解剖 喇叭线 (speaker cable)

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解剖 喇叭线 (speaker cable)

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。



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 …



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。



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。



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。



「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。



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。