音响线材对音质的影响

音响线是指连接各类音响器材并组成一套系统的联接线,主要有信号类和功率类和电源类线材。用量最大,变化最多的线材,人们往往用信号线来调整整体音响器材的音色特点,所以各个厂家各尽其能。一般的电线用在直流电或50/60Hz交流电,频率极低,所以电容、电感对性能影响不大。

音响线是指连接各类音响器材并组成一套系统的联接线,主要有信号类和功率类和电源类线材。

由于音响和视频类产品是供人欣赏的媒介产品,所以存在文化,环境不同而引起的审美观点的差别。

由于音响和视频的产品已大量进入普通家庭,人们希望通过各类线材来简单调节系统,以满足自身

的审美观点,虽然这种调节只是微量的,所以不同生产厂家的产品是存在着自身特殊的个性,首先

是由于导体材料,绝缘材料和制作工艺的不同引起不可避免的差别,其次各个生产厂家通过材料的

选择和线材的结构设计来人为控制线材性能的差别,来满足不同消费群的需要。所以说不存在最好

的材料,只存在着最适用的材料。 从理论上讲,音响线材料的好坏,只能从保真角度上来讨论,

即我们希望制造出线材使通过此线材的信号与输入信号完全相同。从产品生产厂家来说由于不同市场需求,产品必须有两种产品。一种是尽量保真产品,在专业市场的需求,另一种是无意或有意使线材产生善意的失真,以满足普通家庭的需求,即非专业使用。

①.? ? ? ?低电平信号线(话筒线),通常指通过电位几十&mICro;V到几十mV,电位几十nA~几十μA这样线的重点要解决的是屏蔽问题。一般结构变化不多,均匀2芯或3芯反螺旋的减少电感和噪声。每芯一般为φ0.12×20铜线,PEF或PE绝缘加屏蔽φ0.12×6×16,外皮为PVC。为了进一步提高信噪比,有些厂家在每条芯线外再加一层导电PE,这样可提高信噪比20-40dB。

成品线一般为平衡结构(XLR),以减少长距离传输过程中串入噪声,此类线一般专业场合使用较多,所以品种和结构变化比较少,各类厂家基本差不多。

②.? ? ? ?高电平信号线(音频连接线),一般通过电位几十mv~几V,电流几十μA~几十mA。主要用于CD机与前级放大的连线,前级放大的到功率放大的连线等。用量最大,变化最多的线材,人们往往用信号线来调整整体音响器材的音色特点,所以各个厂家各尽其能。线芯的结构,截面变化很大(22GA~16GA)。音色及频响变化也很大,各厂自身特点明显。线芯导线有用单芯线,多芯线,粗细线混合绞合,但最普通用φ0.12×20、φ0.12×40正绞。或中心φ0.16×7外缠绕φ0.08×5×8,具体的设计后面再谈。绝缘材料用PE、PEF、聚四氟乙烯等。单条芯线用于RCA,双条芯线以上可用于RCA和XLR都可以。多条芯线夹合减震的纤维绞合,外加屏蔽和PVC包套。一般各类线导电芯比小信号线粗些,因为流过的电流比小信号线大,同时加粗导线能提高低频厚度和动态。屏蔽要求低于小信号线。

③.? ? ? ?喇叭线,连接功放到喇叭箱的线料,此类线材是流过电压几伏~几十伏,电流几安培到几十安培,属于大电流线材,一般导体截面16GA—8GA(1.3mm2–8mm2),常见的二芯,四芯。导体用多股φ0.15-0.28组成,少数也有用单芯硬线。这类由于使用中流过电流较大,所以噪声影响不大,只有极少厂家使用屏蔽方式。

④.? ? ? ?电源线。电源线分为汽车音响用的动力线和普遍音响用的电源丝。由于汽车音响用电源电压很低12-14伏。所以流过的电流很大,一般从几安培到几百安培,所以动力线一般为单芯线10GA~0A(即6mm2–50mm2 )。一般音响用的电源线起码需要三芯,即火线,零线和地线。流过的电流几百毫安到几个安培,线芯面积18GA~12GA,为了减少交流电源对其它线材的干扰,部分厂家的线也制成屏蔽形式,设计电源线目的是畅通地使电源输送到器材,同时减少电源的干扰。

⑤.? ? ? ?视频线。使用在电视、DVD视频信号连接用的线材,由于它们要承载几十M到几百MHz的高频信号,线芯一般使用镀银,高档些的使用包银线材,以减少高频信号的电阻,线芯绝缘材料使用PE或泡沫PE,特富龙,以减少高频损耗和高频极化。为了减少高频干扰,每个芯线一样单独屏蔽,这类线材常见的有同轴射频线和S端视频线。

⑥.? ? ? ?数字信号线。由于数字信号有很高频率和方形信号的上升沿的严格要求,所以一般线芯为镀银线或包银线,同时要减少线间电容和电感,一般有厚的PE、泡沫PE或特富龙绝缘线和通常不能采用绞股方式,外层加屏蔽和PVC外套。 一般的电线用在直流电或50/60Hz交流电,频率极低,所以电容、电感对性能影响不大。同时对绝缘材料的损耗问题也没有太高要求。

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当线材工作在交流电即频率较高时,会产生一些我们平时很少想到的问题。

①.? ? ? ?直流导体电阻 R’=ρ20×l /A[1+α(θ-20°)]κ1κ2κ3κ4κ5 20 :20℃时的电阻率。l:导线长度。A:导线截面。α:电阻率温度系数。θ:温度。κ1 :加工过程中引起电阻增加。κ2 :多根导线绞合而成的线芯,使单根导线长度增加所引入系数。κ3 :紧压线芯因紧压过程导线发硬所引入的系数。κ4 :因成缆绞合增长线芯长度引入系数。κ5 :允许公差引入系数。 铜? ? ? 银? ? ? 碳纤维? ? ?铝? ? ? ?镍铜(54%Cu) ρ20nΩ.m? ? 16~17? ? 15~16? ? ?35000? ? ?25~26? ? ? ?500~600

②? ? ? ?.趋肤效应 在直流电路里,均匀导线横截面上的电流密度是均匀的。但在交流电路里,随着频率的增加,在导线截面上电流分布越来越向导线表面集中,这种现象叫趋肤效应。趋肤效应使导线有效截面积减少,从而使它的等效电阻增加,随着频率增加,会使这种效应,变得非常显著。 趋肤深度: ds=? ? ?σ:电导率μ:磁导率 当频率1KHZ时? ?ds=2.1mm? ?频率100KHZ时? ?ds=0.21mm,所以在高频电路中使用简单的圆实线芯是不合适的。虽然银的电阻略小于铜,同时但它的电导率略高于铜,所以银的趋肤效应也更明确。实际上在高频电路中简单靠使用银来减少高频电阻,效果也是不明显的,所以要用相互绝缘的细导线编织成辫线。

③? ? ? ?邻近效应 前面谈了趋肤效应,有人会用简单的多股细线或干脆用方形多股细线结合以增加表面积来代替单股线,改善高频趋肤效应影响。但事情不是那么简单,实际这样的效果不明显。因此存在着另外一种很少提起的效应,当两条通过同方向高频电流的导体靠近时,由于电磁学同性排斥原理,引起相近面的电子推向远面,实际就相当于高频导体的有效截面减少。 铜导线? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?导线? ? ? ? ? ? ? 导线 趋肤效应? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 邻近效应 (具体计算有兴趣的可参考电动力学和固体物理) 3? ? ? ?导体交流电阻 根据麦克斯韦方程可以推导出如下: R=R1(1+YS+YP)? ? R1:直流电阻? ? YS:趋肤效应因数? ? YP:邻近效应因数 可粗略简化如下: YS=? ? ? ? Dσ:线芯外径? ? ?S:线芯中心轴间距离? ? ?KS? KP:分别是趋肤效应和邻肤效应的形状因子。? ?当圆形纽绞线分割为 1 、0.8 4? ? ? ?电感 并线自身绞合后就会产生一个电感,和多芯电缆相互之间影响也会产生电感 Li:自感? ? ? S:导体轴间距离? ? ?r:导体半径 5? ? ? ?电容 单芯线与屏蔽层之间的电容:? ? ? &epSILon;r:材料的介质常数 多芯线之间电容:? 6? ? ? ?介质损耗 当导体流过高频电流时,绝缘材料分子会随着交流电流的交变而产生振动和极化,这些振动和极化所需要的能量实际上是导体的高频电流所激发的,所以流过导体的电流能量被损耗。

:损耗角 对于某些绝缘材料损耗角 是不固定的,不同频率电流流过是不一样的,一般来说随着频率提高, 也增加。 7? ? ? ?导体交流性能的简化物理模型 影响线缆的交流性能是一个十分复杂的物理过程,我们通过对线缆主要影响,简化数学模型可以得到如下模型。 R3、R2、R1 导线的交流电阻,随着频率的增加,趋肤效应更加明显,引起高频衰减。在理想线缆中,希望此值尽可能小。 R12、R23、R13 导线绝缘体的漏电和损耗,希望此值尽可能大。但实际线缆中,绝缘电阻不是无穷大,损耗角不是无穷小,但条件允许下,尽可能选择电阻大,损耗角小的绝缘体。 L1、L2、L3 为导线的电感,一般屏蔽层的L3较小,可以不考虑。L1、L2 一般为几个~几十个μH。电感大对高频有严重的衰减,对数字信号线影响特别大,会引起数字信号的上升沿变宽,有可能引起jit。实际上,我们绞合线过程中就会引起L1、L2 增加,但不绞合又会影响信噪比,所以我们在工作中对不同的要求的线取一个合适的绞距和绞合方式,如芯导体用正绞,而芯之间用反绞,来抵消部分电感。 C12、C13、C23 分别是芯线间电容和芯线与屏蔽层之间的电容,随着流过导线的信号频率的增加,电容引起的旁路效应增加, ,电容产生的旁路电阻变小,部分信号被电容旁路掉,使高频信号衰减,当然我们希望这个电容越小越好。但要减少电容,首先是增大芯线间间距G,但是间距增加引起线缆外径变粗和成本上涨,实际上往往受到限制,那么我们应该减少绝缘材料的介电常数 。

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以上谈到的对部分同志可能太枯燥些或很难理解,但我们只要记住会有这些现象产生,对下面理解线为什么要这样制造有一定的帮助。 1? ? ? ?导电材料 一般我们采用的导电材料是金属材料,铜、银、铝及合金,首先金属材料导电性能较好(ρ较小,即电阻小。其次金属材料导热性能好,当电流流过产生的热量容易传导出去。再者,金属材料比较容易加成线材,同时有一定的抗拉强度和弯曲性能。

锭材? ? ? ? ? ? ? ? ? 放大 首先金属材料经过熔炼加工成锭材,由于金属材料在凝固结晶过程中会产生偏析现象,在晶界处产生杂质富集,这些元素中受影响最大的是氧、硫等非金属元素和铁等磁性元素,氧、硫等元素会化合反应,形成氧化物和硫化物,这些化合通常是非导体或半导体,引起大的电阻和晶界处产生电容,引起信号衰减和失真。而铁是磁性物质,会引起信号的失真。所以往往我们在制造音响会采用线中采用无氧铜,以减少氧含量,选用高纯度的材料以减少其他杂质元素。 不同的晶粒间,原子的排列方向是不一致的,当信号流过时,电子运动会改变方向和产生折射和散射,引起导电性能的下降和信号失真,所以在制作音响线中,我们往往采用长晶粒铜甚至是单晶铜线。? ? 虽然在锭材加工成线材过程中,通过挤压,轧制会打碎部分晶界和氧化物等片状结构,成较小的散状或通过热处理来改善部分性能,我们首先要保证材料的纯度和结晶方向。

1:铜是我们最常用的制线导电材料。按照国家标准铜(制作线材用的铜)的纯度必须大于99.7%,电阻率 时小于17.24n ,当镀锡线和镀银线有所变化(在原材料检查一节中再谈)

TPC:电解铜,就是我们普遍制作铜材料的原始材料。 OFC:无氧铜,去除电解铜中的部分氧分子和杂质,一般纯度在99.99%左右,是音响用线的最低标准,也就是常说的4N铜。 Hi-OFC:高传导无氧铜,通过进一步去除铜中氧化物,并去除其他杂志,使铜的纯度提高到99.99%以上,同时经过加工和热处理,尽量使各晶粒中原子排列的晶格尽量一致,改善导电性能。 LC-OFC:通过机械加工和热处理方法使高传导无氧铜的晶粒长大,减少导线晶界造成的信号失真。 PCOCC:单结晶无氧铜,在熔炼铜时,用定向生长和快速凝固的方法,使铜的晶体生长拉长,最长的可以达到100米以上,使导线内晶界消失,根本上消除晶界和氧化物对信号失真的影响。

PSC:实心光面铜:由于我们在线材拉丝过程中,铜的表面不光滑和表面氧化杂质带入,影响了信号传输的平滑性,特别是高频信号。由于趋肤效应,高频信号只在表面传输,不光滑和不清洁的表面使高频信号传输不畅和失真(就像汽车开在坑洼路面)。PSC就是在PCOCC的基础上对线材进行抛光和去除表面杂质。 TPC? ? ? ? OFC? ? ? ? ?LC-OFC? ? ? ? PCOCC 纯度? ? ? ?>99%? ? ? >99.99%? ? ? ?>99.99%? ? ? ?>99.999% 氧含量? ? ?<500ppm? ? ?<20ppm? ? ? ?<20ppm? ? ? ?<5ppm 结晶长度? ? >0.00002m? ? >0.003m? ? ? ?>0.1m? ? ? ? ?>1m 2:银也是我们常用的制线导电材料。因为银较贵,一般只作表层材料,使低频从中心铜线进行,高频从表层银层进行。 银的导电性能略比铜好些,但由于电阻率略低,即电导率 高,趋肤效应比铜略明显,但为什么银用在高频线材中?因为银的化学性能比铜更加稳定美国音响 宽电压,它的表面不易氧化,所以它的高频传输性能比铜好,在高频线中,如视频线,数字信号级中做表面层材料,当然在一些高档的线材中一般采用纯银材料。首先是有更好的导电性能,其次作为高档线有更好的商业价值。 银材料也有OFS、HI-OFS、PCOSC、PSS不同纯度和档次之分。

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铜合金,这是一种不常用制线导体材料,俗称黄铜。主要成分铜、银、锌合金。现在在高档线材中很流行的一种材料。它的音色与传统的铜线有很大差异,对有些器材是很合适的,对于有些器材是很不合适的,也可以说是具有很大个性的制线材料。由于铜合金电阻比铜大一个数量级,所以它的趋肤效应比铜不明显,它的高频传输和低频传输更加一致。同时它的抗氧化性能比铜好,它的表面更有利于高频传输。缺点也是很明显的,它的电阻率很高,长距离的传输损耗太高,在需要长距离传输的专业场合是不适用的。同时,由于高频和低频传输特性与铜有一定差别,容易引起正常用铜线材调试平衡的系统用了铜合金材料后会产生新不平衡,所以它的使用性有一定的局限,通常表现为高音亮丽。 碳纤维,过去碳纤维导体主要用在一些高输入阻抗的仪器和医疗器材上(在江苏有些厂在生产)。它的抗老化,抗氧化,抗拉强度极为优异。它的内阻很高大约高于铜线的3个数量级,同时它的直径一般在几个 ,所以它的趋肤效应不明显。以上的特点决定的碳纤维很适应高频信号传输,但它的缺点也是十分明显的,它的内阻很高,1米长的信号线内阻一般为几百欧姆,而同样尺寸的铜线只有零点几欧姆或更低,对于输入阻抗低的器材是极不适合,引起信号衰减,动态压缩。

在大电流场合中也是不适合的。VDH的 the third一条300多万条碳纤维组成的喇叭线,每米阻抗高达70 电阻,已经高于一般信号线电阻,常用喇叭线长3米。有0.2 ×2电阻已经超过喇叭分频器内电感内阻,甚至超过喇叭内阻十分之一,严重降低的阻尼系数,对于低阻抗和大型喇叭箱低频非常不利,更不用说在需长距离传输的专业场合,它的成品线材制作与铜线工艺也不同。 解释:前面所叙的铜的纯度是铜棒的纯度。这些纯度的表示方法是带有许多商业意义的,但做线行业都这样称呼。 铜的纯度达到99.999%以上当前的检测技术是无法检测的(包括美国国家计量局)。因为化学分析高纯材料是用减量法进行。要精确的数据,使用的天平必须达到几十亿分之一精度,这种精度受风,潮气影响。那怕是在真空中称量也是难以达到的。再加元素周期表上面的所有元素去减量。所以,一般线材铜丝能真正达到99.99%纯度已是很好了。99.999%铜在提纯后需用玻璃真空封装,如长期接触大气是不可能达到99.999%的铜丝。我曾经在中科院分析国外各线厂的各种高纯铜制成的线材,线材都是极新,而且号称7N,8N纯铜,实际纯度无法达到99.99%。含氧量最低的是古河线60PPm,其它均大于100ppm.。为什么会有与标称有如此大的差别呢?经过离子探针的进一步剥离和分析,发现材料生产工艺是严重影响线材质量的根源。首先线材拉丝过程中模具的不光滑引起拉丝滑痕,这些拉丝滑痕中往往带入润滑油等其它杂质,通过下一道拉丝卷入导线中,其次热处理过程中的氧化和生产过程中的导线保存不良,产生氧化受潮及其它气体的化学反应。

高纯铜线和大晶粒,晶粒趋向均匀的材料,确实是对线材的性能有一定的提高,主要是中低频的改善,但高频性能提高主要决定于导体的表面,所以对于制线角度来说,导线加工工艺的质量保证要远重要于纯度。 目前,值得注意是黄铜丝材料。在国外中高档线中颇为流行。(一般家庭使用)在不是很长距离的应用,由于高音亮丽,在AV系统中使用比较适合,它的成分Cu加20-30%Zn.由于Zn与Cu是固溶状态,一般不会产生其它结构,导电性能还是可以接受的,电阻率一般是纯铜的4-8倍。由于它化学稳定性好于Cu,生产时对材料保存,使用要求也不需要太严。同时,黄铜丝的成本也不高,拉丝的加工性能与铜相似,所以工艺上也不需要改动。至于部分厂家加入银这纯粹是商业炒作,因为Ag加入黄铜后电阻反而增加,化学稳定性也没有什么提高,唯一提高的是硬度,结果使拉丝工艺更加困难,实际生产中,只需加入使正常化学分析可以检测到的银就可以了,就达到商业价值。 绝缘材料 现在生产的电缆绝缘材料主要是塑料。油、橡胶、纱已很少使用,电缆对塑料性能有如下要求。

电绝缘性能:体积电阻率,介质损耗角 介电常&epSILon;数,介电强度。 机械性能:拉伸强度高,断裂伸长率大,柔韧性好,冷弯曲性好,耐振动性好,耐磨性好, 热性能:耐温等级,长期使用温度及短时工作温度。热交形率,耐热冲击。 耐气候性:环境老化,耐气候老化,耐温,耐辐照。 安全性能:阻燃低烟、防霉、防鼠 主要用途:芯线绝缘用塑料,填充塑料美国音响 宽电压,外皮用塑料。 下如,我们对音响线重点要求的绝缘性能进行分析,体积电阻率,一般PVC? ρ>1×1013? ? ?PE? ρ>1×1015? ? ?聚四氟乙烯ρ>1×1018 都能满足音响用线要求。 介质损耗角 :这对音响线来说是很重要的,如果 高,意味着高频信号会受到衰减,这样减少不是简单的信号振幅大小变化,而是一些小信号的损失,实际听感上, 大的介质制成的线高音发暗,发浑,小细节丢失。 1MHz? ? ? PVC? ? ? ?PE? ? ? ?交联PE? ? ? ?聚四氟乙烯? ?聚全氟乙丙烯? 发泡PE 4-5×10-3? ?2-3×10-4? ? 3-5×10-4? ? ? ?2-3×10-4? ? ?2-3×10-4? ? ?1-2×10-4 明显PVC的 大于PE 20倍左右,所以一般制造高档音响用线是不使用PVC做绝缘材料,特别是用在高频场合,如视频线,数码信号线是绝对不能使用PVC材料的,而通常会发泡PE。 介电常数:前面已谈过,芯线间的电容正比于介电常数ε,通常制造线材中,尽量减少电容,以减少高频衰减和增高脉冲的上升速度,(部分特别设计的有强烈个性音频线例外)所以要选用低的介电常数的绝缘材料。 1MHZ? ?空气? ? PVC? ? PE? ? ?交联PE? ?聚四氟乙烯? ?聚全氟乙丙烯? ? 发泡PE ε? ? ? ? 1? ? ?6~10? ?2.2~2.4? ? ? ?2.3~2.5? ? ?2~2.2? ? ? ? 2~2.2? ? ? ? ?1.4~2? ?

介电强度(俗称耐压): 是PVC、PE等,它的介电强度均大于10kv/mm完全能满足音响用线的几十伏耐压。 造成PVC在电绝缘性能上差主要原因,PVC是有极分子结构的。正常下每个分子具有固有电矩,在电场作用下,产生排列,称为取向极化。在高的频率下,由于分子的惯性较大, 取向极化跟不上的电场的变化,产生严重的损耗,而PE只是惯性很小的电子产生位移极化,所以在高频下损耗低。通常音响用线制造中,尽量不要选择有极分子机构类材料。? ? ? 常用到线用塑料有如下特点 : 软PVC:稳定性好,通过交联式其它方法的改性,耐温等级高,改性后可以耐到120℃左右。容易制作,容易添加其它材料,达到阻燃,低烟,抗磨,抗拉,但电性能不好,所以一般选用软PVC作为音响用线的外皮材料。 高低压聚乙烯PE:它的介质损耗角小,介电常数也小,吸水小,化学性能稳定,广泛用作音响线缆的绝缘材料,缺点也是很明显的,耐热性低一般70℃左右,尺寸变化大,加工工艺不适当时,容易发生开裂,近年来,通过加入交联剂,防老化剂,聚异丁烯等,使性能做到很大提高,耐热等级可达到105℃完全能达到作为音响用线绝缘材料的要求。一般来说,中高档的音响用线均采用PE绝缘。随着使用的电流频率提高(如视频用线,数码用线)需要进一步降低介质损耗和介质常数,我们就应采用发泡PE,但要注意的发泡PE的吸水性较大,制作成品线时应该注意,并对两端进行密封。? 聚四氟乙烯(俗称特富龙):这是一种极为优异的制线用材料,它的电绝缘性能与PE相同,但它的热性能,化学稳定性,机械性能是其中塑料无法比拟的,它的耐温等级可达到300℃。可是它的成本较高,制线困难(无法用传统方式挤出)所以只有高档线缆才采用。 聚全氟乙丙烯:由于聚四氟乙烯性能极为优异,但制线困难,所以进行改进加入丙烯,使它可以用传统方法挤出。除了耐温等级略低于聚四氟乙烯(200℃),其它的性能与聚四氟乙烯相同。市场上看到的俗称特富龙线,大多数均为聚全氟乙丙烯。 用作填充材料的塑料,一般要求吸水少,抗拉强度高,减震性能好的材料。

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