2009/09/29發表,已被閱讀 69,057 分類:原廠故事
Jim Thiel時間相位的先驅者 U-Audio編按:本系列報導為2005年Thiel原廠專訪

時間相位對聲音會造成影響,到今天已經是音響迷耳熟能詳的事實,不過在1977年Jim Thiel創業的時候,其實並不是普遍受到重視的觀念,不過在Thiel身體力行,提倡「時間相位一致」的設計觀念,並且推出如CS3.6、CS5、CS7一連串受到全球讚譽的經典喇叭後,「時間相位一致」也和Thiel劃上了等號。

1977年開始的傳奇

即使Jim Thiel是「時間與相位一致」的提倡者與先驅者,所謂「Coherence Source」,意義就在此。Jim並不是從創業之初就清楚知道Thiel發展的道路,但他很快的就釐清思路,提出長期堅守的設計理論。他從小就是個喜歡研究的人,所以即使他是Thiel的共同擁有者,但他卻比較喜歡首席工程師與設計師(Chief Engineer/Designer)的頭銜。

Jim在1977年推出Model 1喇叭時,其實還沒有把時間相位當作一回事,他知道自己設計的喇叭能夠發出好聲音,所以就在自家車庫動手搞起來,找朋友當起業務員拿來賣,沒想到創業才開始一年,竟然還賣得不錯。從此Jim就以位於肯塔基州列辛頓市(Lexington, Kentucky)作為根據地,逐步開展Thiel在全球的事業版圖。

Thiel最主力的兩聲道產品:CS系列。

通常賣得好的新產品,客戶的意見也特別多,希望原廠能夠推出更新、更好的產品,初試啼聲的Jim賣得不錯,同時也獲得許多經銷商的意見。他心裡面開始認真而嚴肅的思考,究竟要如何才能讓產品在技術上和一般市售喇叭有所區隔,建立Thiel能放諸四海皆準的理論基礎?於是,他在1978推出了Model 3,成為Thiel第一對使用「時間相位一致」理論設計的喇叭。

Model 3奠立設計理論基礎

時間與相位一致到底是怎麼一回事?在我們聆聽從20Hz~20kHz的聲音頻寬當中,聲波行進的速度其實並不相同,頻率較高的高頻因為波長較短,行進速度較快,而低頻因為波長較長,行進速度也比較慢,所以,當20Hz~20kHz頻段的聲波從喇叭發聲時,高頻到達耳朵的時間,會比低頻稍快些。有些人會說聲波行進速度以經是「音速」,在一般聆聽環境當中,聲波到達人耳的時間差極短,甚至不到千分之一秒,如何分辨得出聲音時間差?所以,早期對於「時間延遲失真」(Time Delay Distortion)的理論,並沒有引起廣泛的注意。

Model 3究竟有哪些特點?第一、Model 3首先採用了傾斜式前障板設計,讓高音單體向後傾斜一些,而喇叭單體排列時,中心點採一直線排列;第二、採用一階分音(6dB滾降),取相位失真最低。Model 3所採用的設計原則,成為日後所有Thiel喇叭遵循的準繩,也建立了Thiel最核心的理論價值。

圖左:Jim搬出CS2.4的前障板,三層MDF板組合後削切出斜面。圖右:將前障板傾斜,可以獲得機械上的時間補償,讓高、中、低頻聲波到達時間一致。

音響迷對Thiel喇叭最深刻的印象可能是後傾的前障板,不過單體中心呈一直線排列和傾斜的前障板是連根生的設計,如此才能符合時間一致的聲學物理特性。我們說過,時間不一致產生的原因是高頻跑得較快,而低頻稍微來的慢些,但是在一般在距離喇叭幾公尺以內的聆聽條件下,其實到達的時間差異非常的小,因此將前障板向後傾斜,位於上方的高音與中音單體就相對後退了一些,藉由些許的發聲點距離差異,補償由於高音與低音速度不一致的差異。

採用一階分音

這是CS7.2所使用的分音器,即使採用元件最少的一階分音,CS7.2的分音器依然尺寸龐大,並且使用優質的空芯電感。
光是藉由前障板後退,並不足以解決Jim所發現的時間與相位飄移,他發現分音器同樣會引起相位差異,而越多階分音的設計,越容易引起相位差。讓我們複習一下喇叭分音的設計,全頻段發聲的喇叭要負責20Hz~20kHz的頻率再生,但是單一只喇叭單體幾乎不可能達到這麼寬的頻段,因此設計高、中、低頻段的單體,負責各個頻段的音樂再生,也產生了分音的需求。高、中、低音單體各自會在其負責頻段內擁有平直的頻率響應,但是都會在特定頻段開始衰減,而衰減的斜率各自不同,所以需要使用分音器來控制衰減的斜率,讓高、中、低音的頻段可以銜接。如果分音器以6dB的斜率衰減,我們稱為「一階分音」,依此原則,我們可以設計12dB、18dB、24dB的衰減斜率,分別是二階、三階與四階分音。

通常越低階的分音器,引起的相位誤差越小,但我們還是可以看到許多喇叭製造者喜歡使用多階分音,譬如JBL和Revel都強調四階分音是最好的解決之道。一階與四階分音大概可以看做天平的兩端,各自有其優點。一階分音的結構簡單,一只電容加一只電感就構成一階分音,元件少,相位失真少,但是頻段的銜接因為滾降斜率和緩,單體的性能經常影響頻段銜接的順暢程度。相對的,四階分音元件多,相位失真較大,但是因為陡峭的分頻斜率,單體之間的誤差影響較小,各音路之間的頻段銜接也可以比較準確。無論是一階分音或是四階分音,兩者各有優缺點,但是在Thiel的理論當中,自然必須採用相位失真較少的一階分音。

以真實為最高標準

Jim表示在設計與製作喇叭27年的時間當中,他的理想就是製作出能發出最接近真實聲音的喇叭,所謂的真實,是把所有訊源當中儲存的訊號,完全轉化為聲音的意思。這個定義非常明確,就是達到忠實無染的訊號轉換。Jim說:「有些人未必喜歡精確真實的喇叭,他們說這樣的喇叭缺乏音樂性。但是,對我而言,能夠真實轉換音樂訊號的喇叭,才能夠把錄音當中的精髓表達出來,怎麼會沒有音樂性?」在音響迷追尋各種好聲器材時,Jim的這段話值得玩味。

不自我吹噓的課程

Jim為了自行製作Thiel單體,實驗了各種材質的振膜,最後選擇鋁質振膜,取優秀的頻率響應與穩定的工作品質。
Thiel對於我們一行人的參訪,特別安排了兩天的課程,第一天從理論解說、工廠巡禮到實際試聽,第二天則安排了超低音的課程,行程排得滿滿的,但是我相信同行的每一位成員收穫都很大。Jim並沒有天馬行空的吹噓產品,而是訴諸理論與實際,一步步引導我們進入Thiel的世界。在這篇文章當中,我們只簡單歸納關於喇叭設計的理念,也就是第一天我們在Thiel的課程,然後從Jim的專訪當中,向大家報告設計的細節。

身為所有Thiel產品的首席工程師,Jim親自講授關於喇叭的設計理念。在他的觀念當中,優秀的喇叭必須滿足至少四大要素,包括了:
1. 音質的傳真(Tonal Fidelity)
2. 活生感的傳真(Spatial Fidelity)
3. 暫態反應的傳真(Transient Fidelity)
4. 動態的傳真(Dynamic Fidelity)


在Jim發展Thiel喇叭的歷程,念茲在茲的就是想辦法滿足上述四大要素,發展相對應的技術。這四項對喇叭的要求,可以拿來衡量所有的喇叭產品,並不限於Thiel,但是Jim清楚的釐清設計上所要處理的問題,並一一提出Thiel的解決之道。您也可以用Jim的標準來評估其他品牌的喇叭,看看他們有沒有自己的一套方法。

讓我們分別敘述這四項標準的內涵。首先,所謂「音質的傳真」用最簡單的話講,就是大提琴不能聽起來像小提琴,平台鋼琴不能聽起來像電鋼琴,每一種樂器與聲音的質地,都必須正確而傳真的表達。而「活生感的傳真」,代表清晰的音場重現、聲音定位樂器的形體感等等。至於「暫態反應的傳真」,可以用清楚重現各種音樂訊號的強度來解釋。最後一項「動態的傳真」,則是對於大小音量的對比表現,要能輕鬆且毫無壓縮地重現。

這四項目標各自有相對應的技術需求,Jim在技術白皮書當中條列出其相互關係:

設計優秀喇叭的技術需求
1. 音質的傳真(Tonal Fidelity)
精確的頻率響應,避免強調或減低音樂頻段當中的任何一個部分
無頻率共振的單體與音箱,免除不必要的音染

2. 活生感的傳真(Spatial Fidelity)
點音源、單指向性聲波輻射
精確的時間一致
消除音箱繞射
全頻段寬闊的能量散發

3. 暫態反應的傳真(Transient Fidelity)
相位一致以表現真實的音樂暫態
非常低的能量儲存以清晰重現音樂的細節

4. 動態的傳真(Dynamic Fidelity)
高輸出能量
低失真

Thiel自行設計與製造的同軸單體分解圖。

而要滿足以上的技術需求,喇叭設計的目標包括:

1. 非常一致的頻率響應
2. 精確的時間響應
3. 精確的相位響應
4. 低能量儲存
5. 低失真

針對上述的技術需求,Jim發展了一系列的技術,也就是Thiel自己的一套模式,來達到優秀喇叭的設計目標,包括了六大重點:

1. 完全的相位一致:使用一階分音
2. 精確的時間一致:使用同軸單體與傾斜的前障板
3. 短音圈/長磁隙的磁鐵總成,大幅降低單體運動的失真
4. 非常堅固、強硬的箱體設計
5. 前障板兩側採圓弧處理,降低音箱產生繞射
6. 採用質地堅硬的鋁質振膜,消除工作時產生諧振


以上六大設計重點,已經包括了所有Thiel喇叭的設計精華,下一篇,就讓我們從Jim的訪談當中,瞭解他如何設計心目中最理想的喇叭。

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