【Maker電子學】聲音訊號與接頭解密

作者:Bird

雖然 iPhone 已經在三年前取消了 3.5 mm 的耳機孔,但是類比式的聲音訊號傳輸系統仍然隨處可見,小至一般的耳機,大至桌上型電腦的外接喇叭,甚至千、萬瓦以上的大型 PA 系統,都還是會用到類比式的聲音訊號傳輸系統。

這次就讓我們來聊聊這古老的音源傳輸系統,以及它有什麼奧秘吧!

同一種接頭,不同的訊號

在非專業的音源系統上,3.5 mm 的插頭大概是最常見的系統,大部分的手機(除 iPhone)、筆電、平板,甚至家電上都能看到它的蹤影。

3.5 mm 耳機插頭(圖片來源:Bird 提供)

同樣一個 3.5 mm 的接頭,有時候會拿來傳輸耳機訊號,有時候拿來外接喇叭,有時候又拿來接麥克風,但其實這三種訊號在規格上有很大的不同,而且彼此通常不能互換。

Line Level

我們在 PC 的音效介面上,我們常常可以看到這樣的圖示:

(圖片來源:Bird 提供)

這種圖示代表的就是所謂的 line level 輸出。Line level 是一般聲音裝置之間傳送訊號的位準,然而其實業界對 line level 並沒有嚴謹的定義或一致的標準,有人做 0.7 Vpp,有人做 1 Vpp,偶爾也會看到 1.25 Vpp;這邊所指的 Vpp 就是交流訊號 peak-to-peak 的電壓,因此一個 1 Vpp 的交流訊號,它最高的電壓就是 0.5 V,最低的電壓就是 -0.5 V。

Line level 有一個特性,就是它的輸出阻抗蠻高的,大概在數百歐姆上下,有些系統甚至會做到 1 K 歐姆,因此它不能輸出很大的電流;一般來說,line level 用來推動的裝置,如外接喇叭,其輸入阻抗要夠高,line level 的輸出才推得動。

耳機

耳機是一個常常與 line level 搞混的類比音源。事實上耳機的傳輸系統也沒有標準化,各家耳機的規格與特性也可能有出入,但一般來說,耳機是一個「低阻抗的負載」。

以 Apple 的 EarPods 為例(還沒換成 Lightning 介面之前),大部分的測量都告訴我們它的阻抗在 42 歐姆上下,而它的感度則在 104 dB/mW SPL 左右(如果你不記得電聲轉換元件的感度要怎麼看,可以查看【Maker電子學】小型喇叭與驅動電路的設計這篇文章)。

假設我們用一個 1 Vpp 的訊號推動 EarPods,而且這個輸出的阻抗夠低,可以提供足夠的電流,來算算看在 EarPods 上會造出多少電流(因為 Vpp 是交流的電壓,我們只算單邊的電流):

I = V / R = 0.5 / 42 = 0.012(A)= 12 mA

而這個單邊電流在 EarPods 上會造成的瞬間功率則是:

P = I * V = 0.012 * 0.5 = 0.006 = 6 mW

上面有提到,EarPods 的感度是 104 dB/mW SPL,也就是說每給它 1 mW 的電功率,它可以轉換出 104 dB 的聲壓;由於 dB 是對數的單位,因此聲壓每增加 3 dB,功率會倍增,換句話說,1 mW 如果能造出 104 dB 的聲壓,2 mW 就是 107 dB、4 mW 就是 110 dB,6 mW 大概是 111 dB 左右。

你如果給它 1 Vpp 或 6 mW 的訊號,它真的有辦法造出 111 dB 的聲壓嗎?事實上就算這樣的驅動功率不會燒會它的線圈,大概也會使它的震膜產生機械性的損傷(一般耳機的合理聲壓上限大概在 100 dB SPL 左右)。

我們來算一下合理的 EarPods 驅動訊號應該長什麼樣子。如果不是在非常吵雜的環境中聽音樂,耳機輸出的聲壓大概在 85 dB 上下。這邊為了方便計算,我們假設現在耳機的聲壓是 86 dB。

86 dB 比 104 dB 少了 18 dB,根據分貝的對數計算,它少了 6 個 3 dB,而每少 3 dB,功率就少一半,因此驅動 EarPods 發出 86 dB SPL 時的功率只需要:

1 mW /26= 1 mW / 64 = 0.015625 mW

根據它的阻抗,我們可以算出需要達到這個功率的電壓:

P =V2/R
0.000015625 =V2/ 42
V = 0.0006(V)= 0.6(mV)

你沒看錯,EarPods 只要這麼一點點電壓,就能造出 86 dB 的聲壓,這是由於 EarPods 的輸入阻抗只有 42 歐姆,因此相對來說要造出一樣的功率,它所需的電壓比較低。

好了,現在問題來了,如果我們把 iPhone 的 3.5 mm 耳機輸出接到一個需要 line level 輸入的裝置會怎麼樣呢?

由於 iPhone 的 3.5 mm 耳機輸出是為了輸入阻抗只有 42 歐姆的 EarPods 設計的,因此它的輸出電壓相對來說是很低的;以 EarPods 的極限 104 dB SPL 來說,就算 iPhone 要推動 EarPods 達到 1 mW 的功率,也只需要:

P =V2/R
0.001=V2/ 42
V = 0.004(V)= 4(mV)

而 line level 的輸入滿刻度多半在 1 Vpp 或 0.7 Vpp 上下,因此 iPhone 的耳機孔輸出跟 line level 需要的電壓準位差了百倍不止,這也就是為什麼如果用 3.5 mm 的音源線將 iPhone 的耳機輸出直接接到一般 line level 輸入的外接喇叭或擴大機時,會覺得音量很小的原因,往往會把 iPhone 的音量開到幾乎滿格,才會有稍微正常的音量。

麥克風

麥克風又是另外一個也沒有很標準化的類比聲音訊號格式。這個訊號的規格是從不需供電的傳統動圈麥克風來的,因為不需供電,所有的訊號都來自於聲壓震動線圈,線圈再和磁鐵交互作用而來的,因此它的訊號極為微小,一般的動圈麥克風輸出的位準大概在數個 mV 左右,也就是千分之幾伏特。

至於現在手機和其它攜帶裝置比較常用的「電容式麥克風」,它的工作原理是透過電容的極板震動,改變電容量,進而改變輸出的端電壓。這邊須注意的一點是,電容必須先充電,才能偵測它上面因為電容量改變所造成的電壓改變,因此電容麥克風一定要供電,沒有例外;除此之外,它裡面還會加一個「前置放大器」,以降低輸出阻抗,讓電容麥克風能推動稍微重一點的負載。

既然有放大器,電容麥克風其實可以把輸出位準做高一點,但為了保持和動圈麥克風的相容性,現在絕大多數的電容麥克風仍然做成 1 mV 左右的輸出,也因此不管是手機還是電腦的麥克風輸入,它預期的訊號位準大概就是幾個 mV 左右的訊號。

TRRS 接頭

現在的手機如果還保留有 3.5 mm 耳機接頭,它的耳機接頭都會有麥克風的功能,因此手機耳麥的 3.5 mm 接頭和一般只有耳機的 3.5 mm 接頭有些微的差別。

手機耳麥(圖片來源:Bird 提供)

一般的 3.5 mm 立體聲耳機有三個接點,稱之為 TRS(tip、ring、sleeve),分別是左聲道訊號、右聲道訊號及接地,而手機耳麥的 3.5 mm 插頭有四個接點,稱之為 TRRS(多了一個 ring),分別是左聲道訊號、右聲道訊號、接地及麥克風訊號兼控制訊號。

一般耳機與手機耳麥的接頭有些微差異(圖片來源:Bird 提供)

這麼做的設計是為了讓手機的耳麥可以只用一個插頭就工作,但又可以保留跟傳統耳機的相容性。如果我們插了一個 TRS 的耳機到手機的 3.5 mm 孔裡,根據上面的圖,我們可以看出來對應到麥克風和 GND 的接點都會對應到一般耳機的 GND;換句話說,當我們插入一般耳機時,麥克風就會被接地,沒有任何訊號輸入。

除了手機外,我們如果用單眼相機拍攝影片,也常常會有外接麥克風的需求,因此市面上可以買到很多種獨立的單音或立體聲麥克風,這種麥克風通常也是用 3.5 mm 的插頭跟相機或是其它裝置連接,而且多半也使用 TRS 或 TS 的接點。

 TRS 接點的麥克風(圖片來源:Bird 提供)

如果麥克風是單聲道的,那麼它就只有 TS(tip 和 sleeve),tip 是聲音訊號,sleeve 是接地;但如果麥克風是立體聲的,它就會有 TRS(tip、ring、sleeve),tip 是左聲道訊號,ring 是右聲道訊號,sleeve 是接地。

很顯然地,如果我們把這種麥克風插到 TRRS 接頭的手機上,不管麥克風是單聲道還是立體聲的,它都無法工作。因此,購買這種外接式麥克風時要特別注意,如果是要給手機用的,就要買特別為手機的 TRRS 接頭設計的機種;如果是要給單眼相機或攝影機用的,就要買一般 TRS 接頭的機種,兩者不能混用,當然你也可以買到兩種規格之間的轉接線!

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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