談談音響喇叭線 (麻瓜談音響)

2021-02-07 音響聯盟

音響喇叭線有講究嗎?那些誇誇談喇叭線的人,是真懂還是唬爛騙錢。到底誰是巫師🧙‍♂️誰是麻瓜。還是都是!

喇叭線在電子物理上是個什麼組件,是一條導線、一個銅塊、一個阻抗匹配傳輸線、一顆電容、一個電感、還是一個電阻?

我是學電子學的,音樂素養很差,我都是假裝聽懂音樂、歌劇、交響樂,鋼琴演奏,男高音、女高音。但其實我只是在玩音響設定,欣賞外觀及其電路規劃。由於我年輕時有設計中級音響的經驗,所以自以為可以參加高階音響討論。

我認為要談喇叭線的粗細、材質是否會影響音質,首先要了解什麼是喇叭,什麼是喇叭線,什麼是擴音機,什麼是阻尼係數。

喇叭線對音質的影響到底是....

1.有真實可測量的方法,有曲線有數字

2.真實,但是能測量的儀器尚未問世

3.是金耳朵的經驗,只供信仰不容挑戰。

4.它的質量好用料精美觀有收藏價值。

5.只是騙錢的伎倆

第2項的情況我真的碰過,30多年前,我們為了攻佔非洲市場,設計出一種叫做soft clip的電路,使同樣的擴音機,功率密度可以提升 50%,但是失真仍在規格內,當時的麻瓜耳朵及頂級的失真分析儀都偵測不出音樂中有額外的失真。

但是後來有一個金耳朵堅稱他聽得出來,其他金耳朵也陸續確認,所以國際IHD為了它,對高級音響測試增加了一個新項目,叫做「瞬態失真值」。

在沒有微電腦的時代,需要百萬級儀器才能測到「瞬態失真值」,即使21世紀的現在,能測瞬態失真的儀器還是很貴。

喇叭是什麼?

剛學電子學的時候,我問老師,8歐姆的喇叭為何用三用表量起來卻只有0.1歐姆。那個空軍通校的老師支支吾吾半天講不出一個道理。

我從原廠公布的資料了解,8歐姆是用 1000Hz交流正弦波測量到的。至於是用喇叭單體或裝入標準音箱,有沒有氣墊、吸音棉,是用小信號測試,還是大音強時測試,喇叭離牆面多遠?怎樣設定測量條件,我發線很少資料詳細談到,也沒有人音響人真的去測它,因為它們都是行業 Know-How。

一般書都隨便說?它是線圈在1000Hz時的的交流電感抗。

是真的嗎?錯!

其實喇叭在無音箱、大音箱、小音箱時,其阻抗測量值是完全不一樣的,如果用手強力壓住紙盆,阻抗更是大亂。所以喇叭的阻抗一定不是單純的是線圈在1KHz時的電感抗。如果不是單純的電感抗,那它是什麼?

就好像偶極天線用三用表量,電阻是無限大,但是電磁波專家卻說它的射頻輻射阻抗是72歐姆純電阻一樣。

喇叭的8歐姆也可看成是純電阻,而不是音圈的

Z=R+XL=8 歐姆

XL = ωL = 2πfL

=2x 3.14 x1000 x ? mH=8奧姆

而是音頻輻射到空氣時的電阻,是紙盆將能量傳到的空氣時的輻射阻抗。

但是一個喇叭要處理20Hz至20KHz這個1:1000倍的帶寬,實在是很艱巨的任務。就是分成三個喇叭,

低音 20-200Hz 、

中音 200-2000Hz 、

高音 2000-20000Hz

每一個喇叭也要處理1:10的帶寬範圍。

相比通常無線電射頻導波管能處理的帶寬1:2 ,頂多1:3,喇叭的工作實在很艱難。

由於音圈是個線圈,所以很多電子學專家,自然的認為它的阻抗8歐姆是來自電感抗Z=XL=2πfL f是頻率、 L是電感值。

可是實測喇叭在不同頻率時的阻抗會發現,阻抗曲線不是完全像一顆電感,乖乖隨著頻率線性變化。在某個很低的頻率例如50Hz時還會突然增高到數十歐姆,而且是呈現電容抗,簡單的否定了電感論。

喇叭會受紙盆、音箱、空氣壓力、密度、溼度影響。換句話說8歐姆是它1KHz 時的聲音「輻射阻抗」而不是一個簡單的電感抗XL。

擴音機的阻尼係數

擴音機的末級輸出機制就像一顆可變電壓的電池,電流由電晶體節制,電力經喇叭線輸出,使電流在喇叭音圈上流動,以產生磁場,磁場與磁鐵互相吸斥,推動喇叭紙盆,震動空氣產生聲音。除此之外末級晶體也要提供阻尼,吸收喇叭音圈產生的電力,否則紙盆就會胡亂顫動,這種控制能力稱為阻尼。

由於紙盆音圈有質量與彈性,音箱內的空氣有氣壓,一旦推力結束後,紙盆就會想要彈回,此時喇叭的音圈會划過磁鐵的磁力線,依照愣次定理,線圈就會像發電機一樣發電,這個電力,必須由擴音機的輸出阻抗來吸收控制。此時擴音機的末級晶體必須開通,引導電流,予以消耗成熱量。就好像汽車的煞車,在下坡時阻止汽車衝下山坡一樣。

所以阻尼的原理就好像用力推車上橋的人,下橋時也要費力拉住讓車不要爆衝下橋,物理學家稱之為消耗勢能。

也好像車子撞到凹洞,彈簧本來會使車體上下震10多次才停,但是如果利用油壓阻尼器將能量吸收,即可ㄧ晃就停。這種現象,物理學家用微分方程式來表達。

基本上阻尼就是末級晶體可以提供多少低電阻通路,讓喇叭的反電動勢被吸收。

所以阻尼係數的定義就是喇叭的阻抗與擴音機的輸出阻抗之比值。

例如喇叭阻抗8歐姆,擴大機輸出阻抗是0.04歐姆,阻尼係數就是200,(8/0.04=200)也就是說,0.04歐姆有強大力量可以吸收電流,精密控制喇叭紙盆走動的位置。

一般的擴音機規格

0.01%失真值,200 高阻尼係數,是高級電晶體音響的基本功。真空管機通常失真5%,阻尼係數則只有10,質量實在很差,是超級差的,但是真空管機因為阻尼不良,控制力不足,因而產生的偶次諧波失真,卻是悅耳的,聽起來很溫潤,沒有違和感。所以沒有人膽敢說真空管機的阻尼不好,控制力不好,就像沒有人敢說國王沒穿新衣一樣。

億萬年的演化告訴生物,豐富的偶次諧波會形成鋸齒波,代表和諧安全、食物、可口。

豐富的奇次諧波會形成方波,代表激烈衝撞,突然停止,劇烈轉向,它可能是波浪拍打礁石,代表危險或有掠食者靠近。

所以人類聽到偶次諧波失真時會很舒服。聽音樂就是要舒服,不是嗎?

哈雷摩託車的廣告說,排氣管是由調音師參與設計,麻瓜評論者將它說得很玄,但講不出一個真正的道理,其實說穿了,就是要調到產生大量的悅耳2、4、6、8等偶次諧波失真。

雖然漂亮的引擎聲音要靠犧牲馬力來達成,但是麻瓜對馬力沒感覺,賽車專家雖然知道,但也會體諒,因為悅耳比較重要。速度只有自己知道,但是悅耳的排氣聲,鄰居、路人會聽到。比較重要。就很像買了百萬音響,如果沒有找朋友來聽,總是缺一點什麼。就像打高爾夫球,長杆好不重要,果嶺推桿好,才能贏錢。

有趣的是,排氣管產生最大二次諧波時,通常也正好是引擎扭力最佳點。阻尼就像汽車的煞車力一樣,法律規定煞車必須要是引擎馬力的十倍。擴音機也一樣,阻尼至少要達到 10,只是大部分人只當它是一個神聖數目,數鈔票用的,不知道為什麼需要高阻尼。

知道「阻尼」的人才有資格來談喇叭線,否則一切都是清談、胡謅、堆砌形容詞。

那些金耳朵說什麼清脆、高昂、滾珠、溫潤、飽滿。我都聽不進去。我要的是可以測量的物理量。

喇叭線

喇叭線的直流電阻最好是零,以免耗損阻尼係數。設若喇叭線有0.1歐姆的電阻,擴音機輸出阻抗一樣是0.04歐姆,那麼從喇叭看到的擴音機輸出阻抗就會變成 0.14歐姆,阻尼係數就只剩57 了。好好的高級擴大機阻尼係數200就被降為57。

0.1+0.04=1.04歐姆

8歐姆/1.04歐姆=57

所以喇叭線裡的銅線越粗越好的觀念基本上是正確的,可是如果粗到直流電阻只有0.0001歐姆,意義就不大了。因為這時的串聯值是

0.04+0.001=0.0401 歐姆

阻尼8歐姆/0.0401歐姆 =199.5

所以3公尺以下喇叭線粗到AWG 12以上就漸漸沒有意義了。使用更粗的線只是浪費銅礦,增加重量而已。

電阻

一般喇叭線的直流電阻是多少呢?查查電工數據就知道。

5.5平方的電線每公尺約0.003歐姆

8平方的電線每公尺約0.002歐姆

14平方的電線每公尺約0.0006歐姆

所以三公尺長喇叭線來回共6公尺

5.5平方線電阻約0.018歐姆。

8.0平方線電阻約0.012歐姆。

14平方線電阻約0.0036歐姆。

喇叭線加擴音機阻抗後

5.5平方 0.04+0.018=0.058 歐姆

8.0平方0.04+0.012=0.052歐姆

14平方 0.04+0.0036=0.0436歐姆

阻尼係數

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平方喇叭線,甚至再粗的銅線好像是有意義的。但是其實現代型低效率喇叭,阻尼係數只要 10 就夠了,因為煞車力比引擎馬力大10倍其實已經非常足夠,再多根本無益,只是商人的宣傳口號而已。要不然那些阻尼只有5-10的真空管機要怎麼混下去。

電感與電容

喇叭線的電感量與電容量

電感會阻擋高音通過,電容短路吸收高音。

3公尺的喇叭線會有100uH電感及300PF的線間電容量,在頻率為20-1000Hz時這些電抗值,微不足道。但是在10KHz -50KHz 時它們就會漸漸變得很重要。倒不是因為怕阻尼變壞,而是怕高頻會被移相,混淆定位感。

如何降低電感

若想要減少喇叭線的介入電感,喇叭線要儘量加粗,加粗不是增加銅線截面積喔,只要將原有銅線,拆開打松變胖即可,銅線間要有絕緣體撐開,做成多股,多股不是要防射頻集膚電流,而是要產生降低電感值的功能。為何同樣多的導線打松感抗就會降低呢?。

請你去問大學教電磁學的老師,經過微分方程分析後,答案就是這樣。一般麻瓜只要相信師父膜拜師父即可,不用浪費時間去理解它。

如果不想被騙去買漂亮昂貴的原廠喇叭線的話,可以用1/100的價錢自製,方法很簡單。但是學會之後,要付我學費。並賭咒不可用來騙人牟利。

DIY超級喇叭線

你只要去光華商場,買廉價詐騙型喇叭線,也就是銅線其實很細,靠透明外皮產生光學錯覺,讓人以為銅線很粗的那種鬼混型喇叭線。然後7條用棉質膠布每隔20公分綁一圈,讓它變成3倍粗。喇叭線的電感量就會明顯降到10uH以下。電阻值也會降7倍,一舉兩得,這樣就完成了。如果不過癮,可以用50條一捆,保證高音「鮮明」「清脆」帶寬保證可達99KHz。連蟑螂的交談聲都聽得到。

但是這樣做會有一失。喇叭線間的電容量會明顯增大數倍。

喇叭線間寄生電容

兩條金屬靠近就會有電容,越胖的線電容量越大,電容會損耗高頻,也會產生移相,常見的平行喇叭線三公尺長時約有100pF電容量,要降低電容量很簡單,只要將喇叭線割開,用筷子撐開20公分,電容量就會降到1pF以下。

所以以後你如果看見1000萬元的音響,使用很高級的喇叭線,但是看來很細不胖,而且去回兩條線緊靠在一起。你就可以問賣家,這條喇叭線,每公尺的直流電阻、電感、電容量各是多少。如果老闆無法說出數字,只有告訴你,它的音質飽滿、紮實、清晰、透明.等形容詞。

你就可以拈花微笑,買一個鍍金接頭,然後慢慢移動腳步離開,路上想想我說的,回想他說的。將小朋友全部安全帶回家。切勿讓任何一個國家棟梁走失。

傳輸線特性阻抗

理論上喇叭線跟射頻天線的饋線一樣,傳輸線的特性阻抗最好與喇叭的阻抗一樣。才不會有反射波。

問題是,喇叭與天線不同,它沒有固定阻抗,例如某

高音喇叭在

1KHz時如果是8歐姆

2KHz時通常是15歐姆

4KHz時常常是30歐姆

8KHz時是常常是60歐姆

16KHz時是常常是120歐姆

低音喇叭在

1KHz時如果是8歐姆

500KHz時通常是4歐姆

50Hz時常常是30歐姆

20KHz時是常常是10歐姆

所以喇叭線是要設計在

50Hz時的30歐姆,還是

1000Hz時的8歐姆,或是

8KHz時的60歐姆。

其實都不對。

可見喇叭線不可能與射頻傳輸線一樣以特性阻抗來討論。

所以喇叭線不是「特性阻抗傳輸線」,而只是擴大機體的延伸,其導線的電阻、電感量,電容量,只能希望越小越好。無法阻抗匹配。

聽力與財力調查

年齡聽力 音響預算

5 23KHz 300元

15 20KHz 1000元

25 18KHz 1萬

35 15KHz 10萬

45 13KHz 30萬

55 10KHz 50萬

65 8KHz 100萬

75 7KHz 500萬

阿凱

2016-11-18撰

2017-11-18小部修改

2018-01-08 大幅改寫,修改舉例數字以利閱讀理解

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撰就是沒有根據亂說的

以上文字,為行文方便,數字都是靠記憶抓的,也許正確也許誤差很大,看官引用時請自行查證。

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