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(十八)不好的音频线会损耗高频吗?(谈谈音响线)

(十八)不好的音频线会损耗高频吗?(谈谈音响线)

作者: 庄子张 | 来源:发表于2020-12-26 19:37 被阅读0次

    喇叭线、麦克风线、音频中继线的寄生电容会损耗高频吗? 答案是 「不会!」 不会吗?太武断了吧!为什么?

    在音响界常常听到接线质量会影响声音,尤其是衰减高频的说法。我认为它是错觉,误传或是「电路设计错误」,只要找我乔ㄧ乔就会立即变好。

    寄生电容会损耗高频

    并联电容会因积分作用而旁路、衰减高频是网络学的基础知识,因为RC分压电路,本质上就是一个低通滤波器,它会从 2 π RC值的某一点开始,以每2倍频增加6dB衰减的曲线作用,这种乍看很有道理的想法,在 20-20KHz音频范围,尤其是在低阻抗晶体管音频电路里,是不正确的的,是错误的。

    真空管时代

    在真空管时代,讯号交联发送与接收端常常是10K-1M欧姆的高阻抗电路,导线的寄生电容会明显影响高频响应,可是到了晶体管时代,发送端阻抗已变成0.001-100欧姆的低阻抗电路,导线寄生电容能造成的高频损失,早已趋近于零,所以导线的寄生散杂电容已不是问题。

    但是因为老师傅ㄧ脉相传,根深蒂固,加上懒得计算的年轻电子工程师,也想当然尔,没有提出质疑,懒得验算老师的错误传承,所以不正确的观念就继续传播。少数敢于提出正确观念的人,因为会影响商店商机,反而变成异类,甚至成为嘲笑与猎巫的对象。

    基本交流电网络

    对交流电网络一知半解的人,常常会误以为隔离线的中心与外网间的散杂电容,会旁路高频音频讯号,其实那种直觉只是麻瓜的想当然而已,只要经过简单计算验证后,就会发现是错的,而且错得很离谱。

    看到这里一定有人会摔笔、翻桌子!做出不屑状。但是建议你耐心看完全文后再决定是否将我黑掉。因为现代半导体业的基石,浦朗克的量子论也曾被爱因斯坦嘲笑很久。我既不是浦朗克你也不是爱因斯坦,所以我是错的你是对的,机会不是零,反之亦然。

    以喇叭线为例

    一般4欧姆的动圈喇叭,接上一组好的低阻抗、低电容喇叭线,只是能提高阻尼系数,降低失真而已,与高频响应、低频响应或整体频谱平坦毫无关系。更有趣的是劣质喇叭线的高串联电阻,不但不会损耗高频,反而会增强高频。

    不信可以拆旧电风扇的电源线,剪下来当喇叭线,实测频率响应会完全不会输1万元、10万元的喇叭线。所差只是麻瓜跟本听不出来的阻尼系数降低。

    阻尼系数

    喇叭线串联电阻、电感高时,阻尼系数会降低,纸盆的移动与线圈的电流会不一致,真的会产生的机械性的声音失真,例如正负半周不一样大,但完全无碍高频响应。

    实务

    家用喇叭线3-5公尺长,音乐会场喇叭线长达30-50m,寄生电容每米100pF ,总电容量会高达3000-15,000PF 。你仔细听听看,高频有什么损失吗?几乎没有,为什么?

    因为现代晶体管扩音机的输出阻抗大约是 0.01 欧姆,喇叭阻抗8欧姆,喇叭线特性阻抗150欧姆。若有10,000PF的寄生电容,在20KHz时容抗为 j800欧姆,它与扩音机的0.01 欧姆相差很大,所以完全不会损耗高频电压,j800欧姆与喇叭的8欧姆也相差很大,所以并联时完全不会分走高频电流,所以 99.999 %的高频功率都会进入喇叭,因此喇叭线是完全不怕寄生电容的,也不会有假专家猜想的的高频相位移。

    阻抗匹配

    一般人谈到阻抗匹配都认为很重要,像拜神一样崇敬,懂的人侃侃而谈,不懂的人很害怕,其实它的道理很简单,小学5年级生应该就能懂。

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    音响的阻抗要完全不匹配才对!

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    啥?阻抗要不匹配,打字错误吧!还是疯了,电子电路的阻抗不是要匹配才对吗?我的老师、前辈都是一再教诲说阻抗要匹配的。

    抱歉!你的老师,前辈大部分是我的弟子的再传弟子,当年电路学都是补考后才毕业的,所以观念不清、良锈不齐是很自然的。

    阻抗不匹配才能正常传输声音

    由于音频传输线完全没有阻抗匹配观念,所以通常前级会采用低阻抗发送,后级会采用高阻抗接收,例如前级输出阻抗30欧姆,后级输入阻抗1M欧姆,传输线特性阻抗通常是100欧姆。三者不仅互相完全不匹配,还天差地远。

    音响的阻抗匹配与无线电射频电路的阻抗匹配,其实是完全不同概念。

    音响的音频线(隔离线)

    音响使用的传输线,其实只是前级的金属延伸而已,在低阻抗输出时,传输在线的电阻、电感、电容对高频几乎没有任何影响,即使对20-50KHz的超音波声音频率,损失也非常有限,也就是影响趋近于零。

    不可能!我不信!

    不信我算给你听!

    例如:某AV线长1公尺

    中心线直径若是 1mm,绝缘若也是1mm厚的PVC,外网直径是3mm,它的并联电容值通常约是 100PF ,串联电感值约是 1.5uH,串联电阻值约为 0.001欧姆,并连漏电阻10M欧姆。

    在20KHz声音高频时

    100PF的阻抗是-j80K欧姆。

    1.5uH的电感抗是+j0.2欧姆。

    0.001欧姆的电阻还是0.001欧姆

    所以在30欧姆输出端的电压,送达47K欧姆的接收端时.

    电容分压损失只有

    80000/(80000+30)=0.99962514=99.9995% 》1

    电感分压损失只有

    47000/(47000+0.2)=0.99999574=99.99995% 》1

    所以导线上的电容与电感是可以完全忽略不计的。

    麦克风线

    那如果麦克风线长达100公尺呢?

    其实也没差多少,当线长100公尺时.......

    电容量是100PFx100=10000PF

    电容抗是-j800欧姆。

    电感量是1.5uHx100=150uH

    电感抗是+j20欧姆。

    电阻0.001欧姆x100=0.1欧姆

    所以在47K欧姆的接收端

    电容分压损失会有

    80000/(80000+800)=0.99=>1

    电感分压损失会有

    47000/(47000+20)=0.9995740=>1

    所以20KHz音频在100公尺长麦克风电线上的降压损失还是趋近于零。

    所以即使长达100m的音频输送线,上面的寄生电容、寄生电感、串连电阻对20-20KHz的音频也完全不重要。

    错觉

    那些认为音频线寄生电容会损耗高频的人其实是错觉、误会,或别的商业原因造成的,与音频线的质量关系很小。

    接头质量才是重点

    音频线只要接头焊接良好没冷焊,接头接点没生锈,机械尺寸没有很离谱,一条100元的线与1万元的线,产生的声音是完全一样的,不但仪器无法分辨,人耳也无法分辨,那些自认为能听到不一样声音的人,其实并无法通过双盲实验。

    眼睛图

    音频线很长时,如果讯号源阻抗,与接收端的终端电阻设计错误,会发生讯号反射现象,而使眼睛图瞇起来。也就是反射波与前进波互相密密重迭。但是那种情形只有在使用10KHz 方波脉波,且电线长度超过100m以上时才会发生,那是供线材品管用的。不是供发烧友研究1-2m线材用的。

    神人

    有些耳朵特别好的人,觉得不同音响线听起来声音真的有差别,以我浅薄的知识范围想,唯ㄧ的可能性就是反射波这一项,但是我认为即使有应该只有极少数杏仁核打开,具有天耳通的神人,才有可能听出来,因为光速3亿公尺,3m 线的反射波延迟是 0.01uS, 人脑频率15Hz等于 66ms ,两者差5个数量级。人的耳窝最高感应频率是22KHz 等于 50us 也是相差3个数量级。

    阻抗配置错误

    通常最常见的错误是误用高输出阻抗传输音频,或误用低输入阻抗接收音频。因为如果输出阻抗错用100K欧姆,输入阻抗错用50欧姆,问题就大了。因为在20KHz时.....

    1m长的隔离线

    电容量是100PF阻抗是80K欧姆。

    电容分压损失就会达56%

    80K/(80K+100K)=0.44=44%

    100%-44%=56%

    100m线的隔离线

    电容量10000PF 阻抗是800欧姆。

    电容分压损失就有92%惊人的损失

    800/(800+100K)=0.079=8%

    100%-8%=92%

    所以寄生电容会损耗高频,只有在无知的麻瓜工程师,设计电路时犯错,才会发生的。

    古代晶体麦克风、晶体唱头阻抗47K-1M欧姆,真空管输入阻抗47K欧姆,在那种电路,电线的寄生电容量影响就很大。所以寄生电容会影响高频的传说就经老师傅一代一代流传下来。

    近代的电容麦克风阻抗虽然更大,但是都已经由晶体管放大,及降低阻抗后才送出。LP唱片的唱头、动圈、动铁式麦克风的阻抗一般都很低,例如20-100欧姆,有的还要用变压器提升阻抗与电压。

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    如果寄生电容不重要,那高级音频线讲究什么?

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    抗干扰

    我前面说过音频线的阻抗不重要,不需要用昂贵的线,因为耳朵根本听不出来,仪器也测不出来,是指1-2m的信号线,也就是CD TV VCR 接音响主机那条AV线。

    但是如果是很长的麦克风线,或音频中继线,例如演唱会上长达 50-100m的麦克风线,或电视台、录音室长达100m的音频线,这时的重点已经不只是电容、电感、电阻多少,而是机械强韧度、耐磨耐折性能与抗干扰能力,还有....。

    长距离麦克风线

    通常它不是普通的单心隔离线,而是用Cannon制定的XLR平衡式差动接头,接平衡式传输线,也就是两条在线的声音电压一样大相位却相反(180°),使用这种方式传输音频,抗共模干扰的能力会非常强。它的2条中心线如果再对绞,就更可以抵抗外来电场与磁场的共模与差动干扰。通常至少有-40dB,这种线通常还有外包镀镍铜网,有的甚至再加一层铝箔。中心线用的绝缘物如果是使用发泡型的聚乙烯的话,两线间及线与隔离网间的电容量会更小,例如每公尺由100PF降为40PF,介电损失也会更小,对20KHz的高频损失会较小。

    对绞线通常是1吋/2.5公分转一圈,这样就够抵销大部分外来共模及差动模式电磁干扰。由于对绞时会耗用额外的电线长,所以山寨厂常常会故意绞少一点,例如每3-4公分才绞一圈。大量购买时,IQC最好剖开来看。查对绞量是否够多、外包铜网是否够密,镀锡、镀镍质量是否良好

    结论

    所以当你花大钱买高级电线时,不论是强电用的喇叭线,或弱电用的AV线 XLR麦克风线,讲究的不是「阻抗」,也不是「寄生电容」。

    你真正要注意的是电线是否柔软、强韧、耐磨、抗外部电磁场干扰、不产生电磁场干扰他人,使用寿命长。

    如果你将线剪开发现除了铜心、铜网、PVC/PE 以外还有棉线、粉末,那就是等级较高的线。如果铜线铜网有镀银等级就更高。如果双绞高于每吋一圈就是不惜血本。中心线的绝缘物如果是发泡的,等级又高一级。外部印刷清晰不渗墨大约是名厂的,如果每一公尺有标流水号显示长度就是顶级线。如果绝缘物是铁氟龙,那你就等着付大钱。

    ****************************

    如果你坚持用47K欧姆输出阻抗来传送音频,那么那些使用发泡介质做的低电容音频线就很有用。不过也不能超过10公尺。

    后记

    Kin Wu 说:

    有一点你并没有考虑,当推动大功率喇叭(100W-200W),由于喇叭线是平衡的,喇叭线产生的磁力,+/-是会互相干扰的,即使传送全1KHz方波3-4米也有明显影响,

    Ralph 回答:

    喇叭线如果是简单的并行线, 真的会有你说的磁场效应, 功率高时电线甚至会跳动,其实它就是交流电感量(约1.5uH/m), 我已经计算在内了,况且稍懂的人都会将它做成麻花绞线已减少对外的磁场泄漏干扰。但是这一切都与高频损失无关。喇叭线因磁场泄漏的能量,占输送能量的 0.01%以下, 对音质、功率而言,完全可以忽略不计,只需考虑如何减少对外干扰而已。

    Kin Wu

    只要将喇叭线+ / -分开就可以解决,

    Ralph 回答

    喇叭两线分开是正确的作法之一,不过副作用是会对其他设备产生强烈的近场磁场干扰,所以最正确的作法是绞线。

    Kin Wu

    应该要考虑用"磁通量"计算

    Ralph Yang Kin Wu

    你的思路不正确,磁通就是电感量, 已经参加计算,不是另一个变量

    Peiching Guan 说:

    前辈提到房间残响的问题。其实像是「音乐厅」的设计都会考虑,过去杂志有一位中科院的声学专家,有替我们撰写过世界各地音乐厅数据介绍「响应」与听感确实是可以调整的而且音乐厅听众多寡也会有影响 (像是RT60量测) 当然不只是「高频减量」这么单纯的问题,我们做音响杂志的试听过不同线材声音的确有差异。但实际上AP2几乎是测不出来,测试顾问提到如果用高频实时频谱仪就可以看到passband与噪声的情况。包括移动线材都可以看到高频噪声变化这些变化因为会调变音频(虽说比例很低)但确实是能够听出来的有些情况还会非常明显~

    Ralph回答 Peiching Guan

    白噪音受传输线扭曲移动时的电感、电容、影响,甚至串扰的影响,会产生不同的频率分布曲线。会变成粉红色、粉绿色、黑色噪音。这些噪声频谱因为放大系统有微量非线性,因而再与主要声音讯号产生复杂的交互调变,以致有些人可以清楚听出声音差别,是一个很有趣的音响研究方向。这种现象让我想起,杜比录音时各频道的自动增益控制器,机动变动增益时,那种噪声的呼吸声神人的耳朵也是听得出来。不过好音响器材,讯噪比常常高达120dB以上,噪声床位很低,要能与主要声音产生互调且能被听得出来,真的需要神人。(交互调变 intermodulation.)

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