解剖 喇叭線 (speaker cable) ( 搬家文 from yahoo blog , Day 3 )

（本文譯自 Pro Co Sound 的 “Cable Anatomy：Understanding the speaker cable”）

喇叭線的主要組成部份是哪些？每一部份的功用為何？

典型喇叭線組成包括「兩股銅蕊導體」、各自被「絕緣物質」包覆、互相絞繞在「填充物」中、最後在外面穿上「被覆」層。

導體應該要多大？

導體大小與三個要素有關：（1）負載阻抗（load impedance）；（2）所需 cable 長度；（3）能忍受的功率耗損（amount of power loss）。每一項都與電壓（volts）、電阻（ohms）、電流（amperes）和功率（watts）之間的關係有關。這些關係被稱做「歐姆定律」（Ohm’s Law）。

喇叭線的工作在將大量的電流從擴大機輸出搬到喇叭系統，電流量以 amperes 來度量表示。與樂器（instrument）cable 和 microphone cables 不同的是，它們只承載很小的電流量，約幾 milliampere（千分之一 ampere） 而已，要驅動喇叭所需電流就大的多了。例如，一個 8-ohm 的喇叭，以 100-watt 擴大機驅動，會拉走約 3-1/2 ampere 的電流。相對地，600-ohm 輸入以 line-level 輸出驅動，只會被拉走約 2 milliampere 的電流。擴大機的輸出電壓，除以負載阻抗（ohms），決定了多少電流被負載 “拉走” （pulled）。

電阻限制電流流動，降低電阻會增加電流量。假如擴大機的輸出電壓恆定，遞送到 8-ohm 喇叭的電流，會是送到 16-ohm 的兩倍；送到 4-ohm 的電流則會是 16-ohm 的四倍。負載阻抗減半，負載電流加倍。例如，兩個 8-ohm 喇叭並聯，會較一個時拉走兩倍電流，因為並聯使負載阻抗變成 4-ohm（一半）。

（為了簡單，這裡我們將「電阻」與「阻抗」的名詞交互應用。實務上，一個名義上阻抗 8-ohm 的喇叭，可能會有一個音圈直流電阻（voice coil DC resistance） 約5 ohm，和一個交流阻抗曲線（AC impedance curve），從 5 ~ 100 ohm，隨喇叭的頻率、構成型態、環境的聲音負荷而變。）

電流對喇叭線導體的要求有什麼影響？

記住一個簡單的事實：「Current needs copper，volatge needs insulation」。打個比方，如果電子是水，電壓就像系統裡的「壓力」，而電流就像水的流量。即使水龍頭是關著的，裡面的水沒有流動，它還是存在著一個壓力。同樣的，不管有沒有電流，電壓始終是存在著的。電流是電子在不同電位的兩個點間移動形成，所以越多電子需要移動，就需要越大的導體（電子水管）。在 AWG 系統中，每遞減 3 個號數，導體截面積加 1 倍；13 AWG 導體的銅是 16 AWG 的兩倍，而 10 AWG 的銅量是 13 AWG 的兩倍，依此類推 …

但是功率擴大機的輸出是以 watts 度量，電流跟它有什麼關係？

歐姆定律說電流（ampere）x 電壓（voltage）= 功率（watt），所以如果電壓不變，功率直接與電流成正比，電流大小由負載阻抗決定。（這就是為麼當負載阻抗由 8-ohm 降到 4-ohm 時，功率擴大機要送出約兩倍的額定輸出。）簡單說，4-ohm 負載導體需用的銅，是 8-ohm 負載所用的兩倍，假設到喇叭的距離相同。2-ohm 負載所需銅量就是 8-ohm 負載的四倍了。解釋這一點，就引出下一個常被問到的問題：

在對性能表現產生影響之前，喇叭線可以有多長？

醜陋的事實是：任何長度都會減低喇叭線的性能與效率。就像樂器 cable 裡的並聯電容，mic cable 中的串連電感效應一樣，喇叭線連接，多少會降低信號品質，而喇叭線越長，情況就越差。最明顯的負面效果，就是擴大機功率的浪費損耗。

Cable 如何浪費功率呢？

銅（copper）是一個非常好的導體，但並非完美。它還是有一些電阻，主要來自於截面積（以及雜質和溫度）。此種導線電阻被擴大機輸出「看」作是負載的一部分；假如 cable 有 1 ohm 電阻，連接到一個 8-ohm 喇叭，從擴大機看會當作是一個 9-ohm 的負載在那裡。因為增加負載阻抗會降低電流、減少功率傳遞，只要增加一點 cable 的串連電阻到負載，我們就會損耗一些擴大機輸出的功率了。此外，既然 cable 被當作負載一部分，傳送到負載的功率，有一部分會被 cable 以「熱」的型態消耗掉。（這也是電熱器的工作原理。）

歐姆定律讓我們能夠從橫跨「已知阻抗」兩端的「已知電壓」，計算出其中電流；也可以在「已知電流」的情況，告訴我們負載兩端（或一部分）的壓降。這可以很方便地用全部功率的百分比來表示。

如何可以讓功率損耗減至最低？

有三個方法可以讓喇叭接線功耗減少：

l          首先，Cable 接線電阻最小化。用大一點的導體、避免不必要的接頭、確認機械連接乾淨牢靠，以及焊點滑順明亮。

l          第二，接線長度極小化。Cable 電阻與長度成正比，所以 cable 越短，電阻越小，功率傳送越多，擴大機放置實質上要盡可能靠近喇叭。（情況好的話，與 line out 連接的信號損失有機會降至可忽略的地步。）20 呎 距離，別用 50 呎 cable 來連接！

l          第三，負載阻抗極大化。當負載阻抗增加時，它佔有全部阻抗很大的比例，能相對地同比例降低接線電阻所佔的百分比。避免雛菊花環式的喇叭連接，因為並聯方式會降低總負載阻抗，功耗百分比將大幅提昇。理想狀況是每個喇叭一對線，從擴大機分別連接起來。

喇叭線長，真的會降低擴大機的性能嗎？

喇叭接線引起的電阻 / 阻抗，對擴大機的阻尼係數（damping factor）有很明確的影響。阻尼（damping），擴大機控制喇叭動作的能力，在具衝擊性低頻節目演出的器材如：腳踩大鼓、bass 吉他和定音鼓等，特別明顯。乾淨、「結實」的 bass，是好阻尼呈現的參考指標。模糊不清、軟趴趴的 bass 是阻尼不好的結果：喇叭原本被設定該有的動作，但是擴大機無法即時讓它停止，精確跟著波形運動。最終，阻尼不好將引致振盪，摧毀喇叭。

「阻尼係數」（damping factor）是喇叭阻抗除以擴大機輸出阻抗的一個商數。超低輸出阻抗例如約 40 miniohm 左右，在現在的直接耦合晶體擴大機中常見，所以 8-ohm 負載的阻尼係數通常會標示在 100 ~ 200 之間。不過，這些規格是在測試台上，以一個無感假負載直接連接到輸出端取得的。在真實世界裡，喇叭會將 cable 連接電阻視作輸出阻抗的一部分，擴大機輸出阻抗因而增加。即使只考慮 cable 中的 DC 直流電阻，也會大大降低了阻尼係數。如果將 cable 上的 AC 阻抗也加進去的話，阻尼 loss 就更大了。

雖然管機的阻尼係數通常遠小於晶體機，它們的聲音還是可以藉由使用較大(粗)的 cable 加以改善。在 DC power 控制的混音台，阻尼也會影響表現，將電源線縮短，在低頻的展現會有明顯的改進效果。

還有其他 cable 問題會影響表現嗎？

雙胞胎精靈「串連電感」（series inductance）和「集膚效應」（skin effect），也是喇叭線的影響因素。串連電感和所引起的「感抗」（inductive reactance）加上「直流電阻」（DC resistance），增加了 cable 的 AC 阻抗。電感可以看成是一個隨著頻率增加改變阻值的電阻，因此，電感有著低通濾波（low-pass filter）的特性，漸進地（隨著頻率增加）把高頻衰減掉。圓形導體的電感，與它的直徑或大小沒有關係，與它的長度也沒有正比例的關聯。

「集膚效應」是一種現象：圓形導體在高頻時，電流會比較集中在導體表面流動，幾乎像是變成一個中空的管子。這會使得導體高頻時表面電阻增加，也會帶來顯著的相位偏移（phase shift）。

兩個湊在一起，會形成多種動態、時間關聯的信號失真，這些很難用簡單的正弦波形來量化測量。當複雜波形的和諧架構被改變的時候，那種立即、臨場的感覺就會減少。人的耳 / 腦組合是難以置信地的敏感，能夠察覺出這種相位失真的效果，不過通常需要即時的AB test ，直接做比較才好辨識。

要怎麼對付這些問題呢？

喇叭線奇奇怪怪的設計數量多到驚人。其中有同軸，加兩個絕緣的螺旋式遮蔽（spiral shield）好像當導體使用；四芯導體，兩芯當「正」，兩芯當「負」；zip-cord 用特級的“rope-lay”導體與表層被覆；多導體，據說用大的導體給低頻、中的導體給中頻、細小導體給高頻；4 AWG 熔接 cable；用多個絕緣導體，編織成扁平 cable；以及許多其他的。這些大都是以使用多導體來對付電感問題，和把導體變小來對付集膚效應。

許多秘傳 cable 非常貴，它們可能只比一般普通的絞線對 cable，提供好一點的表現，特別是在嚴苛的監聽應用與高品質的音樂系統裡。大部分情況，這種線的成本和通常伴隨的組裝與結構容易受損，嚴重限制了它們的實用性，特別在可攜式場合。簡單說，太貴、太硬難使用，基本上不是為耐操設計的。不過在聲音上，用開放心情去聽，是可以忍受的；其中差異可以是非常大的。

電容問題會影響喇叭線嗎？

喇叭電路極低的阻抗設計，使 cable 電容在整體表現上，影響非常次要。在早期的晶體擴大機，高電容性的負載（如大型靜電喇叭系統），會造成輸出電晶體爆裂或其他問題。不過，熱、短路、高電感性負載、簡陋電源供應設計，也會造成同樣的狀況。

因此，絕緣介質的使用，就不像高阻抗設計的樂器 cable 那樣嚴苛要求。喇叭 cable 最主要的絕緣考慮因素，大概是耐熱性（heat resistance），特別是因為受限於常用接頭的尺寸，例如普遍可以看到的 1/4 吋插頭，嚴重限制了 cable 的直徑大小。這需要絕緣被覆薄、但是堅韌，能禁得起大量銅帶來的高溫，甚至到達焊接時的溫度。Polyethylene（聚乙烯）容易被融化，熱固型材料如橡膠（rubber，neoprene）貴又不可預測。考慮到壁厚，PVC 便宜又可以多種方法混合，加強收縮阻力與彈性，讓它在多數應用上變成一個好的選擇。

為什麼喇叭線不需要遮蔽？

事實上有一些情況下喇叭線是需要遮蔽的。某些區域有著極強的 radio frequency interference（RFI），喇叭線會變成天線，接收到不需要的信號，從輸出電晶體進入系統。當喇叭線和 mic cable 需要長距離靠近的場合，例如 cue（片場信號）要被送進錄音室，採用遮蔽喇叭接線是一個好主意，等於是一個保險，避免串音進入麥克風線。在絕大部分的場合，超低阻抗與喇叭信號的高電平輸出，使 local 的干擾影響不那麼重要了。

為什麼我不能用有遮蔽的樂器 cable 連接擴大機與喇叭，假如接頭適合的話？

在走投無路的情況下，你可以這樣使用。不過，小的導體（通常20 awg 居多），對電流有很大的電阻，在極端的狀況下，會發熱、高溫甚至融化絕緣物質，使導體與遮蔽短路，或者融化變成斷路（open），這會摧毀一些真空管擴大機。長距離的同軸 cable，會有很大的電容，可能足以搞亂擴大機的保護電路，造成不合時宜的當機。當然還有因為 cable 的高阻抗，導致的功率損耗和阻尼下降。