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| 音響工程中話筒線高頻衰減效應(yīng)實(shí)測(cè)對(duì)比 |
| 發(fā)布時(shí)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(duì)于音響設(shè)備的挑選都會(huì)非常謹(jǐn)慎，但是音頻線材作為系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)妮d體，卻是相對(duì)容易被輕視的環(huán)節(jié)。本文通過電路原理和線材實(shí)測(cè)對(duì)比來說明，話筒線的線間電容是如何影響音頻信號(hào)傳輸質(zhì)量的。同時(shí)也通過計(jì)算和實(shí)測(cè)來說明，音頻信號(hào)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(gè)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(hào)傳輸都是使用一對(duì)導(dǎo)線通過電磁波的傳播方式進(jìn)行的，其中導(dǎo)線起到一個(gè)作為相關(guān)電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)，我們可以求得在特定時(shí)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(chǎng)，我們可以求得特定時(shí)刻、特定位置的導(dǎo)體中感應(yīng)電流的大小。當(dāng)我們討論音頻設(shè)備之間傳輸模擬音頻信號(hào)的線纜時(shí)，電路的尺寸大小通常遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)，因而簡(jiǎn)化的集總電路元件分析將適用于這種電路。模擬音頻信號(hào)線的集總電路模型如下：
圖1：模擬音頻信號(hào)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(cè)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(gè)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(shí)系統(tǒng)中的音頻線纜長(zhǎng)度中，分流電導(dǎo)很小，可以忽略不計(jì)。在給定的輸出設(shè)備內(nèi)阻和負(fù)載阻抗的條件下，通過常規(guī)電路分析法即可計(jì)算出頻率衰減特性。這時(shí)線纜的高頻-3 dB衰減頻率可以通過下式計(jì)算：
其中，R為電路總電阻，C為電路總的等效電容。
模型驗(yàn)證：在AP515測(cè)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(zhǎng)度為0.5m的信號(hào)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(gè)33nF的電容，這個(gè)電容量接近于常見話筒線在距離達(dá)到400米后的線間電容的中間值，用于模擬長(zhǎng)距離傳輸時(shí)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(jiǎn)化為：
圖2：超短距離模擬音頻信號(hào)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(shí)測(cè)中，測(cè)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(jì)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(jì)算得到分頻頻率為：
我們按照此設(shè)置，用AP515測(cè)試儀來測(cè)試該傳輸電路的頻率響應(yīng)圖。為了顯示線間電容對(duì)高頻信號(hào)的影響，我們將測(cè)試的頻率范圍設(shè)置為20 Hz -80 kHz。實(shí)測(cè)結(jié)果如下圖。
圖3：0.5m信號(hào)線，在卡儂頭2腳（熱端）和3腳（冷端）并聯(lián)一個(gè)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(shí)際的-3dB衰減頻率為48.9 kHz，與上式的計(jì)算結(jié)果48.28 kHz基本符合。同時(shí)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(shí)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(huì)對(duì)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(cè)試儀中將輸出阻抗調(diào)整為600Ω，結(jié)果將會(huì)發(fā)現(xiàn)驚人的變化。
圖4：0.5m信號(hào)線，在卡儂頭2腳（熱端）和3腳（冷端）并聯(lián)一個(gè)33nF電容的幅頻響應(yīng)
Zin=200 kΩ，Zout=100Ω與600Ω的對(duì)比。
可以看到，-3 dB衰減頻率為8.25 kHz，而在20 kHz的衰減達(dá)到-8.28 dB！這樣的衰減會(huì)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(huì)這樣？我們回到公式中計(jì)算一下，當(dāng)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(shí)測(cè)的8.25 kHz基本一致。通過這個(gè)電路模型輸出阻抗100Ω和600Ω的對(duì)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(hào)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(shí)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(dá)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(hào)的傳輸以電壓傳輸來實(shí)現(xiàn)，通過降低輸出端阻抗和提高輸入端阻抗達(dá)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(hào)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(shí)測(cè)，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(duì)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(duì)此缺乏清晰的認(rèn)識(shí)，行業(yè)內(nèi)對(duì)此存在廣泛的誤解。
線材實(shí)測(cè)
為了直觀地呈現(xiàn)高頻損耗問題，我們采用Audio Precision AP515測(cè)試儀及數(shù)字電橋，對(duì)市面上較為常見的中高端品牌的5款話筒線進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。這其中既有進(jìn)口品牌，也有國(guó)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(hào)，對(duì)它們進(jìn)行隨機(jī)編號(hào)，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(hào)線的長(zhǎng)度通常不會(huì)超過100米，在這個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)，專業(yè)級(jí)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(chǎng)做分散的擴(kuò)聲系統(tǒng)，信號(hào)線的總長(zhǎng)度可能達(dá)到400米甚至更長(zhǎng)，這時(shí)高頻的衰減可能非常明顯。為了模擬長(zhǎng)距離模擬信號(hào)傳輸?shù)那闆r，每款被測(cè)線材的長(zhǎng)度均為400米。為了盡可能減小接插件質(zhì)量對(duì)測(cè)試的影響，全部線材接頭采用Neutrik 系列卡儂插頭并進(jìn)行統(tǒng)一高質(zhì)量的焊接。
表1：測(cè)試環(huán)境與測(cè)試條件記錄表
圖5：線材測(cè)試對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)圖
話筒線基本參數(shù)：
制造商一般會(huì)從三個(gè)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(hù)套顏色、線材外徑等
機(jī)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(biāo)對(duì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比，具體見表2。請(qǐng)注意各項(xiàng)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，注意單位的區(qū)別。
從上表中可以看出，各款線材的實(shí)測(cè)參數(shù)和官網(wǎng)參數(shù)雖然各有出入，但總體上符合，測(cè)量設(shè)備和測(cè)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(cè)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(shí)中音頻信號(hào)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(shí)際使用中推薦使用的，基本不會(huì)造成音質(zhì)的可聽變化。
表現(xiàn)最差的是E，在20 kHz衰減達(dá)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(hào)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(huì)較大，因此高頻的衰減就會(huì)顯得比較突出。C號(hào)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(shí)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(huì)變得黯淡。
需要指出的是，為了便于對(duì)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(shí)際上，每款線材的電平損耗是不一致的，可以通過測(cè)量線材的增益來評(píng)估。
圖7：五款線材的增益對(duì)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(shí)測(cè)表明這五款話筒線的電平損耗是基本一致的，這是因?yàn)楸M管導(dǎo)體的直流電阻有些差異，但是相對(duì)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(cè)試對(duì)比，我們基本可以了解專業(yè)音頻系統(tǒng)中話筒線對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響，主要表現(xiàn)在高頻的衰減上。而對(duì)于非專業(yè)設(shè)備、輸出阻抗設(shè)計(jì)不合理或被錯(cuò)誤設(shè)置到很高的情況下，會(huì)發(fā)生怎樣的改變？
我們將測(cè)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(hào)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(shí)，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(jì)的低通濾波器了。表現(xiàn)最好的是D號(hào)線，其截止頻率為11.3 kHz，最差的是E號(hào)線，截止頻率在5.4 kHz。這樣的高頻衰減，在實(shí)際的系統(tǒng)中當(dāng)然是決不允許的。好在這種情況在高品質(zhì)的專業(yè)級(jí)音頻設(shè)備中通常不會(huì)發(fā)生，這些設(shè)備通常有設(shè)計(jì)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(hào)的長(zhǎng)距離傳輸?shù)摹?br />
解決方案與注意事項(xiàng)
在應(yīng)用中，大規(guī)模的音響系統(tǒng)的信號(hào)線布線長(zhǎng)度經(jīng)常會(huì)超過100米，有時(shí)可能超過400米，如體育場(chǎng)作分散環(huán)形擴(kuò)聲系統(tǒng)、大型活動(dòng)多個(gè)分會(huì)場(chǎng)的聲音互聯(lián)。在長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸中，應(yīng)該要了解信號(hào)線的線間電容及設(shè)備阻抗對(duì)模擬音頻信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響，并從以下幾點(diǎn)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(huì)給出話筒線導(dǎo)體間電容等電氣參數(shù)，查看、對(duì)比這些參數(shù)，選擇低電容線材可以減小高頻衰減問題。對(duì)于未能給出基本電氣參數(shù)的產(chǎn)品要謹(jǐn)慎。
2.選用輸出阻抗低的設(shè)備，或者采用線路驅(qū)動(dòng)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(shí)應(yīng)注意查看設(shè)備的阻抗參數(shù)。長(zhǎng)距離應(yīng)用時(shí)，選擇輸出阻抗低的設(shè)備。
線路驅(qū)動(dòng)器或者DI盒可以進(jìn)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(jí)設(shè)備獲得電壓信號(hào)；輸出阻抗較低，可以驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)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(shí)，務(wù)必采用DI盒進(jìn)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(hào)的衰減、電平損失、電磁干擾等問題。遠(yuǎn)距離的模擬信號(hào)傳輸，可以在系統(tǒng)中加入線路驅(qū)動(dòng)器，這類設(shè)備的輸出阻抗極低，可以減小遠(yuǎn)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(hào)的傳輸在原理上和模擬信號(hào)傳輸不同，在一些超長(zhǎng)距離（達(dá)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(shì)可以避免這樣的問題，是超遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)母堰x擇。
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