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解剖 喇叭线 (speaker cable)

时间:2019-10-31 10:51:08  来源:  作者:

喇叭线的主要组成部份是哪些?每一部份的功用为何?

典型喇叭线组成包括「两股铜蕊导体」、各自被「绝缘物质」包覆、互相绞绕在「填充物」中、最后在外面穿上「被覆」层。

解剖 喇叭线 (speaker cable)

导体应该要多大?

导体大小与三个要素有关:(1)负载阻抗(load impedance);(2)所需 cable 长度;(3)能忍受的功率耗损(amount of power loss)。每一项都与电压(volts)、电阻(ohms)、电流(amperes)和功率(watts)之间的关系有关。这些关系被称做「奥姆定律」(Ohm’s Law)。

喇叭线的工作在将大量的电流从扩大机输出搬到喇叭系统,电流量以 amperes 来度量表示。与乐器(instrument)cable 和 microphone cables 不同的是,它们只承载很小的电流量,约几 milliampere(千分之一 ampere) 而已,要驱动喇叭所需电流就大的多了。例如,一个 8-ohm 的喇叭,以 100-watt 扩大机驱动,会拉走约 3-1/2 ampere 的电流。相对地,600-ohm 输入以 line-level 输出驱动,只会被拉走约 2 milliampere 的电流。扩大机的输出电压,除以负载阻抗(ohms),决定了多少电流被负载 “拉走” (pulled)。

电阻限制电流流动,降低电阻会增加电流量。假如扩大机的输出电压恒定,递送到 8-ohm 喇叭的电流,会是送到 16-ohm 的两倍;送到 4-ohm 的电流则会是 16-ohm 的四倍。负载阻抗减半,负载电流加倍。例如,两个 8-ohm 喇叭并联,会较一个时拉走两倍电流,因为并联使负载阻抗变成 4-ohm(一半)。

(为了简单,这里我们将「电阻」与「阻抗」的名词交互应用。实务上,一个名义上阻抗 8-ohm 的喇叭,可能会有一个音圈直流电阻(voice coil DC resistance) 约5 ohm,和一个交流阻抗曲线(AC impedance curve),从 5 ~ 100 ohm,随喇叭的频率、构成型态、环境的声音负荷而变。)

电流对喇叭线导体的要求有什么影响?

记住一个简单的事实:「Current needs copper,volatge needs insulation」。打个比方,如果电子是水,电压就像系统里的「压力」,而电流就像水的流量。即使水龙头是关着的,里面的水没有流动,它还是存在着一个压力。同样的,不管有没有电流,电压始终是存在着的。电流是电子在不同电位的两个点间移动形成,所以越多电子需要移动,就需要越大的导体(电子水管)。在 AWG 系统中,每递减 3 个号数,导体截面积加 1 倍;13 AWG 导体的铜是 16 AWG 的两倍,而 10 AWG 的铜量是 13 AWG 的两倍,依此类推 …

解剖 喇叭线 (speaker cable)

但是功率扩大机的输出是以 watts 度量,电流跟它有什么关系?

奥姆定律说电流(ampere)x 电压(voltage)= 功率(watt),所以如果电压不变,功率直接与电流成正比,电流大小由负载阻抗决定。(这就是为么当负载阻抗由 8-ohm 降到 4-ohm 时,功率扩大机要送出约两倍的额定输出。)简单说,4-ohm 负载导体需用的铜,是 8-ohm 负载所用的两倍,假设到喇叭的距离相同。2-ohm 负载所需铜量就是 8-ohm 负载的四倍了。解释这一点,就引出下一个常被问到的问题:

在对性能表现产生影响之前,喇叭线可以有多长?

丑陋的事实是:任何长度都会减低喇叭线的性能与效率。就像乐器 cable 里的并联电容,mic cable 中的串连电感效应一样,喇叭线连接,多少会降低信号质量,而喇叭线越长,情况就越差。最明显的负面效果,就是扩大机功率的浪费损耗。

解剖 喇叭线 (speaker cable)

Cable 如何浪费功率呢?

铜(copper)是一个非常好的导体,但并非完美。它还是有一些电阻,主要来自于截面积(以及杂质和温度)。此种导线电阻被扩大机输出「看」作是负载的一部分;假如 cable 有 1 ohm 电阻,连接到一个 8-ohm 喇叭,从扩大机看会当作是一个 9-ohm 的负载在那里。因为增加负载阻抗会降低电流、减少功率传递,只要增加一点 cable 的串连电阻到负载,我们就会损耗一些扩大机输出的功率了。此外,既然 cable 被当作负载一部分,传送到负载的功率,有一部分会被 cable 以「热」的型态消耗掉。(这也是电热器的工作原理。)

奥姆定律让我们能够从横跨「已知阻抗」两端的「已知电压」,计算出其中电流;也可以在「已知电流」的情况,告诉我们负载两端(或一部分)的压降。这可以很方便地用全部功率的百分比来表示。

解剖 喇叭线 (speaker cable)

如何可以让功率损耗减至最低?

有三个方法可以让喇叭接线功耗减少:

首先,Cable 接线电阻最小化。用大一点的导体、避免不必要的接头、确认机械连接干净牢靠,以及焊点滑顺明亮。

第二,接线长度极小化。Cable 电阻与长度成正比,所以 cable 越短,电阻越小,功率传送越多,扩大机放置实质上要尽可能靠近喇叭。(情况好的话,与 line out 连接的信号损失有机会降至可忽略的地步。)20 呎 距离,别用 50 呎 cable 来连接!

第三,负载阻抗极大化。当负载阻抗增加时,它占有全部阻抗很大的比例,能相对地同比例降低接线电阻所占的百分比。避免雏菊花环式的喇叭连接,因为并联方式会降低总负载阻抗,功耗百分比将大幅提升。理想状况是每个喇叭一对线,从扩大机分别连接起来。

喇叭线长,真的会降低扩大机的性能吗?

喇叭接线引起的电阻 / 阻抗,对扩大机的阻尼系数(damping factor)有很明确的影响。阻尼(damping),扩大机控制喇叭动作的能力,在具冲击性低频节目演出的器材如:脚踩大鼓、bass 吉他和定音鼓等,特别明显。干净、「结实」的 bass,是好阻尼呈现的参考指标。模糊不清、软趴趴的 bass 是阻尼不好的结果:喇叭原本被设定该有的动作,但是扩大机无法实时让它停止,精确跟着波形运动。最终,阻尼不好将引致振荡,摧毁喇叭。

解剖 喇叭线 (speaker cable)

「阻尼系数」(damping factor)是喇叭阻抗除以扩大机输出阻抗的一个商数。超低输出阻抗例如约 40 miniohm 左右,在现在的直接耦合晶体扩大机中常见,所以 8-ohm 负载的阻尼系数通常会标示在 100 ~ 200 之间。不过,这些规格是在测试台上,以一个无感假负载直接连接到输出端取得的。在真实世界里,喇叭会将 cable 连接电阻视作输出阻抗的一部分,扩大机输出阻抗因而增加。即使只考虑 cable 中的 DC 直流电阻,也会大大降低了阻尼系数。如果将 cable 上的 AC 阻抗也加进去的话,阻尼 loss 就更大了。

解剖 喇叭线 (speaker cable)

虽然管机的阻尼系数通常远小于晶体机,它们的声音还是可以藉由使用较大(粗)的 cable 加以改善。在 DC power 控制的混音台,阻尼也会影响表现,将电源线缩短,在低频的展现会有明显的改进效果。

还有其他 cable 问题会影响表现吗?

双胞胎精灵「串连电感」(series inductance)和「集肤效应」(skin effect),也是喇叭线的影响因素。串连电感和所引起的「感抗」(inductive reactance)加上「直流电阻」(DC resistance),增加了 cable 的 AC 阻抗。电感可以看成是一个随着频率增加改变阻值的电阻,因此,电感有着低通滤波(low-pass filter)的特性,渐进地(随着频率增加)把高频衰减掉。圆形导体的电感,与它的直径或大小没有关系,与它的长度也没有正比例的关联。

「集肤效应」是一种现象:圆形导体在高频时,电流会比较集中在导体表面流动,几乎像是变成一个中空的管子。这会使得导体高频时表面电阻增加,也会带来显著的相位偏移(phase shift)。

两个凑在一起,会形成多种动态、时间关联的信号失真,这些很难用简单的正弦波形来量化测量。当复杂波形的和谐架构被改变的时候,那种立即、临场的感觉就会减少。人的耳 / 脑组合是难以置信地的敏感,能够察觉出这种相位失真的效果,不过通常需要实时的AB test ,直接做比较才好辨识。

要怎么对付这些问题呢?

喇叭线奇奇怪怪的设计数量多到惊人。其中有同轴,加两个绝缘的螺旋式遮蔽(spiral shield)好像当导体使用;四芯导体,两芯当「正」,两芯当「负」;zip-cord 用特级的“rope-lay”导体与表层被覆;多导体,据说用大的导体给低频、中的导体给中频、细小导体给高频;4 AWG 熔接 cable;用多个绝缘导体,编织成扁平 cable;以及许多其他的。这些大都是以使用多导体来对付电感问题,和把导体变小来对付集肤效应。

许多秘传 cable 非常贵,它们可能只比一般普通的绞线对 cable,提供好一点的表现,特别是在严苛的监听应用与高质量的音乐系统里。大部分情况,这种线的成本和通常伴随的组装与结构容易受损,严重限制了它们的实用性,特别在可携式场合。简单说,太贵、太硬难使用,基本上不是为耐操设计的。不过在声音上,用开放心情去听,是可以忍受的;其中差异可以是非常大的。

电容问题会影响喇叭线吗?

喇叭电路极低的阻抗设计,使 cable 电容在整体表现上,影响非常次要。在早期的晶体扩大机,高电容性的负载(如大型静电喇叭系统),会造成输出晶体管爆裂或其他问题。不过,热、短路、高电感性负载、简陋电源供应设计,也会造成同样的状况。

因此,绝缘介质的使用,就不像高阻抗设计的乐器 cable 那样严苛要求。喇叭 cable 最主要的绝缘考虑因素,大概是耐热性(heat resistance),特别是因为受限于常用接头的尺寸,例如普遍可以看到的 1/4 吋插头,严重限制了 cable 的直径大小。这需要绝缘被覆薄、但是坚韧,能禁得起大量铜带来的高温,甚至到达焊接时的温度。Polyethylene(聚乙烯)容易被融化,热固型材料如橡胶(rubber,neoprene)贵又不可预测。考虑到壁厚,PVC 便宜又可以多种方法混合,加强收缩阻力与弹性,让它在多数应用上变成一个好的选择。

为什么喇叭线不需要遮蔽?

事实上有一些情况下喇叭线是需要遮蔽的。某些区域有着极强的 radio frequency interference(RFI),喇叭线会变成天线,接收到不需要的信号,从输出晶体管进入系统。当喇叭线和 mic cable 需要长距离靠近的场合,例如 cue(片场信号)要被送进录音室,采用遮蔽喇叭接线是一个好主意,等于是一个保险,避免串音进入麦克风线。在绝大部分的场合,超低阻抗与喇叭信号的高电平输出,使 local 的干扰影响不那么重要了。

为什么我不能用有遮蔽的乐器 cable 连接扩大机与喇叭,假如接头适合的话?

在走投无路的情况下,你可以这样使用。不过,小的导体(通常20 awg 居多),对电流有很大的电阻,在极端的状况下,会发热、高温甚至融化绝缘物质,使导体与遮蔽短路,或者融化变成断路(open),这会摧毁一些真空管扩大机。长距离的同轴 cable,会有很大的电容,可能足以搞乱扩大机的保护电路,造成不合时宜的当机。当然还有因为 cable 的高阻抗,导致的功率损耗和阻尼下降。

本文译自 Pro Co Sound 的 “Cable Anatomy:Understanding the speaker cable”

来自xuite



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