外部干擾所致的音頻噪聲該如何防治
2022-09-21 11:32:53 來源： 點擊：1754 喜歡：5
1 噪聲產(chǎn)生的原理
導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生的電磁干擾模式分為兩大類。差模（Differential-mode）與共模（Common-mode）。無論是電源線用于電力傳輸還是音頻電纜進(jìn)行信號傳送，至少需要兩根導(dǎo)線構(gòu)成回路。兩根導(dǎo)線之間存在不同的干擾電壓或電流，就是差模干擾，見圖1。
圖1 差模干擾的原理示意圖
但更多的時候，除了這兩根導(dǎo)線之外還有第三導(dǎo)體，也就是地線。這時候，還會出現(xiàn)另外一種干擾電流，存在于兩根導(dǎo)線與地線之間，這就是共模干擾，特點是幅度相同、相位相同，見圖2。
圖2 共模干擾的原理示意圖
舉一個形象化的例子，兩個人坐在小船兩邊劃船，船體兩側(cè)的高度差看作是差模干擾的話，那么，船體距離河底的絕對高度就可以看作是共模干擾。也就是說，差模干擾是兩根信號線之間的干擾，而共模干擾則是指干擾信號與地之間的電位差。在實際使用中，共模干擾與差模干擾經(jīng)常是共存的，并且在某些條件下會出現(xiàn)互相轉(zhuǎn)化。
共模干擾可以通過一些手段進(jìn)行消除和預(yù)防，如：（1）采用屏蔽雙絞線并有效接入；（2）信號線與電源線遠(yuǎn)離；（3）采用線性穩(wěn)壓電源或高品質(zhì)的開關(guān)電源；（4）使用差分放大電路；（5）在信號線或電源線中串聯(lián)共模扼流圈，在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器，組成LC濾波器進(jìn)行濾波。
差摸干擾可以使用差摸扼流圈進(jìn)行抑制，但前提是減少共模干擾，以防共模干擾轉(zhuǎn)化為差摸干擾。
2 復(fù)雜外部環(huán)境中干擾所引起的噪聲問題
復(fù)雜外部環(huán)境下干擾噪聲的源頭分別是電網(wǎng)干擾、電磁輻射以及地線環(huán)路。
2.1由電網(wǎng)串入的共模干擾
在外場音頻設(shè)備使用環(huán)境中，往往無法對場館方提供的電源提出苛刻的要求。但有些條件必須滿足：電源必須只能是單獨的，電壓相對穩(wěn)定，是相對純凈的電源回路。因此，需要檢測電壓是否穩(wěn)定、是否接地，輸出極性是否正確。然后，對現(xiàn)場的電源進(jìn)行進(jìn)一步的處理。如果電壓不夠穩(wěn)定，可以使用穩(wěn)壓器。出于實況轉(zhuǎn)播音質(zhì)的考慮，對于調(diào)音臺及周邊設(shè)備電源純凈度的要求更高一點，因此，盡可能提供一路單端的電源，并且使用加裝了濾波器的隔離變壓器，隔絕來自電網(wǎng)的噪聲污染。要注意的是，隔離變壓器在開機瞬間會產(chǎn)生較大的激磁涌流，有可能導(dǎo)致跳閘。當(dāng)遇到這種情況時，可以通過加裝軟啟動裝置來解決問題。
音響系統(tǒng)的電源一定要與燈光及其他包含電動機的系統(tǒng)（如舞臺機械）完全分開，以防這些系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁污染影響到音響系統(tǒng)。這種從電網(wǎng)串入的共模干擾聽起來是一種低頻的嗡聲（HUM）。
2.2電磁輻射干擾
在進(jìn)行現(xiàn)場音頻系統(tǒng)搭建時，需要注意周圍是否存在干擾源，干擾可能會來自設(shè)備電弧、附近電臺，大功率輻射源、交變的磁場產(chǎn)生交變的電流會產(chǎn)生共模干擾。
如果音頻系統(tǒng)搭建的場地附近存在大型的變電設(shè)備，干擾會較為嚴(yán)重，在這樣的情況下，遠(yuǎn)離變壓設(shè)備是第一選擇，如果不行，只能通過將音頻設(shè)備屏蔽接地的方式來降低干擾。
輻射的干擾還會來自設(shè)備與設(shè)備之間。單相供電的音頻設(shè)備的火線零線在插線板上的方向有時候也會引起微弱的低頻噪聲，原因是由于反相電源的功放內(nèi)部的環(huán)型變壓器產(chǎn)生的電磁場與其他設(shè)備變壓器產(chǎn)生的電磁場互相干擾。
在進(jìn)行線纜敷設(shè)時，不要將音頻信號線纜與電源線近距離平行布線，以防感應(yīng)電流的產(chǎn)生。如果需要交越，最好保持90?垂直。需要提醒的是，信號線纜在距離開關(guān)電源設(shè)備過近時，也會感應(yīng)到頻率較低的共模干擾。
輻射造成的噪聲通常聽起來較HUM頻率要高，有周期性，稱之為BUZZ。
兩種噪聲的區(qū)別見表1。有經(jīng)驗的音頻工程師能夠根據(jù)現(xiàn)場揚聲器或者耳機中出現(xiàn)的噪聲判斷問題可能出現(xiàn)在什么環(huán)節(jié)。
表1 兩種噪聲的區(qū)別和排除方法
2.3地線環(huán)路干擾
地線環(huán)路干擾是在音頻系統(tǒng)中最常見最復(fù)雜也最難以判定的一類干擾。經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況，明明采用了平衡接法（見圖3）卻依舊有可聞的音頻噪聲出現(xiàn)，這也是很多從業(yè)人員的困惑所在。
圖3 平衡接法示意圖
平衡接法的設(shè)計很巧妙，使用三根導(dǎo)線，兩根用于傳輸信號，另外一根則用于屏蔽。兩根導(dǎo)線傳輸?shù)男盘柗认嗤⑾辔幌喾?。?fù)責(zé)接收信號的差分放大器在接收到信號后只負(fù)責(zé)放大兩個信號之間的差值，有效降低共模干擾。所有音響從業(yè)人員都記得卡儂接口“一地兩正三負(fù)”的口訣，這是AES給出的卡儂接口的標(biāo)準(zhǔn)，在國標(biāo)GB／T14197—93《聲系統(tǒng)設(shè)備互連的優(yōu)選配接值》中，也明確定義使用卡儂頭用于平衡式連接傳輸時：接點①接屏蔽層，接點②接信號熱端，接點③接信號冷端。但是，在一些現(xiàn)場演出實務(wù)的文章中卻建議在輸出端做1腳跳空的方式處理；而在發(fā)燒音響圈子里，使用RCA插頭進(jìn)行非平衡式傳輸時,則是在發(fā)送端連接屏蔽層到負(fù)極,接收端跳空屏蔽層。
矛盾來自于哪里？“一地兩正三負(fù)”的原則沒有問題，問題在于這是一個相對較為理想的狀況。它假設(shè)了設(shè)備兩端的地是以電阻無限接近于0的導(dǎo)線相連，兩端的地為等電位。在實際使用，尤其是外場大量長距離音頻線纜連接的情況下，很難保證設(shè)備兩端的地等電位。因此，兩端地的電位差產(chǎn)生的電流會在信號通道上感應(yīng)出環(huán)流，從而形成難以抑制的差模干擾，如圖4所示，a、b端電位差形成的電流會在信號通道感應(yīng)出環(huán)流造成難以抑制的差模干擾。電位差越大，卡儂1端對應(yīng)的連接線上產(chǎn)生的電流越大，而在同一根音頻線中地線與信號線距離如此之近，干擾就尤為突出。
圖4 地線環(huán)路示意圖
從圖5的地線環(huán)路中可以看出，要消除地線環(huán)路造成的差模干擾，只需要斷開地線連接就可以。但這又帶來其他的疑問，如果地線斷開，平衡接法的優(yōu)勢又在哪里呢？事實上，斷開地線連接只是一種不得已而為之的應(yīng)急措施，在演播室這類嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行施工的場所，這樣的問題并不存在，在實況轉(zhuǎn)播這樣的場合卻必須考慮。
圖5 改進(jìn)的平衡接法示意圖
一般來說，并不需要按照演出實務(wù)上介紹的那樣將每一根音頻平衡線都斷開一段的地，并一一做好標(biāo)記，完全可以按照標(biāo)準(zhǔn)的平衡接法進(jìn)行連接，在某些節(jié)點進(jìn)行地線跳空的操作，如圖5。既然地線環(huán)路的起因是由于兩端地電位的不一致，那么容易出現(xiàn)問題的節(jié)點往往出現(xiàn)在長距離傳輸以及不是從同一電源排插取電的設(shè)備之間。
3 實例說明
以下舉三個常見的地線環(huán)路干擾的例子來加以說明。
3.1二級調(diào)音臺與轉(zhuǎn)播車之間的噪聲問題
較長的音頻線連接往往會出現(xiàn)在現(xiàn)場調(diào)音臺與轉(zhuǎn)播車的信號傳輸中，現(xiàn)場調(diào)音臺與轉(zhuǎn)播車往往電源都不是一條線路，兩邊地有電位差是常見的事情，這時候就需要斷開地線環(huán)路。通常的做法是，使用每個聲道帶有獨立音頻隔離變壓器的信號分配器，見圖6，并打開earth lift開關(guān)。
圖6 信號分配器
3.2電腦播放視頻產(chǎn)生的噪聲問題
在很多場合，現(xiàn)場需要大屏播放PPT或者視頻文件，電腦通過VGA或者HDMI接口提供視頻給大屏，而音頻信號則是進(jìn)入調(diào)音臺進(jìn)行處理。以VGA接口為例，VGA接口有多腳接地（4,6,7,8,11端），見圖7。因此，音頻系統(tǒng)與視頻系統(tǒng)之間就存在了地線的回路。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)了噪聲，需要在音頻輸出點使用DI盒，將接地設(shè)定為斷開，地線回路無法成立，便能解決問題。
圖7 VGA接口
圖8 DI盒
3.3接入非平衡設(shè)備產(chǎn)生的噪聲問題
在專業(yè)音響領(lǐng)域，使用非平衡設(shè)備的情況較少，但又是無法避免的。比如電聲樂器的接入，電吉他的音頻傳輸使用的是大二芯TS插頭，接地端無法斷開。從電聲樂器到調(diào)音臺的平衡線路輸入端經(jīng)常采用樂器DI盒，這里DI盒用來將高阻抗高電平的非平衡信號轉(zhuǎn)換為低阻抗低電平的平衡式信號。通常在DI盒上會有一個浮地開關(guān)，一旦出現(xiàn)噪聲問題，可以進(jìn)行斷開地線的操作來降低噪聲。
圖9 樂器DI盒
4 結(jié)語
在實際工作中，音頻噪聲除了前面所提及的電信號干擾噪聲，還包括其他各種情況，諸如通過空氣傳播的空調(diào)、風(fēng)扇、音源串音等。限于篇幅，筆者僅就電信號的外部干擾防治做簡單說明，整理成文與業(yè)界同行探討。
選自《演藝科技》2019年第3期 孔光偉《外部干擾所致的音頻噪聲防治》，轉(zhuǎn)載請標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請參閱《演藝科技》。
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