這次來說明 雙線圈 的拾音器,是如何做到抗雜訊呢? 拾音器Pickups是電吉他內部一個很重要的零件,它負責將琴弦的震動轉換為電壓訊號。由於琴弦振動時會產生電磁波,所以拾音器的線圈才能感應出相對應的電壓擾動,到了放大器就變成了琴聲。只不過既然拾音器能感應出琴弦的電磁波,那它也能感應出環境中的各種電磁波,這些外來的電磁波就變成了電吉他的雜訊。為了對抗這些雜訊,於是廠商就發展出了雙線圈的拾音器,後面我就來講講它的原理。
雙線圈 抗雜訊實測
先來對單線圈與雙線圈的拾音器做測試,看看它們對於雜訊的反應是如何? 我把兩個拾音器擺在一起,並接上示波器如下圖。左邊是單線圈接示波器的Channel 1,波形是黃色;右邊是雙線圈接示波器的Channel 2,波形是藍色。由於拾音器中間放的是強力磁鐵,所以彼此很容易吸在一起,於是我用膠帶將它們黏在桌上固定,免得位置跑掉,如下圖。
訊號測試
首先做訊號測試,先拿一條電線來充當琴弦,這條電線必須是鐵磁性的材料,也就是它必須可以被磁鐵所吸引才行,一般的電線是銅線做的,無法被磁鐵吸引,所以銅線不能當作琴弦。
如上圖所示,當我撥動電線的時候,示波器的螢幕上馬上就出現波形了,而且黃色與藍色的波形幾乎是相同的形狀。這個意思就是,無論是單線圈或雙線圈它們都能感應到琴弦的訊號,而且出現的感應電壓波形是一樣的。
所以這個階段的測試告訴我們,單線圈或雙線圈的拾音器在琴弦的收音方面是沒問題的。
雜訊測試
接著來做雜訊測試,我拿一個40W的鎢絲燈泡,當它點亮時,交流電流會不斷的來回經過電線,因此會產生一個60Hz的低頻時變磁場,俗稱電磁波,而且鎢絲燈泡的電流夠大,產生的磁場足以讓拾音器收到方便觀察,我就拿它來當作雜訊源。如下圖,燈泡的白色電線我刻意讓它跨過兩個拾音器上方。
當我把燈泡打開時,示波器上就會出現拾音器感應到的電壓,你會發現黃色軌跡明顯振幅較大,藍色軌跡振幅較小,而藍色軌跡就是雙線圈的感應電壓。這就表示雙線圈對於抗雜訊確實有明顯效果,而且對於60Hz交流電的抑制效果很顯著,所以雙線圈拾音器也稱為Humbucker,Hum就是交流聲的意思,Buck有砍掉的意思,也就是這種拾音器可以砍掉交流聲的意思,接下來講原理。
單線圈拾音器原理
雖然說本文標題是要探討雙線圈的拾音器,但它的基本原理來自單線圈,所以得先從單線圈開始講起。單線圈拾音器的構造如下圖,是由一組線圈與磁鐵組成,上方的橫線是琴弦,圖中的線圈我只繞一圈示意,中間的磁鐵會產生磁場,它的磁力線會由N極出發到達S極。
當上方的琴弦往下壓的時候,磁力線會變胖一些,外圍往下的磁力線會往外溢出一些,於是線圈面積內往上的磁場就變大了,如下圖。
那接著感應電壓的大小與正負極要怎麼判斷呢? 這時就要用到法拉第定律Faraday’s law和冷次定律Lenz’s law,法拉第定律告訴我們,當線圈內的磁場有變化的時候,線圈的感應電壓和磁場變化的程度成正比。至於電壓的正負極,則要靠冷次定律,它告訴我們,線圈的感應電流方向會傾向於反抗外界的磁場變化,所以當向上的磁場變大,線圈的感應電流會傾向於反抗這個變化,也就是感應電流必須要能產生一個向下的磁場。
根據安培右手定則,若將右手比讚,拇指當作磁場方向朝下的話,其餘四指就是電流方向,以這個圖來看也就是順時針的電流方向,因此感應電動勢或說感應電壓的正極在右邊,負極在左邊,如下圖。
前面講的磁力線看起來好像都是橢圓形的,其實真正的磁力線應該要長得像下圖一般,這是我用有限元素分析法FEMM模擬出來的圖,這會比較貼近現實狀況。中間的方塊是磁鐵,橫在磁鐵中間那細細的紅線表示線圈的截面積範圍,上方又窄又長的橫槓是琴弦。
如上圖所示,磁力線一但進入琴弦之後會產生非常大程度的折射,而且鐵磁性的材料可以容納很高的磁場密度,所以大部分的磁場都進入琴弦當中,你可以看到圖中琴弦的兩側呈現紫色,表示這些地方的磁場密度較高,這樣才有辦法讓磁場的變形程度最大化,因此琴弦的材料都需要是鐵磁性材料,白話點說也就是可以被磁鐵吸引的材料。
當我們把琴弦往下壓的時候,磁力線就變成如下圖的樣子,如果和上圖仔細比較一下的話,磁力線看起來似乎有胖一些,但磁場的大小還是得要實際運用積分計算才知道。
我把穿過紅線的磁場做了積分,當琴弦還在上方的時候,磁場是0.174 Tesla,當琴弦被按下的時候,穿過紅線的磁場是0.190 Tesla,所以向上的磁場確實是有變大的情況,那麼感應電壓的正負極就的確是左負右正。
雙線圈 拾音器的原理
有了單線圈的概念,接著來講雙線圈就簡單了,所謂雙線圈就是把單線圈的構造一模一樣的複製一份到隔壁,只不過中間的磁鐵上下顛倒而已,如下圖。
既然兩組線圈的構造一樣,那麼當琴弦下壓的時候,兩組線圈內的磁場都會同時變大,只不過左邊這組線圈跟前面講的單線圈一樣,它的磁場是往上變大;而右邊這組線圈的磁場,由於磁鐵的方向上下顛倒,所以它的磁場是往下變大。既然兩組線圈的磁場變化方向不同,線圈的感應電動勢的正負極也就不相同,但大小相同。你再把右手定則拿出來用一次就可以知道,左邊這組線圈與剛才的單線圈一樣,是左負右正;但右邊這組線圈,則是左正右負,如下圖。
這兩組線圈的感應電壓已經出現了各自的正負極,如果把它們看成兩顆電池,並且訊號最大化的話,那當然是像下圖一樣,將兩顆電池串接在一起,也就是其中一顆電池的正極接另一顆電池的負極,最後各自的正極與負極再接到PA擴大機,這樣訊號會最大。
雙線圈 抗雜訊原理
接著就來介紹大家都想問的東西,為何雙線圈可以抗雜訊? 來看看下圖吧,由於外界的磁場變化幾乎都是一整片來的,所以我用相同大小的箭頭來表示向上的磁場變大了。
於是兩組線圈面對這些外來磁場,都會有相同的反應,所以兩組線圈都會傾向於產生一個向下的磁場來反抗它們,再次利用右手定則,你就知道兩組線圈都會產生左負右正的感應電動勢。但由於接線方式是沿用剛才的接線,所以這次的感應電壓,變成正極接正極,等於是兩顆電池的頭對頭接在一起,這意思就是電壓彼此互相抵銷了,所以另外兩個負極接到PA擴大器時,電壓會是零。
簡單來說,雙線圈拾音器面對琴弦的振動時,它所表現出來的行為是感應電壓的加成,但面對外來的電磁擾動時,它所表現出來的行為卻是感應電壓彼此抵消,於是整體看起來,雙線圈的拾音器就有抗雜訊的效果了。
那麼這外來的電磁波,有沒有機會剛好方向相反,讓雙線圈的拾音器把它當成是訊號收進來呢? 當然有機會,外來的電磁干擾不可能總是像圖裡畫的這麼平均,畢竟這是現實世界,甚麼情況都會有,我們只能盡量利用這樣的原理來抗雜訊。
基本上電磁波的傳遞像光一樣,燈泡的光波隨著距離的增加,它的球狀傳播面對於拾音器這種接收端來說,就會越趨近於一個平面,電磁干擾也就越趨向於平均,所以只要距干擾源有點距離,大部分的電磁干擾都會是平均的,除非你附近有很多干擾源,經過彼此加減的效果之後,剛好在兩組線圈的位置分別產生了方向不同的變化,於是就被當成訊號收下來了。
雙線圈 聲音比較悶?
有音樂界的朋友跟我說雙線圈拾音器的聲音聽起來比較悶,我想應該是因為兩組線圈是串聯的關係,如果單線圈的匝數和雙線圈單支的線圈匝數相同的話,那麼雙線圈的匝數等於是兩倍,所以電感值也會是兩倍,這就會產生一個低通濾波器的效果,因為電感越大越會抵抗電流的變化,所以高頻訊號的振幅會被抑制。
我做了一個模擬線路來說明這個情況,如下圖。電感L21的感值我用1H和2H來做頻率分析模擬,右方的R7表示放大器的輸入阻抗10k ohm。
下圖的頻率分析橫軸是從10Hz模擬到20kHz,縱軸是衰減的程度,藍色線是1H的電感值,橘色線是2H的電感值,你可以發現橘色線比較早往下彎,所以電感值越大,高頻訊號衰減的越大,這就清楚說明了為何雙線圈聽起來會比較悶的原因。
要解決這個問題,可以把雙線圈的兩支線圈匝數都減半,這樣加總起來的匝數就和單線圈一樣。另外一種解法就是採用線圈並聯的方式,也就是如下圖的方式,它依樣可以將外來的感應電壓消除,而且由於是並聯的關係,它的電感值會減半,這樣電感值反而還比單線圈少。
以上就是雙線圈的抗雜訊說明,相信你已經了解如何選擇雙線圈的接法來達到某些效果。
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