超低音音箱的制作方法

    在本文的开头我要郑重的提醒大家，虽然我们尽可能的把自己动手制作音箱的方法介绍的更加简单，但是亲手设计和制作一部超低音音箱（又叫做辅助低音喇叭）绝对不会如同从商场里买回一个低音喇叭然后塞到木头箱子里那么简单。当然，因为只需精心的制作和调试一只扬声器，而不需要为不同音域发音设备的配合而手忙脚乱，所以制作一个超低音音箱又要比制作一个全音域的音箱要容易的多。同时，由于超低音音箱的放音频率范围处在人耳可辨声频谱的低频区，人耳对于这个频率范围内声音的敏感程度要大大低于中频和高频区，所以自己制作出一部能让自己有点成就感的音箱还是有可能性的。

    实质上超低音音箱的工作原理有点类似于汽车引擎里边的活塞，活塞在自己有限的行程内往复运动，而超低音音箱则在有限的频率范围内工作。显然，超低音音箱工作的目的是将你音响系统的低音范围下潜的更低，这样一来你的家庭影院系统将带给你更加震撼的效果。一般说来，超低音音箱放音的频率范围在20Hz至 100Hz之间，因而要制作一个超低音音箱首先必不可少的就是一个个头足够大的低音喇叭。

    需要注意的是，现在市场上出售的一些所谓超低音音箱和发烧友们眼中真正的超低音音箱是有所区别的。你从那些市售的音箱中所听到的音效其实是依靠其频响范围内的波峰推动的，但是这种工作方式对于音频采样的还原效果却毫无正向的推动作用。而商家则利用普通消费者对技术不甚了解的空子，将这个问题隐瞒过去，或者绕过这个问题，而诱导消费者把超低音和低音效果混为一谈，并且极力向消费者展示其产品的低音效果，由此误导消费者。而当采用适当的技术手段测试这些音箱时，你会发现，在超低音的频率范围内，这些所谓的超重低音音箱根本无法完成一架真正的超低音音箱所能完成的任务。

    好在无论是低音炮还是超低音音箱都有一套完整的技术规范，从基本的数学理论到实际的技术参数都可以在资料当中查到，这些 背景知识可以帮助你初步判别产品的真伪优劣。判别的最直接方式就是观察并分析这个音箱所使用的扬声器的规格，一般情况下，这个规格参数是由扬声器厂家来提供的。

    如果打算自制一台超低音音箱的话，那么首先就要明确自身的需求，然后根据这个需求来选择一个合适的扬声器，之后为之配上一个合适的外壳，根据需要选择合适的滤波单元。在下面的页面中我们将讨论一下如何选择上述那些部件，并且介绍一下自己制作发烧级超低音音箱的方法。  

    前面已经提到过，这次DIY的目的是设计制作一台既能在其工作频率范围内提供线性的声压级别，同时又能提供精准的音频采样还原效果的超低音音箱，从摇滚乐中快速变化的低音鼓到声音频率变化平滑的爵士乐再到家庭影院级电影声效中雷鸣般的爆炸声，都应该能够真实表现出来才行。要想将快速低音鼓和雷鸣般的爆炸声在超低音音箱中完美的表现出来绝非易事，因为二者之间似乎存在着一定的矛盾。其中的后者，爆炸声的效果需超低音的声压周期能够持续很长一段时间，然而想准确再现低音鼓的声响效果，使其听起来没有一种迟滞或者拖沓的感觉，则需要超低音扬声器的振动周期较短，从而能够跟上和捕捉到快速变化的鼓声细节。在这一点上，绝大多数市售的所谓超重低音扬声器都是达不到要求的。所以你就会发现，市售的那些专门为家庭影院而定制的超重低音音箱在播放快节奏的音乐时效果就不太理想，反之亦然。家庭影院产品要求超低音音箱能够大幅度振动从而使大量空气随之振动以达到准确还原爆炸声或者其它低频效果的目的，而音乐播放则要求音箱能够低幅度但快节奏的振动从而有效的控制空气的运动来实现声音频率的快速变化效果。

    显然一架优质的超低音音箱应该既能满足家庭影院的低音需求，又能满足音乐频率的快速变化，换而言之，应当是两种特性的联合体。带动空气振动的能力主要是由音箱中的锥形纸盆提供的，这个纸盆的表面积大小及其振幅决定了其工作特性。不过不必依靠负责而繁琐的数学运算，同样可以简单的将工作原理这样理解：打个比方说，如果你有两只扬声器，其中一只的纸盆的有效表面积是另外一只的一半，那么如果想带动同样多的空气振动，那么纸盆小一些的那个扬声器 其振幅就要达到另外一个的两倍。不过遗憾的是制作一只表面积大的纸盆要比制作一只表面积小而振幅大的纸盆要容易的多。这在一定程度上是由驱动纸盆运动的机械原理决定的，音圈悬浮在扬声器的磁场区域里，只有一个很小的范围可以进行线性运动。

 
这就是本次DIY所使用的PEERLESS XLS10 10"扬声器

    一只典型扬声器的振幅（或称作偏移量）一般为+/-8mm，如果将这个幅度增大，扬声器虽然还能工作，但是由于音圈已不完全处在磁场范围内，故而扬声器会进入非线性工作区，进而发生声音的非线性失真。这显然是我们不希望看到的，因为它使得原始音频当中出现了新的频率成分，从而改变了原来的面貌。但是简单的增加锥形纸盆的锥径长度也不是解决问题的办法，因为纸盆需要达到一定的刚度才能确保整体一致的振动，否则就会出现锥形中心部分与边缘振动不同步的状况。显然纸盆越大，就需要越强的磁场和声圈来驱动其振动，这样出现振动不同步的可能性也就越大。一般来说，15"已经是使用常规材料、常规工艺制造纸盆尺寸的极限了。在我们今天的DIY工作中，根据需要，可以选用10"或者12"纸盆的扬声器，它们都可以在精确度、纸盆有效面积和最大声压级这几个指标中取得相对的平衡，基本满足我们的要求。

    选择一款合适的10"或者12"扬声器绝非一件容易的事情，因为目前出现的扬声器种类众多，各有所长。所以首先我们要明确选材的标准，这对于判断扬声器的指标是否符合我们的要求非常重要。我们将设计要求罗列如下：

1. 紧凑设计，纸盆的尺寸需要外壳拥有30升容积
2. 封闭型音箱或者有导向孔箱体，或者无源辐射器箱体
3. 带有放大器均衡和有源滤波器的有源音箱系统
4. 可在最大声压级达到100 dB的状态下使声音频率下潜到
5. 整套系统的总体造价控制在800美元（约700欧元）以内

    我们所寻找的10"或12"扬声器需要有较大的振动幅度，可以带动更多的空气振动，但是它同时还需要装备有足够强劲的音圈和磁场系统以保证灵敏度达到要求。同时其还必须拥有一个很低的谐振频率，低等效容积和低Q值，这样一来，它才既能够装进一个相对较小的外壳当中，又能够提供准确和足够深度的低音下潜。经过一番挑选，我们认为了Peerless出品的 XLS10 (830452)和XLS12 (830500)基本符合我们的要求。根据它们的型号您应该可以看出，前者为10"扬声器，而后者为12"的。我们最终选择了10"扬声器XLS10。那么为什么选择它呢？还有我们的30升有效容积音箱是怎么设计的呢？别急，下面您就将看到。

30升容积箱体设计的理论基础（上） 

    实际上，将音箱外壳设计成密封式的并不利于低音效果的还原，因为它会使得滚降幅度达到12dB/oct，在-3dB点(F3, fsb)之下。这就意味着声压级会在-3dB点之前迅速衰降。但是实际上滚降在很大程度上决定于外壳的响度与扬声器Q值的乘积，Q值越低则滚降幅度越低。不过密闭型外壳也有一些优点，刚好可以适用于我们今天的设计。例如低Q值的扬声器在小型密闭外壳当中往往可以提供高速和准确的响应，从而可以为追踪音频变化提供帮助。除此之外，密闭外壳可以阻碍空气流动，从而对于限制纸盆在低频范围内的振动幅度也有一定的作用。将XLS10装入30升容积外壳意味着总质量因数，即扬声器的Q值和外壳结合的参数要下降到0.3。而通常这个参数在0.5到0.7之间才是理论上在密闭型音箱中准确还原低频分量的指标。因此在这个音箱当中F3值应当达到78Hz而同时需要一个非常低的Q值，这样频率范围才能向下扩展到需求的范围，同时频率响应曲线的斜率也要下降到- 6db/octave以下。
 
    为了证实XLS10能够在密闭音箱中达到其它一些需求，我们还需要进行模拟计算，不过这次是针对电源输入功率的预计。我们需要的声压级是20Hz 100dB。而XLS10的额定输入功率是300瓦。但是这个数值意味着如果我们不调整扬声器最大振幅的话，根本达不到设计的要求。显然扬声器需要工作在最大振幅之下。下面两张图片分别说明了在300瓦输入功率下频率与声压级和振幅的关系：
 
 

    在第二张图片上可以看到，在频率到达30Hz点时扬声器已到达线性工作的最大振幅，在20Hz时振幅达到17.4mm，已经越过了线性工作范围。因而为了确保扬声器线性工作，总质量因数必须达到0.3，然而此时XLS10无法在密闭30升音箱中在20Hz时达到100db声压级。同样也可以试用60升音箱，将音量加倍，或者使用15升音箱，将音量减半，得到的结果时相同的。显然下一步我们需要试用的是带有导向孔的音箱外壳，在同等音量下，看一看能否得到更理想的结果。

30容积箱体设计的理论基础（中）
    一个带有导向孔的，或者叫做低音反射音箱具有通过调谐孔扩展低频响应范围的功能。这个调谐孔和扬声器协调工作以使之达到更低的频响范围。实质上当从调谐孔（即导向孔）发出的声波与从扬声器发出的声波在频响范围或更低的范围内是同相位时，这样就起到了将低频分量输出放大的作用，同时，由于这种放大作用的存在，可以使得扬声器工作幅度的下降得以实现。不过缺点是，当这个声波与扬声器振动的声波发生180度的反相时，理论上声波将被全部衰耗掉，而实际上也将受到很大的衰减，这就使得扬声器振幅必须加大。而另外一个缺点就是这种方式提升了谐振频率的阻抗，这使得声圈的工作温度大大增加，同时有可能引入谐波失真。幸好在我们的工作过程中，XLS10扬声器没有遭受到这些不利因素的困扰，其通风性能良好的四层全铝音圈使得上述因素的影响降低到了最小。

    将XLS10装入30升有效容积的外壳意味着导向孔的最大直径将受到限制，因为其大小必须符合外壳尺寸的要求。当然如果是一个较长的导向孔可以通过弯曲的方式置入外壳之内，但是这样会增加设计的复杂程度。除去端口的长度我们还需要使用加倍扩张的导向孔来防止端口引入的噪声带来的影响，因为这个噪声对于声压级的影响非常强烈，有可能使得整个设计前功尽弃。为了得到一个平坦的频率响应曲线，我们建议将导向孔输出的频率调谐在25Hz为佳，此时系统的频响曲线如下图所示：

   显然这个曲线已经比上一页中采用封闭式音箱时的频率响应曲线好了不少。曲线显示导向孔音箱可以提供更低的频率输出，但是美中不足的是，该曲线在20Hz点左右开始发生急剧变化，而这会很大程度上影响到20Hz时的声压级和振幅，而此时导向孔的直径已经达到了72mm，这足以使噪音有可乘之机。结果就是，即便是非常小的噪声，也会影响到最终的放音效果。
 

    在上面的图中我们可以看到，在20Hz达到100dB声压级的目标已经基本上实现了，纸盆的振幅控制在12.5mm以内而空气的最大运动速度为34.1- m/s。同时非常值得注意的是，此次我们的放大器只消耗了160瓦的功率，而在封闭型音箱中，XLS10消耗的功率几乎是这里的两倍。当然同样也有一些缺点，首先导向孔的长度需要不少于607mm，这也就意味着我们必须将其弯曲才能装进容积有限的外壳之内。另外，这种方案已经接近了在导向孔音箱中扬声器振幅和空气运动速度的极限。那么无源辐射器箱体又能够带来哪些更好的特性呢？

30容积箱体设计的理论基础（下）
     无源辐射器基本上就是一个不带音圈和磁铁的扬声器纸盆，它可以和导向孔一样被安置在音箱的适当位置，并且通过在纸盆上增加额外的质量就可以将其调节到适当的工作频率。这种方式的优势显然在于可以无需使用长而弯曲的导向管从而使整个音箱受到噪声的影响，同时，由于无源辐射器的作用，扬声器的工作幅度可以不必过大，从而延长了扬声器的使用寿命。于是我们再次将Peerless XLS10无源辐射器装入30升外壳中，并增加了400克的质量。实际上这个无源辐射器就是一个没有声圈和磁铁的XLS10扬声器。同样，这个无源辐射器也可以用相同的方式被导向孔取代，工作形式类似。下图是测试曲线：

    在图片中可以看到，放大器所消耗的功率比前两次更小了，只需要120瓦。而扬声器的振动幅度也大大低于最大允许幅度。不过稍显遗憾的是无源辐射器的振动幅度超过了其最大允许值22个毫米，而唯一的解决办法是继续增加无源辐射器的质量，但是这样一来，其工作频率将进一步降低。增加质量很容易，只要在纸盆的背面拧上一小块金属就可以了，比如纸盆总质量是600克，加上200克的质量，那么无源辐射器的工作幅度就可以减小40％。如下图所示：

   另外这种方式还有一个优点就是使得低频响应的线性区域得到扩张，同时放大器所消耗的功率还没有增加。

    这样一来，选择那种外壳方案已经一目了然了。Peerless XLS10扬声器与XLS10无源辐射器的配合几乎可以满足我们设计之初的所有要求。它使得超低音音箱的频率响应可以轻而易举的定位在准确的范围内，而且工序并不复杂，只是简单的增加一个滤波器和放大器输入。在实际的解决方案中，如果将超低音音箱放置于紧贴墙面或者紧贴墙角的位置，也可以提供基本差不多的效果。另外，由于低频声音的自然属性，不需要额外的均衡器就可以实现线性频率响应。下面我们就将选用这种方案来实地进行设计，首先是外壳的设计，这一步看似简单，但是实际上需要一定的工艺水平，因为其对超低音音箱的最终效果起到了很重要的作用。

箱体的结构草图和思路
    显而易见，如果你要将一个质量达到1100克的10"扬声器装入一个30升容积的箱壳当中，你必须事先精打细算，确保安装得严丝合缝。材质较厚得木质板材外围和内部起到支撑箱体作用的梁柱都会对整个音箱的共振效果产生影响，因此必须对此做出惊精确的计算。在音箱中大约有10％到35％的的声音并不直接发源于扬声器纸盆，而是发自箱体表面的振动。这也就是说，如果外表面设计合理，可以对声响效果产生很大的正面作用，这样要比单纯提升纸盆性能更加高效。

    在我们的设计中，箱体设计并非只是为了摆放扬声器和无源辐射器，我们同时还要为放大器设计合理的安放位置。这款放大器最小输出功率为120瓦，输出阻抗8 欧姆。根据预算的要求，可以有几款放大器用于选择，它们是Thommessen SW2.5、Hypex's excellent DS4.0、Detonation DT300，或者也可以选择更强劲的Thommessen SW6.0。不过其中任何一款放大器都需要足够的独立密闭空间来施展自己的身手，这一点必须注意。

    我们的外壳设计过程其实就是从不同方案中挑选出最佳方案的过程，我们试用了不同的外围面板厚度，不同的内部支撑梁方法。最终我们选用了使用支撑梁将箱体分成几部分的方案。这样每一个部分都有多于四个内表面。音箱外壳使用了22mm中密度纤维板，边角处使用45度切割以用来保证边角结合时不会留下缝隙。我们没有使用阻尼隔音材料，因为在超低音音箱工作的频率范围内，使用阻尼材料是没有意义的。

整个外壳用到的材料如下：

- 4 x 面板, 350 x 600-mm, 所有边角采用45度切割
- 2 x 顶板和底板, 350 x 350-mm, 所有边角采用45度切割
- 1 x 内板, 306 x 556-mm
- 1 x 内板, 194 x 306-mm, 上开有两个直径100-mm 的圆洞
- 1 x 内板, 90 x 306-mm, 上开有两个直径20-mm 的圆洞
- 2 x 攀条, 75 x 267-mm
- 4 x 横拉条, 75 x 142-mm

    在图片中你可以看到，从标注的那些数字就知道这个音箱的体积着实不一般。我们最终选用了Thommessen SW6.0 放大器，如果你选用的是其它型号的放大器的话，你就得根据实际情况更改箱体的设计方案和各部件的尺寸参数。

十分简单的制作过程

     刚才分析介绍了那么半天，实际上组装这部超低音音箱的过程非常简单，只要所有的面板部件都精准的切割好，那么你就可以顺利的开始了。组装的过程是由内到外。也许你以前从未做过类似的工作，那么亲自动手试一下也是一件非常有趣的事情。首先将面板搭起来，成型后用带子或者绳子绑扎起来，这样外形就可以得到很好的固定，这时候你需要对各个面板做一些微调，待所有的部件都严丝合缝的对齐之后，向缝隙处灌入胶水，一般使用乳胶就可以了，使之粘在一起，个别部分如果没有支撑则需要用夹子固定在涂抹胶水，另外为了确保箱体的密闭性，在缝隙较大的地方要多涂抹一些胶水以确保缝隙被遮盖住，待胶水晾干后，产品就最终成型了。

    无源辐射器的制作也不是十分复杂，在该部件的背面本身就有用于拧接重物的螺口。固定重物的过程要注意，不能倾斜，不能影响到无源辐射器本身的工作。我们使用普通的1毫米厚，直径82毫米的铅片来做为添加的重物。在安装完毕并确保安装位置准确无误之后，要在其上喷涂黑色涂料。你一共需要三块这样的铅片来达到共计200克的质量。

    自上向下依次是铅片、没加铅片的无源辐射器和添加了喷涂成黑色的铅片的无源辐射器

    待胶水完全晾干并固定后，这个过程一般需要24小时左右，你可以开始进行最后一步的组装了。如果你想使你的音箱更加专业，那么你就需要对其进行反复的打磨，同时确保每一个缝隙或者裂纹都已经被消灭掉，整个表面光滑平整。最后一步是喷漆，我们选用了汽车喷漆所使用的方式，这样喷漆效果不仅均匀而且漆面牢固，可以达到最佳效果。当然你也可以选择保留木材的原色或者其它的上漆方式。

成形后的样子，还满专业哦
    在文章的一开始我们就曾经提到过，自己设计和制作一部高质量的超低音音箱决不是如同将一个低音喇叭塞到一个木头箱子里那么简单。不过，像我们文中所介绍的那样，花上一定的工夫去寻找一款合适的扬声器，然后在分析一下使用什么样的外壳更加合适，最后精心的完成每一个步骤，最终，一部表现优质的自制超低音音箱就诞生了！显然，如果你的预算更加丰富的话，你还能做出更好的音箱来，不过需要指出的是，目前市面上销售的扬声器虽然品种繁多，但是真正能够满足发烧友们近乎极端的要求的，少之又少，幸运的是，我们找到了Peerless XLS10。你可以发现，这款扬声器还有比它大一号的同门兄弟XLS12，经常被顶级的超低音音箱所选用，它们的表现力无疑是超群的。这一点如果你对比过市面上销售的那些所谓的超重低音音箱，你就会发现，其实你自己也能够做出比厂家的产品强上两倍的音箱来！

 
 
最终成品的照片，外表采用了ral-9006光面漆喷涂

    我们今天努力的最终结果是一部不仅比厂货音箱拥有更加强烈的震撼力，同时还提供了高质量的20Hz以下低音下潜效果的超低音音箱。无论你喜欢听摇滚乐、听爵士乐，抑或是hip-hop一族，甚或哪怕是古典音乐的爱好者，外加上对家庭影院效果的需求，这架音箱都可以为你提供精准的还原效果。由于我们所选用的放大器提供了很多调节功能，比如改变声压级，截断频率范围，相位和低音增强等等，这就让你可以通过调节使得这架音箱可以和你声源设备相互配合，达到最佳的放音效果。

    说句自夸点的话，我们确实对今天的成果感到非常自豪，因为我们自己动手打造的产品足可以让价值1500美元的厂家货蒙羞。如果你一直在寻找一部适合自己需要的超低音音箱的话，那么不妨按照我们今天所介绍的方法亲自动手试一试，我们相信你将不会对自己的成果感到失望的。

  本文译自 www.hardwareanalysis.com