超薄扬声器的研发
小幡所长没演奏过乐器,但拥有卓越的绘画才能,尤其对素描的擅长到了令人吃惊的程度。有很多次,他将大脑中浮现出的灵感绘成设计草图,于是就成了产品研发的起点。
“今后电视机会变薄,到那时,扬声器也必须变薄。在变薄的同时,还必须再现演奏厅里管弦乐齐奏瞬间的感觉,也就是那种扩展到整个空间的空气振动以及身体被音乐环绕的舒畅感。”小幡所长说道。
之后,研究所正式开始着手研发超薄型扬声器。小幡所长通过草图描绘的超薄型扬声器尺寸为:高、宽各一米,厚度仅五厘米。按照当时的标准来说,传统观念的高性能高保真扬声器就是“大而重的四方形箱子,价格昂贵”。
然而,他提出的却是一个难题:即使变薄也能实现类似演奏厅那样的空气振动,播放出丰富的重低音和真实的临场感。
请想象一下乐器形状,那样可能更好理解。同样是弦乐器,偏小的小提琴适用于发出非常高的声音,而大到演奏者必须站起来才能拉的大提琴则发出非常低的声音。
扬声器的原理也是一样。为了更好地发出低音,就需要较大的“箱子”。
但这次的任务是,要让厚度五厘米的扬声器发出演奏厅里那样丰富的低音,当时我们都认为这项任务太不现实了。
就这样,我们开始挑战研发前所未有的超薄型扬声器。
一共有八个人参与了超薄型扬声器的研发,大家分别负责基本设计、材料、外部装饰等方面,我的职责是音质评价。一方面,我非常感谢公司让我这个新员工负责决定音质,另一方面也感受到了巨大的压力。
音响研究所里有几个非常有意思的房间。其中一个就是高性能无音室。通过设计,使声音完全不能发出声响,所以这个房间被用于测量扬声器等的物理特性。整个房间的墙壁是以浅绿色玻璃棉(用玻璃纤维做成的棉状素材)做成的楔形防音材料构成的,一有什么声音,该墙壁当即就可以吸收掉。而无音室旁边有一个大型残音室,这房间会将作响的声音持续留存三十秒。
此外,还有一个特别的实验录音室。它采用的是高标准正规设计,正规得像唱片公司的录音室那样。研究所当时也做Technics的电子乐器(Technitone)的音源研发,所以还拥有作为音源的施坦威大钢琴以及专业演奏家用的高价组合鼓等乐器。
此外,还有与收录录音室相邻的混频录音室,里面配备有由海外制造商制造的拥有数十个频道的调音台、卷盘磁带、监听功率放大器等设备。评价声音时,我使用过这边的录音室。
我的工作内容之一就是使用这些测量室或录音室,测量扬声器样品所发出声音的物理特性,进行试听,并创造条件提升音质。在研发高峰时期,我每天都不能离开这些房间。
超薄扬声器的研发大约持续了一年半。
为了使五厘米厚度的扬声器发出演奏厅里那样的空气振动以及丰富的重低音,我们最后发明了“大面积振动板”这一世界最新技术。将发低音的振动板面积扩大,做成平板。为了使这个表面积很大的振动板不扭曲变形,并准确运转,我们设置了四个驱动点(磁石·声音线圈)。通过这种方式,用最低限度的动作就可以获得充分的音压。
在此过程中,我们尝试着运用了各种原理。
五十七页的图是扬声器发出声音的机制。首先,声音的电子信号被发送至由磁石S极和N极形成的磁场线圈内,产生一个力。然后,这个力产生的振动会通过振动板放大,从而使空气振动产生声音。
我们的耳朵通过鼓膜将空气的振动作为声音进行识别。这个振动是沿着空间传播的波(波动),其周期被称为波长。高音波长较短,低音波长较长。
音响设备的剖面图
扬声器的发声原理有几种方式,其中以磁场力发声的方式比较广泛。简单来说,扬声器就是由线圈和磁石、振动板组成。(上图)声音电流经过声音线圈,通过线圈和磁石之间产生的电磁力发出声音。具体来说,从磁石中心的N极向外侧的S极流过磁力线,如果包含声音信号的电流流过声音线圈,电磁力将起作用将振动板向前推。这时就会通过振动板的震动传递声音。这个原理通过弗莱明的左手定律也可以理解。(下图)
要发出波长较长的低音,就需要足够体积的空气,因此,箱子也必须要大。
要想将箱子变薄,该怎么办呢?
于是,我想到了下面这种方式:在型号为四边长一米、厚度五厘米的扬声器尺寸中,将低音用振动板尽可能做成大的平面,即使很薄也能最大限度地确保里面的空气体积,并且使这个扩大了的平面振动板不会歪斜,可以准确地振动。
我们每天都在重复电脑模拟实验,反复讨论这个设想到底是否可行。试制也花费了大量时间和劳动力,但是模拟结果和实测值怎么也对不上。最后当所有成员都精疲力尽的时候,终于得到了这样的结果:将平面振动板的振动节点作为驱动点的垂直型四点驱动方式是最好的。
试听这个样品的声音后,我发现其声音的产生方式与此前的扬声器明显不同。声音的波面直接传到全身上下,就像在森林里被风吹拂一样,又如躺在海边被海浪拍打一般。
我心想,就是这个!于是一个人待在实验录音室里,反复进行各种测试。
怎样才能使现在感受到的这个声音可视化呢?如何才能落实到数值上面呢?用传统的规格是无法表现这种感受的。
我向资深同事表达了这个困惑,得到的建议是:“要不要尝试一下测试声音的矢量?”于是,我将传统扬声器和这次研发的平面板的音响强度(考虑到声音传播方向的声音大小)进行了测试和比较,结果,就得到了预想的效果:从平面板发出的声音笔直地轻松穿透空气,“像飞驰的箭一样”呈现了出来。
我们向成功又迈进了一大步。
我对振动板的材质也非常讲究。
为了产生美妙、强有力的声音,最后找到的材料是壳质。所谓壳质就是在螃蟹的甲壳等东西里含有的成分。著名的斯特拉迪瓦里小提琴内部就使用了混合壳质的涂料,我在调查的时候了解到它对提高音质有很好的效果。此外,表面材料则使用了用于日本传统靛蓝的染料,防止褪色的同时还提高了振动板的耐用性能。
经过一年多时间,样机的数量超过了三十件。就这样,我负责的音质评价也获得了让人满意的结果。