音響專家常常重新檢討音響系統中每一個部分的性能,很快的大家的注意力都轉移到喇叭線上,在各方的要求下許多廠商開始製造或出售新型特殊設計的喇叭線,並且保證能改善從放大器到喇叭間能量的傳輸。針對低阻抗及低電感的特性,新型喇叭線的支持者宣稱音質有了明顯的改進(甚至比擴展器還好)。當然也有相反的意見,一些音響聞人認為音質的改進不足為道,而且某些喇叭線的高電容會影響擴大機的穩定,甚至於損壞擴大機。
兩方面的看法都不完全正確,新型喇叭線既不是萬能藥也不是安慰劑,而是因其使用的方法及場合才能決定其特性,為了確實了解這個問題,我們取得各種不同的喇叭線進行測量,然後得到了一些結論。
每一個人都同意連接放大器與喇叭的喇叭線不應該引起能量的損失及失真。這就需要一條無電阻、電容、無電感的導線;以現實條件來說就是要一條無限短的導線。先提出這點基本條件的原因是:通常這樣子的音質才是最理想的(當然在某些特殊的條件下,電阻及電感可能會改善音質)。
無論是哪一種喇叭線,對訊號的影響都與長度成比例。喇叭線越短,放大器與喇叭線的連接就越理想。喇叭線間的差異隨著長度的增加會有戲劇性的增加;長度減少時,無異也慢慢消失。所以一位把放大器與喇叭擺在一起的人,根本不需考慮這個問題;但是兩者相距40呎以上時就不能忽視了。因為這樣,所以有些廠商直接把放大器裝在喇叭內,把喇叭線的問題變成前後級連接線(例如超低音放大器或Kenwood的Σ接線)。商業性的廣播系統則將電壓提高,利用高電壓的傳輸減少失真。
圖一是喇叭線的簡單模式,每單位長度的電感、電容、電阻以線路原件來代替。圖中的例子是一呎長的「ZIP」牌18號喇叭線的等效電路,R、L、C分別代表電阻、電感、電容。實際線路上每一個元件的數值都受到其他兩種元件的影響,例如低電感會引起高電容,電容一旦降低則電感升高,而這兩者的筆直會提高導線的阻抗。
研究的方向大都注重在電感及電阻,因為它們會阻礙放大器與喇叭間電流的流動;電阻造成所有頻率的損失,電感的損失則與頻率成正比。電容通常都不被考慮,因為它們對音頻帶沒有影響,但是在某些情況下,電容的影響也會變得很重要。
新型的導線都設法減少電阻或電感來改進放大器及喇叭的連接,主要為各種編號的雙芯多股線、低阻抗高電容同軸及交互編織線。性能的測量常分成兩個範圍,一是在0至100KHz,另一則為100KHz~40MHz,由於在這兩個範圍內喇叭線的表現都差不多,尤其高頻時幾乎完全相等,所以分析並不困難。
我們測試了五種廠牌的雙心線,有18號、24號的Zip喇叭線,有Monster喇叭線、有Lucas喇叭線;有Fulton喇叭線(金)。18號及24號的Zp喇叭線分別在Radio Shack及五金店所購,每條的長度都是10英呎。
Monster喇叭線,大約為11½號的喇叭線,在線的兩端有U行接頭,很方便以螺絲固定。Lucas喇叭線約等於14號線,外層是綠色絲帶狀塑膠絕緣。Fulton「金」喇叭線有兩個香蕉接頭,是所有喇叭線中最粗、而且電阻最小的(Fulton也有一般形式的喇叭線)。
另外四種低電感的喇叭線的構造比前面的五種變化更多。Polk Sound喇叭線及Audio Source Ultra High Definition喇叭線使用許多分別絕緣的細導線緊密的互相編織,使得導線彼此交叉而非平行,這種方法可以降低細導線間的磁感應而降低電感,但是反而引起電容升高。
另一種High Definition喇叭線是由八條纏繞的導線編成絲帶狀,Mogami喇叭線則是大型同軸纜線;Smog Lifters則與Audio Source的High Definition很類似,除了導線的編織較不緊密。圖二中列出每一種喇叭線的電阻、電容、電感。
串聯阻抗測試
利用圖三的方法我們測試每一種10呎長的喇叭線,利用高阻抗的信號源來驅動喇叭線,再測量其端電壓決定其阻抗。訊號電平是參考精確0.1歐姆無電感電阻,頻率從DC至100KHz,圖四清楚的表示了每一種喇叭線的阻抗與頻率關係。雙心線從1KH以上電感及集膚效應(Skin effect)就開始增加,使阻抗增加造成除了電阻消耗外的高頻損失。特別的是所有的雙心線喇叭線的電感差不多都是每10英呎2uF,而頻率到音頻以上時特性幾乎都相等。在20KHz以下時則隨電阻的大小而有區別,所以最差的24號喇叭線的損失最大,而Fulton的損失最少。
串聯阻抗的測試很明顯的分出低電感的喇叭線及雙心的喇叭線在100KHz時的阻抗差一個數量級,當然FULTON線的串聯阻抗最小,因為它的電阻最小。但是每一種導線的設計都有其特殊的意義,串聯阻抗的大小大約與長度成正比例,所以一呎長導線的阻抗是圖四的1/10,而100呎長導線的阻抗則為10倍。
低頻測試
談完了阻抗的測試之後,我們再來看看串聯阻抗及頻率響應和阻尼因素間的關係,然而這些因素又和放大器的訊號源阻抗及喇叭的負載阻抗有關,所以整個系統的阻抗包含了所有阻抗的複數和:
Z總阻抗=Z訊號源+Z接頭+Z喇叭線+Z負載
喇叭的設計都是以電壓源的驅動為主,所以在我們前面所提的假設下,訊號源及喇叭線的阻抗遠小於喇叭的阻抗。因此喇叭的設計主宰了整體的表現,喇叭阻抗的變化就直接的影響了頻率響應的變化。圖五就是一個例子,我們可以看到它們的誤差相當小。
圖六則是一組市面上出售的喇叭,它的偏差就戲劇化多了。
除了喇叭現有電感外,驅動喇叭線的擴大機一樣有電感。真空管擴大機的電感來自輸出變壓器,晶體擴大機則是為了增加線路穩定而刻意在線路上加上的線圈所產生。通常對阻尼因數的紀錄都是在低頻,主要的原因除了我們對阻尼的興趣主要在低音喇叭外,另一個原因是線圈破壞了在高頻時的阻尼。以實際的例子來說,一個標明20Hz阻尼500的擴大機在20KHz時阻尼僅有15。最近已經有一些設計(如Threshold、Audio Research、Yamaha)都捨棄了輸出線圈使阻尼因數在音頻範圍內能保持穩定;新的IHF測試標準就要求阻尼因數要包含所有音頻範圍。
當然考慮這個因素時,也必須考慮到與其他部分的關聯。例如大部分的喇叭都有相當大的電感,我們可以很容易的證實:
Z放大器+Z喇叭線〉Z喇叭
相反的如果喇叭負載阻抗是屬於電阻性或電容性(特別是靜電喇叭的時候),放大器及喇叭線的阻抗就比較重要了。因此原先的假設有時也並不適用,無論如何我們還是儘可能降低放大器的輸出阻抗及喇叭線的串聯阻抗。
非常高頻測試
通常對喇叭線的測試只到100KHz為止,因為100KHz以上的訊號我們不可能聽到(雖然仍有許多金耳朵在爭辯),所以100KHz以上訊號的影響應該可以忽略。但是寬頻擴大機的發展帶來一些新的問題,某些以穩定電容性負載設計的擴大機,使用低電感喇叭線時會產生振盪引起各種變化。Threshold、Stax及Electro-Research為最嚴重,其他的則僅造成音色的渲染,如生硬尖銳的高頻或溫暖厚重的聲樂(後者是因低階互調諧波失真所引起)。
可見100KHz以上的訊號一定有其影響,為了找到它的影響,我們進行兩種測試。首先對0.25歐姆電阻源由100KHz至40MHz做頻率掃描,然後在喇叭線的另一端接上不同的負載阻抗測量電壓;第二個步驟與第一種完全相同,除了訊號改成5uS的脈波(見圖七)。
圖八是不同喇叭線在不同的負載下的測試結果。無負載這一欄每一種喇叭線都差不多,除了電感不一樣。接下來分別是以8Ω及.047uF為負載的結果,我們可以在1~10MHz範圍內看到很大的峯值出現。而且我們從振盪器送至喇叭線的訊號是50mV,測得的振幅卻有5V增益高達100。從圖中的鈴振(ring),我們發現每一種喇叭線都有高頻振盪,但是發生的頻率不同;Q值則依訊號源阻抗、負載阻抗及喇叭線的長度及種類而異。
產生這種振盪的原因是這樣的;假設訊號在喇叭線中傳遞時需要一些時間,波速則由電容、電感所決定的特徵阻抗(characteristic impedance)Zo所操縱。即:Zo隨1/√LC而變,亦即Zo隨波速而變(呈正比)。
當訊號傳遞至終點時,則依負載的種類產生三種結果:如果負載阻抗大於特徵電阻ZL〉Zo,負載會將能量同相的反射回訊號源(如圖九);如果ZL〉Zo,則能量反相的反射回去;如果ZL=Zo,能量完全吸收不反射。這種阻抗不匹配的結果就顯示在圖八中,其中Polk及Mogami喇叭線本身的特徵阻抗大約8Ω,所以8Ω作為負載時共振最少。相反的雙心導線的特徵阻抗比較大,所以在負載50Ω時的表現最好。當雙薪導線以8Ω為負載用5uS訊號測試時,因為負載阻抗低於特徵阻抗,喇叭線的電感造成脈波邊緣的衰減,而8Ω電阻則將鈴振化解掉;可是對電容性負載就不行了,從第四行中我們可以看到另一種因導線電感及負載電容產生的共振:2πxFreq.≅1/√LC。
雖然這些影響對每一種喇叭線都存在,但是只有新型低電感的喇叭線才會影響到擴大機的穩定,因為如此我們才考慮到以高於音頻的範圍對喇叭線做測試。低特徵阻抗的喇叭線將倒相後的低共振頻率送回擴大機,造成在共振頻率的振盪。
舊設計的擴大機輸出頻率大都小於1MHz,不會與這些共振頻率產生作用,因為這些頻率比主動元件的截止頻率要高幾個數量級。但是在喇叭線的阻抗降低而擴大機的輸出頻率超過5MHz時,這兩種效果組合在一起產生了各種音響上的問題,可能燒掉保險絲甚至於更糟。在使用Threshold時我們首先發現400A匹配Polk喇叭線時,保險絲以相當規律的頻率燒掉。經過一段時間後,Matt Polk(Polk的老板)想到原因是出在缺少適當的阻尼。Polk發展並註冊專利了一個由.047uF及6Ω組成的阻尼器,使用時與喇叭串聯。我們在此用的是一樣的線路,只是數值為.1uF及5Ω,結果是在圖八的第五行,脈波的共振化解了,原先會共振的擴大機恢復穩定。由於Polk的阻尼器也可以處理其他的低電感喇叭線,所以只要長於3呎以上低電感的喇叭線與其他寬頻放大器匹配時最好都裝一個,但是這種阻尼器與雙心喇叭線的匹配並不好,因為雙心線需要有較大的負載阻抗(.01uF、60Ω);不過以目前的擴大機來說,對高阻抗雙心喇叭線產生振盪的機會並不大。
到這裡,似乎我們已經把所有的問題都瞭解了,可是即使把最好的擴大機,喇叭線及阻尼器接在一起所引起的失真還是可能比擴大機大100倍。鬆動、骯髒、氧化的接頭會引起大量的諧波及互調失真。當發現Threshold的失真很高時,我們做的第一件事是換上新的喇叭線並且上緊,這樣做就可以治好許多擴大機的高失真。
銅、鋁極易氧化,人手上的油污更會沾污接頭造成接觸不良;所以很多時候新喇叭線的戲劇性改進只是改進了舊喇叭線的接觸不良。接線、接頭會老化,所以如果要證實新喇叭線的效果一定要先換新的接頭;香蕉接頭在乾淨的時候是很理想的接頭,可是一旦開始生鏽就完了。
建議
到這兒,一定有很多讀者在奇怪怎麼沒有試聽測試?我是試聽了不少擴大機及喇叭接上不同喇叭線,包括了Magneplanar Tympanl 1 D's、MC II A's,以及改良的Dayton Wright XG 8 MK III's Cabasses,還有Dahlquist及Snell喇叭。坦白說,除了在極端的情況下,我們無法獲得結論。對10呎長加上阻尼器的喇叭線及具高電感性特徵阻抗的喇叭,試聽時,低電感線及雙心線的分別非常少。在以低輸出電感電感放大器及Heiter高音(電阻性阻抗非常接近6Ω)測試時,可以感覺出極高頻稍微鬆軟但不致令人不悅。Fulton及Monster喇叭線是比24及18號線好,但比我預期的差別要小,而且要在低頻響應及交越頻率附近的中頻付出一些代價。最嚴重的喇叭是改良的Dayton Wright electrostics,它的極低阻抗使每一種喇叭線之間產生了很大的差別。不過最好的喇叭線不一定是電氣性能最好的,有些擴大機反而較適合高阻抗的喇叭線,甚至有時我們必須用24號線以避免觸發擴大器的保護線路。
結論
沒有人能告訴你用什麼喇叭線最好,也沒有人告訴你在不同的音響、擴大器、喇叭及試聽室中,不同的喇叭線有什麼樣的差別,一切的決定都只能靠你自己決定。每一種喇叭現在實驗檯上、特定的條件下都非常不錯,至於它真正的價值則有待您自己判斷了。
(取材自Speaker Builder,原作者為著名的Nelson Pass)
轉載音響技術第94期NOV. 1983 蛇油 超級喇叭線/王長安
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