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[转] 喇叭的基础知识

1.   喇叭的零件: ­

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A.        音圈的驅動力   ­

       - 磁間隙中的磁場強度,單位為韋伯/ 。 - 音圈導線(銅線)的長度,單位為米。 ­

- 流過音圈的電流,單位為安培。 ­

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這是喇叭驅動的公式,我們可用的資源為; ­

- 磁間隙中的磁場強度,我們現在在華司上增加一片磁鐵,主要反應在磁場強度的增加。 ­

- 音圈導線(銅線)的長度,兩層的音圈,我們改為四層,四層改六層,體現在長度的增加。 ­

- 流過音圈的電流。假如電路已經固定,8歐姆的喇叭,改成4歐姆,明顯的增加流過 ­

的電流,但通常不是我們來決定,而是客戶來決定。 ­

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B.    間隙設計的考量 ­

設計考量的重點在【紙管式的音圈;內間隙設計成一致,外間隙隨阻抗的變化而改變】。 ­

                           【無紙管的音圈;外間隙設計成一致,我們考量上音圈製具的一致】。 ­

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C.   磁力線的分佈 ­

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下圖(a)為我們的常規設計,磁力線作上下均勻的分佈。但假如把它做成不等平面的設計如圖b,磁力線會被擠到上半部去;既圖上的上半部較多,下部較少。 ­

注意:不等面的設計,在任何一邊都行。意思是假如是內磁式,Yoke邊凸出,或華司邊凸出都行。 ­

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我們所生產這一系列的喇叭,為了不使音圈打到Yoke底部,都把音圈紙管往上移,所以我們應該把磁迴的設計成不等面,使裸露在上面的音圈還會被磁力線所含蓋,或許,這多出的部分,可以讓我們增加2db的音壓。 ­

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2.   Fo  ( Lowest resonant frequency;最低共振頻率) = ­

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Mo = 振動系的重量;包括鼓紙(振膜)、音圈、彈波的附加、防塵蓋、膠。 ­

So = 振動系的柔順性;包括鼓紙(含鼓紙的邊緣Edge)、彈波。 ­

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測Fo值是在【自由音場】下測得,在我們實際的量測時,務必注意喇叭的前後不可有障礙物擋住,而影響氣流的流動,否則所得的值就不正確了。 ­

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比較正確的測試方式為用阻抗曲線測出的值,較準確。通常測定Fo的電壓為1V,但我們會碰上喇叭的功率不足1V的情形,在這種情況下,我們會改用0.5V測,但必須載明於規格書上。 ­

測試的電壓愈高,所測得Fo的值會愈低,所以必須要定出一個共同的規範。 ­

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Q[/U]值:代表在諧振點[/U]Fo[/U]的諧振品質因素[/U][/B] ­

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Q值,和電子電路的Q值定義一樣,可以從阻抗曲線上來求得。Q愈高表示曲線愈尖銳,以振動的現象來說,是振動不易停止,所以聽起來,低音會變得渾濁。 ­

但在小喇叭的情況來說,因為低音都不易做好,所以Q值都高一些。 ­

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Q質的最大用處在於設計音箱時,音箱設計的著手點都從Q開始。當然我們也可以透過其他方法來調整Q值。 ­

[/B]­

如何調整品質因素[/U]Qt[/U] ­

(比較舊的喇叭分析教材只定義Qt,或Qo。新的分析方式把Q拆成機械共振的Qm及電氣共振的Qe,它們兩者的並聯值為Qt,既 )。 ­

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以下是節錄自【揚聲器及其系統—南京大學出版】書上關於Q的定義。 ­

  或者     ­

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符號說明: ­

- 放大器內阻,單位為歐姆。       - 音圈的直流電阻,單位為歐姆。 ­

- 磁間隙中的磁場強度,單位為韋伯/ 。 - 音圈導線(銅線)的長度,單位為米。 ­

- 支撐系統的等效力順,即鼓紙折環(錐緣或叫Edge)和彈波的總力順,單位為米/牛頓。 ­

- 振動系統的等效質量,即鼓紙和音圈質量之和,單位為千克。 ­

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由此可知,揚聲器的 值,與 的平方根成正比,而與 的平方根成反比。改變這兩個量的大小,當然可以改變 的值,但效果並不顯著。的平方成反比,可見改變 值的大小,即可明顯的改變 的值。事實上,這是控制揚聲器 值所經常採用的辦法。 ­

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此外,我們知道, ­

音圈的驅動力   :音圈的反電動勢   ­

- 音圈的振動速度。      - 音圈的反電動勢(電壓)。 ­

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音圈的反電動勢:我們可以看做是音圈因為運動,產生一個阻止電流流入而極性相反的電壓。在阻抗曲線的表示上,假如是 變得很高,表示反電動勢的電壓很高,也表示Q很高。從另一個角度看,就是 (音圈的振動速度)很快,套到我們36mm的喇叭看,也有合理的解釋,因為振速高,所以壽命比較短。 ­

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假如在我們的Mylar喇叭產品中,把不織布貼上,相當於把機械共振的Qm降低。 ­

3.  響應曲線 ­

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喇叭對於(輸入)不同頻率的電訊號,所產生音壓的大小。通常將X軸設定為頻率;對數刻度,Y軸為音壓;線性刻度。主要作為判斷一支喇叭好壞的重要依據,理想的曲線為一條直線,就是對任意頻率輸入的電訊號喇叭響應為一致的輸出。 ­

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音壓(db  Decibel): ­

定義為 db = 20 log               壓力的單位為 Newton / m2 ­

2 x 10  Newton / m  (或 2 x 10  Dyne / cm ) 是人耳能聽到的最低界限,我們拿來當音壓位準(0 db)。 ­

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注意:db是一個比較值,不是單位,所以我們可以改變【位準、或參考值】的值來從新定義db。常用的位準值如1 伏(V),稱為dbV (常用在麥克風的感度上)。 另外以600甌姆消耗1mW的功率(相當0.7745 V)為參考位準值的,我們稱為dbm (m : mW)。 ­

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頻率:每秒鐘振動的次數,單位為 Hz (Hertz)。慣稱 K (Kilo = 10 ) 、M (Mega = 10 ) Hz。 ­

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有效頻率範圍: Fo  ~  (Average SPL - 10db)。這是JIS、CNS規範的標準。 ­

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中音谷:在1000 ~ 3000 Hz的中音範圍,當一個訊號送到鼓紙的固定邊,反彈回來,恰好碰上後來趕上來的訊號,產生一個抵消的作用,在曲線上會有一個下跌的山谷形狀,這叫中音谷,是我們工程師努力要解決的工程問題。 ­

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在鼓紙折環(錐緣或叫Edge)利用不產生反彈的形狀、能吸收振動的材質、塗怖吸震的膠等為有效解決此問題的對策。 ­

  

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4.   失真 ­

當喇叭收到一個純音的電訊號,鼓紙相應的震動並非如預期的只產生該訊號的震動,會有它一倍、二倍頻率或1/2倍、1/4倍….等等的震動,這些震動產生的聲音,我們稱為 【諧波 Harmonic】。 ­

失真 =

x 100%  P : 基本波、P :二次諧波….P :n次諧波 ­

把諧波的總能量和全部能量之比,我們稱為失真,也慣稱為THD (Total Harmonic Distortion)。 ­

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增加鼓紙本体的鋼性、均勻的驅動力,可以減少失真的現象。 ­

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5.   功率 ­

沒有儀器能一下就測定出喇叭的承受功率是多少,通常的方式都是用壽命試驗來決定。 ­

詳細關於喇叭的壽命試驗,請參照【喇叭的壽命試驗】有詳細的說明。 ­

功率大並不表示聲音就大,詳細的關係參照它項說明。注意 【功率】 和 【效率】 意義上的不同。 ­

功率:是指以電的訊號送給喇叭,消耗在喇叭上的電功率。 ­

效率:喇叭是一個換能器件,將電能轉換為聲能,效率是指這個轉換的比值。簡單的指標參數就是db/W M。 ­

喇叭效率都不高,依我們現生產的產大概都不超過10%,其他的能量大部分都轉換成熱能和動能了。 ­

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正常功率(Normal):是指長時間工作沒有問題的功率。 ­

最大功率(Maximum):短時間,非連續性,喇叭還能正常工作的功率。 ­

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功率、距離和音壓的關係; ­

Sc (SPL換算值) = (SPL測試值) + 20 - 10   ­

、 :分別為測試距離、計算距離 、  : 測試功率、計算功率 ­

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註:                       ­

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如原以0.2W、0.5M測得SPL為80db,現功率不變,距離改以1M測,則, ­

        80+20Log(0.5/1)-10Log(0.2/0.2) = 74 db. ­

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如原以0.2W、0.5M測得SPL為80db,現距離不變,功率以0.4W測,將得, ­

80+20Log(0.5/0.5)-10Log(0.2/0.4) = 83 db. ­

       ­

       整理出功率、距離和音壓的關係如下: ­

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6.         極性 ­

以電池加在喇叭標示的正端,鼓紙是向前推出。 ­

在雙聲道以上的設備裡,對極性的要求就很嚴謹。 ­

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7.   環境試驗 ­

包括: 高溫、低溫、高濕、冷熱循環、冷熱衝擊。 ­

             震動、落下。 ­

             鹽霧。 ­

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8.  各零件功能及材料 ­

a.           框体 ­

塑料:ABS、ABS+GF、PBT+GF、ABS+PC等。ABS+GF為塑料合金可以改善物性。 ­

加FG (Fiber Glass)改善鋼性及耐熱性。 ­

鐵材:以低碳的鐵材沖壓而成,碳會增加磁阻,不利於導磁性。 ­

理想的喇叭框体材料是,軛鐵部分良好的導磁,框体部分不導磁,磁力線才不至於分散。 ­

b.          端子板 ­

用衝剪纖維板後鉚上鉚釘而成。主要做為訊號引入的端點。 ­

印刷電路板(紙質板或玻璃纖維板上貼銅箔)蝕刻出接點。 ­

c.           錦絲線 ­

以銅箔圍著纖維紗捲繞而成。功能在提供一個緩衝的空間,音圈的震動不會直接傳遞到端子的固定點,否則此引線會因拉扯而斷裂。 ­

紗也以耐熱性及耐疲勞度而分等級。 ­

銅箔可以分一股(一片銅箔)、兩股…等捲繞,依須要是否鍍上錫等。 ­

d.          墊片 ­

主要用來墊高喇叭和機殼間的距離,以免鼓紙碰撞了機殼。其他還有減震、防止漏氣、防水等功用。 ­

材質有紙、EVA、CR、橡膠等,設計要考慮不能碰觸鼓紙的邊緣,可能使喇叭的Fo增加,失去原始設計的值。 ­

e.           軛鐵、華司 ­

做為磁氣迴路的一部分,必須盡量的減少磁阻,磁飽和系數大,防銹良好。 ­

和框体的鐵料一樣。 ­

f.            彈波 ­

用布材經樹脂含浸,再熱壓定型而成,最近的產品也有以PI衝剪成型或用Mylar成型者。我們取其恢復性、耐疲勞性。 ­

主要的功用在支撐音圈,在音圈受驅動時,其運動時能在我們設定的間隙內,不去碰撞金屬件。 ­

基本上是一個對喇叭特性供獻很小的零件,沒有彈波,特性還更好,但沒有彈波的產品,量產有很高的難度。 ­

g.           Bobbin 線軸(因我廠都用牛皮紙的材料,因此都用紙管這名稱來替代Bobbin) ­

在紙上塗怖耐熱及能和漆包線接著的樹脂而成。對於須要較高的耐熱等級,有不同的材質因應,包括樹脂及紙管的材料。紙管主要的功用在於使音圈能正確的在其工作的位置。此外,為了減輕重量及增進散熱,可以在紙管上打孔。 ­

在紙管的材料上有牛皮紙、鋁箔、PEI的押出管、PI捲繞管(見膜片說明)、Nomex的織物等。 ­

列舉兩種常用的塗佈材及其特性當參考, ­

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h.           防塵蓋 ­

防止異物落入音圈內。通常這樣功能的防塵蓋是用不織布仿彈波的做法做的。 ­

另外可以用Mylar或鈦合金等輕質的材料做,用於調整高音的特性,注意正或倒過來貼其特性會有所不同。 ­

在低音喇叭里,也可以適當的設計防塵蓋的形狀及材質,來消除高音。 ­

i.             音圈、自融漆包線 ­

是喇叭的引擎,主要材料為銅線,先被覆一道絕緣層,再塗上一道遇醇復活或受熱溶合的樹脂而成。 ­

大部分我們所用的漆包線為醇類復活性,當線材霑過醇後,會恢復黏性,從而使銅線黏在一起形成線圈。基本上此樹脂的性質和紙管上塗怖的材質類似。和紙管一樣,對不同溫度的要求,樹脂的塗層也不一樣,尤其在大功率時會產生高熱,樹脂更是嚴格要求。 ­

在生產線上,會用不同比率的水和甲醇參和,以達到最佳的接著效果。 ­

為了減輕音圈的重量,有內心部分是鋁線再包覆一銅層,再經過絕緣、上樹脂等做法的線材,稱為銅包鋁線CCAW。 ­

其他為了增加單位長度下線圈的匝數,把銅線扎成方形者,稱扁平線。 ­

近來廠商有推出【高張力】的漆包線,目的是要改善音圈的可靠度。 ­

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線圈的阻抗: ­

阻抗是由下式決定 R (Ω) =               其中 為銅線的電阻系數, 為線的長度, 為線的截面積。實際操作時,我們也不以上式來計算,而是由廠家提供的數據來製作,廠商會提供 Ω/㏎ 的資料,我們據以計算線圈的長度。 ­

已有用完善Excel做的線圈公式可用。 ­

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漆包線的塗佈樹脂對環境非常敏感,必須存放在除濕間裡,妥善保存。 ­

j.            磁鐵 ­

就像手機的電池一樣,是提供喇叭動能的源頭。 ­

有下列的材料在市場使用,但主流是Ferrite及NdFeB,因為成本較低。 ­

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在使用上,鐵氧鐵沒有溫度的問題,就是說工作溫度到100度也沒有很大的問題。但NdFeB就有溫度的問題,見下列曲線: ­

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第一象限為磁鐵充磁的曲線,當H(磁場強度;單位為Oe  Oersted)增加到一定程度後,B(磁束密度Gs  Gauss高斯,10 Gs =1 mT )不再增加,到此為磁鐵的飽和點,移去H,曲線會回落到Br點,此點為剩磁點。當我們轉為負的H時,B會像第二象限的曲線,當H達-i Hc (矯頑力)時,Br降為零。 ­

喇叭的應用在磁鐵的第二象限,Br的高低決定磁鐵的總能量;叫磁能積,單位為 GsOe,因單位都很大,通用為M Gs Oe (既K x K為M,10 )。 ­

iHc影響磁鐵的耐熱特性,通常來說,必須要達到17K Oe才能在85度工作。另外要注意磁鐵受熱導致磁性能的降低為不可逆的特性,也就是說,移去熱源後,磁性能也不會恢復。 ­

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磁鐵表面的強度並不是均勻分布的,所以以高斯表去測磁鐵的表面場強,必須測幾點然後去平均,在間隙裡的情形是一樣的。 ­

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另外NdFeB的基本素材中,Nd和Fe都是很活潑的金屬,很容易氧化,我們電鍍上一層保護層,才能使NdFeB的磁鐵長期工作。 ­

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有參考書可參考做精確的磁路設計。 ­

k.          Mylar;塑料材質的膜片,我們也慣用Mylar來替代塑料材質的膜片。 ­

決定喇叭特性最重要的關鍵器件。 ­

形狀、基材厚度、成型溫度等都會影響整體硬度,工程師也就是在解決跟尋求最適值。 ­

              製作方式:熱壓成型,材料依耐熱性能的不同而有如下數項材料可選用。 ­

              Polyester film(PET,Dupont商名叫Mylar) 最高可工作到70℃。 ­

              Poly-ether-imide (PEI):主要為三菱化學出產的薄膜材料。最高可工作到90℃。 ­

Poly-imide (PI):主要應用在電子電路的軟性PCB(printed circuit board)上,生產廠商有調質後的特定型號,可以熱壓成型,可工作到100℃。 ­

l.             鼓紙 ­

紙漿經吸盤吸起後再熱壓成型,這是傳統鼓紙的作法。 ­

為了改善低音和瞬態響應,把鼓紙的邊切去,貼上不同材質的邊。相對於鼓紙的膧体來說,已經是沒有邊了,因此又被慣稱為Free Edge。 ­

用來當貼邊的材料有【布、海棉、PU、橡膠…等】,當然還有更多更新的材料在加入。 ­

編織材料的流行,膧体本身也在變,紙漿已經不再是很普遍的材料了,最大的缺失在吸濕性。編織材料沒有這些缺點,常見的編織材料有碳纖、玻璃纖維、Nomex(Dupont的一種材料商名)等。 ­

m.         膠 ­

可以說,喇叭全都用膠黏出來的。 ­

我們常用的膠有: ­

橡膠系,像4001 ~4005 (氯平橡膠系),耐熱性好,價平。 ­

合成樹脂系,像747H、768等,接著性好,可惜不耐熱。 ­

以上為溶劑型的膠,通常溶劑均為甲苯,必須嚴格管控加入甲苯的比率,過高的甲苯,將使膠失去黏性。 ­

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AB膠,為變性壓克力樹脂,固成份(指硬化反應完後剩餘的体積)100%,快速硬化,不須精確比率而能作業,對金屬敏感(不能儲存在金屬容器裡),是專為金屬接著使用的膠。 ­

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厭氧膠,也適用在金屬的接著,在沒有氧氣時硬化,通常須添加加速劑使用,價高,比較不使用在喇叭的行業裡。 ­

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環氧樹脂(Epoxy),固成份100%,嚴格要求比率跟均勻的攪拌,適用在金屬和三點(鼓紙、音圈、彈波)的接著及電子零件的絕緣填平用。 ­

近來有做成單液型的環氧樹脂,是把硬化劑做成微小顆粒狀,遇熱融解而達到硬化接著的目的。 ­

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其他還有樹脂乳化以水為溶劑的膠,我們用在海棉或其他對甲苯敏感的材料使用的膠。 ­

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基本上,鼓紙和框体接著的部分可比較不用考慮膠的耐熱性,但中心三點(鼓紙、音圈、彈波,或音圈+膜片)的接著就非常重要,因為音圈一工作會產生高熱。此外,中心膠還要比重輕,太重了,全音域的喇叭在高音部分就沒法提升。 ­

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磁鐵的接著膠,必須考慮【耐衝擊性】,簡單的說就是,經得起落下試驗。 ­

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膠在使用上,可以用濃稠度、放置接著物的時間等來做最適當的應用。必須隨時注意周遭環境的變化,做最佳的調整。加溫可以使溶劑活性,來要帶走溶劑還是要借助風力,效果才比較明顯。 ­

n.           焊錫 ­

最適比例的錫為60~63% 鉛40~37%,心蕊包助焊樹脂而成。近年電子業的變化,延伸出一些新的產品,諸如免洗錫絲、無鉛錫絲等。注意外徑愈細,單價會較高。 ­

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尤其是無鉛錫絲,各國對環境保護觀念的興起,日本已經禁用含鉛錫絲,歐洲也逐步禁用,必定是全世界的趨勢。 ­

o.          線材 Harness ­

分為兩部分,一是電子線,指負載小電流的電線。另一部分為連接器部分,大部分都依知名廠商(如 Molex、AMP、JST、Hirose…)的連接器母座當編號(如 Molex 51021-0200等)。 ­

電子線, ­

線蕊的部分,市場上都依美國線規(AWG:American Wire Gauge )的規定訂定。線皮部分,因牽扯到安全規定(簡稱安規,如UL、CSA、…),也都以UL安規的案號來命名,例如: UL 1571 AWG# 26。 ­

          

                
                    
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                 Housing (母座)                      Terminal (端子)              Wafer、Header (公座) ­

廠家是把電子線用模具打在端子上,然後插入母座上而成,我們要注意線材在端子上的壓著力,太過,可能使銅線斷裂,不足,將使線材脫落。 ­

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熱縮套管,顧名思義就是加熱後會縮緊的線套,目的在使線能靠緊一起,便利於成品的組裝。比較知名的廠商為Sumitube,為Sumitomo住友商事旗下的一家公司。 ­

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總觀線材,我們必須注意:整體線徑的大小、端子壓著力的大小、端子和母座的拉拔力、熱縮套管熱縮後的外徑、電子線的長度、電子線在母座上安排的順序。

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