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| 音響工程中話筒線高頻衰減效應(yīng)實測對比 |
| 發(fā)布時間：2017-5-14 13:54:30 |
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在專業(yè)音響系統(tǒng)的構(gòu)建中，用戶或投資人對于音響設(shè)備的挑選都會非常謹慎，但是音頻線材作為系統(tǒng)中信號傳輸?shù)妮d體，卻是相對容易被輕視的環(huán)節(jié)。本文通過電路原理和線材實測對比來說明，話筒線的線間電容是如何影響音頻信號傳輸質(zhì)量的。同時也通過計算和實測來說明，音頻信號傳輸中，設(shè)備的阻抗是如何影響傳輸?shù)馁|(zhì)量，這是另一個常常被忽略或者誤解的問題。
電路原理與電路模型
所有電子信號傳輸都是使用一對導(dǎo)線通過電磁波的傳播方式進行的，其中導(dǎo)線起到一個作為相關(guān)電場和磁場的約束作用。沿著導(dǎo)線傳輸路徑的某些特定位置，在導(dǎo)線之間的空間中存在著電場，我們可以求得在特定時刻、特定位置上導(dǎo)線之間的電位差。同樣，導(dǎo)線表面存在著磁場，我們可以求得特定時刻、特定位置的導(dǎo)體中感應(yīng)電流的大小。當我們討論音頻設(shè)備之間傳輸模擬音頻信號的線纜時，電路的尺寸大小通常遠小于信號波長，因而簡化的集總電路元件分析將適用于這種電路。模擬音頻信號線的集總電路模型如下：
圖1：模擬音頻信號傳輸線纜的集總參數(shù)電路模型
圖中，R表示所有導(dǎo)線的總串聯(lián)電阻，可以通過萬能表測量獲得，L表示所有導(dǎo)線的總串聯(lián)電感，C表示的是總并聯(lián)電容，其中包括了可能存在的屏蔽效應(yīng)。這個電路模型忽略了與電容并聯(lián)的分流電導(dǎo)作用，這是由于在現(xiàn)實系統(tǒng)中的音頻線纜長度中，分流電導(dǎo)很小，可以忽略不計。在給定的輸出設(shè)備內(nèi)阻和負載阻抗的條件下，通過常規(guī)電路分析法即可計算出頻率衰減特性。這時線纜的高頻-3 dB衰減頻率可以通過下式計算：
其中，R為電路總電阻，C為電路總的等效電容。
模型驗證：在AP515測試儀中，將輸出端阻抗設(shè)置為為100Ω，輸入端阻抗設(shè)置為200 kΩ，用一條長度為0.5m的信號線連接輸入和輸出。在卡儂公頭的2腳和3腳之間并聯(lián)入一個33nF的電容，這個電容量接近于常見話筒線在距離達到400米后的線間電容的中間值，用于模擬長距離傳輸時的可能存在的線間電容。在如此短的線材中，我們可以忽略線材本身的電阻和電感。傳輸電路的模型可簡化為：
圖2：超短距離模擬音頻信號傳輸線纜的集總參數(shù)電路模型
該電路的總電阻為
需要說明的是，電路模型中的電阻（R）與設(shè)備參數(shù)中的阻抗（Z）是不同的概念。實測中，測試設(shè)備的阻抗值略大于電阻值，可以直接用于電阻值的計算。讀者應(yīng)注意區(qū)別概念，避免由此造成的混淆。
由上述公式可以計算得到分頻頻率為：
我們按照此設(shè)置，用AP515測試儀來測試該傳輸電路的頻率響應(yīng)圖。為了顯示線間電容對高頻信號的影響，我們將測試的頻率范圍設(shè)置為20 Hz -80 kHz。實測結(jié)果如下圖。
圖3：0.5m信號線，在卡儂頭2腳（熱端）和3腳（冷端）并聯(lián)一個33nF電容的幅頻響應(yīng)。
Zout=100Ω，Zin=200 kΩ
通過頻率響應(yīng)圖我們可以看出實際的-3dB衰減頻率為48.9 kHz，與上式的計算結(jié)果48.28 kHz基本符合。同時我們看到在通常所說的音頻上限頻率20 kHz處，衰減約為-0.7dB。絕大多數(shù)時候，這種高頻的衰減可以接受，然而靈敏的音響師耳朵可能會對這樣的衰減有所察覺。
輸出阻抗問題
在保持上述傳輸線路不變的情況下，我們僅僅在測試儀中將輸出阻抗調(diào)整為600Ω，結(jié)果將會發(fā)現(xiàn)驚人的變化。
圖4：0.5m信號線，在卡儂頭2腳（熱端）和3腳（冷端）并聯(lián)一個33nF電容的幅頻響應(yīng)
Zin=200 kΩ，Zout=100Ω與600Ω的對比。
可以看到，-3 dB衰減頻率為8.25 kHz，而在20 kHz的衰減達到-8.28 dB！這樣的衰減會丟失重要的高頻成分，使聲音完全失去色彩，是絕不可接受的。可是為什么會這樣？我們回到公式中計算一下，當輸出阻抗由100Ω調(diào)整到600Ω，電路總電阻為:
而-3 dB衰減頻率則為：
.png)
這和實測的8.25 kHz基本一致。通過這個電路模型輸出阻抗100Ω和600Ω的對比，我們發(fā)現(xiàn)高頻衰減的差別巨大，由此可知，阻抗問題在信號傳輸中的重要性！
600Ω的阻抗匹配，是早期電話傳輸技術(shù)和電子管音頻時代的歷史遺留概念，通過輸入、輸出和傳輸線纜的阻抗匹配達到功率的最大傳輸。在以固態(tài)電路為基礎(chǔ)的現(xiàn)代專業(yè)音頻行業(yè)，音頻信號的傳輸以電壓傳輸來實現(xiàn)，通過降低輸出端阻抗和提高輸入端阻抗達到電壓傳輸?shù)淖畲蠡Ｒ蚨诂F(xiàn)代專業(yè)音頻設(shè)備中，信號輸出端的阻抗通常在50Ω-300Ω，以100Ω為典型值；而輸入端的阻抗典型值為10 kΩ– 20 kΩ。從原理到實測，都足以說明600Ω阻抗在現(xiàn)代專業(yè)音響領(lǐng)域并無立足之地，600Ω阻抗匹配對于專業(yè)音頻系統(tǒng)是偽命題。然而，至今仍有眾多音頻技術(shù)人員對此缺乏清晰的認識，行業(yè)內(nèi)對此存在廣泛的誤解。
線材實測
為了直觀地呈現(xiàn)高頻損耗問題，我們采用Audio Precision AP515測試儀及數(shù)字電橋，對市面上較為常見的中高端品牌的5款話筒線進行測試對比。這其中既有進口品牌，也有國產(chǎn)品牌。為了尊重這些制造商的權(quán)益，我們隱去了這些線材的品牌型號，對它們進行隨機編號，依次為A、B、C、D、E。其中A、B、C、D 四款線均為兩芯+屏蔽的結(jié)構(gòu)，E為四芯星絞線+屏蔽的結(jié)構(gòu)。
在小型演出中，信號線的長度通常不會超過100米，在這個長度范圍內(nèi)，專業(yè)級的設(shè)備和線材的高頻衰減一般不太明顯。而在大型系統(tǒng)中，如在體育場做分散的擴聲系統(tǒng)，信號線的總長度可能達到400米甚至更長，這時高頻的衰減可能非常明顯。為了模擬長距離模擬信號傳輸?shù)那闆r，每款被測線材的長度均為400米。為了盡可能減小接插件質(zhì)量對測試的影響，全部線材接頭采用Neutrik 系列卡儂插頭并進行統(tǒng)一高質(zhì)量的焊接。
表1：測試環(huán)境與測試條件記錄表
圖5：線材測試對比現(xiàn)場圖
話筒線基本參數(shù)：
制造商一般會從三個方面給出產(chǎn)品的參數(shù)：
物理參數(shù)：包括導(dǎo)體材料、導(dǎo)體直徑、絕緣材料、護套顏色、線材外徑等
機械性能：包括拉伸斷裂力量、搖晃壽命、工作溫度等
電氣性能：包括導(dǎo)體電阻、屏蔽層電阻、導(dǎo)體間電容量、導(dǎo)體/屏蔽間電容量和絕緣承受電壓等。
顯然，線纜的電氣性能指標對于我們討論的高頻衰減最為關(guān)鍵。為了了解這幾款線材的電氣性能，我們把各款線材的官網(wǎng)資料查詢的參數(shù)與實測數(shù)據(jù)作對比，具體見表2。請注意各項數(shù)據(jù)的單位不一致。
表2：五款線材的電氣性能參數(shù)官網(wǎng)與實測數(shù)據(jù)對比，注意單位的區(qū)別。
從上表中可以看出，各款線材的實測參數(shù)和官網(wǎng)參數(shù)雖然各有出入，但總體上符合，測量設(shè)備和測試環(huán)境可能是導(dǎo)致這些差別的原因所在。在了解這些電氣性能數(shù)據(jù)之上后，我們分別測試在同樣環(huán)境同樣條件下各款線材的幅頻響應(yīng)的差別。我們將輸出阻抗設(shè)置為100Ω，輸入阻抗設(shè)置為200 kΩ，這比較接近于現(xiàn)實中音頻信號傳輸?shù)碾娐纷杩怪怠?br />
圖6：五款線材的幅頻響應(yīng)（20 Hz -80 kHz），Zout=100Ω，Zin=200 kΩ。
可以看出表現(xiàn)最好的是D，在20 kHz衰減僅為-0.04 dB；A、B、D三款線比較接近，在音頻頻率范圍內(nèi)均無明顯衰減，是實際使用中推薦使用的，基本不會造成音質(zhì)的可聽變化。
表現(xiàn)最差的是E，在20 kHz衰減達到-1.47dB；其次是C在20 kHz衰減約為-1dB。這里應(yīng)該分別考慮這兩款線材，上文提到，E號線的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與其他四款不同，是四芯星絞線，導(dǎo)線多了之后，線間電容自然會較大，因此高頻的衰減就會顯得比較突出。C號線和A、B、D一樣屬于兩芯屏蔽線，在表2中可以看到其電氣性能，特別是導(dǎo)線間電容要高于其他三款，反映在幅頻響應(yīng)上的差異也是比較明顯的。現(xiàn)實使用中，這樣的衰減導(dǎo)致音響系統(tǒng)的頻率響應(yīng)變差，高頻音色會變得黯淡。
需要指出的是，為了便于對比不同線材的高頻衰減特性，這里的幅頻響應(yīng)曲線是以1 kHz為參考（即1kHz=0 dB）作歸一處理的。實際上，每款線材的電平損耗是不一致的，可以通過測量線材的增益來評估。
圖7：五款線材的增益對比圖
理論上，話筒線的電平損耗基本和導(dǎo)體的直流電阻成正比，導(dǎo)體直流電阻越高，電平損失越大。實測表明這五款話筒線的電平損耗是基本一致的，這是因為盡管導(dǎo)體的直流電阻有些差異，但是相對于輸出和輸入阻抗都是微乎其微的，因而電平衰減幾乎沒有差別。
通過以上兩幅測試對比，我們基本可以了解專業(yè)音頻系統(tǒng)中話筒線對信號傳輸質(zhì)量的影響，主要表現(xiàn)在高頻的衰減上。而對于非專業(yè)設(shè)備、輸出阻抗設(shè)計不合理或被錯誤設(shè)置到很高的情況下，會發(fā)生怎樣的改變？
我們將測試儀器的輸出阻抗由100Ω提高到600Ω，來模擬較高輸出阻抗設(shè)備的信號傳輸?shù)那闆r。
圖8：五款線材的幅頻響應(yīng)（20 Hz -80 kHz），Zout=600Ω，Zin=200 kΩ
圖中可以看到，輸出阻抗為600Ω時，所有五款線材在音頻范圍內(nèi)都有明顯的衰減，傳輸線路的幅頻響應(yīng)看上去像是專門設(shè)計的低通濾波器了。表現(xiàn)最好的是D號線，其截止頻率為11.3 kHz，最差的是E號線，截止頻率在5.4 kHz。這樣的高頻衰減，在實際的系統(tǒng)中當然是決不允許的。好在這種情況在高品質(zhì)的專業(yè)級音頻設(shè)備中通常不會發(fā)生，這些設(shè)備通常有設(shè)計合理的輸出阻抗。
而在劣質(zhì)設(shè)備或者非專業(yè)設(shè)備中，輸出阻抗可能很高，這種高輸出阻抗的設(shè)備是不能夠支持信號的長距離傳輸?shù)摹?br />
解決方案與注意事項
在應(yīng)用中，大規(guī)模的音響系統(tǒng)的信號線布線長度經(jīng)常會超過100米，有時可能超過400米，如體育場作分散環(huán)形擴聲系統(tǒng)、大型活動多個分會場的聲音互聯(lián)。在長距離信號傳輸中，應(yīng)該要了解信號線的線間電容及設(shè)備阻抗對模擬音頻信號傳輸質(zhì)量的影響，并從以下幾點避免高頻衰減導(dǎo)致的音質(zhì)劣化。
1. 選擇低電容線材
正規(guī)廠家的產(chǎn)品資料都會給出話筒線導(dǎo)體間電容等電氣參數(shù)，查看、對比這些參數(shù)，選擇低電容線材可以減小高頻衰減問題。對于未能給出基本電氣參數(shù)的產(chǎn)品要謹慎。
2.選用輸出阻抗低的設(shè)備，或者采用線路驅(qū)動器、阻抗轉(zhuǎn)換設(shè)備
專業(yè)音頻設(shè)備的輸入輸出接口的阻抗屬于基本參數(shù)，平時應(yīng)注意查看設(shè)備的阻抗參數(shù)。長距離應(yīng)用時，選擇輸出阻抗低的設(shè)備。
線路驅(qū)動器或者DI盒可以進行阻抗轉(zhuǎn)換。這類設(shè)備的輸入阻抗極高，可以有效地從上級設(shè)備獲得電壓信號；輸出阻抗較低，可以驅(qū)動信號進行長距離傳輸。很多樂器（包括專業(yè)高端的樂器）的輸出接口為高阻抗、非平衡輸出，在接入音響系統(tǒng)時，務(wù)必采用DI盒進行阻抗轉(zhuǎn)換和平衡轉(zhuǎn)換，確保最好的音頻傳輸質(zhì)量，減小高頻信號的衰減、電平損失、電磁干擾等問題。遠距離的模擬信號傳輸，可以在系統(tǒng)中加入線路驅(qū)動器，這類設(shè)備的輸出阻抗極低，可以減小遠距離傳輸?shù)母哳l衰減。
3.采用數(shù)字傳輸方案
數(shù)字音頻信號的傳輸在原理上和模擬信號傳輸不同，在一些超長距離（達到或超過1km）的模擬音頻傳輸中，即便采用優(yōu)質(zhì)的線材也無法避免高頻衰減和電磁干擾。數(shù)字傳輸技術(shù)的優(yōu)勢可以避免這樣的問題，是超遠距離信號傳輸?shù)母堰x擇。
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