專業音頻工程中電噪聲產生的原理與防治（上）

汪曉琦

進入音響行業廿四年了，從模擬到數字，從網絡到云端，經歷了無數的音響工程。在2007年寫過一篇關于工程中電噪聲的文章，總結了電噪聲的14種原因。當下，新一代的音響工程師在成長的過程中，由于大都以IT為入門路徑，缺少大量的音頻工程實踐經驗，在他們面臨的專業音響擴聲工程中，經常出現各類噪聲，讓他們感覺特別棘手。因此，我又重新梳理了一下，重做此文，以供參考，希望能夠幫助有關人士。學識有限，不足之處，還請雅正。

我們討論的音響擴聲工程，指包含信號源（CD、DVD、話筒等）、調音臺（混音臺或簡易前級擴聲器材）、周邊（數字音頻處理器或均衡器、壓縮器、激勵器、分配器、分頻器等模擬設備）、功放器等設備的擴聲工程。以下如果不特別說明，整機正常工作狀態都是在220V50Hz供電。

一.什么是噪聲

噪聲即噪音。按照音樂理論，噪音相對于樂音，是一類引起人煩躁甚至危害人體健康的聲音。

正常情況下，我們的設備按照理論設計來工作，輸入輸出只有我們希望得到的信號。在這個意義上可以認為我們不需要的信號就是噪聲。

在音頻工程中，經常遇到一些噪聲，并且引用一些噪聲作技術性測量，例如用白噪聲測量電子器材頻譜特性，用粉紅噪聲測量聲場特性。但這些都是人為制造的信號。我們這里所研究的噪聲是指：在音頻工程中非人為制造且不需要的，由電導線或電器傳播的，最終由揚聲器系統體現出來的可聞雜聲。我稱之為電噪聲。

在研究電噪聲前，先假設一個前提：所有器材在其規定的工作條件下能正常工作，達到相應的信噪比。這類噪聲的產生主要有兩種類型：一種是器材本身的電子材料內部的電子漂移特性或元器件漏電引起的噪聲，我們稱之為本底噪聲；另外一種是由于工程設計及施工不恰當引起的因為電、磁交互干擾引起的噪聲，我們稱之為電噪聲。本文重點討論的就是這個電噪聲。由于環境干擾如抽風機或機械干擾等原因引起的噪聲稱為環境噪聲，我們另外分析。

既然是電噪聲，那么這個噪聲就一定與電有關聯。我們所說的電，無論是能源供應的交流電，還是輸出音頻的電信號，都是交流形式出現的。交流電與磁場是共生共有的一對兄弟，因此，在我們考慮噪聲的起因時，除了考慮電，還要考慮磁場的原因。

在一些文字資料和實際工程中，都曾提到通過接地來解決噪聲的手段。無論從理論上還是實際中，接地的確能解決一部分噪聲問題。但實際現象是在有的項目實施時越接地越有噪聲，有時甚至不接地好過接地。這又是為什么呢？

在檢查噪聲來源時，往往通過排除法，逐級的關閉周邊器材的電源，終于找到某個重要的噪聲源。這種情況一般是器材內部故障的原因。但有時幾乎是所有的器材都有少量噪聲，逐級疊加，越來越大。但把它們拿到沒有噪聲的系統中進行檢測時，又檢測不出有任何噪聲。可見噪聲的來源不僅僅是器材本身內部電路設計或生產質量的結果，而是和外部器材連接后才形成的。

二.電噪聲產生的原因

既然是電噪聲，那么這個噪聲就一定與電有關聯。電是一種自然現象。電是像電子和質子這樣的亞原子粒子之間的產生排斥和吸引力的一種屬性。電噪聲可以理解為我們不需要的一種通過電產生，通過揚聲器體現的雜波。在我們分析的工程項目中，電的來源主要有兩種形式，一是主動的能源供應，即給設備的電源供應；二是非主動獲得的電，即感生電流，俗稱感應電。

1.電源噪聲

我們的設備都是需要靠電力來維持正常工作的。在我國使用音頻器材一般的供電標準是按照國家供電網民用電供電標準來設計的：220V50Hz正弦波。正常的發電機組是采用三相發電的。每相之間相差120°相位角，通常都是星型接法工作。零線是三相發電機中的中線，在總線配電中，當三相負載絕對平衡時，中線中沒有電流流過。當三相不平衡工作時，中線中就會有回路電流。在分支線路中，火線和零線的電流量相同。

因為供電情況引起的噪聲有以下情況：

① 工作電壓不符合

如果供電不能正常，低于或高于器材所需要的正常電源，器材內部就不能正常工作，因而會產生噪聲。

② 供電相序不統一

當系統中器材供電不在同一相時，因為同一變壓器輸出電源的每相電之間有120°相位角的差值。當單臺設備不能很好地屏蔽自身電源和外部電磁的干擾，輸出純凈的直流電供器材本身工作，將導致此設備泄漏部分干擾信號到地（器材的懸浮地，或者理解為機器外殼），此干擾信號和其他設備的干擾信號相混合，就會形成電勢差，在整個系統中特別是屏蔽層中串擾，形成電噪聲。

③ 可控硅干擾

音頻工程中常伴隨有燈光工程。由于燈光工程在使用中大量采用可控硅作為電壓有效值調節手段，而可控硅是利用控制導通角來控制輸出電壓占空比的方式來達到控制總輸出有效值的。因此在使用可控硅調光設備時會導致電源波形的破壞，如果和音響在同一相供電會特別明顯，就算不同相而在同一組三相電中也會通過零線回路干擾音響系統。

④ 外部供電干擾

類似于硅箱干擾的情況，如果其他電器與音響同一回路供電，在工作時產生大的電火花，將會產生高頻干擾。如果是耗電量及波動特別大的設備連接在音響回路中，如大型電動機間斷性啟動--停止，那么就會隨著它的間斷型工作狀態，對音頻系統產生因為供電不足而導致的噪聲。例如：霓虹燈、電動機、電焊機等。

⑤ 共振干擾

再有一種情況很特殊，雖然很少出現但也是最難查的一種電源干擾，那就是系統中有部分設備采用開關電源，又有普通電源設備，它們在局部形成共振，這樣也會產生電源干擾。

2.電磁噪聲

無論是能源供應的交流電，還是輸出音頻的電信號，都是交流形式出現的。電與磁場是共生共有的一對兄弟，因此，在我們考慮噪聲的起因時，除了考慮電，還要考慮磁場的原因。這是疑難噪聲工程中最主要的一種形式。

我們先假設在理想狀態下，所有的器材都只有我們需要的輸出信號，本身不發射任何電磁信號，外界也沒有磁場干擾。這時，所有的器材都是在設計的標準工作狀態下工作。因此不會出現噪聲--器材電路中沒有設計產生噪聲，其他噪聲沒有理論來源。但實際上我們生活的環境早已經被各類電磁場包圍：器材安裝環境、器材本身的線路、器材本身乃至我們居住的地球都存在大量的變化的磁場。變化的磁場和移動（或相對移動）的導體間頻繁出現的電磁和電流的轉化。即電流在導體周圍產生變化磁場，變化磁場中的磁力線切割導體產生電流，周而復始。楞次定律很好的總結了這個現象。因此，我們可以這樣理解：我們的設備的金屬外殼和工程連接線都隨時處于磁場包圍下，由于交流磁場的出現，感生電流隨時都在產生。由能量守恒定律，我們可以理解，這些感生電流和感生磁場不會自然消失，必然以某種形式轉換成另外的能量釋放或中和。而這些能量如果不能夠被我們控制而任由他們發展，它們就是噪聲的來源。這種噪聲，應該稱之為電磁噪聲。當這種能量串到我們的音頻放大系統中，并且轉換成我們人耳可聽到的頻譜范圍時，就會變成電噪聲。

因此可以總結，電磁噪聲有以下來源：

⑥ 器材內部磁泄漏

某器材內部電——磁信號沒有形成閉合環路中和而有泄漏，串到信號回路中，因而產生電磁噪聲；

⑦ 器材間互相輻射干擾

其他器材的電——磁信號輻射使器材外殼感應到而產生感生電動勢，在信號回路中形成壓降，因而產生電磁噪聲；此例最明顯的是大功率數碼設備。

⑧ 感生電流干擾

空間環境中的電——磁信號使導線體產生了感生電流，此電流沒有到地的放電回路，或者從信號線的屏蔽層中走動。信號線的屏蔽層由于質量問題有一定的電阻，當有電流流過時形成了壓降，經過真實地與懸浮地之間形成回路，因而產生電磁噪聲。

3.工程設計及施工不合理

在大型工程中，如有超過30米以上的信號線，兩個以上地點的音視頻系統聯動，和閉路電視設備連接等情況時，長距離信號線感應到的電流在信號線屏蔽層與信號芯線間形成電勢差，由于沒有放電回路，則將感應電流流入下級設備中，形成電磁干擾信號。特別是閉路電視系統是有真大地連接的，若音、視頻系統與閉路電視系統聯網，而沒有可靠的等電位連接，則會產生電磁干擾。

4.采用劣質設備引起的干擾

在采用劣質器材串聯到系統中時，會出現稀奇古怪的噪聲信號，甚至有廣播信號被接收。具體為：輸入輸出阻抗設計不合理，機器電路本身屏蔽差，接地端設計不合理等。

三.分析及解決

首先，我們要對“地”有個理性認識。在電子線路中，對“地”有兩個概念：一個是真實地，即大地；一個是虛擬地，僅用來表示公共端，即懸浮地。

因為我們所控制的電，以及它的能量體現電壓，是一個相對的量。用來表達回路中一點相對另外一點的能量。如果不是一個回路，則不能形成電壓。我們所傳輸的音頻信號，都是一個相對的交流信號。因此，都有一個公共端。這個公共端就是地。

為了避免或消除這類由交互電磁干擾引起的電噪聲，我們有必要采取一些辦法。器材生產廠家針對這些問題，在設計產品時做了充分的考慮。

現在來針對以上的噪聲來源逐個分析并給出解決方案：

① 供電不符合引起的電噪聲

如果是供電本身不合格，則需要在設備供電前端安裝電源穩壓器。由于功放工作電流與輸出功率有關聯，如果是使用功放較多，在演出是音量動態較大的項目中，會引起較大的電源波動，則需要將耗電動態較小的設備如前級、周邊器材和功放分別使用不同的穩壓器。例如：周邊平均耗電30-50瓦，加上調音臺等總共不超過1KW，使用一臺2-3KW的自動穩壓器，將全部功放另外連接另外的大功率穩壓器，要求此穩壓器調壓時間盡量短而平穩，以跟上功放動態。為了減少電源內阻，穩壓器的功率為所有功放峰值耗電量總和的2倍以上。

② 供電不同相引起的電噪聲：

所有的音響供電必須取自同一相。如果有大的音頻網絡，如將大廳的音視頻信號送到包房或其他房間，則要求所有的音視頻用電設備采用同一相。這一點在工程開工前必須完成，后期很難修改。

③ 可控硅干擾

可控硅是靠調整導通角來調整有效值的方式調整輸出電壓的，它是采用破壞電源波形的方式調制的。要想完全避免可控硅干擾，有以下幾種方法：

·供電線路上與音響系統分離。將音響系統和燈光系統供電取自兩個不同的變壓器；燈光系統獨立的電氣接地，接地電阻小于4歐姆；音響系統采用獨立的接地，接地電阻要求小于1歐姆。使音響系統和燈光系統沒有任何線路上的聯系。

·如果必須從一個變壓器取電，那么在總配電房出來時就分別供電，音響采用L1相，燈光采用L2相和L3相，單獨使用各自的零線和地線。

·在硅箱輸入端使用隔離變壓器。將硅箱干擾信號控制在隔離變壓器末端而不要輸出到其他電網。注意如果使用同一個回路，并且僅將音響系統采用隔離變壓器而不隔離燈光系統，那么硅箱輸出的紋波干擾將進入隔離變壓器，如果干擾較大，仍然可以干擾音響系統。

·硅箱安排的位置盡量距離調音臺、周邊機柜及其他音源較遠的位置。有條件時應該加金屬屏蔽網隔離。不過現在一些開關電源的D類功放抗干擾性有了很大的提高。

④ 外部供電干擾

這一個問題類似于硅箱干擾的情況，例如：霓虹燈、電動機、電焊機等在工作時輸出的高頻諧波會干擾電源。采用隔離變壓器將音響系統隔離可以消除一部分高頻干擾。不過最好是將這些設備和音響系統的供電線路相位做一些調整，不要用在同一相。取電方法同“可控硅干擾”的控制方法。

⑤ 共振干擾

這一點最難查。通常是在僅使用一臺穩壓器后的周邊和功放器材間。如果能確定是系統內器材共振造成的，則可以考慮用隔離變壓器將其中一臺隔離，改變諧振參數，或者將周邊和功放分別穩壓供電則可以消除。

⑥ 器材內部磁泄漏

這屬于產品品質問題。首先器材本身不應該在內部發生電磁泄漏，釋放不必要的能源。根據基爾霍夫定律，任何導體節點中的電流在瞬時代數和為零。在我們對電磁噪聲的分析中表示無論器材或導線所獲得的噪聲始終要通過某種途徑釋放出去。在器材的電源供應上，廠家采用了將電源變壓器增加屏蔽罩，并將屏蔽罩連接內部地的方法來屏蔽變壓器產生的磁力線，然后是對器材外部進行接地處理，將外部能源中和。

⑦ 器材間互相輻射干擾

有時將影碟機和效果器等器材堆疊在一起時，如將數字效果器放在影碟機上，影碟機光頭工作時會有明顯的磁輻射干擾，這時可以采取在機柜中加金屬層板，將器材隔離，并將機柜外殼接真實地的方式處理。

（未完待續）