軟性紙喇叭音響帶著走

作者: 文/楊嘉慧 審稿/工研院電子與光電研究所經理 劉昌和 | 科學人 – 2012年1月1日 下午1:12

皮夾裡,除了放紙鈔,將來還可能裝進隨身包收音機。這種收音機是以軟性紙喇叭製成,不但體積輕薄、具可撓性,音質也不輸一般3C產品。

傳統喇叭怎麼發聲?

喇叭(或稱揚聲器)是一種將電能轉成機械能、再擾動空氣變成聲音的能量轉換器。目前最常見的喇叭稱為動圈式喇叭(或電動式喇叭),是由圓錐形的「音盆」及「音圈」、「磁鐵」等元件構成。

音盆通常是紙質、金屬或塑膠等材質,其末端連接音圈,而音圈是圍繞在永久磁鐵上的電線圈。當音圈通入電流時會產生磁場,與磁鐵發生相吸或相斥的反應。如果通入一特定頻率的交流電(電流方向不斷交替變換),例如 216 赫茲,音圈就會在一秒內受到交替 216 次的相吸與相斥力,而以 216 赫茲的頻率振動,並帶動音盆震動,進而推動空氣產生 216 赫茲的聲波。

為了達到好的音效,喇叭會外加音箱避免受到外界影響,因為聲波的繞射及干涉等現象,會使音質變混;而波長較長的低頻波,其繞射作用會增強,削弱音量,使聲頻範圍變小。由於目前技術不易做到全音頻,一組音箱通常包含高、中、低音三組喇叭,三組喇叭合起來的聲頻範圍約 20~20K 赫茲。

喇叭頻率的差異,與本身的大小及音盆材質有關。喇叭越大,越能推動足夠的空氣,低頻性能越佳;喇叭越輕薄,震動速度越快,高頻性能越好。例如12英寸的喇叭,可播放 1500 赫茲以下的聲音;1~2 英寸、以輕薄的鈹或鋇為音盆的喇叭,可播放 3000 赫茲以上的聲音。當音頻訊號傳至音箱時,會先經過具濾波功能的分頻器,接著把訊號分成高、中、低頻信號,分別送至三組喇叭,再生成曼妙的音樂送入我們的耳朵裡。

軟性紙喇叭 音響帶著走

未來 10 年,人們除了可能隨身攜帶輕薄可撓式的電子書外,把音響帶著走的軟性喇叭也可能實現。為了打造出符合未來人類的生活,工研院電子與光電研究所在 2005 年從軟性顯示器中,發想出軟性喇叭的可能,經數年努力,終於做出紙喇叭(或稱可撓式超薄揚聲器flexible speaker),並利用此技術,設計出「隨身包收音機」產品。此產品不但體積輕薄,能收進皮夾,還附有軟性太陽能板,白天只要坐在窗邊,即可收聽廣播。該項研發於 2009 年《華爾街日報》舉辦的全球科技創新獎(Technology Innovation Awards)擊敗惠普、摩托羅拉等國際大廠,獲得消費性電子類首獎;隨後又得到德國紅點(Red dot design award)的創意大獎,可說是兼具前瞻與創意的產品。

薄型喇叭也能發出巨響

顧名思義,紙喇叭主要以兩張紙為基材,上面輔以金屬薄膜做前、後電極,中間夾一層經特殊處理、可永久帶一極性電荷的震動薄膜。工研院電子與光電研究所經理劉昌和表示,當電子訊號透過音源線來到兩片塗有金屬薄膜的紙片時,假設前、後電極分別輸入正電壓與負電壓,而薄膜帶負電,則薄膜會與前電極相吸,與後電極相斥而向前電極移動;當電源訊號方向改變時,薄膜便會往後電極移動,由此形成震動,壓縮空氣發出聲音(見下圖)。市面上有一種厚數公分的薄型靜電喇叭,其發聲原理與紙喇叭基本上一樣,差別在於靜電喇叭中間的震動薄膜並非可永久帶電的駐電體,要讓它帶靜電,必須通以數百至數千伏特的高壓。

由於音量與振幅成正比,紙喇叭的厚度不到 2 毫米,薄膜震動連帶壓縮空氣產生的振幅不大,因此要達到與一般音響差不多的音量,得另想方法克服。劉昌和表示,目前紙喇叭的設計,是將多個長寬數毫米至數公分的迷你喇叭一起安裝在一個大平面上,每個喇叭震動幅度雖小,累加起來,就能產生大音量。

多個迷你喇叭組合的缺點是會使紙喇叭面積過大,因此還得從結構改良,使紙喇叭面積可以更小,並且要讓電能轉換成聲能的效率高於傳統動圈式喇叭。現在的技術已做到只要 30×30 公分就能達到與一般 3C 產品相當的音量,而且整體功耗低,可以節省不少電量。

高音頻表現亮眼

除了音量,發聲頻率範圍也關係到喇叭的優劣。劉昌和指出,紙喇叭與傳統的動圈式喇叭一樣,可以利用多組微結構不同的喇叭各自發出不同頻率,產生大範圍的聲頻。目前紙喇叭發出的聲頻範圍在 300~20K 赫茲之間,比起一般 3C 產品 300~12K 赫茲的聲頻範圍,在高頻上有更突出的表現。不過,若和頂級音響相比,還是無法發出 20~300 赫茲的低頻音,這是紙喇叭未來要努力的地方。

儘管如此,紙喇叭在市場上還是深具優勢,例如它相當耐用,具有剪斷還能使用的特色,因為它是多組喇叭安裝在一起,即使將紙喇叭剪斷,接電線的一端仍可以發聲,而剪下來的另一半,只要接上線路,也能繼續運作;若不小心將紙喇叭摺出壓痕,壓痕的那一排喇叭雖然受損,其他喇叭仍能持續工作。此外,紙喇叭的製程是一次安裝所有零件到一捲紙上,之後再依所需大小及形狀剪裁紙喇叭,如此,便可依個人喜好、用途等,設計出專屬自己的紙喇叭。

延伸閱讀

〈充耳不聞〉,菲謝蒂撰文,《科學人》2005年3月號

〈超音波浴缸物理〉,卡司塔維奇撰文,《科學人》2010年4月號

《觀念物理Ⅴ電磁學.核物理》,休伊特著,天下文化出版

《第一次買音響就上手》,易博士編輯室著,易博士出版

高三課本《物理》上冊

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【科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】

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