，逐渐演变而有塑料、水泥、木头号角、合成材料号角等多种材料。设计得当，可以把号角喇叭音质较不细致的问题做部份解决；设计不当，甚至会有吼声效应出现。号角按照形状可分为双曲线型、拋物线型、指数型和圆锥型等，其中指数型号角最常被使用。有些号角的指向性过强，还必须在前端加挂音响透镜（Acoustic Lens），以增加声音扩散的角度。一些简化的折迭号角陆续被提出，有些设计以短的号角和房间墙壁加强喇叭背面所发出的低频，同时直接从锥盆前方发出中、高音，这种背后负载的折迭式号角喇叭通常都有不错的效果。
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目前的号角喇叭多半搭配锥盆式低音使用，由于号角通常效率都在100dB以上，所以运用上并不是那么容易，比较成功的厂商有JBL、Electro-Voice、北欧的Einstein、法国Jadis（独特的Eurythmie 11足可留名青史）、美国Westlake，以及意大利Zingali等。
气垫式喇叭
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除了单元本身的改良，从五○年代开始，工程师也在音箱上动脑筋，希望用同样的单元就能表现出更好的效果。其中最著名的设计有两种，一种是气垫式喇叭，一种是传输线式喇叭。
1958年立体声唱片问世，音响进入立体世界，喇叭不像唱头等需重新设计，消费者多买一只同型喇叭就可以了。但也正因如此，体积庞大的喇叭不再受到青睐，大家需要小巧又有足够低频的新产品，气垫喇叭应运而成。造成气垫喇叭流行的背后功臣，应该是晶体扩大机，他提供了不发热的大功率，来应付气垫式设计带来的低效率问题。气垫喇叭同时也是大功率扩大机的幕后原凶，七○年代许多人都有这样的观念；不是大出力扩大机就不好，不是气垫式喇叭就不够高级。
气垫式也就是密闭式的一种设计。当单元运动时，如果背波传到前方，会造成低频讯号抵消，所以有无限障板的概念产生。一个密闭的箱子也可以当作无限大障板，使前、后波彼此作用的机会降到最低。低音反射式则是无限大障板的衍生设计，由于锥盆的尺寸大小与共振频率会限制喇叭的低频表现，所以在装一个具有开口的音箱可延伸低频响应。开口的大小由音箱体积和单元的共振频率所决定，当音箱反射发声相移，使开口和锥盆发出的低频相同而产生加强效果。
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1954年AR的创办人Edgar Villchur推出气垫式喇叭，改善一般密闭式音箱的刚性空气导致低频快速衰减的问题。动圈式单元通常是由锥盆与音圈构成，锥盆边缘由弹性物质支撑，这使得它无法有自由空气振动频率。如果在气密式音箱中塞满吸音材料，扬声系统会产生有比单独驱动器还高的振动频率，Edgar Villchur把自由空气振动频率约10Hz的单元装到1.7立方呎的气密音箱中，扬声器共振频率提高为43Hz。这种设计一方面使系统的失真大为减少，一方面还能发出深沈的低频，缺点则是效率大为降低。
传输线式喇叭
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传输线式喇叭最早称为迷宫式设计，喇叭单元被装在音箱的一端，透过一个复杂而且很长的调协通道，单元的背波从另一端的开口被扩散出来。第一个迷宫式设计是Banjamin Olney在1936年为Stromberg-Carson所设计的，他将一个共振频率为50Hz的单元装入迷宫式音箱中，结果其共振频率降到40Hz，并且在40Hz的半波75－80Hz获得增加，从而产生良好的低音。但他同时发现响应曲线产生不少峰值，这些峰值来自音箱通道本身的共鸣，于是他在通道里铺设吸音材料与导板，把150Hz以上的频率在开口处截止。迷宫式设计可以获得良好的低频延伸，但它的制作麻烦，又比不上经济的低音反射式获致做简单的密闭式有竞争力，所以五○年代Carson再度推销迷宫式设计，仍然没有成功。等到六○年代中期迷宫式喇叭重出江湖时，它有了新的名字 － 传输线式喇叭。
全音域喇叭
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喇叭单元从单一的全音域设计，逐渐发展成多音路设计，工程师发现到不同频率单元间有许多衔接的问题，包括分频点、分频斜率、灵敏度、相位等都可能产生误差，于是有两种新的思考方向被提出来，一种是全音域喇叭，一种是同轴喇叭。
