1. 扬声器电功能的特殊性扬声器电功能主要应用于功率传输（俗称：喇叭线传输。即功率放大器信号传输）与音圈做功两个方面。功率传输的功能与音圈做功的功能不同：功率传输不需要电磁转换，音圈做功需要电磁转换。因此，它具有各自的电功能特殊性。 1.1. 声波与电磁波的关系扬声器声波由电磁波转换再驱动振膜而来，电导载流频率决定扬声器发声频率；电导载流量与电压决定扬声器振幅。即功率决定振幅。 负载音乐信息的电导载流频率简称音频。音频电流必须是交流电或称交变电流。只有交流电才能负载和传输以频率变化为基础的音乐信息。音乐的声波本就是频率变化为基础的机械波。 机械波与电波（或称电磁波）是两种不同的物质：机械波由机械振动产生；电磁波可由电子周期性运动、原子内层或者外层电子受到激发、原子核受激发等而产生。 机械波中的声波是二维的，只有能量和形状，没有质子；电磁波是三维的，既有能量和形状，也有质子。电磁波具有“波粒二象性”，声波只有波而无粒。所以，声波必须依赖介质（质子）才能传播，电磁波则有无介质（质子）都能传播。 正如此，声波的传播速度由介质决定：一方面相同介质不同频率的声波传播速度相同，另一方面不同介质相同频率则传播速度不同；但电磁波在相同介质中不同频率的传播速度（因折射率关系n=c/v）则不同。如频率越大，折射率越高，传播速度越小。 大致上讲，声波以空气为介质的传播速度在温度条件15C0时为340m/s，但是电磁波则在任何介质中（包括真空）的传播速度都接近30万千米/秒，≈光速（1光速(c)=299792.458千米/秒(km/s)）。 不同介质声波传播速度（声速）见下表5：
表 5介质声速表 电波速度不受介质影响，声速却受到介质影响。从速度大小看，声速与电速不是一个量级。 但声波不同的频率在同一介质中速度一样，而电波不同频率在同一介质中速度却不一样：因为频率越高折射率越高而使速度越低。 这就带来一个问题：既然声速与电速不同，电导中的频率是如何与声音的频率统一的呢？ 只能理解为：电波的长度＞声波的长度（以空气为介质时）882倍以上。而电导体传输的50Hz转换为空气传输的声波也是50Hz。两者形状不同、质不同，量却相同。即，异质同构。 另：声波的强度由振幅决定；电磁波的强度则由电压与电流（功率）决定。 这是电（磁）声转换的物理机制。也是电频率与声频率的关系。在这种电与声关系中，扬声器的电导就包含了自己的特殊性。 1.2. 多频率传输与多状态传输这个特殊性首先表现在多频与多变。 多频：音频电负载或传输的频率至少为20Hz~20KHz，与其他非音频电负载或传输单一的50Hz或60Hz甚至更高频率等相比，频率多了2万倍（1个单一频率比较2万个频率）； 多变：音频电所负载或传输的电功能适时多变。音乐机械波的变化是随着音乐能量强弱、音乐频率高低、音乐音色明暗等而变化的，既有时间变化也有空间变化，导致音频电功能的复杂而丰富的变化。其电流与电压始终处于适时变化中。这是其他非音频电负载所不具备的特点。 1.3. 扬声器电功率应用电与磁，是一种物质的两面：有电必有磁，有磁必有电，电磁不分家。但在扬声器电功率应用中，却把它分开了应用。 1.3.1. 功率及分频应用音频中，用于弱电流传输的叫做信号传输，如功率放大器前端的导线均用于弱电流传输；用于强电流传输的叫做功率传输，如功率放大器后端的导线用于强电流传输。 功率传输进行分频是电声技术发展的一个重要经验：扬声器分频为高频或低频是明智的。因为用于高频的振膜要轻且薄，这样才能满足高频振动的响应时间。频率越高，及振动周期越短，越需要振膜的响应敏捷度匹配，低频响应与之相反。全频单元不分频，是不符合高保真条件的。扬声器单元分频，就是功率分频。 扬声器的被动分频器（也称功率分频器），置于扬声器前端，功率放大器后端，常利用电感器做低通，电容器做高通。 电感器以感抗的方式储能，阻碍高频率电流通过，无功功率大量消耗在高频电流上，有功功率发挥在低频电流上；电容器以容抗方式储能，阻碍低频电流通过，无功功率消耗在低频电流上，有功功率发挥在高频电流上。 电容消耗无功功率(KVAr)：Qc=2×π×f×U2×C（U=电压，单位:KV，C=电容量，单位:μF）。 电感消耗无功：Ql=U2/(2×π×f×L)（f=频率；L=电感量） 这一应用场合则重点倾向于电磁波的“电流”方面。 1.3.2. 磁场应用扬声器发声的介质是振膜，振膜运动靠音圈驱动，音圈运动靠磁力驱动，磁力运动一方面靠磁气隙的磁场力，另一方面靠音圈绕线产生的电（生）磁力。电生磁所耗散的功率被普通电功能认为是无功功率，在扬声器音圈应用上恰好相反：电生磁所消耗的功率则恰恰是扬声器音圈驱动振膜做功的有功功率。这符合所有电磁波重点倾向于磁做功的物理意义。 相对而言，音圈导线中电磁部分的“磁”为有功功率。但任何导电材料常温下都有电阻，因电阻作用部分功率转换成热能消耗掉。因此，就音圈电导视在功率，仅有生磁部分为有功功率。其中电阻、电离能等消耗的功率一律为无功功率。 电导体的电阻消耗的功率，既是普通应用的无功功率，也是扬声器包括音圈电路的无功功率；所不同的是：普通应用中电磁消耗的磁部分无功功率恰恰是扬声器音圈做功的有功功率。 要注意的是：音圈电功能的有功与无功不能同等扬声器其他电导规律。除音圈电导外，其它都与普通电功能应用相同。 其中，无功功率最明显的部分，便是电导体的电阻。从视在功率看，电导体阻值越大，扬声器有功功率越小，电导体阻值越小，扬声器有功功率越大。这一规律也适合音圈电导功能。电阻越小，载流越大，磁流越多，磁力越强。 但音圈电导中普通无功功率与频率成反比，与频率成正比的原则，也被颠倒了过来：有功功率越大频率越小，有功功率越小则频率越大。这也是BL值越小频率越低，BL值越大频率越高的原因。 也就说，从视在功率看，电强则磁强，电弱则磁弱。 这样，扬声器电功能的有功与无功，又和普通电路的有功无功没有区别：都和电导体材质与形状相关。最直接的就是与材质的电阻值大小相关。 2. 功率传输线设计扬声器功率传输线设计可考虑三个方面的应用：即喇叭线（Speaker-Amplifier line）与音圈线（Voice Coil line）、电感器线。其中，喇叭线指功放输出端到扬声器驱动单元输入端。 该三方面不同的是：喇叭线不在单体或设备内，没有空间限制，所以在材质和形状上可以相对自由；而音圈线架构于驱动单元的单体内，即磁隙内，空间限制大，材质及其形状难以自由，选择面很窄；音圈线与喇叭线有共同之处，材质和形状选择性较大，不同之处在于它是卷曲的，设计不当容易产生寄生电容从而影响电感指标的稳定性。三者之间应用环境不同。 2.1. 振动环境喇叭线是一端连接功放输出另一端连接扬声器（或音箱）输入的功率传输线，按照应用环境而言，它属于“机外线”（与机内线相对）。正是如此，他所处于的环境有着自己的特殊性。 音响系统导电传输线的使用避不开电流回路动态环境影响，即动态电场影响。 在静态电场中，也就是整个音响系统尚未建立起通电的电场中，导电传输线、功放、分频器、喇叭等均处于各自孤立的电性状态。而一旦系统通电，导电传输线、功放、分频器、驱动单元等音响系统便共同建立起一个动态电场，这个电场再不是各自保留着孤立电性，而是形成一个由导电传输线、分频器、扬声器、功放等设备共同建立的相互协调又相互矛盾的动态电场，此电场中各个环节不同的电性能相互协调又相互矛盾，构成了电流回路环境的特殊动态。例如，作为导电传输线的喇叭线在其与分频器之间会受到分频器中的电阻、电感、电容等因素变化的影响，分频器电感值、电容值等变化会影响喇叭线电导体电负荷的变化；另一方面，在回路中，电能利用磁能使扬声器音圈带动振膜发声，而音圈及其振膜的振动会产生较大的反电动势，振膜在振动中将电能转换成声能，同时振膜振动的声能也在转换成电能，被转换部分的电能就会形成反电动势叠加于喇叭线即导电传输线的电场中，对喇叭线即导电传输线产生较大的电性能干扰。 另一方面，电磁虽然为一体两面，但两者按照中国人的思维则是阴阳两面，相生相克。相生：电生磁，被西方科学定义为电磁效应；磁生电，被西方科学定义为磁电感应；电强则磁强，磁弱即电弱。相克：磁场干扰电场，电场干扰磁场，尤其是在同一导体或电导介质内。 通常，电磁效应为：声波振动环境动态对导电传输线的影响。 如音箱发声，音响系统所处的环境空间及其整个声场都在振动。振动让所有环节都受影响。经验告诉我们：如果将功放、CD机、音箱换不同材质的脚钉会听到不同的音质、音色表现。脚钉作为设备承重物并未通电，不在整个系统的电场中。那为什么脚钉可以改变系统声音效果呢？这是因为不同形状、不同材质的脚钉的共振频率不同，其因受声波振动而受迫振动传导给音响设备的振动频率与振动能量不同，所导致系统音质、音色的变化。所以，处于同一空间的声波振动对系统所有电路都会产生振动影响。 喇叭线也不例外。在声波振动环境中，喇叭线会因外力作用产生压电效应：即在导体两端（接触点）或某频率某电压条件下产生极性相反的电负荷，该电负荷量在一定规模上衍生出交流电动势，这种电动势可能对导电传输线电场进行共振叠加，也可能是共振递减，以形成对导电传输线电场的变形干扰——声染色。 基于上述两大影响，做为音响系统导电传输线在高保真传输性能要求下，其导电的抗互感性能与抗震性能就尤为重要。所谓抗互感，就是抵抗电流回路环境动态影响；所谓抗震性能就是抵抗声波振动环境动态影响的性能。 基于上述两大干扰因素考虑，喇叭线应从材质、形状、绝缘、抗震四个方面中和选择。 2.2. 喇叭线设计喇叭线所处的环境是喇叭线设计的应用前提。就好像越野车的设计所考虑的应用环境是坑洼不平的山地一样。 就一般的家用高保真喇叭线而言，材质的选择首先应是银导体。（见下表）
表 6常用喇叭线理化机制优先排位表 业内及发烧友普遍认为：银导体适合传输高频。此观点没有更多的理论支撑。其实，银导体不仅高频损失小，低频损失也最小。 根据我在前面分析电功能传输的理化机制看，银导体在业内非常敏感的电导率排位第一；其次电离能最小（从第一电离能到第七电离能综合算）；原子半径最大等。此表明银导体在“搬运”电子过程中，稳定、轻松，无功功率最小。尤其是针对音乐信息的多频率电流。电流负载的音乐信息损耗也就最小。 关于喇叭线材质与音乐电信问题，地球人很少进行科学研究。甚至做一些违背物理科学常识的宣传，贻害大众。 如靠商业炒作而出名的美国“音乐丝带”喇叭线，如是介绍自己的产品：“以下惊人的数字是音乐丝带顶级音箱线Valhalla（瓦哈拉）的技术指标，各位先看看：绝缘材料：高纯度一级挤压式特富龙；导体：40条微空间绝缘结构最佳直径；材质：78μm挤压纯银表层于8NOFC纯铜表面；电容：11.8pF/ft；电感：9.6μH/ft：直流电阻：2.6Ω/1000ft(304m)；传输速度：96%光速。”其系列线材还有标称91%光速的。 关于音乐丝带导电材质，有的介绍为铜镀银，有的介绍为“挤压银”且银的厚度宣称78μm或70μm，内芯宣称为8N无氧铜，其最大的商业卖点就是最后几个字：“96%光速”。其中文宣传资料也有标称91%光速的。 这给人两大疑问：一是音乐丝带技术团队是否学过中学物理，造出完全违背物理常识的电缆？电速=光速，这是爱因斯坦在广义相对论所证实的。其所造电缆的电速尽然“96%光速”。这是什么玩意儿？如果不懂中学物理常识而信口开河，胡说八道，那么这样的技术团队是完全不值得信任的，所做的技术标称均是谎言；二是音乐丝带技术团队的技术“牛”到可以任意控制电速的超级物理水平，完全颠覆世界物理科学，达到地球人不可知解的非物理科学境地。 以我所知范围判断，前者可能性更大：信口开河，胡说八道。把市场看成是比自己还要蠢的傻瓜进行毫无底线的忽悠。 我为了证实它的谎言，特地购买音乐丝带试听、比较。结果是一塌糊涂。超低频没有，中频不饱满，高频不通透。与市场上2.5元/米的喇叭线差异不大（音乐丝带售价2800元/4条），完全达不到Hi-Fi水平。尤其是低频表现。 我将本院研发的喇叭线与之简单比较结果如下表：
表 7 5N-N材料与7N单晶铜、银包铜材料电性比较 表10中，5N-N导材，是中科声学（广东）科学研究院发明的一种新型音乐功率传输线编号。其中“5N”是指金属材质纯度，“-N”是因商业保密的该材料（超导体）名称代号。 比较中，5N-N长度均超过对比组50%的长度，但各频段的电阻值均＜34%~44。 再见以下测试数据：
表 11 5N-N各频率段电阻值变化统计 表11可以看出，5N-N阻值升高从5KHz始1mΩ（增大1.6%），到20KHz升高了7mΩ（增大11%）。对比表10测试参数，所升高的电阻值完全可能是引线和插头引起的。因为表10中，5N-N阻值100Hz、1KHz、10KHz并无变化。而音乐丝带在10KHz阻值升高10%。这表明其68μm的包银材料部分的设计并未达到降低趋肤效应的影响：即趋肤效应深度设计不合理。这，也许就是音乐丝带听感木讷呆板、高不上去低不下来的原因。 -N材料在另一层面的特点就是抗磁性。在一定条件下，因为其抗磁性，磁波难以对其穿透，所以其本身因磁性互扰的涡流状程度更低。其电性除电阻率在某种条件下更高与银以外，其他电性指标均超过银。而这一缺陷，是可以通过形状设计加以改善的。这一点，从上述列表中可以看出。 根据上述材质、形状、绝缘、抗震四个方面中和选择原则，5N-N的核心导体材质选择了-N即一种超导材料，形状选择了箔带式即矩形截面形状，其借鉴隐形飞机技术进行了吸波处理，以改善电磁效应带给的涡流干扰，并特地裹覆了较厚的防震层。 这样的设计，就使得5N-N的听感远远超过市面上靠讲故事赚钱的所有喇叭线。甚至超过荷兰晶彩35万港币/米的喇叭线。 3. 音圈导线设计音圈导线的应用环境与喇叭传输线不同，应用目标和方式也不同： 对于动圈式扬声器首先，它处于狭窄的磁气隙环境中，造型上受到极大的限制；其次，它的应用目标是电生磁，而非纯导电；第三，应用方式必须绕圈，而非平直应用。这样就必须产生电感。实际上就是一个电感器。 3.1. 音圈导线材质音圈的驱动不是靠电，而是靠磁。也就说音圈的电生磁与永磁（或励磁）形成90度切角磁力线，靠交流电方向的变换特性形成运动的。电导率越高，磁力越强，力损就越小。 根据上述导材比较，当然选择银材作为音圈导线为最好。 我们做了一个比较实验：纯银线材音圈与铜包铝线材音圈两种不同导电材质的音圈。 两者的所有条件都相同，唯一不同的就是导线的材质不同。比较结果如下：  图 5 银线圈与铜包铝线圈的频响曲线比较 图5中所示：银线的平均声压级＞铜包铝线材5dB，频响不均匀度＜5dB。 分析：这是动圈式高音单元应用。之所以采用铜包铝，是为了减轻音圈重量。铝的密度是2.7，铜的密度是8.8。铝较铜密度小3倍。铝的电阻率远远＞铜，所以以铜裹覆于外层，缩小趋肤效应产生载流空心化更利于较高频率载流通过。而密度越小的线材，质量更轻，更利于较高频率振动响应。反正高音单元的分频都在2KHz甚至3KHz以上，所以铝芯部分处于圆截面积中央，其电阻率高低没有什么实质性影响。因为2KHz频率的电流已经趋于截面积表面了。用重量换频率对于高音单元是有效的。 图5表示了银材线圈的绝对优势。原因呢？ 银的电阻率最小，导电率最高，电生磁的功能最强，所以它接受磁隙的磁力线作用更为敏感。在其他所有条件都一样，唯有材质一项不同条件下，居然达到5dB的差异，可想其有功功率的发挥＞铜包铝材1.8倍。也就说，1只银材线圈单元的效率相当于3只铜包铝线圈的单元。也就说银线圈用强磁换重量对高音单元效率较以重量换振动响应更有效。 市面上用纯银线圈的少之又少。并且常听说银线圈的高频过头。这也是毫无理论依据的。什么叫过头？最好用客观评价的仪器测试来回答。只要曲线平坦都不会过头。过头的原因很可能是振膜强度不够而产生的“炸裂”音。这不关线圈导材的事。 总之，银线音圈是高级音箱系统材质性能的首选。 3.2. 音圈导线形状就音圈导线截面形状而言只有两种可选：一种是圆线，一种是扁线。 在导线形状上，“相同截面积（17mm2）条件下，扁线较圆线：20KHz时实效载流面积＞2倍，直流电阻＜50%，趋肤效应电阻＜50%~76%，载流密度在20KHz时＜52%，铜损＜3倍，散热面积＞6.7倍。扁线形状较圆形具有绝对优势”（见文前“形状与电功率”—>“截面形状”），自然是选择扁线为好。 但是，文前也提到“带状线趋肤效应较扁线减少”。 为什么不用带状的截面长方造形呢。 因为截面长方形线有4个锋利的直角。在漆包线制作过程中，绝缘漆的裹覆是采用含浸方式，这样导线周围裹覆的绝缘漆厚度基本上是一致。所以，那4个锐角的绝缘漆很容易在绕线中受伤或绝缘缺角。 音圈的扁线绕制是立绕，匝与匝之间、层与层之间，方形线的锐角都有可能碰伤或擦伤，很不安全，且不良率高。因此，很少或根本不采用方形线。 采用扁线做音圈的另一优势在于其受磁行程更大（见下图6）。  图 6 圆线与扁线受磁行程比较示意图 图6示意：扁线自身磁场南北极距离较圆线要大，在永磁或励磁磁隙不变方向的磁力作用下，自身磁力的南北极方向交替行程更大一些，因此其受力大一些。圆线磁场利用率为78%~91%，扁线约为96%。不要小看5%的差异，磁路设计适当，可能是1~2dB效率的提高。 我在振膜效率问题探讨中，提到过：效率中包含效益。效率越高，保留音乐信息细节就越多。 3.3. 音圈导线与磁路配合在做圆线与扁线实验比较中，不能在同一磁路上切换比较。而应该在相同音圈单边磁间隙条件下比较。 圆线音圈与扁线音圈的内径和外径是不一样的。扁线音圈内外径＞圆线音圈内外径。当在同一磁间隙比较时，扁线音圈单边磁间隙＜圆线音圈。这种比较是不公平的。 音圈单边磁间隙是考验扬声器制作水平的试金石。如果设计磁间隙单边距离10μm以下，可能造不出来。目前能做到20μm单边磁间隙已经是顶级制造了。 如果＞或＜5μm（5‰mm）的单边磁间隙，灵敏度差异极大。可能达到3dB或更大的差异。 音圈线材、形状、bobbin等工艺设计与磁隙、振膜、弹波、折环配合关系及其密切。如果振膜变形，会影响音圈变形，音圈变形会影响磁场变形。所以，磁隙的音圈单边距离还必须保留一定的散热、变形余地。 线圈在磁隙中高速运动，升温很快（室内30C0条件下，升温可达到70C0）.升温即升电阻。扁线的升温仅仅是圆线的7%，可想扁线的电阻与温升都比圆线优秀。 4. 电感导线设计4.1. 线材选择电感导线也是扬声器功率传输线之一。所不同的是，它的应用在扬声器驱动单元和喇叭线连接的接线柱之间，主要功能是起到功率分频及被动分频的低通滤波作用。 在低通应用中，电感的阻抗随着频率变化而变化，阻抗与频率成正比：频率越高电阻越大。它就是以这种性能进行滤波，即低频通过，高频阻碍。 扬声器被动分频电感器设计，在线材选择上还是以银材等较大原子半径的材料最好。因为载流是它第一功能，截流是它的第二功能。其截流主要是针对较高频率电流。 为了其载流部分电流的稳定性，当然是采用银材为代表的高有功低离能性质的材料最好。 当然，如果采用纯银材料成本一定很高。2022年9月3N纯银价格为4.1元/克，同期铜价0.067元/价格。两者价差61倍，加工成型后更贵。 4.2. 形状选择在导线形状上，当然以截面矩形为好。因为这是保证它第一功能的最基本条件（见前述“形状与电功能”）。这样的形状，就是通常所说的箔带式电感器。 基于这个最基本条件，在保证载荷功率较大要求下，箔带式电感器截面矩形窄边与宽边的比例与载荷功率成正比。 宽窄边比不能＜3:1、不能＞50:1。 由于电感器的绕线较长（如0.23mH需要8米），如果选择箔带式形状电感工艺，材料选择银箔，成本确实高到离谱。 如0.1mm×25mm×8m的银箔，导体成本大概10920元人民币。 用户如果接受不了如此高昂的造价，可以选择4N以上的单晶铜箔，那就便宜很多。从导电率看，单晶铜仅比纯银低5%。但是音乐电导的细节和稳定性要差一些。 另外，材质、造型除外，制造工艺也很关键。 如德国蒙多福和丹麦战神，导体采用无氧铜材质，形状采用箔带式，绝缘材料却选择聚丙乙烯薄膜。由于绝缘间隔太厚，易产生寄生电容，影响电感分频的稳定性；而且聚丙乙烯与铜接触容易产生腐蚀反应，寿命不长。 寄生电容也叫分布式电容是电感器制造的一个技术瓶颈。我们正在着手解决中。 |
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