专业音频工程中电噪声产生的原理与防治(上)

进入音响行业廿四年了，从模拟到数字，从网络到云端，经历了无数的音响工程。在2007年写过一篇关于工程中电噪声的文章，总结了电噪声的14种原因。当下，新一代的音响工程师在成长的过程中，由于大都以IT为入门路径，缺少大量的音频工程实践经验，在他们面临的专业音响扩声工程中，经常出现各类噪声，让他们感觉特别棘手。因此，我又重新梳理了一下，重做此文，以供参考，希望能够帮助有关人士。学识有限，不足之处，还请雅正。

我们讨论的音响扩声工程，指包含信号源（CD、DVD、话筒等）、调音台（混音台或简易前级扩声器材）、周边（数字音频处理器或均衡器、压缩器、激励器、分配器、分频器等模拟设备）、功放器等设备的扩声工程。以下如果不特别说明，整机正常工作状态都是在220V50Hz供电。

一.什么是噪声

噪声即噪音。按照音乐理论，噪音相对于乐音，是一类引起人烦躁甚至危害人体健康的声音。

正常情况下，我们的设备按照理论设计来工作，输入输出只有我们希望得到的信号。在这个意义上可以认为我们不需要的信号就是噪声。

在音频工程中，经常遇到一些噪声，并且引用一些噪声作技术性测量，例如用白噪声测量电子器材频谱特性，用粉红噪声测量声场特性。但这些都是人为制造的信号。我们这里所研究的噪声是指：在音频工程中非人为制造且不需要的，由电导线或电器传播的，最终由扬声器系统体现出来的可闻杂声。我称之为电噪声。

在研究电噪声前，先假设一个前提：所有器材在其规定的工作条件下能正常工作，达到相应的信噪比。这类噪声的产生主要有两种类型：一种是器材本身的电子材料内部的电子漂移特性或元器件漏电引起的噪声，我们称之为本底噪声；另外一种是由于工程设计及施工不恰当引起的因为电、磁交互干扰引起的噪声，我们称之为电噪声。本文重点讨论的就是这个电噪声。由于环境干扰如抽风机或机械干扰等原因引起的噪声称为环境噪声，我们另外分析。

既然是电噪声，那么这个噪声就一定与电有关联。我们所说的电，无论是能源供应的交流电，还是输出音频的电信号，都是交流形式出现的。交流电与磁场是共生共有的一对兄弟，因此，在我们考虑噪声的起因时，除了考虑电，还要考虑磁场的原因。

在一些文字资料和实际工程中，都曾提到通过接地来解决噪声的手段。无论从理论上还是实际中，接地的确能解决一部分噪声问题。但实际现象是在有的项目实施时越接地越有噪声，有时甚至不接地好过接地。这又是为什么呢？

在检查噪声来源时，往往通过排除法，逐级的关闭周边器材的电源，终于找到某个重要的噪声源。这种情况一般是器材内部故障的原因。但有时几乎是所有的器材都有少量噪声，逐级叠加，越来越大。但把它们拿到没有噪声的系统中进行检测时，又检测不出有任何噪声。可见噪声的来源不仅仅是器材本身内部电路设计或生产质量的结果，而是和外部器材连接后才形成的。

二.电噪声产生的原因

既然是电噪声，那么这个噪声就一定与电有关联。电是一种自然现象。电是像电子和质子这样的亚原子粒子之间的产生排斥和吸引力的一种属性。电噪声可以理解为我们不需要的一种通过电产生，通过扬声器体现的杂波。在我们分析的工程项目中，电的来源主要有两种形式，一是主动的能源供应，即给设备的电源供应；二是非主动获得的电，即感生电流，俗称感应电。

1.电源噪声

我们的设备都是需要靠电力来维持正常工作的。在我国使用音频器材一般的供电标准是按照国家供电网民用电供电标准来设计的：220V50Hz正弦波。正常的发电机组是采用三相发电的。每相之间相差120°相位角，通常都是星型接法工作。零线是三相发电机中的中线，在总线配电中，当三相负载绝对平衡时，中线中没有电流流过。当三相不平衡工作时，中线中就会有回路电流。在分支线路中，火线和零线的电流量相同。

因为供电情况引起的噪声有以下情况：

① 工作电压不符合

如果供电不能正常，低于或高于器材所需要的正常电源，器材内部就不能正常工作，因而会产生噪声。

② 供电相序不统一

当系统中器材供电不在同一相时，因为同一变压器输出电源的每相电之间有120°相位角的差值。当单台设备不能很好地屏蔽自身电源和外部电磁的干扰，输出纯净的直流电供器材本身工作，将导致此设备泄漏部分干扰信号到地（器材的悬浮地，或者理解为机器外壳），此干扰信号和其他设备的干扰信号相混合，就会形成电势差，在整个系统别是屏蔽层中串扰，形成电噪声。

③ 可控硅干扰

音频工程中常伴随有灯光工程。由于灯光工程在使用中大量采用可控硅作为电压有效值调节手段，而可控硅是利用控制导通角来控制输出电压占空比的方式来达到控制总输出有效值的。因此在使用可控硅调光设备时会导致电源波形的破坏，如果和音响在同一相供电会特别明显，就算不同相而在同一组三相电中也会通过零线回路干扰音响系统。

④ 外部供电干扰

类似于硅箱干扰的情况，如果其他电器与音响同一回路供电，在工作时产生大的电火花，将会产生高频干扰。如果是耗电量及波动特别大的设备连接在音响回路中，如大型电动机间断性启动--停止，那么就会随着它的间断型工作状态，对音频系统产生因为供电不足而导致的噪声。例如：霓虹灯、电动机、电焊机等。

⑤ 共振干扰

再有一种情况很特殊，虽然很少出现但也是最难查的一种电源干扰，那就是系统中有部分设备采用开关电源，又有普通电源设备，它们在局部形成共振，这样也会产生电源干扰。

2.电磁噪声

无论是能源供应的交流电，还是输出音频的电信号，都是交流形式出现的。电与磁场是共生共有的一对兄弟，因此，在我们考虑噪声的起因时，除了考虑电，还要考虑磁场的原因。这是疑难噪声工程中最主要的一种形式。

我们先假设在理想状态下，所有的器材都只有我们需要的输出信号，本身不发射任何电磁信号，外界也没有磁场干扰。这时，所有的器材都是在设计的标准工作状态下工作。因此不会出现噪声--器材电路中没有设计产生噪声，其他噪声没有理论来源。但实际上我们生活的环境早已经被各类电磁场包围：器材安装环境、器材本身的线路、器材本身乃至我们居住的地球都存在大量的变化的磁场。变化的磁场和移动（或相对移动）的导体间频繁出现的电磁和电流的转化。即电流在导体周围产生变化磁场，变化磁场中的磁力线切割导体产生电流，周而复始。楞次定律很好的总结了这个现象。因此，我们可以这样理解：我们的设备的金属外壳和工程连接线都随时处于磁场包围下，由于交流磁场的出现，感生电流随时都在产生。由能量守恒定律，我们可以理解，这些感生电流和感生磁场不会自然消失，必然以某种形式转换成另外的能量释放或中和。而这些能量如果不能够被我们控制而任由他们发展，它们就是噪声的来源。这种噪声，应该称之为电磁噪声。当这种能量串到我们的音频放大系统中，并且转换成我们人耳可听到的频谱范围时，就会变成电噪声。

因此可以总结，电磁噪声有以下来源：

⑥ 器材内部磁泄漏

某器材内部电――磁信号没有形成闭合环路中和而有泄漏，串到信号回路中，因而产生电磁噪声；

⑦ 器材间互相辐射干扰

其他器材的电――磁信号辐射使器材外壳感应到而产生感生电动势，在信号回路中形成压降，因而产生电磁噪声；此例最明显的是大功率数码设备。

⑧ 感生电流干扰

空间环境中的电――磁信号使导线体产生了感生电流，此电流没有到地的放电回路，或者从信号线的屏蔽层中走动。信号线的屏蔽层由于质量问题有一定的电阻，当有电流流过时形成了压降，经过真实地与悬浮地之间形成回路，因而产生电磁噪声。

3.工程设计及施工不合理

在大型工程中，如有超过30米以上的信号线，两个以上地点的音视频系统联动，和闭路电视设备连接等情况时，长距离信号线感应到的电流在信号线屏蔽层与信号芯线间形成电势差，由于没有放电回路，则将感应电流流入下级设备中，形成电磁干扰信号。特别是闭路电视系统是有真大地连接的，若音、视频系统与闭路电视系统联网，而没有可靠的等电位连接，则会产生电磁干扰。

4.采用劣质设备引起的干扰

在采用劣质器材串联到系统中时，会出现稀奇古怪的噪声信号，甚至有广播信号被接收。具体为：输入输出阻抗设计不合理，机器电路本身屏蔽差，接地端设计不合理等。

三.分析及解决

首先，我们要对“地”有个理性认识。在电子线路中，对“地”有两个概念：一个是真实地，即大地；一个是虚拟地，仅用来表示公共端，即悬浮地。

因为我们所控制的电，以及它的能量体现电压，是一个相对的量。用来表达回路中一点相对另外一点的能量。如果不是一个回路，则不能形成电压。我们所传输的音频信号，都是一个相对的交流信号。因此，都有一个公共端。这个公共端就是地。

为了避免或消除这类由交互电磁干扰引起的电噪声，我们有必要采取一些办法。器材生产厂家针对这些问题，在设计产品时做了充分的考虑。

现在来针对以上的噪声来源逐个分析并给出解决方案：

① 供电不符合引起的电噪声

如果是供电本身不合格，则需要在设备供电前端安装电源稳压器。由于功放工作电流与输出功率有关联，如果是使用功放较多，在演出是音量动态较大的项目中，会引起较大的电源波动，则需要将耗电动态较小的设备如前级、周边器材和功放分别使用不同的稳压器。例如：周边平均耗电30-50瓦，加上调音台等总共不超过1KW，使用一台2-3KW的自动稳压器，将全部功放另外连接另外的大功率稳压器，要求此稳压器调压时间尽量短而平稳，以跟上功放动态。为了减少电源内阻，稳压器的功率为所有功放峰值耗电量总和的2倍以上。

② 供电不同相引起的电噪声：

所有的音响供电必须取自同一相。如果有大的音频网络，如将大厅的音视频信号送到包房或其他房间，则要求所有的音视频用电设备采用同一相。这一点在工程开工前必须完成，后期很难修改。

③ 可控硅干扰

可控硅是靠调整导通角来调整有效值的方式调整输出电压的，它是采用破坏电源波形的方式调制的。要想完全避免可控硅干扰，有以下几种方法：

・供电线路上与音响系统分离。将音响系统和灯光系统供电取自两个不同的变压器；灯光系统独立的电气接地，接地电阻小于4欧姆；音响系统采用独立的接地，接地电阻要求小于1欧姆。使音响系统和灯光系统没有任何线路上的联系。

・如果必须从一个变压器取电，那么在总配电房出来时就分别供电，音响采用L1相，灯光采用L2相和L3相，单独使用各自的零线和地线。

・在硅箱输入端使用隔离变压器。将硅箱干扰信号控制在隔离变压器末端而不要输出到其他电网。注意如果使用同一个回路，并且仅将音响系统采用隔离变压器而不隔离灯光系统，那么硅箱输出的纹波干扰将进入隔离变压器，如果干扰较大，仍然可以干扰音响系统。

・硅箱安排的位置尽量距离调音台、周边机柜及其他音源较远的位置。有条件时应该加金属屏蔽网隔离。不过现在一些开关电源的D类功放抗干扰性有了很大的提高。

④ 外部供电干扰

这一个问题类似于硅箱干扰的情况，例如：霓虹灯、电动机、电焊机等在工作时输出的高频谐波会干扰电源。采用隔离变压器将音响系统隔离可以消除一部分高频干扰。不过最好是将这些设备和音响系统的供电线路相位做一些调整，不要用在同一相。取电方法同“可控硅干扰”的控制方法。

⑤ 共振干扰

这一点最难查。通常是在仅使用一台稳压器后的周边和功放器材间。如果能确定是系统内器材共振造成的，则可以考虑用隔离变压器将其中一台隔离，改变谐振参数，或者将周边和功放分别稳压供电则可以消除。

⑥ 器材内部磁泄漏

这属于产品品质问题。首先器材本身不应该在内部发生电磁泄漏，释放不必要的能源。根据基尔霍夫定律，任何导体节点中的电流在瞬时代数和为零。在我们对电磁噪声的分析中表示无论器材或导线所获得的噪声始终要通过某种途径释放出去。在器材的电源供应上，厂家采用了将电源变压器增加屏蔽罩，并将屏蔽罩连接内部地的方法来屏蔽变压器产生的磁力线，然后是对器材外部进行接地处理，将外部能源中和。

⑦ 器材间互相辐射干扰

有时将影碟机和效果器等器材堆叠在一起时，如将数字效果器放在影碟机上，影碟机光头工作时会有明显的磁辐射干扰，这时可以采取在机柜中加金属层板，将器材隔离，并将机柜外壳接真实地的方式处理。

（未完待续）