浅谈电源线的奥秘

冰河入梦 · 发表于 2006-11-3 18:23:00

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浅谈电源线的奥秘
玩音响，线材是一道绕不过的坎。从上个世纪70年代末期，欧美一些音响技术人员和发烧友就发现线材对音响的效果有明显的影响，开始有意识增加音响线材导体的直径，以减少传输电阻。80年代中期，日本通过发展金属冶炼和提纯技术，为音响线材提供纯度更高的导体，4N、5N甚至6N高纯无氧铜相继被开发出来
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　　玩音响，线材是一道绕不过的坎。从上个世纪70年代末期，欧美一些音响技术人员和发烧友就发现线材对音响的效果有明显的影响，开始有意识增加音响线材导体的直径，以减少传输电阻。80年代中期，日本通过发展金属冶炼和提纯技术，为音响线材提供纯度更高的导体，4N、5N甚至6N高纯无氧铜相继被开发出来。90年代，日本古河电工发明单晶铜的冶炼方法，把线材导体纯度推向极致。而欧美的线材厂家则通过改变线材结构和编织方法提出自成体系的调声理念，也都取得了卓越的成效。伴随着线材技术的发展，其价格也直线攀升，从几百、几千，到几万、十几万
　　与此同时，发烧友圈子关于线材的争议也从来没有停止过，有的拥有过百万的器材，却只用几百元的线材，也有全套线材价格超过了全套器材。国内几大音响论坛，每每都会有线材到底是否有用的争论帖子，最终谁也无法说服谁。国外著名的发烧友伊森·温纳（Ethan Winer），身兼录音工程师、大提琴演奏家、电路设计师、软件工程师，在音频技术的各个领域均有所建树，在他的著作里彻底否定音响线材被夸大的效果，认为只要线材的电气参数一样，昂贵的线材和低价的线材发出的声音没有区别，并通过零差检测来证明这个观点。
　　笔者从第一次听出线材的差别开始玩线，到成为进口品牌线材的国内代理，十几年来，从未停止过对线材的思考和尝试，并自学了传输线理论、电动力学、固体物理、电磁学等十几门与音响线材有关的学科，以探究线材调声的理论依据。这一期的文章，把自己长期实践和思考的心得和大家分享一下。需要说明的是，由于笔者不是线材研究的专业人士，这篇杂谈也不同于科技论文，一些观点可能有失偏颇，一些术语表达不够准确贴切，仅供大家参考，并欢迎批评指正。

音响线材有数字线、信号线、喇叭线、电源线等几种，为什么这篇文章专门要说电源线呢？原因是对于其他几种音响线材，传输线理论已经通过以下的等效电路模型，揭示了这些线材调声的奥秘。并通过测定线材相应的电气参数，和实际听感相联系，用于指导线材的设计。
　　图1. 传输线之等效电路模型

　　R=两导体中单位长度的串联电阻，单位Ω/m
　　L=两导体中单位长度的串联电感，单位H/m
　　G=两导体中单位长度的并联电导，单位S/m
　　R=两导体中单位长度的并联电容，单位F/m
　　而对于电源线，上述电路模型虽然依然成立，但其电气参数无法和听感进行联系，并且无法回答以下两个致命的问题：
　　问题一：
　　电源线从小区变压器到楼宇配电箱再到发烧友家里，其长度至少有几十上百米，前面用的都是几元或十几元一米的普通低压电线电缆，为什么只更换最后的一两米就可以对声音造成巨大的变化？
　　问题二：
　　信号线、喇叭线传输的是音乐信号，线材的分布参数会对信号和电流造成微小的扭曲，产生不同的听感。但电源线传输的只是50/60HZ交流电，频率极低，只要过流能力足够，那些微乎其微的感抗、容抗，怎么会影响到声音的效果呢？谁又能测出50Hz交流电通过线材之后，波形产生了哪些变化？
　　这两个问题，是“电源线无用论”者的杀手锏。迄今为止，笔者没有看到对这两个问题的科学合理的解释。哪怕是顶级发烧线材厂家，也回避这两个问题，只宣传自己的电源线采用了什么材料、什么结构，对声音会带来怎样的提升。这就像中医，只知道某味汤药可以治疗某种疾病，这种汤药的有效成分是什么，其起作用的机理是什么，一概无可奉告。当然，也不排除他们是知道电源线改变声音的机理的，但作为技术秘密绝不外泄。甚至用另外的一套说辞，来讲电源线的“故事”。

记得多年以前，笔者重新调整音响器材的摆放位置，有条电源线不够长，于是临时把两条电源线用连接头串起来代替。两条电源线等效两个电阻，根据电工常识，串联电路中电阻不同的安放位置是不会对电路的电压和电流产生任何影响的，所以当时没留意先后顺序，只是随机插在一起。听了几天，想着把两条电源线的位置调换过来试试，结果一听发现大为不同：紧挨着器材的那条电源线对声音的影响更大！当时笔者对这个现象的初步推测是：音响器材属于非线性负载，工作时会对供电电源线产生“谐波冲击”（姑且用这个名称吧，也许不够确切），通过对紧挨着器材的那一两米电源线的结构和材质设计，可以组合出合理的“电气参数”，一定程度地缓冲梳理谐波的冲击，让电源供应更加有序和充分。
　　以上推测比较好地回答了前面的第一个问题，但仍然有待通过实验和测试数据来验证。而且对于前面提出的第二个问题，也需要进一步研究。为此，笔者专门购置了相关仪器，来测试音响器材工作时，供电到底发生了什么变化。

在没有接入后级的时候，笔者家里的供电质量很好，电压是220V，谐波电压分量是0.8%，完全符合国家供电质量标准。但打开后级后，虽然谐波电压略微升高到1.0%，谐波电流比例就大幅攀升到140.6%。

也就是说，音响器材工作的时候，电源线内流通的不仅仅是50Hz的工频电流，更有大量的100Hz~2500Hz（仪器只能测量2~50次谐波，实际有可能更高）的谐波电流，其总量甚至超过50Hz基频的电流强度！
50Hz的工频电流属于低频范畴，电磁场变化频率较低，电磁辐射水平也较低，但2000Hz以上的谐波，就会引发不可忽视的电磁辐射。加上器材工作时内部电路产生的高频电磁波，一起在电源线导体的约束下传输。电磁波在良导体中的传播速度是很慢的，例如1MHz的电磁波在铜芯导体内部的传播速度只有每秒400米左右，并且会快速衰减。当遇到反射界面或者传播介质发生变化，会产生强烈的反射。（这也说明了为什么电源头尾、插座这些不起眼的小配件，为什么对声音的影响那么大）。电磁波一部分被导体、绝缘体和屏蔽层吸收，一部分反射回线材导体和器材内部，会加倍造成输入电流波形的扭曲紊乱和相位失真（如下图所示）。

注：红色为电压波形，黄色为电流波形
众所周知，功率放大器实质是一个阀门，它不能无损放大音乐信号，而是用音乐信号来控制输出电流（电压）的大小。器材内部会有整流和滤波电路，但急剧变化的输入电流常常会超出滤波电路的调整能力，最终使输出信号或功率电流产生波动和染色，从而改变了声音。
笔者又把某品牌的并联式电源处理器接到后级的同一个插座上，谐波电流总量立即有了明显降低，证明这款电源处理器是有效果的。

所以笔者对于前面提出的问题二的回答是：如果给电源线接上纯阻性负载，不同电源线对供电波形的改变是微乎其微的，甚至是无法测出的。但对于音响器材这类非线性负载，工作时会产生大量的高频谐波电流和电磁波，并且随着音乐信号的变化快速波动，电源线不同的电气参数，就会通过影响谐波电流和电磁波的变化过程，对器材的音频或功率信号输出产生影响。

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