音響噪音的種種原因與解決方法(上)
2013.07.24

有源音箱的噪音主要來源於三種:電磁干擾,電線乾擾及機械雜音及熱噪聲,本文將介紹如何預防及降低這些噪音的方法。

 

一、地線乾擾 電子產品的地線設計是極其重要的,無論低頻電路還是高頻電路都必須要個遵照設計規則。高頻、低頻電路地線設計要求不同,高頻電路地線設計主要考慮分佈參數 影響,一般為環地,低頻電路主要考慮大小信號地電位疊加問題,需獨立走線、集中接地。從提高信噪比、降低噪音角度看,模擬音頻電路應劃歸低頻電子電路,嚴 格遵循“獨立走線、集中一點接地”原則,可顯著提高信噪比。

 

音頻電路地線可簡單劃分為電源地和信號地,電源地主要是指濾波、退耦電容地線,小信號地是指輸入信號、反饋地線。小信號地與電源地不能混合,否則必 將引發很強的交流聲:強電地由於濾波和退耦電容充放電電流較大(相對信號地電流),在電路板走線上必然存在一定壓降,小信號地與該強電地重合,勢必會受此 波動電壓影響,也就是說,小信號的參考點電壓不再為零。信號輸入端與信號地之間的電壓變化等效於在放大器輸入端注入信號電壓,地電位變化將被放大器拾取並 放大,產生交流聲。增加地線線寬、背錫處理只能在一定程度上減弱地線乾擾,但收效並不明顯。有部分未嚴格將地線分開的PCB由於地線寬、走線很短,同時放 大級數很少、退耦電容容量很小,因此交流聲尚在勉強可接受範圍內,只是特例,沒有參考意義。

 

需注意的是,變壓器電磁干擾引發的交流聲頻率一般為50HZ左右,而地線佈線不當導致的交流聲,由於整流電路的倍頻作用頻率約為100HZ,仔細區分還是可以察覺的。 正確的佈線方法是,選擇主濾波電容引腳作為集中接地點,強、弱信號地線嚴格區分開,在總接地點匯總。

 

二、電磁干擾

電磁干擾主要來源是電源變壓器和空間雜散電磁波。

 

有源音箱除極少數特殊產品外,多數是由市電提供電源,因此必然要使用電源變壓器。電源變壓器工作過程是一個“電—磁—電”的轉換過程,在電磁轉換過程中必然會產生磁洩露,變壓器洩磁被放大電路拾取放大,最終表現為由揚聲器發出的交流聲。

 

電源變壓器常見規格有EI型、環型和R型,無論是從音質角度還是從電磁洩露角度來看,這三種變壓器各有優缺點,不能簡單判定優劣。

 

EI型變壓器是最常見、應用最廣的變壓器,磁洩露主要來源E與I型鐵心之間的氣隙以及線圈自身輻射。EI型變壓器磁洩露是有方向性,如下圖所 示,X、Y、Z軸三個方向上,線圈軸心Y軸方向干擾最強,Z軸方向最弱,X軸方向的輻射介於Y 、Z之間,因此實際使用時盡量不要使Y軸與電路板平行。

 

環型變壓器由於不存在氣隙、線圈均勻捲繞鐵芯,理論上漏磁很小,也不存在線圈輻射。但環型變壓器由於無氣隙存在,抗飽和能力差,在市電存在直流成分 時容易產生飽和,產生很強的磁洩露。國內不少地區市電波形畸變嚴重,因此許多用家使用環型變壓器感覺並不比EI型變壓器好,甚至更差。所謂環型變壓器絕無 洩露,或是因媒介誤導,或是因廠商出於商業宣傳需要而杜撰,環型變壓器磁洩露極低的說法只是在市電波型為嚴格的正弦波時才成立。另外,環型變壓器還會在引 線處出現較強電磁洩露,因此環型變壓器的漏磁也是有一定方向性的,實際裝機時旋轉環型變壓器,在某個角度上獲得最高信噪比。

 

R型變壓器可簡單看做橫截面圓型的環型變壓器,但在線圈繞製手法上有區別,散熱條件遠比環型變壓器為好,鐵芯展開為漸開漸合型,R型變壓器電磁洩露情況與環型變壓器類似。由於每匝線長比環型變壓器短,能緊貼鐵心繞製,因此上述三類變壓器中R型變壓器的銅損最小。

 

如條件允許,可考慮為變壓器裝一隻屏蔽罩,並做妥善接地處理,該金屬罩只能選用鐵性材料,一般金屬如銅、鋁等只有電屏蔽作用而無磁屏蔽作用,不能作為變壓器屏蔽罩。

 

上述分析是建立在變壓器選料、製作精良的基礎上,實際多數市售變壓器產品由於成本壓力和競爭需要,未嚴格按行業規範設計,甚至偷工減料,分析起來不 可預測因素較多。首先是鐵芯材料的品質,很多企業用導磁率較低的H50鐵芯、邊角料甚至攙雜軟鐵製作變壓器,導致變壓器空載電流很高,鐵損過大,空載發熱 嚴重;這類變壓器為降低成本、同時為掩蓋鐵損偏高帶來的電壓調整率過大問題,大幅度減少初次級線圈匝數,以降低銅損的方式來降低電壓調整率,這種做法更進 一步增大了空載電流,而空載電流偏大將直接導致 磁洩露加劇。 環型變壓器問題更複雜一些。正規的環型變壓器鐵芯是由一條等寬矽鋼帶緊密捲繞而成。還是出於成本原因,多數低價環型變壓器使用數條甚至數十數條矽鋼帶拼 接,甚至使用邊緣參差不齊的邊角料捲繞,繞製好後用機床車平,由於環型變壓器線圈包繞鐵芯,不做破壞性解剖難以發現。機械加工對矽材料的晶格排列、相鄰矽 鋼帶間絕緣都有嚴重破壞,這樣的環型變壓器無論性能或漏磁特性均會大幅度降低,即使經過退火處理也無法彌補質量上的嚴重缺陷。

 

雜散電磁波主要來自有源音箱的功率輸出導線、揚聲器及功率分頻器、無線發射設備和計算機主機,產生原因在這裡不做深入討論。雜散電磁波在傳輸、感應的形式上與電源變壓器類似,雜散磁場頻率範圍很寬,有用家反映有源音箱莫名其妙接收到當地電台廣播就是典型的雜散電磁波干擾。

 

另外一個需引起重視的干擾源為整流電路。濾波電容在開機進入正常狀態後,充電僅集中在交流電峰值時,充電波形是一個寬度較窄的強脈衝,電容量越大, 脈衝強度也越大,從電磁干擾角度看,濾波電容並非越大越好,整流管與濾波電容之間走線應盡量縮短,同時盡量遠離功放電路,PCB空間不允許則盡量用地線包 絡。

 

電磁干擾主要防治措施:

 

1.降低輸入阻抗。

電磁波主要被導線及PCB板走線拾取,在一定條件下,導線拾取電磁波基本可視為恆功率。根據P=U^U/R推導,感應電壓與電阻值的平方成反比,即 放大器實現低阻抗化對降低電磁干擾很有利。例如一個放大器輸入阻抗由原20K降低至10K,感應噪聲電平將降至1/4的水平。有源音箱音源主要是電腦聲 卡、隨身聽、MP3,這類音源帶載能力強,適當降低有源音箱輸入阻抗對音質造成的影響非常微弱不易覺察,筆者試驗時曾嘗試將有源音箱輸入阻抗降至2KΩ, 未感覺音質變化,長期工作也未見異常。

 

2.增強高頻抗干擾能力

針對雜散電磁波多數是中高頻信號的特點,在放大器輸入端對地增設磁片電容,容值可在47——220P之間選取,數百皮法容值的電容頻率轉折點比音頻範圍高兩、三個數量級,對有效聽音頻段內的聲壓響應和聽感的影響可忽略不計。

 

3.注意電源變壓器安裝方式

採用質量較好的電源變壓器,盡量拉開變壓器與PCB之間的距離,調整變壓器與PCB之間的方位,將變壓器與放大器敏感端遠離;EI型電源變壓器各方向干擾強度不同,注意盡量避免干擾強度最強的Y軸方向對準PCB。

 

4.金屬外殼須接地

對於HIFI獨立功放來說,設計規範的產品在機箱上都有一個獨立的接地點,該接地點其實是藉助機箱的電磁屏蔽作用降低外來干擾;對於常見有源音箱來 說,兼做散熱器的金屬面板也需接地;音量、音調電位器外殼,條件允許的話盡量接地,實踐證明,該措施對工作於電磁環境惡劣條件下的PCB十分有效。

 

 

 

 

參考文獻:
1壯振邦 2003 從年輕消費者觀點探討 燈光 電子產品之介面設計
2王柏村、李雨軒、張志偉 2002 銅鑼振動與聲音特性之探討
3林振陽 1997 從消費者生活型態探討組合 音響 設計

 

資料來源:電子天下

 


 

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