音响噪音的种种原因与解决方法(上)
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有源音箱的噪音主要来源于三种：电磁干扰，电线干扰及机械杂音及热噪声，本文将介绍如何预防及降低这些噪音的方法。
一、地线干扰 电子产品的地线设计是极其重要的，无论低频电路还是高频电路都必须要个遵照设计规则。高频、低频电路地线设计要求不同，高频电路地线设计主要考虑分布参数影响，一般为环地，低频电路主要考虑大小信号地电位叠加问题，需独立走线、集中接地。从提高信噪比、降低噪音角度看，模拟音频电路应划归低频电子电路，严格遵循“独立走线、集中一点接地”原则，可显著提高信噪比。
音频电路地线可简单划分为电源地和信号地，电源地主要是指滤波、退耦电容地线，小信号地是指输入信号、反馈地线。小信号地与电源地不能混合，否则必将引发很强的交流声：强电地由于滤波和退耦电容充放电电流较大（相对信号地电流），在电路板走线上必然存在一定压降，小信号地与该强电地重合，势必会受此波动电压影响，也就是说，小信号的参考点电压不再为零。信号输入端与信号地之间的电压变化等效于在放大器输入端注入信号电压，地电位变化将被放大器拾取并放大，产生交流声。增加地线线宽、背锡处理只能在一定程度上减弱地线干扰，但收效并不明显。有部分未严格将地线分开的PCB由于地线宽、走线很短，同时放大级数很少、退耦电容容量很小，因此交流声尚在勉强可接受范围内，只是特例，没有参考意义。
需注意的是，变压器电磁干扰引发的交流声频率一般为50HZ左右，而地线布线不当导致的交流声，由于整流电路的倍频作用频率约为100HZ，仔细区分还是可以察觉的。 正确的布线方法是，选择主滤波电容引脚作为集中接地点，强、弱信号地线严格区分开，在总接地点汇总。
二、电磁干扰
电磁干扰主要来源是电源变压器和空间杂散电磁波。
有源音箱除极少数特殊产品外，多数是由市电提供电源，因此必然要使用电源变压器。电源变压器工作过程是一个“电—磁—电”的转换过程，在电磁转换过程中必然会产生磁泄露，变压器泄磁被放大电路拾取放大，最终表现为由扬声器发出的交流声。
电源变压器常见规格有EI型、环型和R型，无论是从音质角度还是从电磁泄露角度来看，这三种变压器各有优缺点，不能简单判定优劣。
EI型变压器是最常见、应用最广的变压器，磁泄露主要来源E与I型铁心之间的气隙以及线圈自身辐射。EI型变压器磁泄露是有方向性，如下图所示，X、Y、Z轴三个方向上，线圈轴心Y轴方向干扰最强，Z轴方向最弱，X轴方向的辐射介于Y 、Z之间，因此实际使用时尽量不要使Y轴与电路板平行。
环型变压器由于不存在气隙、线圈均匀卷绕铁芯，理论上漏磁很小，也不存在线圈辐射。但环型变压器由于无气隙存在，抗饱和能力差，在市电存在直流成分时容易产生饱和，产生很强的磁泄露。国内不少地区市电波形畸变严重，因此许多用家使用环型变压器感觉并不比EI型变压器好，甚至更差。所谓环型变压器绝无泄露，或是因媒介误导，或是因厂商出于商业宣传需要而杜撰，环型变压器磁泄露极低的说法只是在市电波型为严格的正弦波时才成立。另外，环型变压器还会在引线处出现较强电磁泄露，因此环型变压器的漏磁也是有一定方向性的，实际装机时旋转环型变压器，在某个角度上获得最高信噪比。
R型变压器可简单看做横截面圆型的环型变压器，但在线圈绕制手法上有区别，散热条件远比环型变压器为好，铁芯展开为渐开渐合型，R型变压器电磁泄露情况与环型变压器类似。由于每匝线长比环型变压器短，能紧贴铁心绕制，因此上述三类变压器中R型变压器的铜损最小。
如条件允许，可考虑为变压器装一只屏蔽罩，并做妥善接地处理，该金属罩只能选用铁性材料，一般金属如铜、铝等只有电屏蔽作用而无磁屏蔽作用，不能作为变压器屏蔽罩。
上述分析是建立在变压器选料、制作精良的基础上，实际多数市售变压器产品由于成本压力和竞争需要，未严格按行业规范设计，甚至偷工减料，分析起来不可预测因素较多。首先是铁芯材料的品质，很多企业用导磁率较低的H50铁芯、边角料甚至搀杂软铁制作变压器，导致变压器空载电流很高，铁损过大，空载发热严重；这类变压器为降低成本、同时为掩盖铁损偏高带来的电压调整率过大问题，大幅度减少初次级线圈匝数，以降低铜损的方式来降低电压调整率，这种做法更进一步增大了空载电流，而空载电流偏大将直接导致 磁泄露加剧。 环型变压器问题更复杂一些。正规的环型变压器铁芯是由一条等宽矽钢带紧密卷绕而成。还是出于成本原因，多数低价环型变压器使用数条甚至数十数条矽钢带拼接，甚至使用边缘参差不齐的边角料卷绕，绕制好后用机床车平，由于环型变压器线圈包绕铁芯，不做破坏性解剖难以发现。机械加工对矽材料的晶格排列、相邻矽钢带间绝缘都有严重破坏，这样的环型变压器无论性能或漏磁特性均会大幅度降低，即使经过退火处理也无法弥补质量上的严重缺陷。
杂散电磁波主要来自有源音箱的功率输出导线、扬声器及功率分频器、无线发射设备和计算机主机，产生原因在这里不做深入讨论。杂散电磁波在传输、感应的形式上与电源变压器类似，杂散磁场频率范围很宽，有用家反映有源音箱莫名其妙接收到当地电台广播就是典型的杂散电磁波干扰。
另外一个需引起重视的干扰源为整流电路。滤波电容在开机进入正常状态后，充电仅集中在交流电峰值时，充电波形是一个宽度较窄的强脉冲，电容量越大，脉冲强度也越大，从电磁干扰角度看，滤波电容并非越大越好，整流管与滤波电容之间走线应尽量缩短，同时尽量远离功放电路，PCB空间不允许则尽量用地线包络。
电磁干扰主要防治措施：
1.降低输入阻抗。
电磁波主要被导线及PCB板走线拾取，在一定条件下，导线拾取电磁波基本可视为恒功率。根据P=U＾U/R推导，感应电压与电阻值的平方成反比，即放大器实现低阻抗化对降低电磁干扰很有利。例如一个放大器输入阻抗由原20K降低至10K，感应噪声电平将降至1/4的水平。有源音箱音源主要是电脑声卡、随身听、MP3，这类音源带载能力强，适当降低有源音箱输入阻抗对音质造成的影响非常微弱不易觉察，笔者试验时曾尝试将有源音箱输入阻抗降至2KΩ，未感觉音质变化，长期工作也未见异常。
2.增强高频抗干扰能力
针对杂散电磁波多数是中高频信号的特点，在放大器输入端对地增设磁片电容，容值可在47——220P之间选取，数百皮法容值的电容频率转折点比音频范围高两、三个数量级，对有效听音频段内的声压响应和听感的影响可忽略不计。
3.注意电源变压器安装方式
采用质量较好的电源变压器，尽量拉开变压器与PCB之间的距离，调整变压器与PCB之间的方位，将变压器与放大器敏感端远离；EI型电源变压器各方向干扰强度不同，注意尽量避免干扰强度最强的Y轴方向对准PCB。
4.金属外壳须接地
对于HIFI独立功放来说，设计规范的产品在机箱上都有一个独立的接地点，该接地点其实是借助机箱的电磁屏蔽作用降低外来干扰；对于常见有源音箱来说，兼做散热器的金属面板也需接地；音量、音调电位器外壳，条件允许的话尽量接地，实践证明，该措施对工作于电磁环境恶劣条件下的PCB十分有效。
参考文献：1壮振邦 2003 从年轻消费者观点探讨 灯光 电子产品之介面设计2王柏村、李雨轩、张志伟 2002 铜锣振动与声音特性之探讨3林振阳 1997 从消费者生活型态探讨组合 音响 设计
一、地线干扰 电子产品的地线设计是极其重要的，无论低频电路还是高频电路都必须要个遵照设计规则。高频、低频电路地线设计要求不同，高频电路地线设计主要考虑分布参数影响，一般为环地，低频电路主要考虑大小信号地电位叠加问题，需独立走线、集中接地。从提高信噪比、降低噪音角度看，模拟音频电路应划归低频电子电路，严格遵循“独立走线、集中一点接地”原则，可显著提高信噪比。
音频电路地线可简单划分为电源地和信号地，电源地主要是指滤波、退耦电容地线，小信号地是指输入信号、反馈地线。小信号地与电源地不能混合，否则必将引发很强的交流声：强电地由于滤波和退耦电容充放电电流较大（相对信号地电流），在电路板走线上必然存在一定压降，小信号地与该强电地重合，势必会受此波动电压影响，也就是说，小信号的参考点电压不再为零。信号输入端与信号地之间的电压变化等效于在放大器输入端注入信号电压，地电位变化将被放大器拾取并放大，产生交流声。增加地线线宽、背锡处理只能在一定程度上减弱地线干扰，但收效并不明显。有部分未严格将地线分开的PCB由于地线宽、走线很短，同时放大级数很少、退耦电容容量很小，因此交流声尚在勉强可接受范围内，只是特例，没有参考意义。
需注意的是，变压器电磁干扰引发的交流声频率一般为50HZ左右，而地线布线不当导致的交流声，由于整流电路的倍频作用频率约为100HZ，仔细区分还是可以察觉的。 正确的布线方法是，选择主滤波电容引脚作为集中接地点，强、弱信号地线严格区分开，在总接地点汇总。
二、电磁干扰
电磁干扰主要来源是电源变压器和空间杂散电磁波。
有源音箱除极少数特殊产品外，多数是由市电提供电源，因此必然要使用电源变压器。电源变压器工作过程是一个“电—磁—电”的转换过程，在电磁转换过程中必然会产生磁泄露，变压器泄磁被放大电路拾取放大，最终表现为由扬声器发出的交流声。
电源变压器常见规格有EI型、环型和R型，无论是从音质角度还是从电磁泄露角度来看，这三种变压器各有优缺点，不能简单判定优劣。
EI型变压器是最常见、应用最广的变压器，磁泄露主要来源E与I型铁心之间的气隙以及线圈自身辐射。EI型变压器磁泄露是有方向性，如下图所示，X、Y、Z轴三个方向上，线圈轴心Y轴方向干扰最强，Z轴方向最弱，X轴方向的辐射介于Y 、Z之间，因此实际使用时尽量不要使Y轴与电路板平行。
环型变压器由于不存在气隙、线圈均匀卷绕铁芯，理论上漏磁很小，也不存在线圈辐射。但环型变压器由于无气隙存在，抗饱和能力差，在市电存在直流成分时容易产生饱和，产生很强的磁泄露。国内不少地区市电波形畸变严重，因此许多用家使用环型变压器感觉并不比EI型变压器好，甚至更差。所谓环型变压器绝无泄露，或是因媒介误导，或是因厂商出于商业宣传需要而杜撰，环型变压器磁泄露极低的说法只是在市电波型为严格的正弦波时才成立。另外，环型变压器还会在引线处出现较强电磁泄露，因此环型变压器的漏磁也是有一定方向性的，实际装机时旋转环型变压器，在某个角度上获得最高信噪比。
R型变压器可简单看做横截面圆型的环型变压器，但在线圈绕制手法上有区别，散热条件远比环型变压器为好，铁芯展开为渐开渐合型，R型变压器电磁泄露情况与环型变压器类似。由于每匝线长比环型变压器短，能紧贴铁心绕制，因此上述三类变压器中R型变压器的铜损最小。
如条件允许，可考虑为变压器装一只屏蔽罩，并做妥善接地处理，该金属罩只能选用铁性材料，一般金属如铜、铝等只有电屏蔽作用而无磁屏蔽作用，不能作为变压器屏蔽罩。
上述分析是建立在变压器选料、制作精良的基础上，实际多数市售变压器产品由于成本压力和竞争需要，未严格按行业规范设计，甚至偷工减料，分析起来不可预测因素较多。首先是铁芯材料的品质，很多企业用导磁率较低的H50铁芯、边角料甚至搀杂软铁制作变压器，导致变压器空载电流很高，铁损过大，空载发热严重；这类变压器为降低成本、同时为掩盖铁损偏高带来的电压调整率过大问题，大幅度减少初次级线圈匝数，以降低铜损的方式来降低电压调整率，这种做法更进一步增大了空载电流，而空载电流偏大将直接导致 磁泄露加剧。 环型变压器问题更复杂一些。正规的环型变压器铁芯是由一条等宽矽钢带紧密卷绕而成。还是出于成本原因，多数低价环型变压器使用数条甚至数十数条矽钢带拼接，甚至使用边缘参差不齐的边角料卷绕，绕制好后用机床车平，由于环型变压器线圈包绕铁芯，不做破坏性解剖难以发现。机械加工对矽材料的晶格排列、相邻矽钢带间绝缘都有严重破坏，这样的环型变压器无论性能或漏磁特性均会大幅度降低，即使经过退火处理也无法弥补质量上的严重缺陷。
杂散电磁波主要来自有源音箱的功率输出导线、扬声器及功率分频器、无线发射设备和计算机主机，产生原因在这里不做深入讨论。杂散电磁波在传输、感应的形式上与电源变压器类似，杂散磁场频率范围很宽，有用家反映有源音箱莫名其妙接收到当地电台广播就是典型的杂散电磁波干扰。
另外一个需引起重视的干扰源为整流电路。滤波电容在开机进入正常状态后，充电仅集中在交流电峰值时，充电波形是一个宽度较窄的强脉冲，电容量越大，脉冲强度也越大，从电磁干扰角度看，滤波电容并非越大越好，整流管与滤波电容之间走线应尽量缩短，同时尽量远离功放电路，PCB空间不允许则尽量用地线包络。
电磁干扰主要防治措施：
1.降低输入阻抗。
电磁波主要被导线及PCB板走线拾取，在一定条件下，导线拾取电磁波基本可视为恒功率。根据P=U＾U/R推导，感应电压与电阻值的平方成反比，即放大器实现低阻抗化对降低电磁干扰很有利。例如一个放大器输入阻抗由原20K降低至10K，感应噪声电平将降至1/4的水平。有源音箱音源主要是电脑声卡、随身听、MP3，这类音源带载能力强，适当降低有源音箱输入阻抗对音质造成的影响非常微弱不易觉察，笔者试验时曾尝试将有源音箱输入阻抗降至2KΩ，未感觉音质变化，长期工作也未见异常。
2.增强高频抗干扰能力
针对杂散电磁波多数是中高频信号的特点，在放大器输入端对地增设磁片电容，容值可在47——220P之间选取，数百皮法容值的电容频率转折点比音频范围高两、三个数量级，对有效听音频段内的声压响应和听感的影响可忽略不计。
3.注意电源变压器安装方式
采用质量较好的电源变压器，尽量拉开变压器与PCB之间的距离，调整变压器与PCB之间的方位，将变压器与放大器敏感端远离；EI型电源变压器各方向干扰强度不同，注意尽量避免干扰强度最强的Y轴方向对准PCB。
4.金属外壳须接地
对于HIFI独立功放来说，设计规范的产品在机箱上都有一个独立的接地点，该接地点其实是借助机箱的电磁屏蔽作用降低外来干扰；对于常见有源音箱来说，兼做散热器的金属面板也需接地；音量、音调电位器外壳，条件允许的话尽量接地，实践证明，该措施对工作于电磁环境恶劣条件下的PCB十分有效。
参考文献：1壮振邦 2003 从年轻消费者观点探讨 灯光 电子产品之介面设计2王柏村、李雨轩、张志伟 2002 铜锣振动与声音特性之探讨3林振阳 1997 从消费者生活型态探讨组合 音响 设计
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