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线材不是玄学：! _& b. A0 V1 o _0 U$ m
1 o& @1 i: \$ R' n音响用线设计与制作
# K% W' V7 q, x, m$ s4 H6 _作者:周兆3 r* Z& r5 o% u l& y/ M& L, @
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前言：
+ b" B7 ?( |5 r. T2 x+ j8 r% c9 `% y+ V通过总结我对产品设计和使用过程式中的一些经验,希望能给大家以后线材设计与生产过程中借鉴,有错误之处请多提意见。
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目 录* V7 s7 J T4 M6 i. z
7 f2 h: K' }1 T1. 音响线用途及分类5 `* m% X( S9 J/ Q# B: [/ K2 {$ h
2. 音响线设计基本电磁学原理 P! P+ E, X7 b- [+ i) j o" w! ]
3. 常用制线材料 b6 Z0 |, \- |/ W' \
4. 音响线基本结构及特点
% q2 w0 W! r8 i/ I# c+ J5. 原材料选择和检验( S, i& Z0 _8 u2 ?3 e# W
6. 线材制作0 @. Z1 d+ x# U. Z
7. 质量检测
. m! x. @/ X) ]' c( Z8. 成品线制作工艺4 D$ L/ P: h4 z
9. 国外主要音响线生产商及线材结构和特性+ y% e+ {% A. [8 ~; v# |
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+ R$ x- j! K5 T一、音响线用途及分类3 b6 w; f4 R3 J. _6 o
8 r6 R) V; L$ J% @* h6 r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。
; G. z0 P" d1 y6 d, Q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。0 V/ Y- f5 V$ B( o- H
' D5 q8 x c+ Y. W) F t7 t①.低电平信号线（话筒线），通常指通过电位几十µV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。0 K/ Y( u# z& {! `1 p, E+ v
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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。0 u1 H/ N/ |; T$ t4 c( D' J
; l' w9 @3 \3 G5 S1 Q$ j* {2 n5 V5 I③.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。$ V; g# b# r' n+ h2 z
# z, Q$ X. F1 c# D X6 R5 u! h7 y K④.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。+ @% c& h$ O8 c, T2 ]. F1 h, `- Q
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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 U% `$ x* B+ |( a, L+ d
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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。
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二、音响线设计基本电磁学原理% f* x/ t. p. d' D/ B
8 q6 K0 B; V: ^5 {% @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。
+ s, y- B, S$ ^' @$ u# }+ H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。
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: _* Q/ d3 v( M, v1 G' m9 g6 R7 \1.直流导体电阻# t+ E6 d' Y& J4 @& S3 L# C7 }1 }
R’=ρ20×l /A[1+α（θ-20°）]κ1κ2κ3κ4κ5. B6 x5 R, I* p5 K8 x2 {7 f
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。+ t2 ^2 h+ y- I+ N9 c# L
铜 银 碳纤维 铝 镍铜（54%Cu）2 O0 Q9 a k2 J6 J. Y/ K
ρ20nΩ.m 16~17 15~16 35000 25~26 500~6002 Q9 K8 ~- N* m; K, c
. @2 [7 T. R4 w) e! a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。$ m1 N) S/ h* s+ `
趋肤深度：ds= σ：电导率 μ：磁导率
! d, x1 {7 L3 N5 H8 o2 h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。
' D# }2 a3 `- O6 j7 w- S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。4 L) S8 x( U0 f& c5 h
铜导线 导线 导线9 j9 x5 c" a; p1 S) t! i" c
趋肤效应 邻近效应
- N( t9 Y+ w4 d3 q2 I9 Y! }（具体计算有兴趣的可参考电动力学和固体物理）
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3.导体交流电阻0 R+ o7 H1 {' T! V- _! s# `# }8 X
根据麦克斯韦方程可以推导出如下：
5 M' Y! L5 ?8 h4 y3 h' ?* P: o+ c1 z+ SR=R1（1+YS+YP） R1：直流电阻 YS：趋肤效应因数 YP：邻近效应因数
4 A( a8 C0 V& K% i- j可粗略简化如下：7 l: B' g' S) \/ p
YS= ) ~/ _9 n+ z5 P& R
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) |6 ?' T: h! [1 U5 S7 T
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4. 电感9 K! b0 G8 Z( \: ?- g
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
! O0 X! M5 L) G) K! W% k9 z Li：自感 S：导体轴间距离 r：导体半径
9 G, ? p2 v! e' A& x1 W, r. X3 V7 h3 Z, M( y i
5.电容) q9 |9 c/ X* I- c
单芯线与屏蔽层之间的电容： εr：材料的介质常数
8 `/ x$ N7 z+ G% L) \: u% Q多芯线之间电容： # d" C, P+ ~: H
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6.介质损耗
# j) r0 u1 u/ v& G1 ?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。
6 a7 g3 j6 D( V4 a% r9 Q) T9 J0 A+ C损耗角/ c" |+ m/ c2 @6 A
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。" C& J! D Z' A$ @6 Q7 d
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7.导体交流性能的简化物理模型8 }. k' ^: p; |9 Y
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。
0 m. K" S& b/ {% ?3 LR3、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。" N: K& f1 S; p( t! w
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。# X7 B# |6 Y/ N8 J* _7 v/ o
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。: j1 I% s% L9 J: [# o, Y
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 。
' X; M- I8 V' ^6 B+ X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。, Q0 F* w0 C( f+ a0 r* I
' H. w: l" U/ e" S4 X- Z; a* s9 u4 I
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…………3 F2 p- M9 C4 b, g) g, D: x4 h! Y
还有很多http://bbs.dalaba.me/viewthread.php?tid=26&extra=page%3D15 h" y$ T& S- G. ~. T
音响领域也有线材设计师的。 |
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IP卡
狗仔卡
发表于 2010-8-27 23:01
显身卡
，什么玩意儿嘛
