音响线设计基本电磁学原理
Date: 2009-12-31 22:16:00 Tags:音响线设计 电磁学 View:330 次
《音响用线设计与制作》 作者：周兆
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二.音响线设计基本电磁学原理
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。
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： εr：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 。
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。
