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文档技术

喇叭线对音质的影响到底是什么?

我是学电子学的,音乐素养很差,我都是假装听懂音乐、歌剧、交响乐,钢琴演奏,男高音、女高音。但其实我只是在玩音响设定,欣赏外观及其电路规划。由于我年轻时有设计中级音响的经验,所以自以为可以参加高阶音响讨论。
我认为要谈喇叭线的粗细、材质是否会影响音质,首先要了解什么是喇叭,什么是喇叭线,什么是扩音机,什么是阻尼系数。
喇叭是什么?
8Ω的喇叭为何用三用表量起来却只有0.1Ω?
8Ω是用 1000Hz交流正弦波测量到的。至于是用喇叭单体或装入标准音箱,有没有气垫、吸音棉,是用小信号测试,还是大音强时测试,喇叭离墙面多远?怎样设定测量条件,我发线很少资料详细谈到,也没有人音响人真的去测它,因为它们都是行业Know-How。
一般书上都说,它是线圈在1000Hz时的的交流电感抗。是真的吗?错!
 
其实喇叭在无音箱、大音箱、小音箱时,其阻抗测量值是完全不一样的,如果用手强力压住纸盆,阻抗更是大乱。所以喇叭的阻抗一定不是单纯的是线圈在1KHz时的电感抗。如果不是单纯的电感抗,那它是什么?
 
就好像偶极天线用三用表量,电阻是无限大,但是电磁波专家却说它的射频辐射阻抗是72奥姆纯电阻一样。
 
喇叭的8Ω也可看成是纯电阻,是纸盆将能量传到的空气时的辐射阻抗而不是音圈的。
Z=R+XL=8 Ω
XL = ωL = 2πfL
=2x 3.14 x1000 x ? mH=8奥姆
 
但是一个喇叭要处理20Hz至20KHz这个1:1000倍的带宽,实在是很艰巨,便分成三个喇叭:低音 20-200Hz 、中音 200-2000Hz 、高音 2000-20000Hz。
 
每一个喇叭也要处理1:10的带宽范围。但相比通常无线电射频导波管能处理的带宽1:2 ,顶多1:3,喇叭的工作实在很艰难。
 
由于音圈是个线圈,所以很多电子学专家,自然的认为它的阻抗8奥姆是来自电感抗。Z=XL=2πfL( f是频率、 L是电感值)
 
可是实测喇叭在不同频率时的阻抗会发现,阻抗曲线不是完全像一颗电感,乖乖随着频率线性变化。在某个很低的频率例如50Hz时还会突然增高到数十奥姆,而且是呈现电容抗,简单的否定了电感论。
 
喇叭会受纸盆、音箱、空气压力、密度、湿度影响。换句话说,8奥姆是它1KHz 时的声音「辐射阻抗」而不是一个简单的电感抗XL。
 
扩音机的阻尼系数
扩音机的末级输出机制就像一颗可变电压的电池,电流由晶体管节制,电力经喇叭线输出,使电流在喇叭音圈上流动,以产生磁场,磁场与磁铁互相吸斥,推动喇叭纸盆,震动空气产生声音。除此之外末级晶体也要提供阻尼,吸收喇叭音圈产生的电力,否则纸盆就会胡乱颤动,这种控制能力称为阻尼。
由于纸盆音圈有质量与弹性,音箱内的空气有气压,一旦推力结束后,纸盆就会想要弹回,此时喇叭的音圈会划过磁铁的磁力线,依照愣次定理,线圈就会像发电机一样发电。这个电力,必须由扩音机的输出阻抗来吸收控制。此时扩音机的末级晶体必须开通,引导电流,予以消耗成热量。就好像汽车的煞车,在下坡时阻止汽车冲下山坡一样。
 
所以阻尼的原理就好像用力推车上桥的人,下桥时也要费力拉住让车不要爆冲下桥,物理学家称之为消耗势能。
 
基本上阻尼就是末级晶体可以提供多少低电阻通路,让喇叭的反电动势被吸收。所以阻尼系数的定义就是喇叭的阻抗与扩音机的输出阻抗之比值。
例如喇叭阻抗8奥姆,扩大机输出阻抗是0.04Ω,阻尼系数就是200,(8/0.04=200)也就是说,0.04Ω有强大力量可以吸收电流,精密控制喇叭纸盆走动的位置。
一般的扩音机规格
 
0.01%失真值,200 高阻尼系数,是高级晶体管音响的基本功。真空管机通常失真5%,阻尼系数则只有10,质量实在很差,是超级差的,但是真空管机因为阻尼不良,控制力不足,因而产生的偶次谐波失真,却是悦耳的,听起来很温润,没有违和感。所以没有人胆敢说真空管机的阻尼不好,控制力不好,就像没有人敢说国王没穿新衣一样。
丰富的奇次谐波会形成方波,代表激烈冲撞,突然停止,剧烈转向,它可能是波浪拍打礁石,代表危险或有掠食者靠近。
所以人类听到偶次谐波失真时会很舒服。
阻尼就像汽车的煞车力一样,法律规定煞车必须要是引擎马力的十倍。扩音机也一样,阻尼至少要达到 10,只是大部分人只当它是一个神圣数目,数钞票用的,不知道为什么需要高阻尼。
知道「阻尼」的人才有资格来谈喇叭线,否则一切都是清谈、胡诌、堆砌形容词。
那些金耳朵说什么清脆、高昂、滚珠、温润、饱满。我都听不进去。我要的是可以测量的物理量。
 
喇叭线
喇叭线的直流电阻最好是零,以免耗损阻尼系数。设若喇叭线有0.1Ω的电阻,扩音机输出阻抗一样是0.04Ω,那么从喇叭看到的扩音机输出阻抗就会变成 0.14Ω,阻尼系数就只剩57 了。好好的高级扩大机阻尼系数200就被降为57。
 
0.1+0.04=1.04Ω
8Ω/1.04Ω=57
所以喇叭线里的铜线越粗越好的观念基本上是正确的,可是如果粗到直流电阻只有0.0001奥姆,意义就不大了。因为这时的串联值是:
0.04+0.001=0.0401 Ω
阻尼 8Ω/0.0401Ω =199.5
所以3公尺以下喇叭线粗到AWG 12以上就渐渐没有意义了。使用更粗的线只是浪费铜矿,增加重量而已。
 
电阻
一般喇叭线的直流电阻是多少呢?查ㄧ查电工数据就知道。
5.5平方的电线每公尺约0.003Ω
8平方的电线每公尺约0.002Ω
14平方的电线每公尺约0.0006Ω
所以三公尺长喇叭线来回共6公尺
5.5平方线电阻约0.018Ω。
8.0平方线电阻约0.012Ω。
14平方线电阻约0.0036Ω。
喇叭线加扩音机阻抗后
 
5.5平方 0.04+0.018=0.058 Ω
8.0平方0.04+0.012=0.052Ω
14平方 0.04+0.0036=0.0436Ω
 
阻尼系数
5.5平方 8/0.058 =137
8.0平方8/0.052=153
14平方 8/0.0436=183
所以乍看之下用14平方喇叭线,甚至再粗的铜线好像是有意义的。但是其实现代型低效率喇叭,阻尼系数只要 10 就够了,因为煞车力比引擎马力大10倍其实已经非常足够,再多根本无益,只是商人的宣传口号而已。
 
喇叭线的电感量与电容量
电感会阻挡高音通过,电容短路吸收高音。
3公尺的喇叭线会有100uH电感及300PF的线间电容量,在频率为20-1000Hz时这些电抗值,微不足道。但是在10KHz -50KHz 时它们就会渐渐变得很重要。倒不是因为怕阻尼变坏,而是怕高频会被移相,混淆定位感。
 
如何降低电感
 
若想要减少喇叭线的介入电感,喇叭线要尽量加粗,加粗不是增加铜线截面积喔,只要将原有铜线,拆开打松变胖即可,铜线间要有绝缘体撑开,做成多股,多股不是要防射频集肤电流,而是要产生降低电感值的功能。为何同样多的导线打松感抗就会降低呢?。
 
喇叭线间寄生电容
 
两条金属靠近就会有电容,越胖的线电容量越大,电容会损耗高频,也会产生移相,常见的平行喇叭线三公尺长时约有100pF电容量,要降低电容量很简单,只要将喇叭线割开,用筷子撑开20公分,电容量就会降到1pF以下。
所以以后你如果看见1000万元的音响,使用很高级的喇叭线,但是看来很细不胖,而且去回两条线紧靠在一起。你就可以问卖家,这条喇叭线,每公尺的直流电阻、电感、电容量各是多少。
 
传输线特性阻抗
理论上喇叭线跟射频天线的馈线一样,传输线的特性阻抗最好与喇叭的阻抗一样。才不会有反射波。问题是喇叭与天线不同,它没有固定阻抗,例如:
某高音喇叭在
 
1KHz时如果是8Ω
2KHz时通常是15Ω
4KHz时常常是30Ω
8KHz时是常常是60Ω
16KHz时是常常是120Ω
低音喇叭在
 
1KHz时如果是8Ω
500KHz时通常是4Ω
50Hz时常常是30Ω
20KHz时是常常是10Ω
所以喇叭线是要设计在
50Hz时的30Ω,还是
1000Hz时的8Ω,或是
8KHz时的60Ω。
其实都不对。
 
可见喇叭线不可能与射频传输线一样以特性阻抗来讨论。所以喇叭线不是「特性阻抗传输线」,而只是扩大机体的延伸,其导线的电阻、电感量,电容量,只能希望越小越好,无法阻抗匹配。

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