解剖 喇叭線 (speaker cable)

喇叭線的主要組成部份是哪些?每一部份的功用為何?

典型喇叭線組成包括「兩股銅蕊導體」、各自被「絕緣物質」包覆、互相絞繞在「填充物」中、最後在外面穿上「被覆」層。

解剖 喇叭线 (speaker cable)

導體應該要多大?

導體大小與三個要素有關:(1)負載阻抗(load impedance);(2)所需 cable 長度;(3)能忍受的功率耗損(amount of power loss)。每一項都與電壓(volts)、電阻(ohms)、電流(amperes)和功率(watts)之間的關係有關。這些關係被稱做「奧姆定律」(Ohm’s Law)。

喇叭線的工作在將大量的電流從擴大機輸出搬到喇叭系統,電流量以 amperes 來度量表示。與樂器(instrument)cable 和 microphone cables 不同的是,它們只承載很小的電流量,約幾 milliampere(千分之一 ampere) 而已,要驅動喇叭所需電流就大的多了。例如,一個 8-ohm 的喇叭,以 100-watt 擴大機驅動,會拉走約 3-1/2 ampere 的電流。相對地,600-ohm 輸入以 line-level 輸出驅動,只會被拉走約 2 milliampere 的電流。擴大機的輸出電壓,除以負載阻抗(ohms),決定了多少電流被負載 “拉走” (pulled)。

電阻限制電流流動,降低電阻會增加電流量。假如擴大機的輸出電壓恆定,遞送到 8-ohm 喇叭的電流,會是送到 16-ohm 的兩倍;送到 4-ohm 的電流則會是 16-ohm 的四倍。負載阻抗減半,負載電流加倍。例如,兩個 8-ohm 喇叭並聯,會較一個時拉走兩倍電流,因為並聯使負載阻抗變成 4-ohm(一半)。

(為了簡單,這裡我們將「電阻」與「阻抗」的名詞交互應用。實務上,一個名義上阻抗 8-ohm 的喇叭,可能會有一個音圈直流電阻(voice coil DC resistance) 約5 ohm,和一個交流阻抗曲線(AC impedance curve),從 5 ~ 100 ohm,隨喇叭的頻率、構成型態、環境的聲音負荷而變。)

電流對喇叭線導體的要求有什麼影響?

記住一個簡單的事實:「Current needs copper,volatge needs insulation」。打個比方,如果電子是水,電壓就像系統裡的「壓力」,而電流就像水的流量。即使水龍頭是關著的,裡面的水沒有流動,它還是存在著一個壓力。同樣的,不管有沒有電流,電壓始終是存在著的。電流是電子在不同電位的兩個點間移動形成,所以越多電子需要移動,就需要越大的導體(電子水管)。在 AWG 系統中,每遞減 3 個號數,導體截面積加 1 倍;13 AWG 導體的銅是 16 AWG 的兩倍,而 10 AWG 的銅量是 13 AWG 的兩倍,依此類推 …

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但是功率擴大機的輸出是以 watts 度量,電流跟它有什麼關係?

奧姆定律說電流(ampere)x 電壓(voltage)= 功率(watt),所以如果電壓不變,功率直接與電流成正比,電流大小由負載阻抗決定。(這就是為麼當負載阻抗由 8-ohm 降到 4-ohm 時,功率擴大機要送出約兩倍的額定輸出。)簡單說,4-ohm 負載導體需用的銅,是 8-ohm 負載所用的兩倍,假設到喇叭的距離相同。2-ohm 負載所需銅量就是 8-ohm 負載的四倍了。解釋這一點,就引出下一個常被問到的問題:

在對性能表現產生影響之前,喇叭線可以有多長?

醜陋的事實是:任何長度都會減低喇叭線的性能與效率。就像樂器 cable 裡的並聯電容,mic cable 中的串連電感效應一樣,喇叭線連接,多少會降低信號質量,而喇叭線越長,情況就越差。最明顯的負面效果,就是擴大機功率的浪費損耗。

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Cable 如何浪費功率呢?

銅(copper)是一個非常好的導體,但並非完美。它還是有一些電阻,主要來自於截面積(以及雜質和溫度)。此種導線電阻被擴大機輸出「看」作是負載的一部分;假如 cable 有 1 ohm 電阻,連接到一個 8-ohm 喇叭,從擴大機看會當作是一個 9-ohm 的負載在那裡。因為增加負載阻抗會降低電流、減少功率傳遞,只要增加一點 cable 的串連電阻到負載,我們就會損耗一些擴大機輸出的功率了。此外,既然 cable 被當作負載一部分,傳送到負載的功率,有一部分會被 cable 以「熱」的型態消耗掉。(這也是電熱器的工作原理。)

奧姆定律讓我們能夠從橫跨「已知阻抗」兩端的「已知電壓」,計算出其中電流;也可以在「已知電流」的情況,告訴我們負載兩端(或一部分)的壓降。這可以很方便地用全部功率的百分比來表示。

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如何可以讓功率損耗減至最低?

有三個方法可以讓喇叭接線功耗減少:

首先,Cable 接線電阻最小化。用大一點的導體、避免不必要的接頭、確認機械連接乾淨牢靠,以及焊點滑順明亮。

第二,接線長度極小化。Cable 電阻與長度成正比,所以 cable 越短,電阻越小,功率傳送越多,擴大機放置實質上要儘可能靠近喇叭。(情況好的話,與 line out 連接的信號損失有機會降至可忽略的地步。)20 呎 距離,別用 50 呎 cable 來連接!

第三,負載阻抗極大化。當負載阻抗增加時,它佔有全部阻抗很大的比例,能相對地同比例降低接線電阻所佔的百分比。避免雛菊花環式的喇叭連接,因為並聯方式會降低總負載阻抗,功耗百分比將大幅提升。理想狀況是每個喇叭一對線,從擴大機分別連接起來。

喇叭線長,真的會降低擴大機的性能嗎?

喇叭接線引起的電阻 / 阻抗,對擴大機的阻尼係數(damping factor)有很明確的影響。阻尼(damping),擴大機控制喇叭動作的能力,在具衝擊性低頻節目演出的器材如:腳踩大鼓、bass 吉他和定音鼓等,特別明顯。乾淨、「結實」的 bass,是好阻尼呈現的參考指標。模糊不清、軟趴趴的 bass 是阻尼不好的結果:喇叭原本被設定該有的動作,但是擴大機無法實時讓它停止,精確跟著波形運動。最終,阻尼不好將引致振盪,摧毀喇叭。

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「阻尼係數」(damping factor)是喇叭阻抗除以擴大機輸出阻抗的一個商數。超低輸出阻抗例如約 40 miniohm 左右,在現在的直接耦合晶體擴大機中常見,所以 8-ohm 負載的阻尼係數通常會標示在 100 ~ 200 之間。不過,這些規格是在測試臺上,以一個無感假負載直接連接到輸出端取得的。在真實世界裡,喇叭會將 cable 連接電阻視作輸出阻抗的一部分,擴大機輸出阻抗因而增加。即使只考慮 cable 中的 DC 直流電阻,也會大大降低了阻尼係數。如果將 cable 上的 AC 阻抗也加進去的話,阻尼 loss 就更大了。

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雖然管機的阻尼係數通常遠小於晶體機,它們的聲音還是可以藉由使用較大(粗)的 cable 加以改善。在 DC power 控制的混音臺,阻尼也會影響表現,將電源線縮短,在低頻的展現會有明顯的改進效果。

還有其他 cable 問題會影響表現嗎?

雙胞胎精靈「串連電感」(series inductance)和「集膚效應」(skin effect),也是喇叭線的影響因素。串連電感和所引起的「感抗」(inductive reactance)加上「直流電阻」(DC resistance),增加了 cable 的 AC 阻抗。電感可以看成是一個隨著頻率增加改變阻值的電阻,因此,電感有著低通濾波(low-pass filter)的特性,漸進地(隨著頻率增加)把高頻衰減掉。圓形導體的電感,與它的直徑或大小沒有關係,與它的長度也沒有正比例的關聯。

「集膚效應」是一種現象:圓形導體在高頻時,電流會比較集中在導體表面流動,幾乎像是變成一箇中空的管子。這會使得導體高頻時表面電阻增加,也會帶來顯著的相位偏移(phase shift)。

兩個湊在一起,會形成多種動態、時間關聯的信號失真,這些很難用簡單的正弦波形來量化測量。當複雜波形的和諧架構被改變的時候,那種立即、臨場的感覺就會減少。人的耳 / 腦組合是難以置信地的敏感,能夠察覺出這種相位失真的效果,不過通常需要實時的AB test ,直接做比較才好辨識。

要怎麼對付這些問題呢?

喇叭線奇奇怪怪的設計數量多到驚人。其中有同軸,加兩個絕緣的螺旋式遮蔽(spiral shield)好像當導體使用;四芯導體,兩芯當「正」,兩芯當「負」;zip-cord 用特級的“rope-lay”導體與表層被覆;多導體,據說用大的導體給低頻、中的導體給中頻、細小導體給高頻;4 AWG 熔接 cable;用多個絕緣導體,編織成扁平 cable;以及許多其他的。這些大都是以使用多導體來對付電感問題,和把導體變小來對付集膚效應。

許多秘傳 cable 非常貴,它們可能只比一般普通的絞線對 cable,提供好一點的表現,特別是在嚴苛的監聽應用與高質量的音樂系統裡。大部分情況,這種線的成本和通常伴隨的組裝與結構容易受損,嚴重限制了它們的實用性,特別在可攜式場合。簡單說,太貴、太硬難使用,基本上不是為耐操設計的。不過在聲音上,用開放心情去聽,是可以忍受的;其中差異可以是非常大的。

電容問題會影響喇叭線嗎?

喇叭電路極低的阻抗設計,使 cable 電容在整體表現上,影響非常次要。在早期的晶體擴大機,高電容性的負載(如大型靜電喇叭系統),會造成輸出晶體管爆裂或其他問題。不過,熱、短路、高電感性負載、簡陋電源供應設計,也會造成同樣的狀況。

因此,絕緣介質的使用,就不像高阻抗設計的樂器 cable 那樣嚴苛要求。喇叭 cable 最主要的絕緣考慮因素,大概是耐熱性(heat resistance),特別是因為受限於常用接頭的尺寸,例如普遍可以看到的 1/4 吋插頭,嚴重限制了 cable 的直徑大小。這需要絕緣被覆薄、但是堅韌,能禁得起大量銅帶來的高溫,甚至到達焊接時的溫度。Polyethylene(聚乙烯)容易被融化,熱固型材料如橡膠(rubber,neoprene)貴又不可預測。考慮到壁厚,PVC 便宜又可以多種方法混合,加強收縮阻力與彈性,讓它在多數應用上變成一個好的選擇。

為什麼喇叭線不需要遮蔽?

事實上有一些情況下喇叭線是需要遮蔽的。某些區域有著極強的 radio frequency interference(RFI),喇叭線會變成天線,接收到不需要的信號,從輸出晶體管進入系統。當喇叭線和 mic cable 需要長距離靠近的場合,例如 cue(片場信號)要被送進錄音室,採用遮蔽喇叭接線是一個好主意,等於是一個保險,避免串音進入麥克風線。在絕大部分的場合,超低阻抗與喇叭信號的高電平輸出,使 local 的干擾影響不那麼重要了。

為什麼我不能用有遮蔽的樂器 cable 連接擴大機與喇叭,假如接頭適合的話?

在走投無路的情況下,你可以這樣使用。不過,小的導體(通常20 awg 居多),對電流有很大的電阻,在極端的狀況下,會發熱、高溫甚至融化絕緣物質,使導體與遮蔽短路,或者融化變成斷路(open),這會摧毀一些真空管擴大機。長距離的同軸 cable,會有很大的電容,可能足以搞亂擴大機的保護電路,造成不合時宜的當機。當然還有因為 cable 的高阻抗,導致的功率損耗和阻尼下降。

本文譯自 Pro Co Sound 的 “Cable Anatomy:Understanding the speaker cable”

來自xuite

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