名聞全球的日本Kenwood公司向以急進派著稱,隨時有一群工程師不斷地從事先進電路技術的研究工作,且大部分已成為今日音響電路的標準形式,諸如:雙電源供應、DC交連、高速電路、脈冲計數式FM解調(Pulse-count FM detector)雙變頻IF系統(Double-IF Conversion)、斷續取樣式FM立體聲解調(Sample-and-hold Multiplex)等,每種都建立成新一代放大器及調諧器的模式。而今Kenwood的工程師經過密集的開發研究,發現磁性物質元件在放大器及調諧器中所形成的失真,較以前所假定的還要大得多,這可以說是邁向改進音響器材設計觀念的一大步。他們藉著電腦的幫助,以分析這個少為人知的現象,當獲得結果之後,Kenwood把影響音質的所有磁性物質包括外殼及零件,全部予以重新設計,改用非磁性體材料,首先推出了L-01A電源分離式前後級放大器及L-01T調諧器,這種大手筆也唯有見諸像Kenwood這種大廠商。

  雖然磁化失真已非新知,但它與音響放大電路中所用器件的實際關係卻未受到廣泛注意。Kenwood的工程師已經明確地證實這個失真對重播音質的影響是相當可觀的,更進一步確認它是隨輸入訊號之強弱而變化。而這個影響卻被誤認為是由於聽者的耳朵與音樂源之間距離的問題,如同在大多數平價放大器所表現的「音像模糊」、「缺乏細緻」等印象。

  磁化失真的原因甚為簡單,假如在磁性物質的附近有電流迴路發生,則電場周圍所生的磁場將使磁性物磁化,然而當電場消失之後,留在磁性物質上的磁性卻不會立刻消失,可能要相當相當地慢才能回到零,端看所用磁性物質之種類及信號電流之大小而定。因此,當有磁力線存在一個地方之後,就留下了一個不知何時會消逝的剩磁力,這就是真正問題之所在,因為這個潛伏的磁力線將會反過來影響流動中的電流,使產生與原來不完全相同的輸出,這個現象是眾所週知的磁滯現象(Hysteresis),在音響器材中,電路板附近的任何磁性物質(包括機箱及零件),都會使在電路中流動的訊號產生這現象而導致失真。Kenwood的工程師利用頻譜分析儀來幫助了解這些失真的原因及程度,發現這個失真主要都是由於包含了大量可閱的奇數諧波之故。

磁化失真的發生現象

  Kenwood曾做了一個實驗,如圖一,取一塊印刷電路板大小為15×30cm,再上面周圍留下了一條U字形銅箔,寬度為3mm,銅箔的固有感量在音頻段內的響應是平坦的,銅箔的直流電阻值約為55mΩ。當把這樣的印刷電路板改置在1mm厚鐵板做成的機箱裡時,感量和阻值都開始隨頻率而變化。

  圖二說明了銅箔感量與頻率之關係,原感量大約是0.47uH,當放入機箱之後,低頻端4KHz以下使感量增加而高頻時減少,且線路板與鐵箱的間距愈小時這個效應愈顯著,圖中d=0mm是指電路板銅箔與鐵箱相接觸(但電氣絕緣),d=α是指電路板放在同大的鋁箱或無鐵箱時。

  圖三則說明銅箔直流阻值與頻率之關係,頻率愈高阻質變得愈大(這是指純電阻的增加,尚不包括因感量的增加而增加的感抗),其與距離的關係亦是成反比。這個實驗結果所呈現的現象是怎樣形成的呢實驗的等效電路可說明如圖四,

(a)圖中L1是銅箔的固有感量,R1是其直流電阻值,R3為電路板與機箱間的絕緣電阻,C是銅箔的分佈電容量,L2是感應電流的感量,R2為機箱電阻,M是互感量,由於R3 》1、C 》1,簡化計算之後,成為(b)圖的等效電路,其中

從這兩式可以得到圖五的曲線,(a)圖是銅箔電感量與頻率之關係,(b)是銅箔阻值與頻率之關係,與圖二、三的實驗結果完全相符。如果把機箱的材料改成鋁(Al)、銅(Cu)、黃銅(Brass)等非磁性物,則無此現象發生。

磁失真在音頻電路中的影響

  這個現象實際在音頻電路中會造成怎樣的影響呢?Kenwood在諧波失真方面,探討的結果如圖六,以一條銅箔作為導線,將訊號輸送至一負載,銅箔上方分別以鐵、鋁兩種金屬片靠近它,結果(a)圖中顯示輸出功率增大時,鐵材會使被傳送訊號的失真率增大,(b)圖則顯示在輸出功率為固定時,則失真與頻率成正比,當換成鋁材時則無此現象。

  結果在實際的電路中,將會使一個放大器變成如圖七(a)所示,(b)圖是將之簡化後的等效電路,使整個電路的輸入至輸出的傳送特性已變得非常複雜。圖八(a)表示當一正弦波輸入時所產生的相應輸出阻抗變化,(b)圖則是採用非磁性體時,其阻抗完全不受影響。

  綜上所述可歸納出下列幾點:

  (1)磁失真與電流大小及電路板距離等因素都有關係。

  (2)失真發生的頻率在1KHz以上,聽覺上最靈敏的頻段。

  (3)失真種類是人耳最易檢知的奇數諧波。

  (4)非磁性體不發生上述之失真現象。

減低失真的對策

  基於上述的現象,Kenwood發展出完全非磁性體的機箱及零件,其中包括:

  (1)厚形表面硬化處理壓克力面板

  (2)新型強化尼龍輔助面板

  (3)熱硬化處理樹脂背板

  (4)木製底板及上蓋

  (5)鋁質擠壓成型邊板

  (6)H形黃銅支架

  (7)樹脂電容、銅膜聚苯乙烯電容(交連用)

  (8)大型樹脂電容(反交連用)

  (9)新型鋁質電解電容(電源用)

  (10)接點鍍金小型化非磁性物外殼繼電器

  (11)非磁性物外殼開關

  (12)鉭質薄膜電阻

  (13)非氧化銅導線

  (14)導電塑膠製音量控制器

  除了換用這些材料之外,並且把產生磁力線最多的電源部分離開來自成一體,用連接線把純直流送入放大器中,以避免哼聲干擾,並改善放大器的穩定性及阻尼因數。這個改革的結果使放大器的總諧波失真降至只有0.006%(半功率輸出),內調失真只有0.003%(額定輸出功率下),阻尼因素高達1.000而Slew Rate有±150V/uS之高,調諧器的總諧波失真,在50Hz~10KHz的頻段內,也只有0.08%(立體聲時)。更詳細的特性,請逕洽進口商索取。

轉載音響技術第57期SEP. 1980 日新月異 KENWOOD非磁性體化的奧秘/莊 仲

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