外部干扰所致的音频噪声该如何防治
2022-09-21 11:32:53 来源： 点击：642 喜欢：5
1 噪声产生的原理
导致噪声产生的电磁干扰模式分为两大类。差模（Differential-mode）与共模（Common-mode）。无论是电源线用于电力传输还是音频电缆进行信号传送，至少需要两根导线构成回路。两根导线之间存在不同的干扰电压或电流，就是差模干扰，见图1。
图1 差模干扰的原理示意图
但更多的时候，除了这两根导线之外还有第三导体，也就是地线。这时候，还会出现另外一种干扰电流，存在于两根导线与地线之间，这就是共模干扰，特点是幅度相同、相位相同，见图2。
图2 共模干扰的原理示意图
举一个形象化的例子，两个人坐在小船两边划船，船体两侧的高度差看作是差模干扰的话，那么，船体距离河底的绝对高度就可以看作是共模干扰。也就是说，差模干扰是两根信号线之间的干扰，而共模干扰则是指干扰信号与地之间的电位差。在实际使用中，共模干扰与差模干扰经常是共存的，并且在某些条件下会出现互相转化。
共模干扰可以通过一些手段进行消除和预防，如：（1）采用屏蔽双绞线并有效接入；（2）信号线与电源线远离；（3）采用线性稳压电源或高品质的开关电源；（4）使用差分放大电路；（5）在信号线或电源线中串联共模扼流圈，在地与导线之间并联电容器，组成LC滤波器进行滤波。
差摸干扰可以使用差摸扼流圈进行抑制，但前提是减少共模干扰，以防共模干扰转化为差摸干扰。
2 复杂外部环境中干扰所引起的噪声问题
复杂外部环境下干扰噪声的源头分别是电网干扰、电磁辐射以及地线环路。
2.1由电网串入的共模干扰
在外场音频设备使用环境中，往往无法对场馆方提供的电源提出苛刻的要求。但有些条件必须满足：电源必须只能是单独的，电压相对稳定，是相对纯净的电源回路。因此，需要检测电压是否稳定、是否接地，输出极性是否正确。然后，对现场的电源进行进一步的处理。如果电压不够稳定，可以使用稳压器。出于实况转播音质的考虑，对于调音台及周边设备电源纯净度的要求更高一点，因此，尽可能提供一路单端的电源，并且使用加装了滤波器的隔离变压器，隔绝来自电网的噪声污染。要注意的是，隔离变压器在开机瞬间会产生较大的激磁涌流，有可能导致跳闸。当遇到这种情况时，可以通过加装软启动装置来解决问题。
音响系统的电源一定要与灯光及其他包含电动机的系统（如舞台机械）完全分开，以防这些系统产生的电磁污染影响到音响系统。这种从电网串入的共模干扰听起来是一种低频的嗡声（HUM）。
2.2电磁辐射干扰
在进行现场音频系统搭建时，需要注意周围是否存在干扰源，干扰可能会来自设备电弧、附近电台，大功率辐射源、交变的磁场产生交变的电流会产生共模干扰。
如果音频系统搭建的场地附近存在大型的变电设备，干扰会较为严重，在这样的情况下，远离变压设备是第一选择，如果不行，只能通过将音频设备屏蔽接地的方式来降低干扰。
辐射的干扰还会来自设备与设备之间。单相供电的音频设备的火线零线在插线板上的方向有时候也会引起微弱的低频噪声，原因是由于反相电源的功放内部的环型变压器产生的电磁场与其他设备变压器产生的电磁场互相干扰。
在进行线缆敷设时，不要将音频信号线缆与电源线近距离平行布线，以防感应电流的产生。如果需要交越，最好保持90︒垂直。需要提醒的是，信号线缆在距离开关电源设备过近时，也会感应到频率较低的共模干扰。
辐射造成的噪声通常听起来较HUM频率要高，有周期性，称之为BUZZ。
两种噪声的区别见表1。有经验的音频工程师能够根据现场扬声器或者耳机中出现的噪声判断问题可能出现在什么环节。
表1 两种噪声的区别和排除方法
2.3地线环路干扰
地线环路干扰是在音频系统中最常见最复杂也最难以判定的一类干扰。经常出现这样的情况，明明采用了平衡接法（见图3）却依旧有可闻的音频噪声出现，这也是很多从业人员的困惑所在。
图3 平衡接法示意图
平衡接法的设计很巧妙，使用三根导线，两根用于传输信号，另外一根则用于屏蔽。两根导线传输的信号幅度相同、相位相反。负责接收信号的差分放大器在接收到信号后只负责放大两个信号之间的差值，有效降低共模干扰。所有音响从业人员都记得卡侬接口“一地两正三负”的口诀，这是AES给出的卡侬接口的标准，在国标GB／T14197—93《声系统设备互连的优选配接值》中，也明确定义使用卡侬头用于平衡式连接传输时：接点①接屏蔽层，接点②接信号热端，接点③接信号冷端。但是，在一些现场演出实务的文章中却建议在输出端做1脚跳空的方式处理；而在发烧音响圈子里，使用RCA插头进行非平衡式传输时,则是在发送端连接屏蔽层到负极,接收端跳空屏蔽层。
矛盾来自于哪里？“一地两正三负”的原则没有问题，问题在于这是一个相对较为理想的状况。它假设了设备两端的地是以电阻无限接近于0的导线相连，两端的地为等电位。在实际使用，尤其是外场大量长距离音频线缆连接的情况下，很难保证设备两端的地等电位。因此，两端地的电位差产生的电流会在信号通道上感应出环流，从而形成难以抑制的差模干扰，如图4所示，a、b端电位差形成的电流会在信号通道感应出环流造成难以抑制的差模干扰。电位差越大，卡侬1端对应的连接线上产生的电流越大，而在同一根音频线中地线与信号线距离如此之近，干扰就尤为突出。
图4 地线环路示意图
从图5的地线环路中可以看出，要消除地线环路造成的差模干扰，只需要断开地线连接就可以。但这又带来其他的疑问，如果地线断开，平衡接法的优势又在哪里呢？事实上，断开地线连接只是一种不得已而为之的应急措施，在演播室这类严格按照规范进行施工的场所，这样的问题并不存在，在实况转播这样的场合却必须考虑。
图5 改进的平衡接法示意图
一般来说，并不需要按照演出实务上介绍的那样将每一根音频平衡线都断开一段的地，并一一做好标记，完全可以按照标准的平衡接法进行连接，在某些节点进行地线跳空的操作，如图5。既然地线环路的起因是由于两端地电位的不一致，那么容易出现问题的节点往往出现在长距离传输以及不是从同一电源排插取电的设备之间。
3 实例说明
以下举三个常见的地线环路干扰的例子来加以说明。
3.1二级调音台与转播车之间的噪声问题
较长的音频线连接往往会出现在现场调音台与转播车的信号传输中，现场调音台与转播车往往电源都不是一条线路，两边地有电位差是常见的事情，这时候就需要断开地线环路。通常的做法是，使用每个声道带有独立音频隔离变压器的信号分配器，见图6，并打开earth lift开关。
图6 信号分配器
3.2电脑播放视频产生的噪声问题
在很多场合，现场需要大屏播放PPT或者视频文件，电脑通过VGA或者HDMI接口提供视频给大屏，而音频信号则是进入调音台进行处理。以VGA接口为例，VGA接口有多脚接地（4,6,7,8,11端），见图7。因此，音频系统与视频系统之间就存在了地线的回路。如果系统中出现了噪声，需要在音频输出点使用DI盒，将接地设定为断开，地线回路无法成立，便能解决问题。
图7 VGA接口
图8 DI盒
3.3接入非平衡设备产生的噪声问题
在专业音响领域，使用非平衡设备的情况较少，但又是无法避免的。比如电声乐器的接入，电吉他的音频传输使用的是大二芯TS插头，接地端无法断开。从电声乐器到调音台的平衡线路输入端经常采用乐器DI盒，这里DI盒用来将高阻抗高电平的非平衡信号转换为低阻抗低电平的平衡式信号。通常在DI盒上会有一个浮地开关，一旦出现噪声问题，可以进行断开地线的操作来降低噪声。
图9 乐器DI盒
4 结语
在实际工作中，音频噪声除了前面所提及的电信号干扰噪声，还包括其他各种情况，诸如通过空气传播的空调、风扇、音源串音等。限于篇幅，笔者仅就电信号的外部干扰防治做简单说明，整理成文与业界同行探讨。
选自《演艺科技》2019年第3期 孔光伟《外部干扰所致的音频噪声防治》，转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。
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