2013年8月25日 星期日

訊號線、喇叭線、和 DI Box

偶然間在 Empirical Audio 看到這篇討論訊號線和喇叭線的文章,學理紮實。那些用傳輸線阻抗匹配概念解釋線材的文章,我其實一直無法理解。因為在 20kHz 的時候電波波長達  1.5 公里,因此以任何使用環境,我們都不可能看到電波效應。這篇文章就講的很明白,線材的串聯電感還有並聯電容,才是會影響聲音的問題!這是不考慮電波的純電路模型!

連接兩個系統的時候,必定要前面的輸出阻抗 Rout 小、後面的輸入阻抗 Rin 大,這樣才能避免兩個系統各自的頻率響應因為 loading effect 而有很大的改變,也有人用阻抗匹配描述這個配置,但是要小心區分這和電波傳輸線阻抗匹配消除反射,是完全不同的概念!Rin/Rout 也被命名為阻尼係數 (Damping Factor),這個數字越大越好。

當後面接喇叭這種低阻抗負載的時候,串接電感和負載形成了 LR 低通電路,而串接電感值是隨著線的長度而增加的!所以喇叭線不宜過長,否則高頻會被衰減。如果進一步考慮喇叭線因為導線的損耗造成的串聯電阻,那又細又長的導線,也會因為串聯電阻過大,使得阻尼係數變小,導致電路性能改變。

也有些人會提到 skin depth,這是一個電磁學常用的參數,也是頻率的函數,網路上就有工具可以計算。舉例來講,銅導線在 20kHz 的時候 skin depth 是 145um,但是在 20Hz 的時候這個數字高達 4.6mm!Skin depth 的另外一個重點是,電流只流在導體外圍 skin depth 深的地方內,因此對於高頻訊號 (像是 GHz/MHz 級的訊號),過度的加粗導線是沒有意義的。

但是這個電波效應對於喇叭線真的有影響嘛?我們可以看看 AWG 表上的數字來討論。11 AWG 的銅導線,串接電阻只有 4.132 mOhm/m!就算喇叭線用到十公尺長,總共的等效電阻才 0.041 歐母,這數字小於標準 8 歐母的喇叭阻抗 200 倍!就算在高頻的時候損耗比較小,直接假設最誇張的高頻無損好了,那線阻的變化也只有 0.041 歐母,高低頻的音量變化也才 20*log(1.005/1) = 0.043 dB,這絕對是聽不出來的差異。

Empirical Audio 的文章計算了 11 AWG 雙股線長度對於訊號相位的影響,假設喇叭阻抗是 3 歐母、後級輸出阻抗 0.2 歐母,結論是在 20kHz 的時候八公尺長的線可以造成十度的相位變化。那麼,怎樣的線才會比較好呢?網路上就有可以計算串接電感的網頁!玩一下就會發現,直徑影響單導線的串接電感值很小。但是改成雙股線則可以直接降低兩倍左右!

這也符合電路直覺,並聯使用多個電感,則總感值是單一感值除以並聯數量,因此喇叭線的設計原則就是在維持總金屬截面積的情況下,儘量把線拆成多股。生活中最容易拿到的多股線就是乙太網路線!內含四對線,每條截面積是 0.205 mm^2,如果把四對八條全部接在一起,那總結面積相當於 AWG 15 的線,串接電阻是 10.45mOhm/m。

因為把一條拆成八條,因此串接電感約只有原先的八分之一,因此最大長度可以有原先的八倍,這時候長度可以達到 64 公尺。但是還要考慮 damping factor。他們假設的系統  damping factor = 3/0.2 = 15。如果容許 damping factor 因為串接電阻降低到 8 的話,則可容許串接電阻是 3/8 - 0.2 = 0.175 歐母,那可容許的線長度為 0.175/0.01045 = 16.7 公尺。

如果喇叭是 8 歐母的話,那可就完全不一樣了, Damping factor 的考量是 8/8 - 0.2 = 0.8,0.8/0.01045 = 76.5 公尺。串接電感的考量是 64*8/3=85公尺。

再加上安全係數兩倍,用乙太網路線當喇叭線,接八歐母喇叭則可以到 38 公尺長,damping factor 和 LR 低通造成的長度相當。如果接三歐母的喇叭,則長度只能到 8 公尺左右,主要考量是 damping factor。我假設一個喇叭使用兩條乙太網路線,一條接正級一條接負極。


講完喇叭線,來講訊號線。

訊號線後面的器材,輸入阻抗至少是 kOhm 級數,因此線的串接電阻對於 damping factor 的影響直接不用考慮。也因為這樣因素,串接電感造成的阻抗,也會遠小於下一級的輸入阻抗,剛剛討論的 LR 低通電路,也不用考慮。

新的問題是,前一級的輸出阻抗和線的並聯電感,形成一個 RC 低通電路。當訊號來源是像電吉他這種高阻抗器材的時候,這個問題會非常嚴重。因為問題很嚴重,所以早就被徹底討論了,網路上都可以找到計算機。解決方法是降低訊號來源的輸出阻抗,和降低線的並聯電容。像是 CAD e-70 這隻 small diaphragm condenser microphone,輸出阻抗僅有 85 歐母。如果使用高品質 XLR 訊號線,像是 Mogami W2525,則並聯電容只有 10pF/m。把這兩個數字丟進去剛剛那個計算機,得到的 20kHz 3dB cutoff 長度是 9362公尺!

這表示在 9362 公尺的時候 20kHz 會比低頻小 3dB,這是聽的到的差異。簡單的估計可以直接除以 10,這時候相位變化大約是六度,很明顯的用這樣的組合線多長都沒有差,畢竟實用上應該不可能達到 936公尺這麼遠。如果換成標準輸出阻抗 600 歐母,用非平衡線 W2792,那 3dB 長度只剩下 97 公尺!相位六度變化的長度是十公尺左右,加上安全係數兩倍,五公尺的線長在實用上就很受限制了。

這時候就該 DI Box 上場了。DI Box 不只轉換阻抗,更是把非平衡訊號轉成平衡訊號,而平衡訊號是 XLR 線之所以並聯電容很小的原因。再看一次 Mogami W2525,他有標示 C1 和 C0,前者是 10pF/m,後者是 90pF/m。如果我們今天把 XLR 線用非平衡的方式操作,則並聯電容是兩者相加,馬上損失十倍的可用長度!而平衡線的電容值也可以差很多,像 GLS 的 TIS cable,電容是 38pF/m。

原則是,所有訊號線都使用平衡線 (XLR 最好)。遇到非平衡且高阻抗的訊源,那就要使用 DI Box 降低阻抗並轉換成平衡訊號,非平衡的部份愈短愈好。不過,像 Behringer DI100 也才把輸出阻抗轉換成 600 ohm,使用 XLR 線材則可用長度是 66 公尺左右。

但是降低阻抗之後訊號的電壓也會隨之變小,因此後端通常接的是有 pre Amp 的 XLR 接口。那 Line in 接口是怎樣呢?以 Behringer Mixer 的 AUX out 規格來看,則是 TIS 接頭 240 歐母平衡輸出,配上 38pF/m 的 TIS 平衡線,實際可用長度也是有 43 公尺。由此可知,麥克風走 XLR 有 pre Amp,是因為電壓小,而且線可能需要很長,像是從舞台上方垂吊收 Over Head。至於 line level,走平衡 TIS 應該就夠了。