軟性紙喇叭音響帶著走

文／楊嘉慧
審稿／工研院電子與光電研究所經理　劉昌和

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。

以紙喇叭做成的隨身包收音機產品，每個收音機只能播放固定頻率的FM，聲音從正面的紙喇叭播放出來，其背面是軟性太陽能板（右邊小圖暗紅色部份），只要在有陽光的窗邊，即可隨時收聽廣播。隨身包收音機裡頭裝有海棉，可降低環境干擾。（影像來源：工研院電子與光電研究所）

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。

紙喇叭示意圖。利用交流電改變電流方向，使當中的靜電薄膜產生震動，即可推動空氣、製造聲音。（電腦繪圖：姚裕評）

　　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 30x30 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。

【本文轉載自 科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】