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扬声器的振膜材料

纸盆振膜
    这应该算是最古老的材质了。简单的说，把纸浆悬浮液流入事先设计好的盆型网状模子上，纸浆便沉积其上，将沉积至适当厚度的纸浆抄出，再行干燥等后续加工处理，便成了一个纸盆振膜。而其中纸浆的成份，如纤维的种类、长短，及填料成份，和抄纸的制程及后段处理方式（如风干或热压等），都会影响最后成品的特性，也直接影响了发声特性，这些当然就是各家不外传的商业机密了。
    多年前曾读过一篇洪怀恭先生现身说法所写的一篇有关纸盆制作的文章，除了浩叹纸盆所含的学问博大精深之外，更令我深深佩服洪前辈的研究精神。我在本文中轻描淡写的几句话，可是无法道尽多少年来先贤先烈们流血流汗所累积的精髓。）
    一般来说，纸盆的声音特性为平顺自然，明快清晰而不神经质。因为内含无数的纤维相互交织，因此在其中传递的能量可以很快被吸收掉，形成很好的阻尼，因此在发声频域的高端造成的盆分裂共振不明显，滚降的截止带也就很平顺。这可说是一种很好的特性，因为这样就可以用很简单的分音器，不需额外的剪裁，系统的整合也就很健康。
    另外，纸盆的刚性颇佳，对于瞬时反应和听感的细节表现有很好的成绩。别看手边常见的纸张都是软软的，在适当的形状和厚度下，纸的刚性是能够做得很不错。再者，若设计和制作得当，纸盆可以做得很轻，比最轻的塑料振膜还轻15％以上。虽比起最新的高科技合成纤维材料，纸质还是稍重了点，但其实相差不大，因此发声效率高。audax的6.5吋纸盆中音pr170系列，效率便高达100db/w。
    纸盆可能的弱点是其特性会随环境湿度而变化，因纸吸收了湿气后其密度会变高（变重）、刚性会变差（变软），所以发声的特性也会受影响。至于这样的改变是好是坏也很难说，英国的lowther俱乐部成员便宣称在下雨天时，家里的lowther喇叭特别好听。
    较令人担心的应该是干湿循环次数多了之后，可能会造成材料本身的疲劳，进而改变其原本的特性。但君不见许多古董纸盆单元在工作了数十年后还是照样唱得很好，所以这种情况应该还算轻微而渐进，有点像是熟化后进入另一个稳态的阶段，对我们用家来说应该是不成问题才对。
    近年来生产的纸盆单元，有一大部分便在这方面有各种改善的方式，使纸盆的特性可以更加稳定。常见的有表面涂膜，或是在纸质配方上作文章，有些厂家就宣称他们的纸盆能防水，从某些户外用的pa喇叭看来，应该有相当的可*度。当然，就像先前提到的，对于这类事情，我们一般人顶多看看热闹，要瞧出门道就不是那么容易了。
    另外，千万别把纸盆的悠久历史和“落伍”划上等号。若以整体音响产业的视野来看，纸质锥盆喇叭单元所占的比重稳居各类单元的首位。不信瞧瞧你家的电视、手提收录音机、床头音响、计算机……等等，是不是大部分都采用纸盆单元的小喇叭？你说，嗐！这些东西怎么能跟我的高科技high-end喇叭相比！但换个角度看，若这些“次级品”都换用非纸盆单元，保证更难听，而且更贵。这是因为纸盆这种材料可说已经发展得相当成熟，所以能够获得很好的成本效益比。再者，更有许多经得起时间考验的传奇老喇叭和超级制作的新世代霸主都有纸盆的身影：we/altec
    755a全音域、goodman axiom　80全音域、altec a5/a7、ar3a、lowther全音域、tad……等等族繁不及备载。一些热爱此道的资深玩家更是直接了当的说：“给我纸盆，其余免谈！”很多人也认为，将纸盆的制作称为科学还不如说是一项艺术，足见其引人入胜之魅力。
塑料振膜
    因石化工业的发达，在我们日常生活环境中便随处可见塑料制品，低廉的原料和加工程序简便自然就获得了各种产业的青睐，其中当然也包括音响工业。
    这里说的塑料振膜，是指用塑料射出成型或其它方式做出的一体成型锥盆，最常用的材质应属聚丙烯（polypropylene，简称pp）。这种pp材质，我们最常接触到的应该就是微波炉用容器和保鲜盒一类制品，都是属于射出成型的。另外，常用于各类纸箱外加强用，黄色或灰色的打包带也是由聚丙烯纤维制成。由此我们可以体认到一件事，这种材料实在是非常的强韧。多数高分子聚合物的物理特性便是韧性特强，因为分子结构巨大且排列不规则，所以机械能在其中传递时会很快的被吸收消耗，阻尼特性很好。这项优点和纸盆类似，就是高端的滑落很平顺，除了听感上柔顺自然外，能够使用低阶、简单的分音器也是一项利多。我们可以从许多欧系二音路小喇叭上感受到这些良好的特质，
    proac所采用的6.5吋透明pp振膜的scan中低音单元，就可称之为这类单元当中最佳的典范。
    然而，相较于其它振膜材质，pp的刚性不甚佳，质量也较重。虽然用保鲜盒往脑门上k下去是很痛，但并不表示它在微观的高速小范围运动下就有很好的刚性，而这样的工作条件才是我们在单元振膜选用上所在意的。
    pp材质较弱的刚性造成了高速微动作时（高频段工作时），音圈发出的动能无法完全且一致的传达到整个振膜，也就是发生了“盆分裂现象”。虽然有良好的阻尼止住了盆分裂共振，但毕竟已无法作完美的活塞运动，失真率相对提高，听感上便是柔顺有余，解析力及动态却不足，有些以8吋pp振膜中低音单元为基础的二音路喇叭，
    会在中音到中高音域容易出现迟缓呆滞的症状，病因便在此。若在低音部份不要太贪心，选用较小口径的单元，便可在某种程度上减轻这样的问题。因为雪上加霜的是在大面积下要做到足够刚性所需的厚度相对较大，整体质量便水涨船高。所以，另一方面你也找不到高效率喇叭是采用pp振膜的单元。
    虽不像纸盆那样有吸水气的问题，但pp振膜会有随温度改变特性的倾向。幸好这点应该不至于困扰我们，因为就像纸盆和湿度的问题一样，这样的变化应属缓慢而渐进，就别太担心了！
    综观以上，pp好象因为刚性较差和质量较高的关系而不适于制作振膜，其实应该说是看我们如何在诸多妥协下作取舍了。就像前面提到的scan单元，虽然用上被我批评得很惨的pp振膜，但一样还是可以做出很成功的产品，整体表现一样很出色。
    或者，更积极的作法是对这种材质加以改良，也就是以pp为基础，再混入一些添加物，以加强其刚性。这个动作的确能带来一定程度的改善，使得制作出来的单元在动态、失真率、细节表现，和发声效率上都有不同程度的进步。如dynaudio和infinity/genesis都有采用此类处理的单元，虽然混入的添加物和制作方式不尽相同，但成效都颇明显。
    另外，既然石化原料和射出成型是这么的方便，所以当然有人会开发不同于pp的新材质，如bextrene、tpx，或neoflex的材质，其化学成份不详，虽看起来和pp很像，但这些材质的较佳刚性和较低质量能带来更好的动态及解析力，你应该能从各家喇叭的广告和型录上看到上述的材质，不妨有机会时验证一下。
金属振膜
    既然刚性较弱会导致动态和解析力的缺失，那么利用高刚性的金属材质来制作振膜，应该会得到很好的效果才对。若不谈号角喇叭用的压缩驱动器，一般能看到用于直接放射的中音或低音单元所用的金属材质，应属铝金属或其合金产物为最多，最大的优势便是刚性很强在一定范围的工作条件下不会变形，其结果便是很低的失真和很好的细节解析力。但是刚性强的另一面便是内损低，就像我上次提过的“一指蒋”高音一样，能量不会被振膜材质本身吸收，所以发生盆分裂时会有很明显的共振峰出现在频率响应的高端，若不妥善处理，就很容易出现“金属声”。
    所谓妥善处理，首先可以在分音器的设计上尽可能将此共振峰压制，也就是把共振峰安排在滤波的截止带或以外，让进入单元的讯号不要含有会激起高频共振的频率，于是共振峰便会被分音器所“隐藏”起来，我们就不会听到金属声了。为达此目的，通常必须要采用至少二阶以上的分频斜率，才能有效滤除；若用一阶，斜率太缓，不足以有效压制。若再把分频点往低端移动，又会牺牲掉可用的频宽，这样的作法不太健康。因此，高阶分频和慎选分频点是采用金属振膜单元所必须特别注意的。
    或者，相对于消极的避让，也可积极的改进缺点，那就是加强振膜的阻尼：三明治夹层结构、涂布阻尼物都是不错的方式。市面上这类的产品已经愈来愈多，其中也不乏相当成功的例子，如上一期“彻底研究”介绍的elac，或是声音和价钱都很高贵的瑞士ensemble。
    除了高频共振不好对付之外，振膜重量是另一项不利因素。因为成本的关系，还没见过用钛金属制作的中音单元。所以，金属盆的中音或低音单元虽可在强劲驱动下表现出色的动态，但整体的发声效率事实上还是偏低，一般需要较大的功率来伺候。
合成纤维材质
    历来似乎最先进的材料都会先用在杀人武器上，真是好斗成性的人类之最大悲哀，要是拿来用在音响上让大家聆赏音乐，岂不是一片祥和？在硼碳纤维及蜂巢式三明治结构应用于战斗机上获致极佳成效的多年以后，才有人将这类的材料用在音响上。
    既然是航空级的材料，当然就兼具了质轻和高强度的双重优点，可以做到比纸还轻，刚性比金属还强，而且强度不只超过铝很多，甚至还高过钢铁（注2），用来制作喇叭单元的振膜应该是再理想不过了！所以各家制造kevlar或碳纤维单元的厂家，无不用力的标榜其高刚性、低质量、还有高阻尼的特性。前二项优点是成立的，但自体阻尼这一项则要视条件而定，并不一定就比较好。
    这是指其它的成形方式所能得到的最佳成果，并不是指薄薄的单元振膜可以会你家的菜刀还硬，至少目前还做不到。）
    若没有妥善处理，这类高刚性的人造纤维会和金属盆面临类似的问题，也就是高频盆分裂共振。虽不至于像金属振膜那么严重，但这个盆分裂共振的确存在，也轻易地达到扰人的程度。在没有妥善处理之下，听感上容易造成硬质的中频上段和高频下段，更厉害些便开始刺耳了。我在几年前曾读到一篇器材评论，其中主笔对kevlar中音的表现便是颇有微词。
    在加强阻尼处理（如三明治夹层或涂膜等），加上适当分频的条件下，这类单元就能够展现非常好的细节解析力、停动自如的瞬时响应、极佳的大动态及微动态，而且这些好表现只需一点点的功率。如focal的audiom 7k，采用kevlar及聚合物发泡三明治夹层振膜加乳胶涂布，效率可达98db/w，即使稍逊于audax纸盆的100 db/w，也算表现相当突出了（注3）。
    比较一下这二个单元的资料，发现focal audiom 7k的磁铁明显较大（1132g vs. 880g），振动部分质量也较低（7.3g vs. 9.1g），结果发声效率还是比“火力”较小的audax低，可见其它环节如悬挂顺服性、磁路系统的设计、音圈、振膜形状……等还是有许多的学问和妥协。）
     在较常见的carbon和kevlar fiber单元制品以外，另有一种特殊的人造纤维振膜在数年前问世 ─ had（high definition aerogel），由audax所推出，使用压克力聚合物凝胶和多种合成纤维（包括carbon及kevlar）所制成（注4），特性表现极佳，由测量上可看出非常好的瞬时响应，失真极低，同时又能得到平滑的高频滑落特性，完全没有出现高频共振峰，目前的制成品虽在发声效率上不如纸盆或kevlar，但应该是磁路系统的设计企图心造成的差别，而其它项目的实力确也不容小觎。
    swans请来stereophile名主笔martin colloms所设计的三音路allure便采用了此种单元，我自己的短暂聆听经验是轻松自然有如上好的纸盆单元，解析力及动态表现又更加的现代化，听不出任何不良的僻性，称得上是非常成功的单元设计（当然，系统整合得当也应记一功）。
    这种凝胶与纤维的混合制程非常特殊，从制程的初期到完成，凝胶的体积会缩小至原来的十分之一。更妙的是，在此过程中聚合键结的长炼状分子会顺着事先加入的纤维而成长，所以其分子排列方向是可控制的，极佳的刚性和自体阻尼便由此而来。）
其它材料
    其实，除了上述的四大类材质外，其它还有很多质轻强度佳的材质皆可制成喇叭振膜，如玻璃纤维、赛璐络纤维、石墨纤维、电木、丝质纤维、发泡聚苯乙烯、各种发泡塑料，以及真空烧结精密陶瓷……等，其中许多材料都大有可为，有些适于做高音，有些适于做中音，有些适于做低音，有些高中低音皆宜，各擅胜场。
    甚至还听过在日本有人研发出一种利用某种特殊的植物（就是霉菌啦），顺着设计好的模子，“长”出一个锥盆来！据称其发声之自然超乎任何材质。不过，我想这样的逸品应该是很难导入量产，因为成本实在太高（时间成本）。