專業(yè)音頻工程中電噪聲產(chǎn)生的原理與防治（上）

汪曉琦

進(jìn)入音響行業(yè)廿四年了，從模擬到數(shù)字，從網(wǎng)絡(luò)到云端，經(jīng)歷了無(wú)數(shù)的音響工程。在2007年寫(xiě)過(guò)一篇關(guān)于工程中電噪聲的文章，總結(jié)了電噪聲的14種原因。當(dāng)下，新一代的音響工程師在成長(zhǎng)的過(guò)程中，由于大都以IT為入門路徑，缺少大量的音頻工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在他們面臨的專業(yè)音響擴(kuò)聲工程中，經(jīng)常出現(xiàn)各類噪聲，讓他們感覺(jué)特別棘手。因此，我又重新梳理了一下，重做此文，以供參考，希望能夠幫助有關(guān)人士。學(xué)識(shí)有限，不足之處，還請(qǐng)雅正。

我們討論的音響擴(kuò)聲工程，指包含信號(hào)源（CD、DVD、話筒等）、調(diào)音臺(tái)（混音臺(tái)或簡(jiǎn)易前級(jí)擴(kuò)聲器材）、周邊（數(shù)字音頻處理器或均衡器、壓縮器、激勵(lì)器、分配器、分頻器等模擬設(shè)備）、功放器等設(shè)備的擴(kuò)聲工程。以下如果不特別說(shuō)明，整機(jī)正常工作狀態(tài)都是在220V50Hz供電。

一.什么是噪聲

噪聲即噪音。按照音樂(lè)理論，噪音相對(duì)于樂(lè)音，是一類引起人煩躁甚至危害人體健康的聲音。

正常情況下，我們的設(shè)備按照理論設(shè)計(jì)來(lái)工作，輸入輸出只有我們希望得到的信號(hào)。在這個(gè)意義上可以認(rèn)為我們不需要的信號(hào)就是噪聲。

在音頻工程中，經(jīng)常遇到一些噪聲，并且引用一些噪聲作技術(shù)性測(cè)量，例如用白噪聲測(cè)量電子器材頻譜特性，用粉紅噪聲測(cè)量聲場(chǎng)特性。但這些都是人為制造的信號(hào)。我們這里所研究的噪聲是指：在音頻工程中非人為制造且不需要的，由電導(dǎo)線或電器傳播的，最終由揚(yáng)聲器系統(tǒng)體現(xiàn)出來(lái)的可聞雜聲。我稱之為電噪聲。

在研究電噪聲前，先假設(shè)一個(gè)前提：所有器材在其規(guī)定的工作條件下能正常工作，達(dá)到相應(yīng)的信噪比。這類噪聲的產(chǎn)生主要有兩種類型：一種是器材本身的電子材料內(nèi)部的電子漂移特性或元器件漏電引起的噪聲，我們稱之為本底噪聲；另外一種是由于工程設(shè)計(jì)及施工不恰當(dāng)引起的因?yàn)殡姟⒋沤换ジ蓴_引起的噪聲，我們稱之為電噪聲。本文重點(diǎn)討論的就是這個(gè)電噪聲。由于環(huán)境干擾如抽風(fēng)機(jī)或機(jī)械干擾等原因引起的噪聲稱為環(huán)境噪聲，我們另外分析。

既然是電噪聲，那么這個(gè)噪聲就一定與電有關(guān)聯(lián)。我們所說(shuō)的電，無(wú)論是能源供應(yīng)的交流電，還是輸出音頻的電信號(hào)，都是交流形式出現(xiàn)的。交流電與磁場(chǎng)是共生共有的一對(duì)兄弟，因此，在我們考慮噪聲的起因時(shí)，除了考慮電，還要考慮磁場(chǎng)的原因。

在一些文字資料和實(shí)際工程中，都曾提到通過(guò)接地來(lái)解決噪聲的手段。無(wú)論從理論上還是實(shí)際中，接地的確能解決一部分噪聲問(wèn)題。但實(shí)際現(xiàn)象是在有的項(xiàng)目實(shí)施時(shí)越接地越有噪聲，有時(shí)甚至不接地好過(guò)接地。這又是為什么呢？

在檢查噪聲來(lái)源時(shí)，往往通過(guò)排除法，逐級(jí)的關(guān)閉周邊器材的電源，終于找到某個(gè)重要的噪聲源。這種情況一般是器材內(nèi)部故障的原因。但有時(shí)幾乎是所有的器材都有少量噪聲，逐級(jí)疊加，越來(lái)越大。但把它們拿到?jīng)]有噪聲的系統(tǒng)中進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，又檢測(cè)不出有任何噪聲。可見(jiàn)噪聲的來(lái)源不僅僅是器材本身內(nèi)部電路設(shè)計(jì)或生產(chǎn)質(zhì)量的結(jié)果，而是和外部器材連接后才形成的。

二.電噪聲產(chǎn)生的原因

既然是電噪聲，那么這個(gè)噪聲就一定與電有關(guān)聯(lián)。電是一種自然現(xiàn)象。電是像電子和質(zhì)子這樣的亞原子粒子之間的產(chǎn)生排斥和吸引力的一種屬性。電噪聲可以理解為我們不需要的一種通過(guò)電產(chǎn)生，通過(guò)揚(yáng)聲器體現(xiàn)的雜波。在我們分析的工程項(xiàng)目中，電的來(lái)源主要有兩種形式，一是主動(dòng)的能源供應(yīng)，即給設(shè)備的電源供應(yīng)；二是非主動(dòng)獲得的電，即感生電流，俗稱感應(yīng)電。

1.電源噪聲

我們的設(shè)備都是需要靠電力來(lái)維持正常工作的。在我國(guó)使用音頻器材一般的供電標(biāo)準(zhǔn)是按照國(guó)家供電網(wǎng)民用電供電標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)的：220V50Hz正弦波。正常的發(fā)電機(jī)組是采用三相發(fā)電的。每相之間相差120°相位角，通常都是星型接法工作。零線是三相發(fā)電機(jī)中的中線，在總線配電中，當(dāng)三相負(fù)載絕對(duì)平衡時(shí)，中線中沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)三相不平衡工作時(shí)，中線中就會(huì)有回路電流。在分支線路中，火線和零線的電流量相同。

因?yàn)楣╇娗闆r引起的噪聲有以下情況：

① 工作電壓不符合

如果供電不能正常，低于或高于器材所需要的正常電源，器材內(nèi)部就不能正常工作，因而會(huì)產(chǎn)生噪聲。

② 供電相序不統(tǒng)一

當(dāng)系統(tǒng)中器材供電不在同一相時(shí)，因?yàn)橥蛔儔浩鬏敵鲭娫吹拿肯嚯娭g有120°相位角的差值。當(dāng)單臺(tái)設(shè)備不能很好地屏蔽自身電源和外部電磁的干擾，輸出純凈的直流電供器材本身工作，將導(dǎo)致此設(shè)備泄漏部分干擾信號(hào)到地（器材的懸浮地，或者理解為機(jī)器外殼），此干擾信號(hào)和其他設(shè)備的干擾信號(hào)相混合，就會(huì)形成電勢(shì)差，在整個(gè)系統(tǒng)中特別是屏蔽層中串?dāng)_，形成電噪聲。

③ 可控硅干擾

音頻工程中常伴隨有燈光工程。由于燈光工程在使用中大量采用可控硅作為電壓有效值調(diào)節(jié)手段，而可控硅是利用控制導(dǎo)通角來(lái)控制輸出電壓占空比的方式來(lái)達(dá)到控制總輸出有效值的。因此在使用可控硅調(diào)光設(shè)備時(shí)會(huì)導(dǎo)致電源波形的破壞，如果和音響在同一相供電會(huì)特別明顯，就算不同相而在同一組三相電中也會(huì)通過(guò)零線回路干擾音響系統(tǒng)。

④ 外部供電干擾

類似于硅箱干擾的情況，如果其他電器與音響同一回路供電，在工作時(shí)產(chǎn)生大的電火花，將會(huì)產(chǎn)生高頻干擾。如果是耗電量及波動(dòng)特別大的設(shè)備連接在音響回路中，如大型電動(dòng)機(jī)間斷性啟動(dòng)--停止，那么就會(huì)隨著它的間斷型工作狀態(tài)，對(duì)音頻系統(tǒng)產(chǎn)生因?yàn)楣╇姴蛔愣鴮?dǎo)致的噪聲。例如：霓虹燈、電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)等。

⑤ 共振干擾

再有一種情況很特殊，雖然很少出現(xiàn)但也是最難查的一種電源干擾，那就是系統(tǒng)中有部分設(shè)備采用開(kāi)關(guān)電源，又有普通電源設(shè)備，它們?cè)诰植啃纬晒舱瘢@樣也會(huì)產(chǎn)生電源干擾。

2.電磁噪聲

無(wú)論是能源供應(yīng)的交流電，還是輸出音頻的電信號(hào)，都是交流形式出現(xiàn)的。電與磁場(chǎng)是共生共有的一對(duì)兄弟，因此，在我們考慮噪聲的起因時(shí)，除了考慮電，還要考慮磁場(chǎng)的原因。這是疑難噪聲工程中最主要的一種形式。

我們先假設(shè)在理想狀態(tài)下，所有的器材都只有我們需要的輸出信號(hào)，本身不發(fā)射任何電磁信號(hào)，外界也沒(méi)有磁場(chǎng)干擾。這時(shí)，所有的器材都是在設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下工作。因此不會(huì)出現(xiàn)噪聲--器材電路中沒(méi)有設(shè)計(jì)產(chǎn)生噪聲，其他噪聲沒(méi)有理論來(lái)源。但實(shí)際上我們生活的環(huán)境早已經(jīng)被各類電磁場(chǎng)包圍：器材安裝環(huán)境、器材本身的線路、器材本身乃至我們居住的地球都存在大量的變化的磁場(chǎng)。變化的磁場(chǎng)和移動(dòng)（或相對(duì)移動(dòng)）的導(dǎo)體間頻繁出現(xiàn)的電磁和電流的轉(zhuǎn)化。即電流在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)中的磁力線切割導(dǎo)體產(chǎn)生電流，周而復(fù)始。楞次定律很好的總結(jié)了這個(gè)現(xiàn)象。因此，我們可以這樣理解：我們的設(shè)備的金屬外殼和工程連接線都隨時(shí)處于磁場(chǎng)包圍下，由于交流磁場(chǎng)的出現(xiàn)，感生電流隨時(shí)都在產(chǎn)生。由能量守恒定律，我們可以理解，這些感生電流和感生磁場(chǎng)不會(huì)自然消失，必然以某種形式轉(zhuǎn)換成另外的能量釋放或中和。而這些能量如果不能夠被我們控制而任由他們發(fā)展，它們就是噪聲的來(lái)源。這種噪聲，應(yīng)該稱之為電磁噪聲。當(dāng)這種能量串到我們的音頻放大系統(tǒng)中，并且轉(zhuǎn)換成我們?nèi)硕陕?tīng)到的頻譜范圍時(shí)，就會(huì)變成電噪聲。

因此可以總結(jié)，電磁噪聲有以下來(lái)源：

⑥ 器材內(nèi)部磁泄漏

某器材內(nèi)部電——磁信號(hào)沒(méi)有形成閉合環(huán)路中和而有泄漏，串到信號(hào)回路中，因而產(chǎn)生電磁噪聲；

⑦ 器材間互相輻射干擾

其他器材的電——磁信號(hào)輻射使器材外殼感應(yīng)到而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，在信號(hào)回路中形成壓降，因而產(chǎn)生電磁噪聲；此例最明顯的是大功率數(shù)碼設(shè)備。

⑧ 感生電流干擾

空間環(huán)境中的電——磁信號(hào)使導(dǎo)線體產(chǎn)生了感生電流，此電流沒(méi)有到地的放電回路，或者從信號(hào)線的屏蔽層中走動(dòng)。信號(hào)線的屏蔽層由于質(zhì)量問(wèn)題有一定的電阻，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)形成了壓降，經(jīng)過(guò)真實(shí)地與懸浮地之間形成回路，因而產(chǎn)生電磁噪聲。

3.工程設(shè)計(jì)及施工不合理

在大型工程中，如有超過(guò)30米以上的信號(hào)線，兩個(gè)以上地點(diǎn)的音視頻系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，和閉路電視設(shè)備連接等情況時(shí)，長(zhǎng)距離信號(hào)線感應(yīng)到的電流在信號(hào)線屏蔽層與信號(hào)芯線間形成電勢(shì)差，由于沒(méi)有放電回路，則將感應(yīng)電流流入下級(jí)設(shè)備中，形成電磁干擾信號(hào)。特別是閉路電視系統(tǒng)是有真大地連接的，若音、視頻系統(tǒng)與閉路電視系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，而沒(méi)有可靠的等電位連接，則會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。

4.采用劣質(zhì)設(shè)備引起的干擾

在采用劣質(zhì)器材串聯(lián)到系統(tǒng)中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)稀奇古怪的噪聲信號(hào)，甚至有廣播信號(hào)被接收。具體為：輸入輸出阻抗設(shè)計(jì)不合理，機(jī)器電路本身屏蔽差，接地端設(shè)計(jì)不合理等。

三.分析及解決

首先，我們要對(duì)“地”有個(gè)理性認(rèn)識(shí)。在電子線路中，對(duì)“地”有兩個(gè)概念：一個(gè)是真實(shí)地，即大地；一個(gè)是虛擬地，僅用來(lái)表示公共端，即懸浮地。

因?yàn)槲覀兯刂频碾?，以及它的能量體現(xiàn)電壓，是一個(gè)相對(duì)的量。用來(lái)表達(dá)回路中一點(diǎn)相對(duì)另外一點(diǎn)的能量。如果不是一個(gè)回路，則不能形成電壓。我們所傳輸?shù)囊纛l信號(hào)，都是一個(gè)相對(duì)的交流信號(hào)。因此，都有一個(gè)公共端。這個(gè)公共端就是地。

為了避免或消除這類由交互電磁干擾引起的電噪聲，我們有必要采取一些辦法。器材生產(chǎn)廠家針對(duì)這些問(wèn)題，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)做了充分的考慮。

現(xiàn)在來(lái)針對(duì)以上的噪聲來(lái)源逐個(gè)分析并給出解決方案：

① 供電不符合引起的電噪聲

如果是供電本身不合格，則需要在設(shè)備供電前端安裝電源穩(wěn)壓器。由于功放工作電流與輸出功率有關(guān)聯(lián)，如果是使用功放較多，在演出是音量動(dòng)態(tài)較大的項(xiàng)目中，會(huì)引起較大的電源波動(dòng)，則需要將耗電動(dòng)態(tài)較小的設(shè)備如前級(jí)、周邊器材和功放分別使用不同的穩(wěn)壓器。例如：周邊平均耗電30-50瓦，加上調(diào)音臺(tái)等總共不超過(guò)1KW，使用一臺(tái)2-3KW的自動(dòng)穩(wěn)壓器，將全部功放另外連接另外的大功率穩(wěn)壓器，要求此穩(wěn)壓器調(diào)壓時(shí)間盡量短而平穩(wěn)，以跟上功放動(dòng)態(tài)。為了減少電源內(nèi)阻，穩(wěn)壓器的功率為所有功放峰值耗電量總和的2倍以上。

② 供電不同相引起的電噪聲：

所有的音響供電必須取自同一相。如果有大的音頻網(wǎng)絡(luò)，如將大廳的音視頻信號(hào)送到包房或其他房間，則要求所有的音視頻用電設(shè)備采用同一相。這一點(diǎn)在工程開(kāi)工前必須完成，后期很難修改。

③ 可控硅干擾

可控硅是靠調(diào)整導(dǎo)通角來(lái)調(diào)整有效值的方式調(diào)整輸出電壓的，它是采用破壞電源波形的方式調(diào)制的。要想完全避免可控硅干擾，有以下幾種方法：

·供電線路上與音響系統(tǒng)分離。將音響系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)供電取自兩個(gè)不同的變壓器；燈光系統(tǒng)獨(dú)立的電氣接地，接地電阻小于4歐姆；音響系統(tǒng)采用獨(dú)立的接地，接地電阻要求小于1歐姆。使音響系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)沒(méi)有任何線路上的聯(lián)系。

·如果必須從一個(gè)變壓器取電，那么在總配電房出來(lái)時(shí)就分別供電，音響采用L1相，燈光采用L2相和L3相，單獨(dú)使用各自的零線和地線。

·在硅箱輸入端使用隔離變壓器。將硅箱干擾信號(hào)控制在隔離變壓器末端而不要輸出到其他電網(wǎng)。注意如果使用同一個(gè)回路，并且僅將音響系統(tǒng)采用隔離變壓器而不隔離燈光系統(tǒng)，那么硅箱輸出的紋波干擾將進(jìn)入隔離變壓器，如果干擾較大，仍然可以干擾音響系統(tǒng)。

·硅箱安排的位置盡量距離調(diào)音臺(tái)、周邊機(jī)柜及其他音源較遠(yuǎn)的位置。有條件時(shí)應(yīng)該加金屬屏蔽網(wǎng)隔離。不過(guò)現(xiàn)在一些開(kāi)關(guān)電源的D類功放抗干擾性有了很大的提高。

④ 外部供電干擾

這一個(gè)問(wèn)題類似于硅箱干擾的情況，例如：霓虹燈、電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)等在工作時(shí)輸出的高頻諧波會(huì)干擾電源。采用隔離變壓器將音響系統(tǒng)隔離可以消除一部分高頻干擾。不過(guò)最好是將這些設(shè)備和音響系統(tǒng)的供電線路相位做一些調(diào)整，不要用在同一相。取電方法同“可控硅干擾”的控制方法。

⑤ 共振干擾

這一點(diǎn)最難查。通常是在僅使用一臺(tái)穩(wěn)壓器后的周邊和功放器材間。如果能確定是系統(tǒng)內(nèi)器材共振造成的，則可以考慮用隔離變壓器將其中一臺(tái)隔離，改變諧振參數(shù)，或者將周邊和功放分別穩(wěn)壓供電則可以消除。

⑥ 器材內(nèi)部磁泄漏

這屬于產(chǎn)品品質(zhì)問(wèn)題。首先器材本身不應(yīng)該在內(nèi)部發(fā)生電磁泄漏，釋放不必要的能源。根據(jù)基爾霍夫定律，任何導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)中的電流在瞬時(shí)代數(shù)和為零。在我們對(duì)電磁噪聲的分析中表示無(wú)論器材或?qū)Ь€所獲得的噪聲始終要通過(guò)某種途徑釋放出去。在器材的電源供應(yīng)上，廠家采用了將電源變壓器增加屏蔽罩，并將屏蔽罩連接內(nèi)部地的方法來(lái)屏蔽變壓器產(chǎn)生的磁力線，然后是對(duì)器材外部進(jìn)行接地處理，將外部能源中和。

⑦ 器材間互相輻射干擾

有時(shí)將影碟機(jī)和效果器等器材堆疊在一起時(shí)，如將數(shù)字效果器放在影碟機(jī)上，影碟機(jī)光頭工作時(shí)會(huì)有明顯的磁輻射干擾，這時(shí)可以采取在機(jī)柜中加金屬層板，將器材隔離，并將機(jī)柜外殼接真實(shí)地的方式處理。

（未完待續(xù)）