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话筒线高频衰减效应实测对比
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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。
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% {* ], 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 @$ |
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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
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; 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。
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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:
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# 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
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该电路的总电阻为
0 B' r, T6 `% Y, W* A3 N/ A
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% 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:
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2 H% `! y% j" w* t8 y0 V' ]4 s+ Y6 {
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; 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& [
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, ^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。 |
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