5 音調控制網路
說到「網路」,總使人感到頭大。因為此網究竟不同彼網(篩子)。
其實您若能靜下心,花一個晚上的時間,好好想一想,事實也不會困難到哪裡。下面就讓我們一同來做這件「徒想」的工作:
5.1 電容、電感和電阻:
「網路」(Network)就其定義而言,當然有許許多多不同性質的形式。但是在此我們所要談的,則是指「讓某一特定頻率通過或濾除的電路」而言。
既與頻率有關,我想您立刻就會想起網路三元件──電容、電感和電阻──的性質,它們是:
電容: 容易通過高頻而阻止低頻。
電感: 容易通過低頻而阻止高頻。
電阻: 是中性的,與頻率無關。
但是,若僅有以上的瞭解,對網路的實際運用是不夠的,因為接著下去您可能碰到像這樣的問題:
電容既然可以通過高頻,但多大的數值可以通過多高的頻率而又能阻止多低的頻率呢?在某些時候,為了提升晶體唱頭的高音,我們可能在唱頭和擴大機間串入一枚100p的電容,這時約自2KHz以上的頻率便可獲得相對提升,可是假如把同樣的100p拿到前後級擴大機之間,便可能只有40K以上的頻率才能通了。同樣的電容量,為什麼可以通過的頻率就不同了呢?是的!這正是一個很需要瞭解的重要問題。
5.2 網路元件不能單獨工作
問題怎樣來解釋呢?這就必須追溯到「網路」本身的定義問題。因為既稱「網路」則必是指兩個以上元件的複合電路性質,才能稱之為網路。
觀察:
現在,我們隨意取一枚電容,串到一個訊號產生器和一個電壓表的中間,這時如果你旋動信號產生器的頻率,當可發現頻率越低的時候,電壓表的指示也越低。這便是我們據以說「電容器容易通過高頻而阻止低頻」的現象。
但是,實際上,你可能還必須考慮另外一個問題: 假定你用100伏檔量得某頻率的訊號電壓是10伏特時,接著換用10V檔來量量看,很可能所量出來的數值是只有3伏。
這又是什麼原因呢?原來在電路的量度中,量度工具本身對電路可能產生的影響必須同時考慮進去。假定允許我們有一具理想的電表(不必在電路上汲取一些功率,以使表針偏轉),那麼我們可以相信,如下圖一般,不管在甚麼頻率下,A點和B點的訊號電壓一定是相同的,也就是說電容本身,對頻率根本沒有什麼衰減。
5.3 純電阻之衰減
其實這種情形,和純電阻之對直流(交流當然一樣)衰減的情形是一樣的,「單獨」的電阻,事實上並沒有衰減作用。例如在110伏的市電上,串上一枚1K歐姆的電阻。
此時,在電阻的末端,仍然可以呈現110V的電壓。
那麼電阻究竟怎樣產生它的衰減作用呢?那就是必需有電流,音電流而產生分壓,亦即:
5.4 容抗與電容對頻率的衰減
以上我們之所以把如此簡單的理論(應該稱為現象)提出來,主要是為強調那個被接在後面的電表或電阻(如上圖之1K或3K)不僅「分壓」而且是電路的「負載」。
假如訊源電路及負載都是電阻性的(一如上面的兩個圖),則不管訊號源的頻率有多高,它們的「分壓」情形是不變的──永遠和電阻值比例成比例。
現在,我們想把串連於訊號源的1K電阻換成一個0.1uF的電容試試看:
前面我們說過,如果僅僅串以一枚電容,而沒有負載,則不管任何頻率,都可以暢通無阻,所以上圖實際並無意思,下面我們把電路跨上一個1.6K的電阻作為負載,亦即
訊號產生器的輸出電壓是10V,頻率由125Hz開始往上掃,此時頻率越高,Vout呈現的電壓便會越高,這時你可能想到: 這樣我們不就可以用容抗的公式:
求出Vout電壓了嗎?不錯,可是我們得考慮另外一個有趣的問題,也就是當你實際去測量這個電路的狀況時,你會發現以下讓你吃驚的現象:
電容和電阻所分得的電壓,雖然還是維持其比例,但其總和電壓卻超過了電源所供給的電壓,寧不怪哉。
原因是容抗是有相移的東西,為什麼有相移,因為電容的導電性質是在「電壓變化最大時」為最大,一個正弦交流信號,究竟在什麼時候的電壓變化量最大呢?當然是當它越過零軸的時候。於是奇怪的現象就這樣產生了,沒有電壓時電流居然最大。由此,我們可以想像出阻值等於6歐姆的電阻,串上抗值為8歐姆的電容後,其串連總阻抗,絕不是6+8=12歐姆。為了解釋這個問題,進一步便非用三角函數來解決不可了,為免於讀者的乏味,於此從簡,我們還是談談比較實用的問題。
5.5 為什麼叫阻抗
為了加深您的印象,我們仍然把上面的問題用比較簡單的方法來解釋一下,以便運用。請看下圖:
橫軸的長度代表串聯電阻之阻值,縱軸代表電容的抗值,有了此二值之後,我們可以用作圖法取出另一對角線之值,量量其長度,等於10歐姆。好了,這就是R+Xc的總和阻抗值。
這下你可明白我們和以把含有電阻及電抗電路之性質稱為總阻或阻抗吧?原來他們串並聯值的求法和純電阻和純電抗的求法都不一樣呢?
5.6 時間常數
言歸正傳,還是談「網路」。
從上圖中,如果頭腦一動,您必可發現,當R增加到12歐姆時,Xc必然也要增加到16歐姆,兩者的比例才能維持,但是這樣做,會有什麼情況發生呢?
①總阻提升到20歐姆了。
②Xc增加一倍,顯然地C的容量會減少一倍。
由此你可以發現,為了獲得相同的衰減量,只要使RxC之值保持一定就可以了。RxC是什麼呢?它就是我們時常聽到的所謂時間常數。它實際上就是所謂網路的分命脈。
本來時間常數(Time Constant)的定義,為一電壓經過電阻、電容串連電路之後,在電容上充電到原電壓的0.632倍所需之時間。此一定義因與音調控制器沒有十分密切的關係,對它的探討亦僅點到為止,我們只要記住以上所強調的現象就可以了。
5.7 低音衰減之單節RC網路
由以上的簡單說明裡,我想你已經可以依據一些簡單的公式和作圖的方法,求出在電阻電容兩端電壓隨頻率變化的情形,而將此情形繪成一曲線則為:
但是,需要請特別注意的乃是,當電容電阻的位置互調以後,情況會正好相反(其實完全一樣,只是所取基點不同),而其斜率則相同:
由此便可以知道,電容在前時,高音可獲得提升(其實是低音被衰減),而電阻在前時,高音就會被衰減。但多大的數值會對多少頻率開始起衰減呢?這就請您回味上面所談的這些問題了。
5.8 請注意前後電路的影響
問題說是這麼說了,但在實際運用時您可能還會遇到一些想不通的問題。例如說,你接了一個這樣的電路:
時間常數是159微秒,過渡頻率1000Hz,你滿以為1000Hz以上的頻率通通可以在喇叭中發出來,其實等你真的一階,恐怕連什麼聲音也聽不到,什麼原因呢?請不要忘記,8歐姆的喇叭已經成為這個網路的一部份了,這時它的等效電路應該這樣:
如果你有興趣的話,不妨再算一下在8歐姆的兩端究竟可以分到些什麼?當然,在這裡我們只是把具有複雜總阻特性的喇叭音圈看成純電阻,否則問題可複雜了。
這是網路的「負載」,其次訊源的內阻你仍然必須加以考慮。例如有一個電路:
這也是一個時間常數為159微秒的網路,作用為高音衰減,依據常數計算,交越頻率是1000Hz,可是實際上卻會發現它的「音色」比想像中的要沉悶多了,甚至在200Hz以上的聲音都沒有了。
這又是怎麼回事呢?請看前面那個放大器罷!集極上的輸出電阻式15K,15K在電路裡會造成什麼影響?以下是它的等價電路:
當然這不是一個很精確的等價電路,但是已把主要的因數都考慮進去了。現在你不妨試著算算看這個電路的時間常數是多少?分頻點又是多少?算出來就不會對聲音何以這樣悶感到奇怪了。
5.9 機外更應顧慮
本來,如果你懂了使用電容電阻串並聯之後,即可改變頻率響應的方法之後,在機外都可能很容易地設法把擴大機的低音或高音提升或衰減。可是此時,你必須注意的仍舊是輸入於此網路的訊源(可能是前級或唱頭或錄音座)內阻,以及後隨電路對此網路的加載。
於此不妨再舉一個例子:
這是一個晶體唱頭的線路,晶體唱頭含有大量的電容性,我門姑且不管,只要看看它的輸出阻抗就行了,通常一個晶體唱頭的輸出阻抗都高達500K甚或1M以上,如果將之繪成等價電路,就是:
那150p的電容是隔離線電容,從這個等價線路一看,馬上就會發現它高音被衰減得太厲害了。怎樣補救呢?那就是:
但是千萬請注意,那兩個串上去的1M和100p,必須在擴大機裡,已經沒有隔離線的輸入部份,否則,在此後又會介入潛佈電容,使得高音再度被衰減。這情形不僅顯示了電路的變化如棋局,更有如台俚所說的「捉龜走鱉」了。(下期續)
轉載音響技術第13期 JAN. 1977 讀圖●識圖●改圖 5/非君子
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