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[声卡] 话筒线高频衰减效应实测对比

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gaoling 发表于 2008-10-21 13:44:06

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  话筒线高频衰减效应实测对比5 {) T% G. c, y9 s) u, w
* {1 y: A: \, b
在专业音响系统的构建中,用户或投资人对于音响设备的挑选都会非常谨慎,但是音频线材作为系统中信号传输的载体,却是相对容易被轻视的环节。本文通过电路原理和线材实测对比来说明,话筒线的线间电容是如何影响音频信号传输质量的。同时也通过计算和实测来说明,音频信号传输中,设备的阻抗是如何影响传输的质量,这是另一个常常被忽略或者误解的问题。
: s( P0 ~" ^: |* G# M5 g% `- Y* v9 n* U' U1 G/ |* i2 U
电路原理与电路模型4 y( Z: G. s3 @1 r8 m
       所有电子信号传输都是使用一对导线通过电磁波的传播方式进行的,其中导线起到一个作为相关电场和磁场的约束作用。沿着导线传输路径的某些特定位置,在导线之间的空间中存在着电场,我们可以求得在特定时刻、特定位置上导线之间的电位差。同样,导线表面存在着磁场,我们可以求得特定时刻、特定位置的导体中感应电流的大小。当我们讨论音频设备之间传输模拟音频信号的线缆时,电路的尺寸大小通常远小于信号波长,因而简化的集总电路元件分析将适用于这种电路。模拟音频信号线的集总电路模型如下:
6 u' m5 \9 L4 q( O" l7 I, a4 T) K: ^  e  N3 L4 q
9 e1 N  j5 A# H1 k
; D9 F6 S# a8 q( m) u- H
图1:模拟音频信号传输线缆的集总参数电路模型9 ]8 o+ P+ s% O( |* O
; p! G! t5 E! a. g; L
       图中,R表示所有导线的总串联电阻,可以通过万能表测量获得,L表示所有导线的总串联电感,C表示的是总并联电容,其中包括了可能存在的屏蔽效应。这个电路模型忽略了与电容并联的分流电导作用,这是由于在现实系统中的音频线缆长度中,分流电导很小,可以忽略不计。在给定的输出设备内阻和负载阻抗的条件下,通过常规电路分析法即可计算出频率衰减特性。这时线缆的高频-3 dB衰减频率可以通过下式计算:
; j$ E2 u6 Y, x
. N: t+ m. P* }0 g' L, J* _; P. Y2 E7 P9 A

$ Y: l4 L' M% \其中,R为电路总电阻,C为电路总的等效电容。+ z7 ^+ e+ a1 L1 r, I7 L
, i3 U( \* L( T% S( _
        模型验证:在AP515测试仪中,将输出端阻抗设置为为100Ω,输入端阻抗设置为200 kΩ,用一条长度为0.5m的信号线连接输入和输出。在卡侬公头的2脚和3脚之间并联入一个33nF的电容,这个电容量接近于常见话筒线在距离达到400米后的线间电容的中间值,用于模拟长距离传输时的可能存在的线间电容。在如此短的线材中,我们可以忽略线材本身的电阻和电感。传输电路的模型可简化为:
9 C+ k  W% G" i5 y: A- Y, g
/ y) T' Q4 d- o. s# N
5 t6 E) f, k( S: Z% M: I' V4 a
: V% r  {% I! }* V1 z+ f图2:超短距离模拟音频信号传输线缆的集总参数电路模型$ r3 U6 ?5 c+ C

! R; i2 i9 P; [& Y5 q3 H1 J      该电路的总电阻为" f" {) O# A1 v* s7 `* A

8 E; w/ d! }: y
' w0 N/ I' Y' E1 K; x: f; R
# ^. e. a3 n9 y% X  {) t5 ]' h       需要说明的是,电路模型中的电阻(R)与设备参数中的阻抗(Z)是不同的概念。实测中,测试设备的阻抗值略大于电阻值,可以直接用于电阻值的计算。读者应注意区别概念,避免由此造成的混淆。
- M: s" ?, b: r$ c( S+ l) i! o: m: [9 {( |2 ]0 M
       由上述公式可以计算得到分频频率为:! `, h: Z4 _7 f1 X+ K8 V
$ A, a" B3 p; k' K% ^" X* U

1 g: N+ c  ~) A8 P+ I
8 f7 o+ `! l$ r5 r
& z$ ]: l3 o4 Q" P       我们按照此设置,用AP515测试仪来测试该传输电路的频率响应图。为了显示线间电容对高频信号的影响,我们将测试的频率范围设置为20 Hz -80 kHz。+ X1 H! u! N5 G- O

$ A* F( v/ D4 {# S5 ^$ |       实测结果如下图。; _+ t/ ~6 s3 u: o; e3 z: O2 F$ C  `

" T; y1 |- G, V2 D6 O% a
$ k1 _9 C# t2 V& D, \( c$ {
, ?; C4 @. J# w; R) W图3:0.5m信号线,在卡侬头2脚(热端)和3脚(冷端)并联一个33nF电容的幅频响应。Zout=100Ω,Zin=200 kΩ
( ^5 H3 w) w2 X8 v5 E; T" `2 w2 t9 W
      通过频率响应图我们可以看出实际的-3dB衰减频率为48.9 kHz,与上式的计算结果48.28 kHz基本符合。同时我们看到在通常所说的音频上限频率20 kHz处,衰减约为-0.7dB。绝大多数时候,这种高频的衰减可以接受,然而灵敏的音响师耳朵可能会对这样的衰减有所察觉。
 楼主| gaoling 发表于 2008-10-27 15:02:23
输出阻抗问题. V  o7 b! Q* q' U' d

9 y5 E* k" S+ n, R1 B+ ^8 b# S       在保持上述传输线路不变的情况下,我们仅仅在测试仪中将输出阻抗调整为600Ω,结果将会发现惊人的变化。
7 n0 R9 b1 x2 z0 L; i# y
& d1 m8 ?& Q( w( ?% |4 [' X: F: R
8 G5 ~, i9 t0 B, X
) x: O/ N. f2 l3 `: Y4 H图4:0.5m信号线,在卡侬头2脚(热端)和3脚(冷端)并联一个33nF电容的幅频响应,Zin=200 kΩ,Zout=100Ω与600Ω的对比。! q% [7 M6 }# s( z/ v# M
2 V8 `: |$ X/ b3 K- h
       可以看到,-3 dB衰减频率为8.25 kHz,而在20 kHz的衰减达到-8.28 dB!这样的衰减会丢失重要的高频成分,使声音完全失去色彩,是绝不可接受的。可是为什么会这样?我们回到公式中计算一下,当输出阻抗由100Ω调整到600Ω,电路总电阻为:
% e  ~' R/ V& w0 a2 t2 O0 Y  i1 E, U: Z0 ?! N- H9 S

, H" ^; f1 e  L5 w: w  x* W; K6 C. Z2 N2 w" y8 o2 z9 @2 ?
而-3 dB衰减频率则为:
2 Y" V  B, V1 `3 U
" o/ D: E, B0 a/ X6 G) n( A0 a  O* J9 T5 d' A
" `% D- D# h8 u5 O# ^
# f9 g- j& m! U! S& q

3 [+ Z/ W3 W' P: [+ X( q       这和实测的8.25 kHz基本一致。通过这个电路模型输出阻抗100Ω和600Ω的对比,我们发现高频衰减的差别巨大,由此可知,阻抗问题在信号传输中的重要性!
5 ^2 U' r" e" K% ~
. X/ r8 A% k6 i/ H# I* U       600Ω的阻抗匹配,是早期电话传输技术和电子管音频时代的历史遗留概念,通过输入、输出和传输线缆的阻抗匹配达到功率的最大传输。在以固态电路为基础的现代专业音频行业,音频信号的传输以电压传输来实现,通过降低输出端阻抗和提高输入端阻抗达到电压传输的最大化。因而在现代专业音频设备中,信号输出端的阻抗通常在50Ω-300Ω,以100Ω为典型值;而输入端的阻抗典型值为10 kΩ – 20 kΩ。从原理到实测,都足以说明600Ω阻抗在现代专业音响领域并无立足之地,600Ω阻抗匹配对于专业音频系统是伪命题。然而,至今仍有众多音频技术人员对此缺乏清晰的认识,行业内对此存在广泛的误解。
! o% r6 m3 t$ Q; U
! V( z1 {8 }1 o4 H线材实测
' u3 b$ G( s5 {  ^- f" R' b) [5 e. U9 p9 |& R
       为了直观地呈现高频损耗问题,我们采用Audio Precision AP515测试仪及数字电桥,对市面上较为常见的中高端品牌的5款话筒线进行测试对比。这其中既有进口品牌,也有国产品牌。为了尊重这些制造商的权益,我们隐去了这些线材的品牌型号,对它们进行随机编号,依次为A、B、C、D、E。其中A、B、C、D 四款线均为两芯+屏蔽的结构,E为四芯星绞线+屏蔽的结构。
& K" K+ K% ^% b! d, U/ o# ^5 K4 ^* N: Z+ k3 R/ R' C
       在小型演出中,信号线的长度通常不会超过100米,在这个长度范围内,专业级的设备和线材的高频衰减一般不太明显。而在大型系统中,如在体育场做分散的扩声系统,信号线的总长度可能达到400米甚至更长,这时高频的衰减可能非常明显。为了模拟长距离模拟信号传输的情况,每款被测线材的长度均为400米。为了尽可能减小接插件质量对测试的影响,全部线材接头采用Neutrik 系列卡侬插头并进行统一高质量的焊接。
* m7 F6 T8 d/ _8 s/ W! ?% F, c/ g+ i

% p) y( Z' x3 K+ p# w( z$ o9 j& y' o7 ?/ G( M6 s( Y
表1:测试环境与测试条件记录表
( }1 v4 d/ L, V* ^! ~7 a( @
, T" p2 q1 P/ y+ j1 U( L
: f4 Z: x' a- e/ e/ r9 `9 g% [! a' U- c1 ~
图5:线材测试对比现场图
pro 发表于 2008-10-27 20:29:10
不错.分享,谢谢大家啊
ly591011 发表于 2008-10-31 08:42:40
谢谢发布,好东西,不错,点赞了啊!
428489 发表于 2008-10-31 09:36:49
:victory: :victory: :victory: :D :D :D
4663553 发表于 2008-11-17 16:16:35
:victory: :victory: :victory:
hifilai 发表于 2008-11-21 21:02:02
喜欢!喜欢!:victory: :victory: :victory:
4230661 发表于 2009-8-16 06:23:42
很棒欣赏
廖志和 发表于 2010-3-23 09:31:06
:victory::victory:
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