作者：實作派
這次來說明雙線圈的拾音器，是怎麼做到抗雜訊呢？
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，拾音器的線圈才能感應出相對應的電壓擾動，到放大器變成琴聲，那既然拾音器能感應出琴弦的電磁波，它也能感應出環境中的各種電磁波，這樣不就雜訊一堆了嘛！為了對抗這些雜訊，廠商們發展出雙線圈的拾音器，接下來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，導致彼此很容易吸在一起，因此我用膠帶將它們黏在桌上固定，免得位置跑掉，如下圖。
單線圈與雙線圈拾音器的琴弦訊號測試（圖片來源：實作派提供）
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。這代表，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。
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 40 W 的鎢絲燈泡，當它點亮時，交流電流會不斷地來回經過電線，會產生一個 60 Hz 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，我刻意讓燈泡的白色電線跨過兩個拾音器上方。
單線圈與雙線圈的雜訊測試（圖片來源：實作派提供）
當我把燈泡打開時，示波器上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。這表示雙線圈對於抗雜訊確實有明顯效果，而且對於 60 Hz 交流電的抑制效果很顯著。
雙線圈拾音器也稱為 Humbucker，Hum 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
雖然說這篇文章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。
單線圈拾音器的構造（圖片來源：實作派提供）
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：
琴弦下壓時，線圈內往上的磁場變大（圖片來源：實作派提供）
那接著感應電壓的大小與正負極要怎麼判斷呢？
這時要用到法拉第定律 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，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：
感應電壓的正負極（圖片來源：實作派提供）
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。
FEMM 模擬單線圈的磁場（圖片來源：實作派提供）
如上圖所示，磁力線一但進入琴弦後，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。
FEMM 模擬單線圈琴弦下壓時的磁場（圖片來源：實作派提供）
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：
雙線圈拾音器的構造（圖片來源：實作派提供）
既然兩組線圈的構造一樣，那麼當琴弦下壓時，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，線圈感應電動勢的正負極就不相同，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：
雙線圈 拾音器的感應電動勢極性（圖片來源：實作派提供）
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 拾音器的串聯接線（圖片來源：實作派提供）
雙線圈抗雜訊原理
接著就來介紹大家都想問的東西，為什麼雙線圈可以抗雜訊？
看看下圖，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。
雙線圈拾音器的抗雜訊圖解（圖片來源：實作派提供）
兩組線圈面對這些外來磁場，都有相同的反應，兩組線圈都傾向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，但是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，意思就是電壓彼此互相抵銷了，所以當另外兩個負極接到 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，整體看起來，雙線圈的拾音器就有抗雜訊的效果了。
那外來的電磁波，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，畢竟現實世界，什麼情況都會有，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增加，它的球狀傳播面對於拾音器這種接收端來說，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後，剛好在兩組線圈的位置分別產生了方向不同的變化，就會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，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 1 H 和 2 H 來做頻率分析模擬，右方的 R7 表示放大器的輸入阻抗 10k ohm。
電吉他發聲的等效電路（圖片來源：實作派提供）
下圖的頻率分析橫軸是從 10 Hz 模擬到 20 kHz，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，因此電感值越大，高頻訊號衰減的越大，這就清楚說明了為什麼雙線圈聽起來會比較悶的原因。
拾音器電感值的頻率分析（圖片來源：實作派提供）
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，它一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。
雙線圈 的並連接法（圖片來源：實作派提供）
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。
（本文經同意轉載自實作派電子實驗室、原文連結；責任編輯：王姵文）
