2013年8月8日 星期四

磁性流體喇叭介紹(上)

原文網址:SONY官網

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以較少的電力創造出高音質
在「磁性流體」喇叭中所注入的造物熱情*

SONY公司所開發出來的磁性流體喇叭可以用較少的電力重現出乾淨的音質。以下就來帶領大家一窺磁性流體喇叭的技術關鍵、誕生的經緯與開發中的秘辛。

液體?而且還是磁鐵?
~請大家一起來追尋SONY喇叭中所使用的「磁性流體」的秘密
   
Q:磁性流體是怎樣的物質?
A:所謂的磁性流體,就是含有會對磁力有反應的微粒子之液體。
   
磁性流體是由對磁力有反應的「磁性微粒子」與油類等液體、與界面活性劑等物質所構成的。打個比方來說,磁性液體就像是將鐵砂溶入油裡面所形成的物質。

磁性微粒子受到周圍的磁場(磁力)影響時,就像鐵砂會和磁鐵反應一樣,變成也會具有磁性。與鐵砂不同的地方是,鐵砂在經過長時間磁力的作用後,本身也會變成磁鐵;但磁性流體是只要將磁力移開後,就會消磁,而沒有磁性了。
       
受到磁力影響的磁性流體       

上圖是將磁鐵發出的磁場靠近磁性流體時,對其產生影響的狀態。這些看起來很讓人印象深刻的刺刺的形狀,就是沿著磁鐵的磁力線方向產生的形狀。只要改變磁力線的方向,磁性流體的形狀也可能會變得像圓球一樣。
               
           
Q:磁性流體是甚麼時候、因為怎樣的目的而被發明出來的?
A:本來是作為太空裝裡的一種填充材質而被開發出來的。       

磁性流體,是在1960年代作為太空裝等服裝中做為填充材而由NASA開發出來的。將磁鐵靠近時,就會像是被吸住一樣貼近磁鐵的磁性流體,就像是是可伸可曲的連續薄膜,對於需要彎曲拉伸變形的太空裝來說,是再適合不過的填充物了。此外,即使是在地面上,磁性流體也可應用於馬達的轉軸上。由於磁性流體可以一直和轉動軸接觸在一起,又不會像塑膠或金屬那樣會在短時間內發生大量磨耗,而能長期支撐著馬達的轉軸,而成為非常好的軸承。   
       

太空裝是由靴子、手套等很多種可以穿脫的部分所組成的。如果將磁性流體塞在各部分的接合處間隙中,就可以藉由磁場的作用使起緊貼起來達到保持密封填充的目的。

開發者專訪
實際做出磁性流體喇叭的SONY公司對音質的講究       

使用了像流體這種在音響界很難聯想再一起的材料,磁性流體喇叭能夠實現乾淨的音質與優異的省電性。在想出這種新點子的喇叭開發過程中,倒底曾遇到過多少障礙呢?就讓我們來請教一下負責開發磁性流體喇叭的田上先生與池田小姐吧。
       

(上圖左)田上隆久先生
Sony家庭娛樂與音響事業本部 音響經理
(上圖右)池田惠美子小姐
Sony家庭娛樂與音響事業本部 工程師

改變了90年以來未曾改變的喇叭構造!   

我們平常最常看到的喇叭(動態喇叭)的歷史非常悠久,其原型早在1920年代就已經登場。這種動態喇叭是由發出聲音的振動板、與振動板相連的音圈、以及圍繞在線圈周圍配置的磁路所構成的。當電子訊號流入音圈時,使音圈與周圍的磁路發生電磁作用而產生前後移動的動作,驅動振動板振動就能產生聲音。這種構造,自其誕生以來就幾乎沒有變過。

池田:磁性流體喇叭的最初開發目標是因為能提升喇叭的效率。喇叭在接受擴大機傳來的訊號而將電子訊號轉換成聲音時,其中一部份的能量不會變成聲音而是變成熱釋放掉。我們希望能夠減低這種能量轉換的損耗,而是擴大機的輸出能到達目前兩倍以上的音量。為了能提供喇叭的電力效率,首先就要想辦法減輕以振動板為首的被驅動部質量;此外為了能讓音圈更省電,也必須進行強化磁路設計等改善措施。只不過,即便將振動板改成鋁合金或克維拉(Kevlar)合成纖維等先進材料,或將磁路中使用的鐵氧體磁鐵(Ferrite)換成磁力更強的銣鐵硼磁鐵等,不管怎樣改進都很難靠這兩種方法將效率提升到可以發出原本音量的兩倍以上。                   
       
傳統喇叭的構造:最上方是振動板、由阻尼器支撐的音圈、與最下方的底座   

田上:因此我們開始注意支撐音圈的阻尼器起來。我們的目標就是在過去沒有做過太多改良的阻尼器上花心思,使被驅動部更加輕巧。我們試過將阻尼器改成以線狀的構造,也試過變更材質等等數不盡的方法來進行挑戰。然而,不管是哪種方法,其造成的輕量化效果都很少,因此也無法大幅提升喇叭的效率。
   
就在反覆試誤中,出現了乾脆不要用阻尼器而改用完全不一樣的構造來替換的靈感。這個想法是參考了硬碟的馬達中使用的流體軸承機構。就支撐被驅動部分來說,其實流體軸承和阻尼器的功能都是一樣的。只不過,使用於支撐旋轉運動的軸承中的磁性流體是否真的能夠支撐音圈的往復運動(譯註:而且是頻率變化多端的往復振動),還真是讓我們有點不安。               
試作結果九成都是失敗的,但正解就存在於剩下的10%中           

磁性流體喇叭沒有了支撐音圈的阻尼器機構,而是用流體這種完全不同的構造來替代。想要改變喇叭設計的「常識」,必須要加上替代的主意,還要從各種角度來進行檢討與驗證構想的實驗。

池田:技術開發時雖然需要理論推導,但動手實作、拿實物來試驗也是同等重要。為了瞭解磁性流體是否真的能夠維持住音圈的往復運動,就要先拿現有的喇叭來改造並且進行實驗測試。我們拿掉了手上喇叭中的阻尼器,在收納音圈的溝槽中灌入了磁性流體,就如同反掌折枝般簡單地完成了實驗機。所以磁性流體喇叭的開發真的就是直接依照靈感的形狀來開始製作的。

田上:當我們一開始聽到實驗機的聲音時,都為其乾淨的音質而吃了一驚。它真的發出了幾乎是讓人嚇一跳的聲音。也讓我們驚訝於光把阻尼器換成灌入磁性流體就能讓音色變化如此之大。

只不過,這樣的感動只有一下下而已。才不過數分間,磁性流體就從磁路的溝槽中飛散出來,然後隨著音圈和磁路接觸在一起而使喇叭無法發出聲音了(苦笑)。然而雖然僅有幾分鐘,也讓我們從實驗機中體驗到這樣的設計能發出非常棒的音質,而有了磁性流體喇叭一定可以完成的確信。
           
上圖左(傳統喇叭)上圖右(磁性流體喇叭)
少了阻尼器後,外觀上也看起來清爽多的磁性流體喇叭。這樣單純的構造也是提升音質純度的原動力。

下圖:為了展示磁性流體喇叭構造的展示模組。左側的三個小瓶中,裝的就是磁性流體的樣品。由此可知,磁性流體也有各式各樣的種類。

池田:為了讓磁性流體喇叭中的磁性流體不會被進行每秒數十次到數千次往復運動的音圈給甩出來,該怎樣在磁性流體對磁力反應的強度與阻止線圈晃動的流體黏度之間取得平衡是非常困難的工作。常常會出現明明計算上是最佳平衡解,但磁性流體卻一下就飛散出去、或者是反而使音圈的運動受限而使聲音悶住的現象。為了使每種不同的喇叭發揮出不同的個性或者配合不同的音圈大小找出最佳的磁性流體特性,我們反覆地進行實驗,使指尖與桌子周圍被磁性流體搞得一天比一天黑起來(笑)。即使如此,只要聽到磁性流體所發出的透明清澈聲音,想要完成這種新喇叭的意志就會越來越堅強。
   
池田:從實用化的角度來看,要將這樣的產品導入量產系統也是非常辛苦的事。因為阻尼器這個零件,也是喇叭組裝工程中作為音圈與磁路定位的基準零件。而且音圈與磁路之間的間隙僅有0.2mm,只要零件有歪斜或組裝中發生偏移,音圈就會和磁路摩擦起來而發不出聲音;所以在組裝時要求位置配合上必須非常細心。在磁性流體喇叭中既然少了成為基準的阻尼器,就必須想出沒有阻尼器的對應設計或花心思考慮組裝治具、以及安排組裝順序等等,唯有這些製造體制都準備好後,才能開始進行試產。然而,上了生產線所組出來的喇叭試產品竟然有90%以上都是失敗的。

池田:當時真是有點萬念俱灰啊...。

田上:雖說如此,換個角度來看,可也是有10%成功了喔。分析過90%的失敗原因與10%的成功要因,只要想追求成功的源頭,良率就一定會自己提升上去。重新檢視設計與組裝順來進行修改、反覆將問題點一個個解決後,產品良率就改善了。我想造物的原點,還是要從實際生產東西開始才對。無畏於不良品的數量而肯一個個動手實際去測試問題,才能找出光思考無法想到的問題點,我想這正才是成功的最佳源頭。
           
       
在種類逐漸增加的磁性流體喇叭前的兩人。據說在開發過程中雙方進行過不知多少次的熱烈爭執呢。