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话筒线高频衰减效应实测对比

介绍

　　在音响系统的构建中，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。

电路原理与电路模型

　　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：

　　图1：模拟音频信号传输线缆的集总参数电路模型

　　图中，R表示所有导线的总串联电阻，可以通过表测量获得，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：

　　其中，R为电路总电阻，C为电路总的等效电容。

　　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：

　　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

该电路的总电阻为

　　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。

由上述公式可以计算得到分频频率为：

　　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。

　　实测结果如下图。

　　图3：0.5m信号线，在卡侬头2脚（热端）和3脚（冷端）并联一33nF电容的幅频响应。

　　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。

输出阻抗问题

　　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。

　　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。

　　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:

　　而-3 dB衰减频率则为：

　　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！

　　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传输。在以固态电路为基础的现代音频行业，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化。因而在现代音频设备中，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阻抗在现代音响领域并无立足之地，600Ω阻抗匹配对于音频系统是伪命题。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。

线材实测

　　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。

　　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，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。

　　表1：测试环境与测试条件记录表

　　图5：线材测试对比现场图

话筒线基本参数：

　　制造商一般会从三个方面给出产品的参数

　　物理参数：包括导体材料、导体直径、绝缘材料、护套颜色、线材外径等

　　机械性能：包括拉伸断裂力量、摇晃寿命、工作温度等

　　电气性能：包括导体电阻、屏蔽层电阻、导体间电容量、导体/屏蔽间电容量和绝缘承受电压等。

　　显然，线缆的电气性能指标对于我们讨论的高频衰减为关键。为了了解这几款线材的电气性能，我们把各款线材的资料查询的参数与实测数据作对比，具体见表2。请注意各项数据的单位不一致。

　　表2：五款线材的电气性能参数与实测数据对比，注意单位的区别。

　　从上表中可以看出，各款线材的实测参数和参数虽然各有出入，但总体上符合，测量设备和测试环境可能是导致这些差别的原因所在。在了解这些电气性能数据之后，我们分别测试在同样环境同样条件下各款线材的幅频响应的差别。我们将输出阻抗设置为100Ω，输入阻抗设置为200 kΩ，这比较接近于现实中音频信号传输的电路阻抗值。

　　图6：五款线材的幅频响应（20 Hz -80 kHz），Zout=100Ω，Zin=200 kΩ。

　　可以看出表现的是D，在20 kHz衰减仅为-0.04 dB；A、B、D三款线比较接近，在音频频率范围内均无明显衰减，是实际使用中推荐使用的，基本不会造成音质的可听变化。

　　表现差的是E，在20 kHz衰减达到-1.47dB；其次是C，在20 kHz衰减约为-1dB。这里应该分别考虑这两款线材，上文提到，E号线的导体结构与其他四款不同，是四芯星绞线，导线多了之后，线间电容自然会较大，因此高频的衰减就会显得比较突出。C号线和A、B、D一样属于两芯屏蔽线，在表2中可以看到其电气性能，特别是导线间电容要高于其他三款，反映在幅频响应上的差异也是比较明显的。现实使用中，这样的衰减导致音响系统的频率响应变差，高频音色会变得黯淡。

　　需要指出的是，为了便于对比不同线材的高频衰减特性，这里的幅频响应曲线是以1 kHz为参考（即1kHz=0 dB）作归一处理的。实际上，每款线材的电平损耗是不一致的，可以通过测量线材的增益来。

　　图7：五款线材的增益对比图

　　理论上，话筒线的电平损耗基本和导体的直流电阻成正比，导体直流电阻越高，电平损失越大。实测表明这五款话筒线的电平损耗是基本一致的，这是因为尽管导体的直流电阻有些差异，但是相对于输出和输入阻抗都是微乎其微的，因而电平衰减几乎没有差别。

　　通过以上两幅测试对比，我们基本可以了解音频系统中话筒线对信号传输质量的影响，主要表现在高频的衰减上。而对于非设备、输出阻抗设计不合理或被错误设置到很高的情况下，会发生