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都是“脏兮兮”交流电的锅?系统噪声问题的产生原因到底是啥?

来源:米饭星


很多人用供电不够“纯净”来解释音频系统噪音的问题,这真是个简单又直接的甩锅方法。不仅如此,居然还有公司打算靠着炒作这种错误(但普遍存在)的概念来赚钱。


举个栗子,引用一家著名的功率调节器产品制造商的话:“现今,住宅系统承包商们面临着前所未有的严峻挑战,也就是应对高分辨率,无故障运行的挑战。


由于交流电接地回路,视频交流带,静态突发,交流电线路电涌带来的损坏,以及可变音频和视频的性能,交流电源的全面控制和调节已经不再是一个选项(成为了必备的功能)。“




实际上,电源线根本不会造成接地回路 – 而且并不存在所谓的电力“清洁”或者“净化”能够阻止接地回路的产生!


显而易见,如果每条高速公路的路面都能做的像玻璃一样的光滑,那我们的汽车就不需要装备悬挂系统了。但是,这样理想的高速公路路面是不可能存在的 - 我们只能接受高速公路现在的样子。


这个道理用在交流电源上也是如此。所有种类的电器和设备都需要使用它 - 它肯定不可能是纯洁干净的。而且,建筑物中的配电系统会不可避免地产生一些会污染到我们的音频信号的小电压和小电流。


因此,我们真正需要的是一个“悬挂系统”,靠它来把我们的音频信号的路径与电力线隔离开来。能够将信号路径和电源线这两者耦合的任何路径都是导致音频(和视频,还有计算机)系统中产生噪声的罪魁祸首。


尽管这个道理显而易见,而且是有科学依据的,但是依然很难说服人们相信那些“坏”的交流电并不是噪音问题的源头。即使我们使用的交流电源是完全纯净的,我们的音频系统也常常会受到杂声和蜂鸣声的影响。





图1:线缆的耦合,仅针对音频噪声


在不平衡的连接中,噪声通常耦合在音频线缆当中。并不是因为线缆的屏蔽不够好,而是由于线缆本身的基本属性造成的。


在非平衡的音频线缆的简化等效电路图(如图1)中我们可以看出,屏蔽层与所有的电线一样,具有直流电阻和电感,并且该电感与中心导体的电感磁耦合,从而形成一种类似变压器的结构。


电感的阻抗与频率成正比。因此,当电流以低于约10kHz的频率在屏蔽层中传导时,大部分电压变化会产生在电阻的两端,而在电感的两端电压差会非常的小。正是这种电压的变化给音频信号带来了噪声,并导致了不平衡接口上99%的噪声问题。


但是,在较高的频率下,主要的电压变化会产生在电感的两端,并且因为类变压器的效果,在中心导体中会感应出相等的电压,因此随着频率的增加,耦合会减小。


因此,我们可以得出如下的结论:不平衡接口中的噪声耦合是个仅和音频频率相关的严重问题。而平衡接口通常不受这种耦合机制的影响,但可能会受到其他因素的影响。


简正和共态


首先,我们需要简单的定义一下用于描述电力线噪声的某些术语。在本文的背景下,“噪声”通常应该被定义为频率不是60Hz的所有电压(在美国)。60 Hz的谐波,通常是第3,第5,第7等,通常是噪声最主要的组成部分(当它们进入音频路径时,我们就会听到“蜂鸣声”)。差分或者说“简正模式的”噪声是线路和中性线之间的噪声,而“共模/共态”模式的噪声是中性线和地线之间的噪声。


通常来说,简正模式更大,因为它不仅可以来自分支电路上的本地负载,还可以通过主服务面板由外部电力线引入。分别在每个“相位”上进行组合的简正模式噪声会通过主服务面板传导到其所有的分支电路当中。


共模噪声只能来自于每个分支电路上的设备,因为每个分支电路的中性点和接地都已经被绑定在主服务面板上(假设没有“共享的中性点”)。请参见图2,在图中我们可以看到电源滤波器的简化示意图。这种滤波器通常仅会降低50kHz以上的简正模式噪声和共太模式噪声。





图2:典型的交流电滤波器


这点在降低音频噪声方面并不是很有用 - 音频线缆本身在高频率下会有明显的阻抗。请注意,在电容器“Cy”中流动的简正“泄漏”电流将来自线路和中性线的噪声耦合到安全接地。请记住,地线通常是指每个设备的相对“地面”而不是真正的地面。当额外的噪声电流流入地线时,输出端之间会产生更多噪声电压。这些电压的下降可以在某些薄弱的关节耦合到我们的音频中!


当使用线路滤波器调节器或隔离变压器时,电气规范中要求将它们和它们所馈送的设备必须连接到地线,如图3中的隔离变压器所示。由于变压器和滤波器中的电容将额外的60 Hz和高频噪声电流转移到地线系统中,因此经常加剧噪声问题,尽管这些设备声称要解决的问题就是噪声。




图3:交流电隔离变压器


其次,几乎所有电力设备的噪声衰减数据都是不切实际的。这些数据实在实验室中测量的,而在实验室中会将电力设备和测试设备连接到大型的金属地面上。


因此,在实验室中测试出的规格参数可能非常不错,但是,至少在我看来,这些参数并不能说明这些设备在真实世界的系统中的性能,因为真实生活中接地是靠地线或者导线管来实现的。


但是,如果把这些设备安装在电力服务的接入口,它们的作用可能就非常大了,因为在这里所有的系统接地都是相互连接在一起的。


一个诱人的想法


所谓的“平衡电源” – 或者更恰当的说是“对称交流电源” - 是另一个非常吸引人的想法。


在对这个概念进行解释时,人们经常错误地假设在所有设备中从电力线到机架的内部电容(如图4中所示的C1和C2或C3和C4)都是相等的。


显然如果这种假设是正确的,那么这些电容中的“泄漏”电流将会完全抵消,因为它们之间的电压完全相等,但是极性却相反。


但是这种假设对于现实生活中的设备来说是不可能的,因为在现实生活中,一个电容往往会比另一个电容大上好几倍。正因如此,真实世界中的噪声衰减通常是小于10 dB的,很少会超过15 dB,对于这一点即使是那些推销人员也不得不承认。


在音频系统中,10 dB的噪声的降低几乎不能“解决”噪声的问题。但是如果只是想消除视频中的“交流带”,10 dB可能是具有一定的成本效益的。想要提高噪声消除的效果,制造商们需要让电源线与其设备中的机架电容更好地互相匹配,但是要实现这点是非常难的。




图4:平衡供电,尝试消除接地噪声电流


在所有设备都使用双叉(不接地)电源进行连接的系统中,滤波器和隔离变压器对噪声的影响很小,但是平衡供电可能会有所改善。在部分或全部设备都使用三叉电源进行连接的系统中,与房屋布线中的磁效应相比,泄漏电流的影响就显得没那么重要了。


通过变压器效应,线路和中性线中的电流会产生磁场,这个磁场可以在地线上产生显着的电压变化。这是插座之间的地线电压差异的主要产生原因(助长了系统噪声),但是电源调节功能对它不会产生任何的作用。


让我们说说好处


安装电源调节功能后,通常我们的做法是:让其为全部或者是大多数的系统设备供电。所有的系统设备都由间隔紧密的插座来供电,这样就可以大大降低不同设备之间的接地电压的差异。


虽然这是调节器能够为我们带来的最主要的益处。但是这其实是可以通过普通的插座条来实现的,至少也可以通过让所有的系统设备使用来自同一分支的供电来实现。


虽然接地回路通常包含了地线,但是一件非常重要的事情是,利用“lifters”来禁用它们或者干脆拔掉插头上的第三根引脚都是非常危险的做法,而且违法。我见过一些昂贵的发烧级电源“配件”,它们最主要的功能是在内部断开地线,当然,这种设备上是不可能有UL标签的。


通常对于系统噪声来说,最具效果和成本效益的解决方案是找到并消除接地回路(或者是其他的会将噪声耦合到信号路径中的问题)。这样做能够从根上解决问题,与那种掐断地线的方法完全不同。



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