雙線圈拾音器-為何噪音比較小

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。