技術(shù)分享丨話(huà)筒線(xiàn)高頻衰減效應實(shí)測對比

　　介紹

　　在專(zhuān)業(yè)音響系統的構建中，用戶(hù)或投資人對于音響設備的挑選都會(huì )非常謹慎，但是音頻線(xiàn)材作為系統中信號傳輸的載體，卻是相對容易被輕視的環(huán)節。本文通過(guò)電路原理和線(xiàn)材實(shí)測對比來(lái)說(shuō)明，話(huà)筒線(xiàn)的線(xiàn)間電容是如何影響音頻信號傳輸質(zhì)量的。同時(shí)也通過(guò)計算和實(shí)測來(lái)說(shuō)明，音頻信號傳輸中，設備的阻抗是如何影響傳輸的質(zhì)量，這是另一個(gè)常常被忽略或者誤解的問(wèn)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線(xiàn)通過(guò)電磁波的傳播方式進(jìn)行的，其中導線(xiàn)起到一個(gè)作為相關(guān)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的約束作用。沿著(zhù)導線(xiàn)傳輸路徑的某些特定位置，在導線(xiàn)之間的空間中存在著(zhù)電場(chǎng)，我們可以求得在特定時(shí)刻、特定位置上導線(xiàn)之間的電位差。同樣，導線(xiàn)表面存在著(zhù)磁場(chǎng)，我們可以求得特定時(shí)刻、特定位置的導體中感應電流的大小。當我們討論音頻設備之間傳輸模擬音頻信號的線(xiàn)纜時(shí)，電路的尺寸大小通常遠小于信號波長(cháng)，因而簡(jiǎn)化的集總電路元件分析將適用于這種電路。模擬音頻信號線(xiàn)的集總電路模型如下：

　　圖1：模擬音頻信號傳輸線(xiàn)纜的集總參數電路模型

　　圖中，R表示所有導線(xiàn)的總串聯(lián)電阻，可以通過(guò)萬(wàn)能表測量獲得，L表示所有導線(xiàn)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。這個(gè)電路模型忽略了與電容并聯(lián)的分流電導作用，這是由于在現實(shí)系統中的音頻線(xiàn)纜長(cháng)度中，分流電導很小，可以忽略不計。在給定的輸出設備內阻和負載阻抗的條件下，通過(guò)常規電路分析法即可計算出頻率衰減特性。這時(shí)線(xiàn)纜的高頻-3 dB衰減頻率可以通過(guò)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A(yíng)P515測試儀中，將輸出端阻抗設置為100Ω，輸入端阻抗設置為200 kΩ，用一條長(cháng)度為0.5m的信號線(xiàn)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(jiàn)話(huà)筒線(xiàn)在距離達到400米后的線(xiàn)間電容的中間值，用于模擬長(cháng)距離傳輸時(shí)的可能存在的線(xiàn)間電容。在如此短的線(xiàn)材中，我們可以忽略線(xiàn)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傳輸線(xiàn)纜的集總參數電路模型

　　該電路的總電阻為

　　需要說(shuō)明的是，電路模型中的電阻(R)與設備參數中的阻抗(Z)是不同的概念。實(shí)測中，測試設備的阻抗值略大于電阻值，可以直接用于電阻值的計算。讀者應注意區別概念，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：

　　我們按照此設置，用AP515測試儀來(lái)測試該傳輸電路的頻率響應圖。為了顯示線(xiàn)間電容對高頻信號的影響，我們將測試的頻率范圍設置為20 Hz -80 kHz。實(shí)測結果如下圖。

　　圖3：0.5m信號線(xiàn)，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。

　　Zout=100Ω，Zin=200 kΩ

　　通過(guò)頻率響應圖我們可以看出實(shí)際的-3dB衰減頻率為48.9 kHz，與上式的計算結果48.28 kHz基本符合。同時(shí)我們看到在通常所說(shuō)的音頻上限頻率20 kHz處，衰減約為-0.7dB。絕大多數時(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 )對這樣的衰減有所察覺(jué)。

　　輸出阻抗問(wèn)題

　　在保持上述傳輸線(xiàn)路不變的情況下，我們僅僅在測試儀中將輸出阻抗調整為600Ω，結果將會(huì )發(fā)現驚人的變化。

　　圖4：0.5m信號線(xiàn)，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

　　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(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?？墒菫槭裁磿?huì )這樣?我們回到公式中計算一下，當輸出阻抗由100Ω調整到600Ω，電路總電阻為:

　　而-3 dB衰減頻率則為：

　　這和實(shí)測的8.25 kHz基本一致。通過(guò)這個(gè)電路模型輸出阻抗100Ω和600Ω的對比，我們發(fā)現高頻衰減的差別巨大，由此可知，阻抗問(wèn)題在信號傳輸中的重要性!

　　600Ω的阻抗匹配，是早期電話(huà)傳輸技術(shù)和電子管音頻時(shí)代的歷史遺留概念，通過(guò)輸入、輸出和傳輸線(xiàn)纜的阻抗匹配達到功率的最大傳輸。在以固態(tài)電路為基礎的現代專(zhuān)業(yè)音頻行業(yè)，音頻信號的傳輸以電壓傳輸來(lái)實(shí)現，通過(guò)降低輸出端阻抗和提高輸入端阻抗達到電壓傳輸的最大化。因而在現代專(zhuān)業(yè)音頻設備中，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(shí)測，都足以說(shuō)明600Ω阻抗在現代專(zhuān)業(yè)音響領(lǐng)域并無(wú)立足之地，600Ω阻抗匹配對于專(zhuān)業(yè)音頻系統是偽命題。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)內對此存在廣泛的誤解。

　　線(xiàn)材實(shí)測

　　為了直觀(guān)地呈現高頻損耗問(wèn)題，我們采用Audio Precision AP515測試儀及數字電橋，對市面上較為常見(jiàn)的中高端品牌的5款話(huà)筒線(xiàn)進(jìn)行測試對比。這其中既有進(jìn)口品牌，也有國產(chǎn)品牌。為了尊重這些制造商的權益，我們隱去了這些線(xiàn)材的品牌型號，對它們進(jìn)行隨機編號，依次為A、B、C、D、E。其中A、B、C、D 四款線(xiàn)均為兩芯+屏蔽的結構，E為四芯星絞線(xiàn)+屏蔽的結構。

　　在小型演出中，信號線(xiàn)的長(cháng)度通常不會(huì )超過(guò)100米，在這個(gè)長(cháng)度范圍內，專(zhuān)業(yè)級的設備和線(xiàn)材的高頻衰減一般不太明顯。而在大型系統中，如在體育場(chǎng)做分散的擴聲系統，信號線(xiàn)的總長(cháng)度可能達到400米甚至更長(cháng)，這時(shí)高頻的衰減可能非常明顯。為了模擬長(cháng)距離模擬信號傳輸的情況，每款被測線(xiàn)材的長(cháng)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(xiàn)材接頭采用Neutrik 系列卡儂插頭并進(jìn)行統一高質(zhì)量的焊接。

　　表1：測試環(huán)境與測試條件記錄表

　　圖5：線(xiàn)材測試對比現場(chǎng)圖

　　話(huà)筒線(xiàn)基本參數：

　　制造商一般會(huì )從三個(gè)方面給出產(chǎn)品的參數：

　　物理參數：包括導體材料、導體直徑、絕緣材料、護套顏色、線(xiàn)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：包括導體電阻、屏蔽層電阻、導體間電容量、導體/屏蔽間電容量和絕緣承受電壓等。

　　顯然，線(xiàn)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(xiàn)材的電氣性能，我們把各款線(xiàn)材的官網(wǎng)資料查詢(xún)的參數與實(shí)測數據作對比，具體見(jiàn)表2。請注意各項數據的單位不一致。

　　表2：五款線(xiàn)材的電氣性能參數官網(wǎng)與實(shí)測數據對比，注意單位的區別。

　　從上表中可以看出，各款線(xiàn)材的實(shí)測參數和官網(wǎng)參數雖然各有出入，但總體上符合，測量設備和測試環(huán)境可能是導致這些差別的原因所在。在了解這些電氣性能數據之上后，我們分別測試在同樣環(huán)境同樣條件下各款線(xiàn)材的幅頻響應的差別。我們將輸出阻抗設置為100Ω，輸入阻抗設置為200 kΩ，這比較接近于現實(shí)中音頻信號傳輸的電路阻抗值。

　　圖6：五款線(xiàn)材的幅頻響應(20 Hz -80 kHz)，Zout=100Ω，Zin=200 kΩ。

　　可以看出表現最好的是D，在20 kHz衰減僅為-0.04 dB;A、B、D三款線(xiàn)比較接近，在音頻頻率范圍內均無(wú)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(tīng)變化。

　　表現最差的是E，在20 kHz衰減達到-1.47dB;其次是C在20 kHz衰減約為-1dB。這里應該分別考慮這兩款線(xiàn)材，上文提到，E號線(xiàn)的導體結構與其他四款不同，是四芯星絞線(xiàn)，導線(xiàn)多了之后，線(xiàn)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號線(xiàn)和A、B、D一樣屬于兩芯屏蔽線(xiàn)，在表2中可以看到其電氣性能，特別是導線(xiàn)間電容要高于其他三款，反映在幅頻響應上的差異也是比較明顯的?，F實(shí)使用中，這樣的衰減導致音響系統的頻率響應變差，高頻音色會(huì )變得黯淡。

　　需要指出的是，為了便于對比不同線(xiàn)材的高頻衰減特性，這里的幅頻響應曲線(xiàn)是以1 kHz為參考(即1kHz=0 dB)作歸一處理的。實(shí)際上，每款線(xiàn)材的電平損耗是不一致的，可以通過(guò)測量線(xiàn)材的增益來(lái)評估。

　　圖7：五款線(xiàn)材的增益對比圖

　　理論上，話(huà)筒線(xiàn)的電平損耗基本和導體的直流電阻成正比，導體直流電阻越高，電平損失越大。實(shí)測表明這五款話(huà)筒線(xiàn)的電平損耗是基本一致的，這是因為盡管導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(méi)有差別。

　　通過(guò)以上兩幅測試對比，我們基本可以了解專(zhuān)業(yè)音頻系統中話(huà)筒線(xiàn)對信號傳輸質(zhì)量的影響，主要表現在高頻的衰減上。而對于非專(zhuān)業(yè)設備、輸出阻抗設計不合理或被錯誤設置到很高的情況下，會(huì )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(lái)模擬較高輸出阻抗設備的信號傳輸的情況。

　　圖8：五款線(xiàn)材的幅頻響應(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(xiàn)材在音頻范圍內都有明顯的衰減，傳輸線(xiàn)路的幅頻響應看上去像是專(zhuān)門(mén)設計的低通濾波器了。表現最好的是D號線(xiàn)，其截止頻率為11.3 kHz，最差的是E號線(xiàn)，截止頻率在5.4 kHz。這樣的高頻衰減，在實(shí)際的系統中當然是決不允許的。好在這種情況在高品質(zhì)的專(zhuān)業(yè)級音頻設備中通常不會(huì )發(fā)生，這些設備通常有設計合理的輸出阻抗。

　　而在劣質(zhì)設備或者非專(zhuān)業(yè)設備中，輸出阻抗可能很高，這種高輸出阻抗的設備是不能夠支持信號的長(cháng)距離傳輸的。

　　解決方案與注意事項

　　在應用中，大規模的音響系統的信號線(xiàn)布線(xiàn)長(cháng)度經(jīng)常會(huì )超過(guò)100米，有時(shí)可能超過(guò)400米，如體育場(chǎng)作分散環(huán)形擴聲系統、大型活動(dòng)多個(gè)分會(huì )場(chǎng)的聲音互聯(lián)。在長(cháng)距離信號傳輸中，應該要了解信號線(xiàn)的線(xiàn)間電容及設備阻抗對模擬音頻信號傳輸質(zhì)量的影響，并從以下幾點(diǎn)避免高頻衰減導致的音質(zhì)劣化。

　　1. 選擇低電容線(xiàn)材

　　正規廠(chǎng)家的產(chǎn)品資料都會(huì )給出話(huà)筒線(xiàn)導體間電容等電氣參數，查看、對比這些參數，選擇低電容線(xiàn)材可以減小高頻衰減問(wèn)題。對于未能給出基本電氣參數的產(chǎn)品要謹慎。

　　2.選用輸出阻抗低的設備，或者采用線(xiàn)路驅動(dòng)器、阻抗轉換設備

　　專(zhuān)業(yè)音頻設備的輸入輸出接口的阻抗屬于基本參數，平時(shí)應注意查看設備的阻抗參數。長(cháng)距離應用時(shí)，選擇輸出阻抗低的設備。

　　線(xiàn)路驅動(dòng)器或者DI盒可以進(jìn)行阻抗轉換。這類(lèi)設備的輸入阻抗極高，可以有效地從上級設備獲得電壓信號;輸出阻抗較低，可以驅動(dòng)信號進(jìn)行長(cháng)距離傳輸。很多樂(lè )器(包括專(zhuān)業(yè)高端的樂(lè )器)的輸出接口為高阻抗、非平衡輸出，在接入音響系統時(shí)，務(wù)必采用DI盒進(jìn)行阻抗轉換和平衡轉換，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(wèn)題。遠距離的模擬信號傳輸，可以在系統中加入線(xiàn)路驅動(dòng)器，這類(lèi)設備的輸出阻抗極低，可以減小遠距離傳輸的高頻衰減。

　　3.采用數字傳輸方案

　　數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(cháng)距離(達到或超過(guò)1km)的模擬音頻傳輸中，即便采用優(yōu)質(zhì)的線(xiàn)材也無(wú)法避免高頻衰減和電磁干擾。數字傳輸技術(shù)的優(yōu)勢可以避免這樣的問(wèn)題，是超遠距離信號傳輸的更佳選擇。

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　　文章轉載自 WORLD SHOW