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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
. [) L3 X. h$ O% @. T$ z' E4 z7 M# K9 h( x7 S% n: X- i/ D9 P+ a% q
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。
0 X1 o: O# G; A; W
% {* ], L9 q/ Y; B; |电路原理与电路模型
; A" v- ^7 _, T/ ]       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:# J1 s6 {0 b& C7 r; h0 @$ |
4 E) q5 P  s- w. m5 Y/ G9 @

% y6 r' [0 T4 Q' {5 G0 n+ [9 L' L2 S
图1:模拟音频信号传输线缆的集总参数电路模型/ _4 o; `1 r: T2 F

4 X+ X9 J5 a7 M5 l! O& i  E       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:0 ^7 L0 l5 B* D2 \# y! _& A

# F& o" R& l  k& N1 [8 w' V' |- a% G4 {! r; m8 f

; g) n9 D2 d* j' `) C' a其中,R为电路总电阻,C为电路总的等效电容。
* B. Y/ a% e& D  n% y6 @" h1 v. k5 y# t
        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:
- B6 x3 _  W/ N3 ?8 O. d) W) B# B$ L* s# O7 V8 f3 x3 o. @

. K- n4 m4 m7 ^) x; ?( a
# x) E) @8 p2 c9 o. b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
5 T# L  N& s5 O3 }) X1 ]6 q( y" _
      该电路的总电阻为
0 B' r, T6 `% Y, W* A3 N/ A
& n1 N2 M$ o& r8 u
7 o7 [- R1 C* l% O* `" |. k
% y- J  j! V, B; U7 C  C       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。
: R* S( K$ }6 }4 {& ^9 t8 e- Z
: o2 o% S; y; `# l$ \" c6 }8 `5 F' y! V/ V       由上述公式可以计算得到分频频率为:
% @& t  G& v8 N1 d( ?6 z9 o$ R$ h$ i! `' q" m* _9 R

2 H% `! y% j" w* t8 y0 V' ]4 s+ Y6 {
$ K5 a& D* E' n$ C
; e! `* g! [; t0 ^1 b: `2 W* E       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。0 `6 ?7 ^3 d! D4 h: V" ?* E+ a

( R5 t5 c5 M3 ]5 ]! t: w       实测结果如下图。( C; l1 D! a. o) S0 x2 n& [

2 ]/ K& V0 M7 l0 t! |* I' |! b% U/ d

, ^5 K+ [  c0 u, Y( {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 kΩ8 k8 `: b& G9 u) g" B

( n9 \+ `. z2 S* {2 e" M" f      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1 ~/ T  M# k( P% ~5 t8 s

1 p6 P, C+ j) T& i6 W) \       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。1 m7 G) ]/ ]6 Y; \
1 G  h' U8 E- B
8 i: e; l8 K1 q$ ?# ^+ `

9 s  I! e4 n0 J9 U9 ~% [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。
7 T* Q/ q% \3 z' f! j* U" S, P0 N6 @9 K+ r
       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:
+ f# W3 u! G8 C0 N; K) u; I8 q2 s' j! m5 w" Z0 d& }( b( L9 d' p
/ |$ A) d; N0 P  D4 m5 ]
8 s( W  g" z! r
而-3 dB衰减频率则为:/ W, V" I. _" L# J& c! Q

+ n' |7 T, C5 R8 ~, J2 [' d+ I# B# ]4 p* h6 |; o
) W3 a/ z4 N; Q+ m; I- ^

2 _8 t! y) D# q: p6 v3 O9 F% d: x
& W3 U6 l$ r; _/ W& I8 n, F# Q2 w       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!6 O+ s% T5 ^# }- f! q
* K$ [1 q% C! K- J, m
       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。1 J% x5 _+ k4 J; _$ G

' C5 u8 q  j( \1 T4 {8 ]) y线材实测
1 j/ p; @) L7 F$ V$ E) S
6 D3 d6 H2 i: c5 p% Y) c       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。; `: D/ V. N9 i' d5 }9 e

! J& c" K6 S" ]% h+ N9 |4 Z       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。
6 K8 _* \' \" n8 F
$ K8 K, A- [$ b! i) M2 c+ _3 o

) J9 ~% Q; j7 u) c5 ^表1:测试环境与测试条件记录表
5 p% p+ V/ v" i1 ?1 B- p
6 M( I# L7 c3 O' y, R; m. G0 z# [! p( ], {4 s7 I9 s

: H) j' q& i0 v! j7 k* F4 x' B+ w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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