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：2665 喜歡：5
1 噪聲產生的原理
導致噪聲產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行信號傳送，至少需要兩根導線構成回路。兩根導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，除了這兩根導線之外還有第三導體，也就是地線。這時候，還會出現另外一種干擾電流，存在于兩根導線與地線之間，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常是共存的，并且在某些條件下會出現互相轉化。
共模干擾可以通過一些手段進行消除和預防，如：（1）采用屏蔽雙絞線并有效接入；（2）信號線與電源線遠離；（3）采用線性穩壓電源或高品質的開關電源；（4）使用差分放大電路；（5）在信號線或電源線中串聯共模扼流圈，在地與導線之間并聯電容器，組成LC濾波器進行濾波。
差摸干擾可以使用差摸扼流圈進行抑制，但前提是減少共模干擾，以防共模干擾轉化為差摸干擾。
2 復雜外部環境中干擾所引起的噪聲問題
復雜外部環境下干擾噪聲的源頭分別是電網干擾、電磁輻射以及地線環路。
2.1由電網串入的共模干擾
在外場音頻設備使用環境中，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，電壓相對穩定，是相對純凈的電源回路。因此，需要檢測電壓是否穩定、是否接地，輸出極性是否正確。然后，對現場的電源進行進一步的處理。如果電壓不夠穩定，可以使用穩壓器。出于實況轉播音質的考慮，對于調音臺及周邊設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，隔絕來自電網的噪聲污染。要注意的是，隔離變壓器在開機瞬間會產生較大的激磁涌流，有可能導致跳閘。當遇到這種情況時，可以通過加裝軟啟動裝置來解決問題。
音響系統的電源一定要與燈光及其他包含電動機的系統（如舞臺機械）完全分開，以防這些系統產生的電磁污染影響到音響系統。這種從電網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
在進行現場音頻系統搭建時，需要注意周圍是否存在干擾源，干擾可能會來自設備電弧、附近電臺，大功率輻射源、交變的磁場產生交變的電流會產生共模干擾。
如果音頻系統搭建的場地附近存在大型的變電設備，干擾會較為嚴重，在這樣的情況下，遠離變壓設備是第一選擇，如果不行，只能通過將音頻設備屏蔽接地的方式來降低干擾。
輻射的干擾還會來自設備與設備之間。單相供電的音頻設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部的環型變壓器產生的電磁場與其他設備變壓器產生的電磁場互相干擾。
在進行線纜敷設時，不要將音頻信號線纜與電源線近距離平行布線，以防感應電流的產生。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電源設備過近時，也會感應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。
兩種噪聲的區別見表1。有經驗的音頻工程師能夠根據現場揚聲器或者耳機中出現的噪聲判斷問題可能出現在什么環節。
表1 兩種噪聲的區別和排除方法
2.3地線環路干擾
地線環路干擾是在音頻系統中最常見最復雜也最難以判定的一類干擾。經常出現這樣的情況，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，這也是很多從業人員的困惑所在。
圖3 平衡接法示意圖
平衡接法的設計很巧妙，使用三根導線，兩根用于傳輸信號，另外一根則用于屏蔽。兩根導線傳輸的信號幅度相同、相位相反。負責接收信號的差分放大器在接收到信號后只負責放大兩個信號之間的差值，有效降低共模干擾。所有音響從業人員都記得卡儂接口“一地兩正三負”的口訣，這是AES給出的卡儂接口的標準，在國標GB／T14197—93《聲系統設備互連的優選配接值》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，在一些現場演出實務的文章中卻建議在輸出端做1腳跳空的方式處理；而在發燒音響圈子里，使用RCA插頭進行非平衡式傳輸時,則是在發送端連接屏蔽層到負極,接收端跳空屏蔽層。
矛盾來自于哪里？“一地兩正三負”的原則沒有問題，問題在于這是一個相對較為理想的狀況。它假設了設備兩端的地是以電阻無限接近于0的導線相連，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，很難保證設備兩端的地等電位。因此，兩端地的電位差產生的電流會在信號通道上感應出環流，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出環流造成難以抑制的差模干擾。電位差越大，卡儂1端對應的連接線上產生的電流越大，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 地線環路示意圖
從圖5的地線環路中可以看出，要消除地線環路造成的差模干擾，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急措施，在演播室這類嚴格按照規范進行施工的場所，這樣的問題并不存在，在實況轉播這樣的場合卻必須考慮。
圖5 改進的平衡接法示意圖
一般來說，并不需要按照演出實務上介紹的那樣將每一根音頻平衡線都斷開一段的地，并一一做好標記，完全可以按照標準的平衡接法進行連接，在某些節點進行地線跳空的操作，如圖5。既然地線環路的起因是由于兩端地電位的不一致，那么容易出現問題的節點往往出現在長距離傳輸以及不是從同一電源排插取電的設備之間。
3 實例說明
以下舉三個常見的地線環路干擾的例子來加以說明。
3.1二級調音臺與轉播車之間的噪聲問題
較長的音頻線連接往往會出現在現場調音臺與轉播車的信號傳輸中，現場調音臺與轉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。
圖6 信號分配器
3.2電腦播放視頻產生的噪聲問題
在很多場合，現場需要大屏播放PPT或者視頻文件，電腦通過VGA或者HDMI接口提供視頻給大屏，而音頻信號則是進入調音臺進行處理。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，音頻系統與視頻系統之間就存在了地線的回路。如果系統中出現了噪聲，需要在音頻輸出點使用DI盒，將接地設定為斷開，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接入非平衡設備產生的噪聲問題
在專業音響領域，使用非平衡設備的情況較少，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。從電聲樂器到調音臺的平衡線路輸入端經常采用樂器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，一旦出現噪聲問題，可以進行斷開地線的操作來降低噪聲。
圖9 樂器DI盒
4 結語
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、風扇、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》，轉載請標注：演藝科技傳媒。更多詳細內容請參閱《演藝科技》。
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