Для корректной работы проектируемого устройства необходим внимательный подбор пассивных компонентов. Необходимо подробно рассмотреть характеристики пассивной элементной базы будущего устройства и предварительной компоновки корпусов на плате.
Зачастую разработчики не придают особого значения рабочей частотной области пассивных компонентов при подборе элементной базы для будущего устройства. Это приводит к непредсказуемым результатам. Хочу отметить, что этот касается не только высокочастотных аналоговых устройств, так как ВЧ-сигналы оказывают сильное воздействие на пассивные НЧ-компоненты по средствам гальванической связи или излучая. К примеру, простой активный НЧ-фильтр на ОУ может работать как ВЧ-фильтр при воздействии на его вход высокой частотой.
Резисторы
Резистор на высоких частотах обладает собственной индуктивностью, ёмкостью и сопротивлением. См. рис. 5.
Резисторы можно разделить на три основных типа: проволочные, углеродные композитные и пленочные. Проволочный резистор по своей структуре представляет собой катушку из высокоомного металла, откуда и появляется его собственная индуктивность. Аналогичная структура у пленочных конденсаторов, поэтому пленочные конденсаторы так же обладают индуктивностью. Индуктивные свойства пленочных резисторов проявляются в меньшей мере, чем у проволочных. Пленочные резисторы номиналом до 2 кОм можно смело использовать в ВЧ схемах.
Так как выводы резисторов параллельны друг другу, следовательно, между ними присутствует существенная ёмкостная связь. Чем больше номинал резистора, тем меньше межвыводная ёмкость.
Конденсаторы
Эквивалентная схема конденсатора в области высоких частот приведена на рис. 6.
Конденсаторы в схемотехники применяются как развязывающие и фильтрующие элементы. Для расчета реактивного сопротивления конденсатора обратимся к следующей формуле:
Отталкиваясь от вышеуказанной формулы, рассчитаем реактивное сопротивление конденсатора ёмкостью 10 мкФ на частотах 10кГц и 100 МГц. Расчётные величины получились следующие 1,6 Ом на 10кГц и 160 мкОм на 100 МГц. А теперь проверим так ли на самом деле.
Все упомянутые сопротивления складываются и создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Исходя из вышесказанного отметим, что конденсаторы, применяемые в развязывающих цепях, должны обладать малым ESR. Это объясняется тем, что последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры устройства так же значительно влияет на изменение ESR, увеличивается. Поэтому, при использовании алюминиевого электролитического конденсатора при повышенных рабочих температурах, необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа.
При использовании электролитических конденсаторов следует внимательно располагать, подключать конденсатор на плате. Положительная обкладка должна быть подключена к плюсу, линии подключающие конденсатор должны быть максимально короткими. При некорректном подключении конденсатора токи начинают протекать через электролит с скорым выходом из строя самого конденсатора.
Существуют так же устройства, в которых разность потенциалов по постоянному току между двумя точками может менять свой знак. В подобных случаях применяют неполярные электролитические конденсаторы.
Индуктивности
Эквивалентная схема индуктивности в области высоких частот приведена на рис. 7.
Реактивное сопротивление индуктивности описывается по следующей формуле:
Из формулы видно, что индуктивность номиналом 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 ом на частоте 10 кГц, на частоте 100 МГц расчётная величина составит 6.28 МОм.
Печатная плата
Печатной плате так же присуще все описанные свойства пассивных компонентов, но эти свойства не так ярко выражены.
Печатные проводники на печатной плате могут быть как источниками помех, так и приёмниками (антенной). Грамотная трассировка печатной платы сводит к минимуму излучаемые и наводящие помехи. Так как любой проводник на печатной плате можно рассматривать как антенну, обратимся к основам теории антенн.
Основы теории антенн
Одним из основных типов антенн является «штырь» или в нашем случае – прямой проводник. Полный импеданс прямого проводника имеет резистивную (активную) и индуктивную (реактивную) составляющие:
На постоянном токе и при низких частотах преобладает активная составляющая. При увеличении частоты реактивная составляющая оказывается более значимой.
Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:
В среднем печатный проводники на плате обладают индуктивностью 6…12 нГн на сантиметр длины. К примеру, проводник длиной 10 см имеет сопротивление 57 МОм и индуктивность 8 нГн на сантиметр. На частоте 10 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 МОм, а на более высоких частотах проводник необходимо рассматривать как индуктивность, нежели проводник с активным сопротивлением.
Штыревая антенна начинает функционировать при соотношении длины волны к длине антенны 1/20. Поэтому 10-ти сантиметровый проводник послужит хорошей антенной на частоте свыше 150 МГц. Возвращаясь к печатным платам отмечу, что к примеру генератор тактового сигнала может и не иметь частоты равной 150 МГц, а вот высшие гармоники от тактового генератора могут стать источником высоких частот.
Другим одним из основных типов антенн является петлевая антенна. Индуктивность прямого проводника существенно увеличивается при изгибах. Увеличенное значение индуктивности проводника снижает частоту, на которой чувствительность «антенны» максимальна.
Опытные разработчики печатных плат, имеющие представления об эффекте петлевых антенн, отмечают, что нельзя строить топологию таким образом, чтобы образовывалась петля для критических сигналов. В противном случае образовываются петли из проводников прямого и обратного хода токов. См. рис.8. На рисунке так же отражен эффект щелевой антенны.
Рассмотри подробнее три варианта рисунка 8.
Вариант А: Самый неудачный из представленных. В нем не используются полигоны земли, Петлевой контур образуется земляным и сигнальным проводниками. Следует помнить, что при соотношении длины волны к проводнику 1/20 петлевая антенна достаточно эффективна.
Вариант Б: По сравнению с вариантом А это вариант лучше. Но здесь виден разрыв в земляном полигоне. Пути прямого и возвратных токов образуют щелевую антенну.
Вариант В: Этот вариант самый наилучший. Пути сигнальных и обратных токов совпадают, тем самым эффективность петлевой антенны ничтожно мала. Стоит отметить, что в этом варианте так же присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.
Теория отражений и согласований проводников идентична той, что рассмотрена в теории антенн.
При повороте печатного проводника на угол в 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит из-за изменения ширины проводника. В углу проводника ширина трассы увеличивается в 1,414 раза, что приводит к рассогласованности линии связи, распределенной ёмкости и индуктивности трассы. Современный системы автоматического проектирования предлагают различные виды сглаживания углов см. рис. 9.
Самым наилучшим из представленных вариантов поворота является третий вариант, так как ширина его проводника неизменна.
Ирина Алдошина
Дата первой публикации:
июл 2009Звуковые кабели в акустических системах.
Завершая серию статей по акустическим системам, необходимо остановиться еще на одном важном элементе акустической системы - звуковом кабеле, соединяющим ее с усилителем низкой частоты (УНЧ). Поскольку звуковые кабели работают с высокими уровнями напряжения (например, при подключении к стоваттному усилителю акустической системы с номинальным сопротивлением 8 Ом сила тока будет равна 3,5 А), для них требуется использовать проводники с довольно большим сечением. До 80-х годов ХХ века подход к выбору звукового кабеля был довольно прагматичным: требовалось минимизировать потери мощности при передаче сигнала от усилителя к громкоговорителю и спад АЧХ по напряжению на высоких частотах. Потери первого вида определяются активным сопротивлением кабеля, вторые - взаимодействием индуктивности и емкости кабеля с реактивным сопротивлением акустической системы.
Однако в последние годы появилось много публикаций в отечественных и зарубежных журналах по результатам субъективных тестирований различных конструкций звуковых кабелей, доказывающих чрезвычайно большое влияния кабеля на качество звучания акустической системы (чистоту, прозрачность, четкость и др.), особенно на высоких частотах. Для объяснения этих явлений стали искать разнообразные причины: влияние примесей кислорода в меди, скин-эффект, эффект дисперсии (то есть зависимость скорости распространения сигнала от частоты), фазовый сдвиг, поглощение в изоляторах, электромагнитные наводки и др.
Серьезные научные работы были опубликованы в отечественной литературе по длинным (трансмиссионным) линиям. Однако по звуковым кабелям у нас, в основном, публиковался чрезвычайно противоречивый материал. Поэтому кратко изложенные ниже данные по теории звуковых кабелей опираются на труды таких известных специалистов, как R. A. Greiner, A. Davis, G. Ballou и др., опубликованных в журналах JAES, JASA, трудах конгрессов AES и энциклопедиях.
Характеристики звуковых кабелей
Прежде всего, необходимо отметить, что звуковой кабель, используемый для акустических систем (рис. 1), обычно имеет длину приблизительно от трех до десяти метров, что позволяет рассматривать его как систему с сосредоточенными параметрами, поскольку его длина значительно меньше длины электромагнитной волны в переделах звукового диапазона L<< λ.
Длина волны определяется как λ = v / f, где v - скорость распространения электромагнитной волны в кабеле, которая связана со скоростью распространения ее в вакууме (с - скорость света в вакууме равная 3 х 108 м/с) следующим соотношением , где μ - магнитная, а ε - диэлектрическая проницаемость среды (изолятора). Например, для полипропилена она равна 2,3, для тефлона - 2,1, для PVC - 3,5, то есть значение скорости распространения электромагнитной волны в кабеле может составлять минимум половину скорости света - 1,5 x 108 м/с (значение μ можно считать близким к единице).
Отсюда минимальная длина волны на верхней частоте звукового диапазона составит λмин = 1,5 х 108 (м/с) / 2 х 104 (Гц) = 7,5 км. Поскольку в звуковом кабеле выполняется соотношение L<< λ (как было отмечено ранее, в АС используется кабель длиной 3-10 м), то можно расчет его параметров производить, исходя из эквивалентной схемы для системы с сосредоточенными параметрами, представленной на рис. 2 (расхождение между расчетами по этой схеме и расчетами по точной теории трансмиссионных линий начинает проявляться на частотах выше 50 кГц).
Отсюда также следует, что эффекты, характерные для длинных трансмиссионных линий, такие как фазовый сдвиг и дисперсия, в звуковых кабелях проявляются очень незначительно: фазовый сдвиг составляет ~0,3 град/м на 20 кГц и дисперсия (разница по времени прихода высоких частот по отношению к низким) меньше 60 нс/м в звуковом диапазоне, что вряд ли может влиять на слышимые искажения. Кроме того, флюктуации сигнала за счет волновых отражений, характерные для длинных трансмиссионных линий, также никак не проявляются для коротких линий в звуковом диапазоне частот, они начинают сказываться на частотах выше 30 МГц.
Скин-эффект
Еще одно из свойств звуковых кабелей, которое, как считают многие авторы, оказывает существенное влияние на качество звучания - это скин-эффект. Скин-эффект (поверхностный эффект) возникает в проводниках, по которым течет переменный ток, за счет появления индукционных токов (токов Фуко). Эти токи направлены у поверхности проводника в направлении первичного электрического тока, а у оси - навстречу ему. В результате внутри проводника ток "слабнет", а у поверхности увеличивается. На высоких частотах плотность тока вблизи оси оказывается практически равной нулю, что вызывает увеличение сопротивления проводника и, соответственно, потери мощности в нем. Глубина скин-эффекта (на которой амплитуда тока уменьшается в е
раз, то есть в 2,73 раза) может быть вычислена по приближенной формуле:
где μ - магнитная проницаемость материала проводника, σ - удельная электропроводность (они зависят от материала проводника и задаются в справочных таблицах), f - частота.
Эта формула пригодна для сплошных проводников. Если кабель состоит из отдельных жил, то удельная электропроводность будет уменьшена за счет учета коэффициента заполнения (поскольку между отдельными цилиндрическими жилами имеются воздушные промежутки), который приближенно равен 0,9069. Для медного проводника глубина скин-эффекта составляет на 20 кГц примерно 0,5 мм (глубина скин-эффекта не зависит от диаметра проводника, она определяется только его материалом, правда, при изменении диаметра меняется процент его использования).
Связь изменения погонного сопротивления R и погонной индуктивности кабеля L (то есть сопротивления и индуктивности на единицу длины) с глубиной скин-эффекта (который зависит от частоты f) может быть оценена следующим образом:
R/R0
= r0
/2δ + 0,26;
ωL/R0
= r0
/2δ - 0,02, где R0
- сопротивление на постоянном токе (на очень низких частотах), r0
- радиус проволоки.
Учет изменения общего сопротивления за счет скин-эффекта показывает, что на частоте 25 кГц сопротивление возрастет примерно в 1,05-1,3 раза в зависимости от размера (калибра) проводника, и это может дать эффект потери мощности, показанный на рис. 3. Этот эффект на частоте 25 кГц за счет учета изменения сопротивления сплошного проводника, вызванного скин-эффектом, составит 0,02 дБ (для многожильных кабелей он будет еще меньше за счет учета коэффициента заполнения), что вряд ли может оказывать существенное влияние на результат прослушивания обычной акустической системы.
Параметры звуковых кабелей
Эквивалентная схема, показанная на рис. 2, представляет собой цепь, состоящую из усилителя, звукового кабеля и акустической системы. Звуковой кабель характеризуется такими параметрами, как погонное сопротивление, емкость и индуктивность (так как обычно их относят к единице длины кабеля, то есть к 1 м).
Погонное сопротивление определяется сечением проводника и его материалом, в частности, для медного провода сечением 1 кв. мм оно составляет 0,019 Ом. Размер проводника кабеля и его погонное сопротивление задается с помощью значений его калибра AWG (American Wire Gauge). Связи калибра кабеля с площадью сечения проводника и его погонным сопротивлением для меди даны в таблице 1.
Одним из важных требований, предъявляемых к звуковому кабелю, является передача сигнала без потери мощности. Считается допустимой потеря мощности не более 0,5 дБ. Для этого активное сопротивление кабеля R должно быть существенно меньше сопротивления нагрузки, то есть R << |ZАС |, где |ZАС | - номинальный импеданс акустической системы. Поскольку его значение лежит для бытовых акустических систем в пределах 2..16 Ом, то значение сопротивления кабеля R должно лежать в пределах 0,1..0,5 Ом. Звуковые кабели обычно имеют длину 3-5 м и сечение проводника 2,5-10 кв. мм (то есть AWG 10-14), поэтому они вполне удовлетворяют этим условиям.
Звуковой кабель состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком, то есть представляет собой конденсатор. Емкость такого конденсатора, образованного двумя параллельными проводниками (жилами), равна: С=ε0 επ/ln(d/a) , где ε0 - удельная емкость свободного пространства, равная 8,854 х 10-12 Ф/м; ε - диэлектрическая постоянная (проницаемость) изолятора; d - расстояние между проводниками (жилами, м), а - радиус каждого проводника (м). Для коаксиального кабеля это выражение несколько изменится: С=ε0 ε2π/ln(b/a) , где b - внешний диаметр кабеля, а - внутренний. Таким образом, погонная емкость зависит от конструкции кабеля, от размеров проводника и от расстояния между жилами (см. табл. 2), от размеров и свойств диэлектриков, используемых в качестве изоляторов, и лежит в пределах 10-100 пФ/м.
Поскольку в кабеле по проводнику протекает переменный ток, то он создает переменное магнитное поле. Связь между величиной тока и создаваемым им магнитным потоком (числом магнитных силовых линий, пересекающих проводник) определяется с помощью коэффициента индуктивности (или просто индуктивности) L. Индуктивность двух параллельных проводников радиуса а
и расстоянием между ними d
равна
L= (μμ0
/π)(lnd/a+0.25)
, где μ - магнитная проницаемость изолятора, μ0
- магнитная проницаемость вакуума 1,257 х 10-6
Гн/м. Таким образом, погонная индуктивность зависит от геометрии и конструкции кабеля, и меняется в пределах 0,1-1 мкГн/м.
Изменения значений индуктивности и емкости с изменением расстояния между проводниками для медного кабеля калибра 12AWG даны в таблице 2.
Как видно из таблицы 2 и приведенных выше формул, увеличение расстояния между проводниками увеличивает индуктивность и уменьшает емкость кабеля.
Равномерность АЧХ
Кроме вышеуказанного требования к параметрам кабеля (передачи без потерь мощности сигнала от усилителя к акустической системе), имеется второе требование, которое состоит в том, чтобы характеристика сигнала, передаваемого от усилителя к акустической системе, по напряжению сохранялась равномерной в звуковом диапазоне частот. Чтобы определить условия, при которых эти требования будут выполняться, необходимо рассмотреть взаимодействие сопротивлений усилителя, кабеля и акустической системы.
Если посмотреть на эквивалентную схему (рис. 2), то видно, что кабель можно рассматривать как фильтр низких частот второго порядка, включающий в себя последовательное сопротивление, индуктивность и параллельную емкость (можно сравнить со схемами фильтров низких частот, используемых в АС, которые были приведены в ). При выборе конструкции кабеля необходимо обеспечить значения этих параметров такими, чтобы частота среза была выше частотного звукового диапазона. То есть, частотная характеристика по напряжению передаваемого по кабелю сигнала от усилителя к акустической системе была плоской. Если бы такой фильтр (то есть кабель) был нагружен на активное сопротивление, то анализ такой схемы и выбор параметров не представлял бы особых затруднений.
Однако кабель имеет комплексный импеданс, включающий в себя как активную (R), так и реактивную часть (L, C) и обладающий определенной частотной зависимостью. В работе, которую проделал Fred E. Davis, был проведен эксперимент с 12 видами кабелей разной конструкции. Значения погонных сопротивлений, индуктивностей и емкостей выбранных кабелей даны на рис. 4. Из этих данных видно, что многожильные плоские кабели (номера 6 и 11) имеют минимальную индуктивность, но большую емкость, кабели с двумя параллельными проводниками (номера 1, 2 и 12) имеют большую индуктивность, но малую емкость. Хорошие кабели должны иметь низкий импеданс (как его активную, так и реактивную часть), который остается постоянным во всем аудиодиапазоне, чтобы обеспечить плоскую характеристику по напряжению.
Выполненные измерения частотных характеристик импедансов проводились при замене АС резистором 1 Ом. Некоторые типы кабелей (например, номер 6 - рис. 5) имеют практически плоскую частотную характеристику импеданса, в то же время другие (например, номер 3) показывают некоторый подъем характеристики. Анализ этих данных показал, что подъем частотной характеристики происходит за счет реактивной части сопротивления кабеля (его индуктивности) и скин-эффекта, который имеет значительно меньшее влияние. Чем выше емкость кабеля, тем больше снижается общее реактивное сопротивление на высоких частотах, что делает частотную характеристику импеданса более плоской (что противоречит принятому мнению, что чем больше емкость кабеля, тем больше затухают высокие частоты, это следовало бы из анализа эквивалентной схемы без учета индуктивности). Кабель номер 6 на рис. 5 имеет наибольшую емкость (2,3 нФ на 1 м), наименьшую индуктивность и самую плоскую частотную характеристику импеданса. При этом емкость кабеля еще настолько мала, что она не должна влиять на стабильность профессионального усилителя.
Основную проблему составляет взаимодействие кабеля с акустической системой, которая обладает частотно-зависимым комплексным сопротивлением (импедансом, эквивалентная схема АС была представлена в предыдущей статье). Зависимость модуля импеданса и его фазы от частоты для трехполосной системы с фазоинвертором и пассивными фильтрами показана на рис. 6.
Результаты измерений частотно-зависимой характеристики по напряжению для кабелей разной конструкции с различными усилителями и акустическими системами (одна из комбинаций представлена на рис. 7) показывают следующее. Наилучшие результаты (величина спада АЧХ на частотах выше 15 кГц менее 0,2 дБ) получаются при использовании многожильных кабелей, имеющих низкое активное сопротивление, низкую индуктивность и минимальный скин-эффект (например, номер 6) совместно с усилителями с низким выходным сопротивлением, (обычно порядка 0,05 Ом), низким выходным индуктивным сопротивлением порядка (2 мкГн) и высоким, не зависящим от частоты, демпфирующим фактором, что обычно и выполняется в хороших усилителях. При этом, даже при учете низкоомной нагрузки со стороны АС, и влияния ее реактивного сопротивления, обусловленного индуктивностью и емкостью, частота среза (то есть частота, на которой спад АЧХ достигает -3 дБ) в такой системе "УНЧ - кабель - АС" лежит существенно выше звукового диапазона: 80-160 кГц, также как и частота возможного резонанса между индуктивностью кабеля и емкостью нагрузки, которая находится в пределах 40 кГц.
Таким образом, для относительно коротких звуковых кабелей (длиной до 10 м) можно получить практически плоскую характеристику по напряжению в слышимом диапазоне частот (правда, для низкоомных АС не следует применять кабели слишком большой длины).
Конструкции звуковых кабелей
Производством звуковых кабелей занимаются в настоящее время десятки (если не сотни) фирм, к числу наиболее известных относятся Audio Quest, DeLink, Gotham, Wirewold, Electronics, Belsis, Canare, Cordial, Horizon, Mogami, Prospecta, Samson, Tasker-Milan.
Конструкции кабелей все более усложняются, постоянно ведутся поиски материалов для проводников и изоляторов, и, соответственно, растет цена звуковых кабелей, которая уже может превосходить 800$ за метр. Все это сопровождается большим количеством реклам и публикаций, убеждающих в огромном влиянии звуковых кабелей на качество звучания акустических систем (чистоту, прозрачность, четкость, сбалансированность музыкального образа и пр.).
В настоящее время наиболее распространенными конструкциями акустических кабелей являются следующие.
1. Двухжильный кабель - использует два проводника в изоляции (рис. 8а).
2. Многожильный кабель - из звуковых кабелей такого типа можно выделить конструкции типа Litz (фирма Audio Quest), где используется много тонких жил в изоляции, что позволяет уменьшить скин-эффект. С целью уменьшения электромагнитного взаимодействия проводников друг с другом фирма Audio Quest применила особую конструкцию (HyperLitz): каждая жила одета в изоляцию из полипропилена или фторопласта и завита вокруг пластикового стержня, при этом нигде не пересекаясь и не создавая контактных потерь (рис. 8б).
В новых разработках фирма использует в качестве изоляции трубки из тефлона, диаметр которых больше диаметра проводника, что создает воздушную прослойку между ними, уменьшая диэлектрическую постоянную (у воздуха она близка к единице). В кабелях этого типа также применяется технология SST (Spread Spectrum Technology), которая предусматривает использование жил разных диаметров, например, в кабеле Audio Quest CV-4 есть две жилы калибра 20 AWG (0,52 кв. мм) и две 17 AWG (1,02 кв. мм).
В конструкциях кабелей типа "двойная спираль" используются восемь проводников, скрученных в две группы (рис. 8с) с калибрами 16, 18, 19, 21 AWG, при этом в них применяется длиннокристаллическая медь с особо чистой поверхностью (технологии PSC/LGC).
Наконец, одна из последних разработок фирмы Audio Quest: две спирали проводников (положительных и отрицательных) уложены спирально навстречу друг другу в противоположных направлениях - Counter Spiraling Circular Helix HyperLitz (рис. 8д). По мнению производителя, все эти усложнения конструкции кабеля значительно улучшают качество звучания акустических систем (соответственно, и их цену).
3. Коаксиальные кабели (рис. 9), в которых внутренний и внешний проводник "вложены" друг в друга и разделены изоляцией. При этом значительно уменьшены поля рассеяний электромагнитной энергии при передаче сигнала по кабелю, поэтому они в первую очередь используются для сигналов малой мощности и для высокочастотных сигналов (например, в измерительных системах).
Материалы для проводников
Выбору материалов проводников в кабеле также уделяется очень большое внимание; обычно используются такие металлы, как медь или серебро. В 1984 году фирма Hitachi выпустила на рынок первый кабель из бескислородной меди (OFC - Oxygen Free Copper). Присутствие кислорода в меди создавало вкрапление окислов (по мнению фирмы, это приводило к искажению временнОй структуры звукового сигнала, особенно на низких уровнях). Следующим этапом стало применение материала LC-OFC (Linear Crystal Oxygen) - бескислородная медь с низкокристаллической структурой (монокристалл); как было объяснено в каталогах фирмы, это уменьшило "электрические барьеры" между кристаллами меди и улучшило чистоту звучания.
Японские фирмы Sony, Audio-Technica и др. начали применять медь, полученную методом непрерывной вытяжки из расплава РС-ОСС, что позволило получить максимально длинные (до нескольких метров) кристаллы.
Ведущая американская фирма по производству звуковых кабелей Audio Quest в 1988 году разработала аналогичный собственный процесс получения длиннозернистой меди - LGC (long-grain copper), что позволило добиться для жил диаметром 0,15..0,25 мм длины кристалла свыше 200 м.
Кроме того, специалисты той же фирмы сумели получить и начали использовать особо чистую медь - 6N с содержанием меди 99,9999%. Эта технология получила название FPC-6 (Functionally Perfect Copper - функционально совершенная медь). Уже появились сообщения о применении меди 7N, а также новой технологии PSC (Perfect Surface Copper) - медь с идеально чистой поверхностью (поскольку из-за скин-эффекта поверхность проводника, по мнению фирмы, играет особую роль в "музыкальности" кабеля).
Аналогичные опыты по применению чистого серебра в качестве проводника в кабелях позволили фирме Audio Quest использовать серебро FPS и PPS (Functionally Perfect Silver и Perfect Surface Silver), а фирме Finestra Design Group - серебро с чистотой 5N. Однако чистое серебро очень дорого, поэтому его, в основном, используют для покрытия медных проводов (silver-clad cooper). Появились сообщения о применении криогенной низкотемпературной обработки (жидким азотом) медных проводников, что якобы благотворно влияет на проводимость меди.
Надо сказать, что огромные затраты по созданию сверхчистых материалов для проводников звуковых кабелей и связанное с этим значительное повышение цен на кабели для аппаратуры Hi-Fi с физической точки зрения трудно объяснимо, поскольку удельная электропроводность металлов зависит от L - среднего расстояния между двумя последовательными столкновениями электронов с дефектами в кристаллической решетке металлов (обусловленными наличием примесей и др.). Зависимость эта выражается следующим образом: σ=ne2 L/pF , где σ - удельная электропроводность, n - концентрация электронов проводимости ~1023 см-3 , e - заряд электрона, pF - импульс Ферми. При комнатной температуре L~10-6 см, поэтому вряд ли переход от меди с очисткой 6N к очистке 7N может привести к настолько значительному изменению L, что это существенно изменит удельную электропроводность кабеля и приведет к изменениям качества звучания акустических систем, даже на тихих уровнях.
Материалы для изоляторов
Выбор материалов для изоляторов в звуковых кабелях имеет существенное значение. Поскольку любой диэлектрик в той или иной степени способен поглощать электромагнитную энергию, то с целью уменьшения потерь необходимо выбирать материалы с малой диэлектрической постоянной и малыми диэлектрическими потерями (которые характеризуются обычно значением тангенса угла потерь), например, для полиэтилена тангенс равен tgδ=2х10-4
на 1 МГц. На более низких частотах он меньше и поэтому для звуковых кабелей эти потери не вносят значительных искажений. Кроме того, материалы должны обладать большой механической прочностью, широким диапазоном рабочих температур и др.
В качестве материала для изоляторов обычно в кабелях применялись резина, шелк и т. п. В последнее время используются такие материалы, как поливинилхлорид, полипропилен, фторопласт, полиуретан, полиэтилен, тефлон и т. д. С целью уменьшения диэлектрической постоянной (поскольку она влияет на значение емкости и индуктивности кабеля) фирмы применяют особые материалы, например, вспененный фторопласт или специальное искусственное волокно с большим содержанием воздуха (MicroFiber), у которых диэлектрическая постоянная стремится к 1 (диэлектрическая постоянная воздуха 1,0167).
Примером современной конструкции кабеля может служить звуковой кабель фирмы Gotham (Швейцария) модель 50150 GAC-SPK 2 x 2.5mm2 Quaxial (рис. 9), состоящий из внешней оболочки (температуростойкий полиуретан PUR диаметром 6,8 мм), разделителя (поливинилхлорид PVC диаметром 6,1 мм), двух оплеток (чистая медная проволока диаметром 0,13 мм), изолятора (PVC диаметром 4 мм), проводника (50 жил чистой медной проволоки диаметром 0,25 мм, площадь 2,5 кв. мм).
Технические характеристики такого кабеля:
- сопротивление центрального проводника меньше 7, 6 ом/км,
- сопротивление внешней оплетки меньше 7,8 Ом/км,
- емкость (проводник/проводник) меньше 450 нФ/км,
- тестовое напряжение (пров./пров.) 800 Vэфф.,
- сопротивление изоляции больше 200 МОм/км,
- температурный диапазон (гибкая установка) от -5 до +50 С,
- температурный диапазон (фиксированное размещение) от -30 до +70 С.
Следует отметить также, что в ряде конструкций высококачественных АС используется метод подключения каждого громкоговорителя и фильтра к усилителю своей отдельной системой кабелей ("bi-wiring"), а не одним общим. Фирмы-изготовители утверждают, что такой способ подключения уменьшает взаимное влияние кабелей. При этом оба кабеля должны иметь очень близкие значения индуктивности и емкости, чтобы не было различий в фазовых сдвигах. Хотя анализ, который выполнил J. Lesurf, показывает, что при таком включении может увеличиться неравномерность частотной характеристики по напряжению в области частоты среза между громкоговорителями. Так что применение такой схемы включения требует тщательного выбора параметров.
Существенное значение для работы акустической системы с кабелем имеет выбор разъемов. Они должны обеспечивать надежное электрическое соединение и механическую фиксацию кабеля. Сопротивление контактов зависит от размеров и площади соприкасающихся поверхностей и усилий, с которым они прижаты друг к другу. Хорошие разъемы имеют стойкое покрытие поверхностей и выдерживают пятилетний срок интенсивной эксплуатации, именно поэтому фирмы–изготовители уделяют их конструкции серьезное внимание.
Вывод
Приведенный выше анализ и многолетний опыт использования звуковых кабелей в аппаратуре Hi-Fi показывает, что выбор кабеля, безусловно, является существенным моментом в обеспечении высокого уровня качества звучания акустических систем. Кабель должен обладать определенным набором электрических параметров и надежной конструкцией, необходимо использовать качественные материалы для проводников и изоляторов и т. д., однако применение все более сложных и дорогих конструкций кабелей с целью "существенного улучшения качества звучания АС" (по утверждению фирм-производителей) пока не имеет разумного физического объяснения.
Введение
В последнее время значение акустических кабелей, на которые раньше никто не обращал особого внимания, стало стремительно расти. Если раньше о кабелях думали в последнюю очередь, то сейчас они по праву заняли место полноценных высокотехнологичных аудиокомпонентов, в то же время кабели зачастую покрыты совершенно ненужным налетом таинственности и мистицизма.
Сейчас на рынке представлен широчайший выбор кабелей различных типов, соответствующих самым разнообразным нуждам. К несчастью, потребители зачастую сталкиваются с большим количеством ставящих в тупик аргументов и контраргументов, способных превратить любое очевидное достоинство кабеля в чудовищный недостаток. Данная ситуация усугубляется «благодаря» псевдонаучным, а зачастую и просто мистическим аргументам, которые используют маркетинговые департаменты некоторых компаний.
Данный технический справочник обобщает глубокие научные исследования, включавшие в себя измерения и прослушивания, проведенные компанией QED и посвященные влиянию акустических кабелей. Наша цель заключалась в том, чтобы разработать новую линейку высококачественных кабелей, конструкция которых основывалась бы на результатах этих исследований. Появление текущей линейки акустических кабелей QED стало закономерным результатом проведенных исследований. Также мы получили множество уроков, которые повлияли на конструкцию наших межкомпонентных кабелей.
Очень полезными оказались и прослушивания: инженеры QED прекрасно понимают, что измерения сами по себе - это только часть общей картины. Нам бы очень хотелось сказать, что они дают всю необходимую информацию, но это не так. С другой стороны, если кабель вносит в аудиосигнал, передаваемый от усилителя к акустическим системам, ошибки и искажения, которые можно измерить, то очевидно он не может достоверно воспроизводить музыку.
QED считает, что кабель должен быть настолько точным, прозрачным и нейтральным, насколько это только возможно и концепция разработки наших кабелей основывается на использовании результатов Genesis Report, а также постоянных критических прослушиваниях.
Значение кабеля
На первый взгляд акустический кабель играет очень простую роль, передавая сигнал от усилителя к акустическим системам. Но на практике различия в качестве звучания при соединении различными кабелями хорошо заметны большинству слушателей, хотя некоторые консерваторы до сих пор считают, что этого не может быть. Очевидно, что существуют определенные факторы в конструкции кабелей, которые влияют на качество звука.
Учитывая то, что ни один компонент не может улучшить аналоговый сигнал, проходящий через него (а может только изменить или ухудшить его), роль акустического кабеля должна заключатся в передаче аудиосигнала между усилителем и громкоговорителями без потерь и только.
Основы тестирования
Поскольку акустический кабель соединяет компоненты системы, его оценка должна проводиться не отдельно, а вместе с усилителем и акустическими системами. По сути, акустический кабель является продолжением контура усилителя, он эквивалентен подключению к его выходу дополнительных компонентов, обладающих такими электрическими характеристиками, как: Сопротивление (R), Емкость (С), Индуктивность (L) и Проводимость (G)
.
В большинстве усилителей мощности их разработчики добиваются достоверности воспроизведения, сравнивая сигнал на выходе с сигналом на входе. Такая конструкция называется «отрицательная обратная связь». Любая ошибка, появляющаяся на выходе усилителя с обратной связью, быстро корректируется, поскольку усилитель автоматически добавляет эту же ошибку, только с обратной величиной к входному сигналу. На Рис.1 видно, что усилитель с отрицательной обратной связью может попробовать скорректировать ошибки, которые появились до точки обратной связи. Ошибки на входе акустических систем, связанные с влиянием кабеля, не корректируются: кабель находится вне зоны влияния механизма обратной связи усилителя.
Некоторые усилители берут сигнал обратной связи с коммутационных клемм громкоговорителей, чтобы учесть влияние кабеля, но такие конструкции встречаются крайне редко. Один из объективных тестов качества акустического кабеля должен подразумевать сравнение сигнала на входе (на стороне усилителя) и на выходе (на стороне акустических систем). Любая разница между ними соответствует ухудшению сигнала в кабеле.
Реальное влияние на работу системы
Термины, которые используются для субъективного описания влияния кабеля, могут быть как позитивными, например: «прозрачный», «когерентный», «упругий», «детальный», «ритмичный», так и негативными, например: «зернистый», «кричащий», «выпяченный», «гнусавый», «размытый». Наше исследование Genesis Report показало, что некоторые из этих характеристик можно предсказать, анализируя результаты инструментальных измерений. Мы протестировали множество образцов кабелей, относящихся к разным ценовым категориям, использующим различные технологии и маркетинговые стратегии для продвижения, и сняли измерения для каждого кабеля, подключив его к реальной нагрузке (акустической системе)
.На графиках, представленных на Рис.2 и Рис.3 показаны амплитудно-частотные характеристики. Верхние графики на рисунках построены для сигнала на выходе усилителя, а нижние - после прохождения кабеля (на входных терминалах АС). Разница в качестве передачи сигнала этими двумя кабелями очевидна.
Так, нижний график, показанный на Рис.2, построен для плоского кабеля с очень низким сопротивлением (образец 10 в нашем тесте), а нижний график на Рис.3 иллюстрирует влияние кабеля с двойными монолитными жилами (образец 7). Волнообразная форма графика связана с изменениями импеданса нагрузки в звуковом частотном диапазоне, которые приводят к тому, что напряжение сигнала «встречается» с различными величинами импеданса кабеля на разных частотах.
Разница между верхней и нижней кривыми на обоих графиках, по сути, и характеризует потери в кабелях. Очевидно, что потери больше в кабеле, показанном на Рис.3, использующем монолитные проводники, в связи с более высоким сопротивлением постоянному току. Надо сказать, что в данном случае - это не просто академический вопрос, поскольку эти потери повлияют и на результирующую частотную характеристику акустической системы (в данном случае изменения доходят до -0,8 дБ на частоте 200 Гц, что показано на Рис.3).
Полученные АЧХ, показанные на обоих рисунках, являются типичными для фазоинверторных акустических систем при подаче на них однородного синусоидального входного сигнала. Реальные сигналы не являются синусоидальными, а включают в себя множество частот одновременно, кроме того, нагрузка, которую представляют собой акустические системы, является комплексной (комплексная нагрузка означает, что напряжение и ток не обязательно находятся в фазе). Следовательно в кабеле при воспроизведении музыки будут происходить гораздо большие потери амплитуды динамического сигнала, чем может показаться исходя из анализа этих графиков, построенных для однородного сигнала.
Учитывая абсолютную очевидность того, что низкое сопротивление необходимо для того, чтобы получить максимально равную характеристику при работе с реальными громкоговорителями, нас очень удивляет распространенный тренд, который заключается в отходе от кабелей с низким сопротивлением и распространению кабелей с монолитными проводниками, обладающих более высоким сопротивлением. При этом в маркетинговых материалах производителей очень часто можно встретить утверждение, что использование монолитных проводников с малой площадью поперечного сечения позволяет снизить влияние скин-эффекта.
Скин-эффект
Скин-эффект - это явление, которое обычно ассоциируется с высокочастотными передающими линиями. При протекании переменного тока через проводник в нем за счет изменений магнитного потока наводится электродвижущая сила (ЭДС). Это приводит к тому, что плотность тока в центре проводника уменьшается по сравнению с областями, расположенными рядом с его поверхностью. В результате область, через которую протекает ток, уменьшается, поскольку ток отводится от центральной области проводника к поверхности. Результатом скин-эффекта является рост импеданса кабеля на очень высоких частотах, который связан с сужением эффективной проводящей площади поперечного сечения (удивительно, но в отличие от индуктивности, скин-эффект не вносит в сигнал фазовых отклонений, но увеличивает потери мощности сигнала в кабеле).
В системах, работающих на радиочастотах (гораздо более высоких, чем частоты звукового диапазона) скин-эффект является серьезной проблемой, с которой борются, покрывая проводники серебром для снижения сопротивления на поверхности, по которой протекает большая часть тока на высоких частотах. В аудио кабелях предположение о том, что влияние скин-эффекта заслуживает внимания, приводит к появлению кабелей, диаметр жил которых такой же или меньше чем удвоенная эффективная глубина проникновения сигнала (глубина, на которой плотность тока уменьшается на 63% от своей нормальной величины) на высоких звуковых частотах. Основная идея в данном случае заключается в том, что такой кабель будет работать в режиме пониженной плотности тока на всех частотах. Это позволяет сделать симптомы скин-эффекта не такими заметными (но не устранить его), но при этом импеданс кабеля увеличивается на всех частотах.
О том, ощущается ли влияние скин-эффекта на звук, ведется множество дебатов, большинство инженеров вообще ставит под сомнение его существование на звуковых частотах. Для того, чтобы объективно оценить его величину, мы решили провести сравнительные измерения фазового сдвига на высоких частотах и выбрали четыре различных кабеля. Два из них имели большой диаметр и многожильную конструкцию, а другие два относились к типу «с низким скин-эффектом» и имели малую площадь поперечного сечения.
Вначале измерялись основные характеристики, такие как сопротивление, индуктивность, емкость и проводимость (известные как сосредоточенные параметры* ). Затем эти значения использовались для расчета теоретических величин фазового сдвига при работе с нагрузкой. Важно, что эти теоретические расчеты не принимают во внимание скин-эффект и основываются исключительно на сосредоточенных параметрах. Результат этих расчетов показан на Рис.4.
Затем измерялись реальные значения фазового сдвига для каждого из кабелей при такой же величине нагрузки. Результаты этих измерений приведены на Рис.5. Видно, что теоретическая и измеренная величины очень близки друг к другу, что совершенно неожиданно для тех, кто считает влияние скин-эффекта существенным. Только на частотах свыше 80 кГц можно заметить значительное расхождение между теоретическими и измеренными результатами для многожильных кабелей (если, конечно, величину в 2% на 100 кГц можно считать значительной).
Эта разница обусловлена двумя явлениями - скин-эффектом и, возможно, эффектом близости соседних проводников. Последний из них заключается в увеличении плотности тока на внутренних поверхностях параллельных проводников и является более актуальным для близко расположенных ленточных проводников. Что интересно, измеренные величины фазового сдвига оказались в целом ниже рассчитанных теоретических значений, поскольку скин-эффект, который является резистивным по своей природе, увеличивает импеданс кабеля при прохождении переменного тока без внесения дополнительного фазового сдвига. Удивительно, но скин-эффект даже снижает фазовый сдвиг, уменьшая индуктивное сопротивление кабеля. (Тем, кто хочет получить более глубокое представление об этом рекомендуем обратиться к учебникам посвященным комплексной теории переменного тока).
Обратите внимание, что образец кабеля номер 7 на Рис.4 и 5 показывает меньший фазовый сдвиг, чем другие, просто за счет меньшей индуктивности.
Индуктивные Эффекты
Влияние индуктивного сопротивления на фазовый сдвиг переменного электрического сигнала в ряде протестированных кабелей показано на Рис.6 и 7. Чем выше индуктивность, тем больше ее влияние на величину фазового сдвига. Знакомство с геометрией каждого из протестированных кабелей показало, что большинство многожильных кабелей обладает высокой индуктивностью.
Индуктивность кабеля зависит от площади проводников, их относительного расположения и коэффициента проницаемости окружающей среды (материалы с высокой проницаемостью, такие как железо или феррит, к примеру, используются для увеличения индуктивности в катушках индуктивности).
В кабелях увеличение расстояния между проводниками приводит к увеличению их индуктивности. Многие многожильные акустические кабели имеют проводники, расположенные далеко друг от друга (иногда расстояние между проводниками в 3 раза превышает их диаметр), что приводит к росту индуктивности.
Усредняя индуктивный эффект для исследуемых образцов кабелей, мы получили величину эффективного фазового сдвига 0,42 градуса на метр. Для 10-метровой длины фазовый сдвиг составит 4,2 градуса. На практике индуктивность кабеля добавляется к выходной индуктивности усилителя (индуктивность на выходе используется для повышения стабильности усилителя на высоких частотах), так что результирующая индуктивность усилителя увеличивается за счет кабеля.
Слуховое восприятие фазового сдвига
В настоящее время восприятие фазового сдвига на слух является практически неизученным, хотя усилители с неважными фазовыми характеристиками часто критикуются за «зернистость» звучания. Удивительно, но фазовый сдвиг усилителей упоминается не так часто, хотя в ряде моделей, присутствующих на рынке, можно встретиться с величинами фазовых сдвигов, превышающих 15 градусов на частоте 20 кГц.
Ослабление сигнала, связанное с индуктивностью и емкостью
Еще один эффект, связанный с индуктивностью, заключается в ослаблении амплитуды на высоких частотах за счет роста импеданса кабеля с частотой (индуктивное сопротивление растет с частотой). Итак, чем выше частота, тем более слабый сигнал приходит на коммутационные терминалы акустических систем. Интересно, что кабели с высокой индуктивностью также могут являться причиной повышения напряжения на клеммах акустической системы за счет выходного сигнала усилителя. Это связано со сложными взаимосвязями между индуктивным и емкостным сопротивлениями, а также постоянным сопротивлением, которые могут привести к появлению ослабленного резонанса. Это может стать проблемой для электростатических громкоговорителей, которые представляют собой нагрузку с более высокой емкостью, чем обычные электродинамические акустические системы.
Пример резонансного ослабления сигнала показан на Рис.8 в сравнении с чистым выходным сигналом усилителя. В данном случае увеличение импеданса кабеля на высоких частотах приводит к заметным потерям уровня сигнала, складываясь с собственным спадом характеристики усилителя.
Диэлектрики
Проводники акустического кабеля покрыты изоляцией или диэлектриком для предотвращения короткого замыкания. Это неизбежно приводит к дополнительным потерям, поскольку диэлектрики поглощают часть энергии. Потери в диэлектрике иногда связывают с коэффициентом затухания или тангенсом угла потерь в диэлектрике (практически аналогичным коэффициенту мощности) и они увеличиваются с частотой. Вообще, чем выше коэффициент затухания на данной частоте, тем больше потери мощности в диэлектрике. Подборка измерений коэффициентов поглощения в наших образцах кабелей показана на Рис.9. Он иллюстрирует необычайно широкий разброс результатов.
Все диэлектрики также обладают свойством, которое называется диэлектрическая проницаемость. Наименьшей проницаемостью, не считая вакуума, обладает воздух, который позволяет получить наименьшие потери среди всех известных материалов. Чем выше проницаемость, тем выше потери и тем выше емкость. Это связано с тем, что диэлектрическая проницаемость определяет, насколько диэлектрик проницаем для электрического поля, которое в основном, и определяет емкость конденсатора.
Наоборот, чем ниже проницаемость (чем ближе к вакууму) диэлектрика, тем ниже будут и потери и емкость. Если мы примем вакуум за точку отсчета с диэлектрической постоянной равной 1, то сможем ввести диэлектрическую постоянную для любого диэлектрика. К примеру, воздух будет иметь диэлектрическую постоянную 1,0006, которая по большому счету аналогична вакууму для любых практических применений.
Диэлектрические Постоянные (Er) и потери (Tan d) для нескольких популярных материалов изоляции кабелей приведены ниже:
| Материал изоляции | Er | Приблизительный Tan d на 10 кГц |
|---|---|---|
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 4,0 - 8,0 | 0,01 - 0,05 |
| Полиэтилен | 2,6 | 0,0002 |
|
Полипропилен |
2,25 | 0,0004 |
|
Политетрафторэтилен |
2,1 | 0,002 |
| Воздух (для сравнения) | 1,0006 | Практически 0 |
| Вакуум (для сравнения) | 1,0000 | 0 |
Емкость также определяется диаметром и промежутками между проводниками. Чем больше зазор между двумя проводниками в данном диэлектрике, тем меньше емкость (для индуктивности верно обратное). Взглянув на таблицу вверху, несложно увидеть, что сделать кабель, обладающий низкими значениями емкости и индуктивности, используя низкокачественный диэлектрик, практически невозможно.
Большинство дешевых кабелей и в том числе многие из тех, которые мы тестировали, использовали изоляцию из ПВХ, за счет чего увеличивались собственные емкость и диэлектрические потери в кабеле. Что бы вы ни делали с диаметром и расстоянием между проводниками, в таких кабелях обязательно будут проблемы, связанные либо с высокой емкостью, либо с высокой индуктивностью, либо и с тем и с другим.
Проводимость в кабелях
Еще одним свойством диэлектриков, которое влияет на работу кабеля и связано с диэлектрическими потерями, является проводимость (G). Проводимость определяет, насколько хорошо проводники изолированы друг от друга. Чем ниже проводимость (G), тем выше сопротивление изоляции (Rp). Более качественные диэлектрики являются более хорошими изоляторами, поскольку в них находится меньшее количество «свободных» электронов, переносящих электрический ток через материал диэлектрика при передаче по кабелю электрического сигнала.
Эффекты, связанные с емкостью
В теории емкость кабеля не должна оказывать серьезного влияния на работу аудиосистемы, поскольку кабель подключается к источнику с очень низким сопротивлением (как правило, долями Ома для большинства усилителей мощности). Хотя емкость представляет собой своеобразный фильтр низких частот при подключении кабеля к источнику с таким маленьким импедансом, ее влияние на частотную характеристику, как правило, незначительно. Гораздо важнее то, что чрезмерно высокая емкость акустического кабеля может свидетельствовать о низком качестве диэлектрика и высоких диэлектрических потерях.
Некоторые эзотерические кабели используют несколько независимо изолированных параллельных жил, формирующих два проводника. При определенной геометрии и использовании низкокачественных материалов подобная конструкция может привести к росту емкости до очень высокого уровня. Один из таких кабелей, обнаруженный среди наших тестовых образцов, имел емкость порядка 1375 пФ (для сравнения средняя величина емкости для других образцов 10-метровой длины составляла порядка 500 Пф).
Еще один фактор, который нужно принимать во внимание, это стабильность усилителя. В некоторых случаях небольшая избыточная емкость на выходе усилителя может привести к тому, что он начнет осциллировать, перегреваться или даже может перегореть. Также усилитель может начать кратковременно осциллировать на радиочастотах во время работы, не проявляя при этом никаких заметных симптомов. Хорошо сконструированные усилители обычно имеют значительный запас мощности и устойчивости к фазовым искажениям, так что небольшой дополнительный фазовый сдвиг, возникающий из-за увеличившейся емкости, не приводит к подобным проблемам. К сожалению, некоторые усилители, имеющиеся в продаже, не обладают устойчивостью, необходимой для стабильной работы в нештатных условиях, и именно в них могут быть проблемы, связанные с использованием длинных кабелей с большой емкостью. Ирония данной ситуации заключается в том, что индуктивность, как правило, остается низкой в кабелях с высокой емкостью, что приводит к еще большему уменьшению запаса стабильности усилителя. Даже если усилитель и не перешел полностью в нестабильный режим, то качество звучания может страдать, звук становится грубым и выпяченным за счет того, что усилитель работает на самом пороге перехода в нестабильный режим. На Рис.10 показана нестабильность, вызванная применением кабеля с высокой емкостью, которая проявляется в виде звона при передаче меандра высокой частоты.
Емкость и индуктивность
Если рассмотреть одну пару проводников в конкретном диэлектрике, то уменьшая расстояние между ними, мы уменьшим индуктивность и увеличим емкость, в то время как увеличение расстояния между проводниками приведет к обратному эффекту. Многие считают, что бороться с этой тенденцией невозможно и что индуктивность кабеля невозможно уменьшить, не увеличивая при этом емкость. В самом деле, данное утверждение чуть не стало своеобразным фольклорным законом в аудиоиндустрии. Однако сравнения, проведенные для проводников с различной геометрией, даже если они имели одинаковую эффективную площадь поперечного сечения (а следовательно и одинаковое сопротивление постоянному току) и одинаковые материалы диэлектриков, показали, что это возможно путем простого изменения взаимного расположения и конфигурации проводников (см. Таблицу 1).
QED Profile8 Qudos(QED Original)
Здесь приведены результаты тестов кабелей, проведенных в ходе работы над Genesis Report и иллюстрирующих огромное влияние геометрии кабеля. Сопротивление, индуктивность и емкость измерялись для стандартных кабелей серий Qudos и Profile 8. Стандартный кабель Qudos представляет собой два жгута, каждый из которых состоит из 79 жил диаметром 0,2 мм и имеет в поперечном сечении форму восьмерки. Profile 8 состоит из восьми жгутов, каждый из которых состоит из 19 жил толщиной по 0,2 мм и имеет линейную геометрию поперечного сечения. Эффективная площадь поперечного сечения этих кабелей, а следовательно и сопротивление постоянному току, примерно одинаковые. В обоих кабелях используется изоляция из полиэтилена низкой плотности. Следовательно любые различия в индуктивности и емкости связаны с геометрией.
Кабель Profile 8 можно подключить различными способами. В Таблице 1 приведены результаты при использовании в качестве прямого и обратного проводов кабеля четырех внутренних и четырех внешних проводников, а также четырех левых и четырех правых проводников. В сравнении со стандартным кабелем Qudos, Profile 8, в конфигурации четырех внешних и четырех внутренних проводников обладает значительно меньшей индуктивностью и слегка большей емкостью, что противоречит «эмпирическому правилу», которое часто цитируют. Наоборот, в конфигурации, использующей правые и левые проводники, Profile 8 имеет такую же индуктивность, как и Qudos, а вот емкость уменьшается практически вдвое. Также представляет интерес то, что геометрия влияет и на волновой импеданс, впрочем, данный интерес носит чисто академический характер.
Акустическое взаимопроникновение каналов
Один из субъективных эффектов, на который часто обращают внимание слушатели, заключается в расширении звуковой сцены при использовании какого-нибудь определенного кабеля. На первый взгляд, объяснить это явление довольно трудно, учитывая высокую электрическую изоляцию между стерео каналами. Мы подумали, что объяснение может заключаться в том, что правый и левый каналы акустически связаны через сами громкоговорители. В идеале, левый громкоговоритель должен излучать звуковую волну только под воздействием электрического сигнала левого канала и наоборот.
В каждом из каналов усилителя в идеале должен использоваться электромагнитный демпфер со своим собственным громкоговорителем, который не дает его диффузорам двигаться под воздействием звуковых волн от другого громкоговорителя. Это демпфирование должно достигаться за счет очень низкого выходного сопротивления усилителя, но на практике в процесс вмешивается сопротивление акустического кабеля, которое увеличивает величину сопротивления усилителя, которую «видит» громкоговоритель, и соответственно ослабляет демпфирование. Таким образом в звуке, излучаемом диффузорами каждого громкоговорителя, присутствует сигнал (с определенной задержкой), который был воспроизведен другим громкоговорителем, что приводит к сужению звуковой сцены. Если данное предположение верно, то кабели с низким сопротивлением позволят построить более широкую звуковую сцену.
Несмотря на то, что данные рассуждения кажутся слишком замысловатыми, измерения напряжений на терминалах акустических систем, показанные на Рис.11 и 12 иллюстрируют именно такой эффект. Пиковые значения, помеченные крестиками, представляют собой амплитуды сигналов, сгенерированных перемещениями диффузора акустической системы, на которую не подается электрический сигнал, которые вызваны тем, что акустическая система другого канала воспроизводит тестовый тон. Напряжение на коммутационных клеммах акустической системы, измеренное при воспроизведении другой колонкой тестового тона с частотой 500 Гц, уменьшилось примерно на 10 дБ благодаря использованию кабеля с более низким сопротивлением (Рис.12).
Переходные характеристики
Как уже упоминалось ранее, акустические системы в общем случае представляют собой очень сложную электрическую нагрузку, которая сама также генерирует напряжение (как под воздействием звуковых волн, проникающих снаружи, так и за счет энергии остающейся в колебательной системе самого громкоговорителя), которое возвращается обратно к усилителю (данное явление также известно как обратная ЭДС). Данное явление может происходить в случаях, описанных в предыдущем разделе, а также при быстрых изменениях амплитуды сигнала, приводящих к появлению у громкоговорителя послезвучий - т.е. наличия звука в отсутствие входного электрического сигнала от усилителя. Амплитуда этих послезвучий зависит от совокупной способности усилителя и кабелей демпфировать и контролировать нежелательные остаточные колебания. На Рис.13 показаны временные зависимости напряжения на выходе усилителя и на входе акустических систем. Хорошо видно, что по прошествии 2,4 миллисекунд, когда напряжение на выходе усилителя падает до нуля, напряжение на входе акустики уходит в отрицательную область, затем начинает расти, переходит нулевую отметку, становится положительным и лишь затем падает до нуля. Такое поведение напряжения на терминалах колонок связано с нежелательными перемещениями диффузора. АС.
На Рис.14 показаны графики для того же самого громкоговорителя, но подключенного кабелем с меньшим сопротивлением. То, что результаты измерений стали лучше - совершенно очевидно. Индуктивность кабеля также увеличивает общий импеданс между усилителем и акустическими системами, и наши измерения показали, что индуктивность кабеля оказывает негативное влияние на воспроизведение переходных процессов. Сложная электромеханическая система громкоговорителя работает наилучшим образом, если она хорошо задемпфирована и подключена кабелем с максимально низким импедансом во всем частотном диапазоне, а не только на низких частотах, на которых передвижения диффузора контролируются величиной сопротивления постоянному току.
Искажения, внесенные использованием кабеля
Акустический кабель «отдаляет» (в электрическом плане) громкоговоритель от усилителя в силу ряда причин - за счет электрического сопротивления постоянному току, которое портит частотную характеристику, демпфирования и разделения, как мы обнаружили. В дополнение к этому измерения показали, что величина искажений на входе АС существенно больше (в особенности это касается второй гармоники) чем на выходе усилителя.
Мы обнаружили, что ухудшение качества (и достоверности передачи исходного сигнала) сильно зависит от постоянного сопротивления кабеля, а также типа акустических систем. На Рис. 15 и 16 показаны зависимости амплитуды второй гармоники сигнала от частоты. Верхняя кривая на каждом из 2 графиков показывает искажения на входе АС, а нижняя - на выходе усилителя. На Рис.15 (кабель с высоким сопротивлением порядка 0,065 Ом/м) величина искажений примерно в 3 раза больше, чем на Рис. 16 (кабель с низким сопротивлением порядка 0, 004 Ом/м).
На Рис. 17 показаны зависимости для разных акустических систем, подключенных одинаковым кабелем. Отметим, что кабель сам по себе не может вызывать появление искажений (поскольку его постоянное сопротивление практически линейно), скорее его присутствие в системе не позволяет механизму обратной связи усилителя точно скорректировать искажения, которые генерируются за счет различных нелинейных явлений внутри аудиосистемы.
Подключение усилителя напрямую к акустическим системам позволило очень точно скорректировать искажения. Необходимы дальнейшие исследования, но очень похоже, что на искажения на низких частотах частично влияет и резонансная частота корпуса АС.
В дополнение нужно сказать, что величина искажений на средних и высоких частотах существенно увеличивается при повышении индуктивности кабеля, которая увеличивает импеданс кабеля и следовательно снижает демпфирующее воздействие усилителя и кабеля на акустическую систему.
Искажения в многожильных и одножильных кабелях
Существует точка зрения, что в многожильных кабелях наблюдается так называемый диодный эффект, появляющийся за счет того, что ток «перескакивает» между жилами в кабеле, и таким образом при перемещении электронов от одного конца провода к другому, они также проходят через множество границ металл-оксид-металл, расположенных между жилами (иногда это связывают также и с влиянием скин-эффекта, который «выдавливает» электрический ток из центра проводника к поверхности на высоких частотах).
Делая предположение, что ток действительно «перескакивает» между жилами (для нас это было совершенно неочевидно, но как мы обнаружили ранее, скин-эффект не оказывает существенного влияния на аудиосигнал в акустическом кабеле), мы подали сигнал на вход одной жилы проводника и провели измерения на выходе другой жилы. Даже при использовании всех ресурсов нашего измерительного комплекса Audio Precision AP1 нам не удалось обнаружить никакого увеличения величины искажений по сравнению с результатом, полученным при использовании всех жил проводника (см. Рис.18). В обоих случаях измерения показали настолько близкие результаты, что их с легкостью можно принять за два последовательных результата одного и того же теста. В данном примере наши предположения не подтвердились. Похоже на то, что диодные переходы между жилами либо не существуют, либо «закорачиваются» множеством хороших проводников, тщательно спрессованных вместе по всей длине кабеля.
Волновой импеданс
Этот термин иногда употребляется в контексте аудио кабелей, хотя в первую очередь он ассоциируется с линиями передачи. Волновой импеданс имеет решающее значение при определении правильных величин импеданса нагрузки и источника в высокочастотных линиях передачи для предотвращения возникновения нежелательных отражений и стоячих волн. Для корректной работы линия передачи должна быть оснащена на обоих концах резистивной нагрузкой, эквивалентной волновому импедансу.
Акустические кабели не являются линиями передачи, поскольку их длина -небольшая по отношению к длине волны. В любом случае, акустические кабели нельзя оснастить одинаковой резистивной нагрузкой на обоих концах (8-омный импеданс на выходе усилителя полностью нарушит демпфирование и приведет к росту неравномерностей АЧХ и росту искажений).
Направленность
Измерения, призванные выявить асимметрию тестируемых образцов, некоторые из которых были помечены производителями как направленные, не подтвердили существования направленности акустических кабелей. Слепые прослушивания также показали, что слушатели не способны различить направленность кабелей. С другой стороны, было обнаружено, что положение кабеля оказывает влияние, как на результаты измерений, так и на результаты прослушиваний. Это значит, что любые измерения и любые прослушивания кабелей должны проводиться при одинаковом позиционировании тестируемого кабеля.
Заключение
Конечно, всегда найдутся люди, скептически настроенные в отношении значения акустических кабелей, но результаты наших исследований ясно показали, что качество работы системы может улучшаться или ухудшаться в зависимости от того, какой кабель используется в ней. Анализ полученных данных показал, насколько сильно звучание связано с результатами измерений.
Приведем обобщенные результаты наших исследований:
- Постоянное сопротивление.
Низкое сопротивление кабеля имеет одно из приоритетных значений для достижения высокого качества воспроизведения, но оно не должно достигаться за счет других важных параметров. Высокое сопротивление кабеля приводит к нежелательным последствиям, таким как: неравномерности частотной характеристики, недостатки в передаче переходных процессов, увеличение звуковых искажений, ухудшение разделения каналов.
Все кабели с высоким сопротивлением имели плохие результаты соответствующих измерений. Субъективно же их качество звучания очень сильно зависело от подключенных акустических систем. Выпячивание средних частот, хорошо заметное на слух при подключении некоторых кабелей, полностью соответствовало форме их измеренной частотной характеристики. Высокое сопротивление кабеля также приводило к заметному сглаживанию динамических всплесков при передаче масштабных музыкальных композиций. - Индуктивность. Индуктивность кабеля является первостепенной причиной ослабления высоких частот и появления фазового сдвига. Индуктивность приводит к росту импеданса с частотой, а следовательно, к заметному ослаблению высокочастотного диапазона сигнала на входе акустической системы, а иногда даже к обрезанию пиков ВЧ-сигнала. В дополнение к этому индуктивность повышает величину искажений на входе АС и ухудшает общие переходные характеристики акустической системы. Таким образом, для получения равномерных частотных и фазовых характеристик, низких искажений и полноценной передачи звуковых переходов акустическими системами, индуктивность акустического кабеля должна быть низкой.
- Скин-эффект.
Измерения показали, что скин-эффект оказывает минимальное влияние на кабели с относительно небольшой площадью поперечного сечения. В то же время кабели с более толстыми проводниками сильнее подвержены влиянию скин-эффекта, а также обладают более высокой индуктивностью, которая приводит к большим потерям сигнала на высоких частотах.
Влияние скин-эффекта становится заметным только на частотах, существенно превышающих самые высокие частоты звукового диапазона. Несмотря на то, что реактивный импеданс кабеля с проводниками большого поперечного сечения выше, чем у кабеля с проводниками малого поперечного сечения, его эффективное сопротивление (сумма реактивного и постоянного сопротивлений) все равно будет ниже. Скин-эффект имеет также несколько неожиданный побочный эффект, который заключается в снижении величины фазового сдвига из-за индуктивности кабеля на высоких частотах. - Качество изоляции. Было доказано, что коэффициент затухания является красноречивым показателем качества звучания. В большинстве хорошо звучащих кабелей используются качественные диэлектрические материалы: кабели с ПВХ-изоляцией показали наихудшие звуковые результаты. Кабели с плохими результатами измеренных диэлектрических потерь хуже справились с передачей мелких деталей и звуковой атмосферы, в то время как кабели с качественными диэлектриками воспроизвели их в полном объеме.
- Постоянство характеристик. Акустические кабели взаимодействуют как с усилителем, так и с акустическими системами. В связи с этим результаты измерений, полученные для некоторых кабелей, менялись при работе кабелей в различных системах. Оказалось, что наиболее стабильными характеристиками обладают кабели с минимальными сопротивлением, индуктивностью и емкостью. Несмотря на то, что усилителю необходима определенная индуктивность на выходе для сохранения стабильности, применение максимально коротких акустических кабелей позволяет улучшить качество воспроизведения. Высокой индуктивности кабеля также следует избегать, поскольку она может привести к нестабильной работе усилителя, испортить качество звучания и снизить запас надежности усилителя.
- Направленность. Несмотря на все возрастающую любовь производителей к указанию направленности их кабелей, наши измерения, проведенные при строго контролируемых одинаковых условиях, не выявили ничего, что могло бы свидетельствовать о том, что акустические кабели являются направленными. С другой стороны, было обнаружено, что даже простое изменение положения кабеля приводит к изменению его индуктивности и емкости.
- Монолитные и многожильные кабели.
В последнее время популярность моножильных проводников стала расти. Существует мнение, что достаточно тонкий монолитный проводник обладает примерно одинаковыми потерями как на низких, так и на высоких частотах, в то время, как для более толстого многожильного проводника их величины существенно отличаются. Наши исследования показали, что данное явление связано скорее с изоляцией и геометрией ряда кабелей с моножильными проводниками, которые и являются истинной причиной более высокого качества работы по сравнению с многожильными проводниками. В любом случае, параллельное расположение проводников, неважно, моно- или многожильных, позволяет снизить индуктивность, которая оказывает на звук гораздо большее влияние, чем тот же скин-эффект.
Протестированные многожильные кабели обладали более высокой индуктивностью и величиной утечек тока, чем многие из моножильных кабелей, которые в основном использовали независимо изолированные проводники (что обеспечивает снижение индуктивности) с диэлектриками более высокого качества (что обеспечивает меньшие потери из-за утечек). Мы не обнаружили никаких подтверждений популярной теории о том, что в многожильных кабелях возникают искажения за счет диодного эффекта между отдельными жилами, так что ее смело можно отнести к разряду ложных предположений. - Металлургия. Проводники, изготовленные из меди с высокой степени очистки (чистотой >99,99%) обладают чуть лучшей электрической проводимостью. Заметное улучшение проводимости наблюдается в медных проводниках, покрытых серебром, а также в серебряных проводниках. В Вцелом же, рассматривая всю группу протестированных нами кабелей, можно сказать, что геометрия и диэлектрические материалы оказывают на звуковые характеристики кабеля гораздо большее влияние, чем металл, из которого изготовлены проводники.
Результаты Genesis Report
Приведенные обобщения (1, 2, 3, 4 и 5) показали, что акустический кабель с наиболее точным звуком и стабильными характеристиками должен иметь минимальное постоянное сопротивление, индуктивность и емкость в сочетании с низкими диэлектрическими потерями. Все результаты наших исследований подтвердили этот простой вывод. Кабели, использующие в своей конструкции проводники с маленькой площадью поперечного сечения для того, чтобы избавиться от влияния скин-эффекта (который в любом случае не представляет собой никакой проблемы на аудио частотах), имеют более высокое постоянное сопротивление, приводящее к очевидным негативным последствиям.
Благодаря Genesis Report инженерам QED удалось опровергнуть «правило», которое устанавливало прямую взаимосвязь между индуктивностью и емкостью кабеля. Емкость и диэлектрические потери были уменьшены за счет выбора подходящего изоляционного материала высокого качества (полиэтилен низкой плотности). В дополнение к этому, за счет минимизации толщины изолирующей оболочки и специальных узких соединений между проводниками в кабеле (обеспечивающих большую механическую стабильность) было улучшено соотношение воздуха к сплошному диэлектрику, что позволило еще уменьшить емкость и диэлектрические потери. Располагая несколько параллельных многожильных проводников оптимальным образом, инженерам QED удалось одновременно снизить и емкость и индуктивность кабеля ниже величины, рассчитанной для простой пары проводников с таким же постоянным сопротивлением. Использование многожильных проводников с достаточно высокой площадью поперечного сечения позволило сохранить низкое значение постоянного сопротивления. Результатом исследований стало появление акустических кабелей высшего класса с низкими потерями и прозрачным звучанием. Взаимосвязь между качеством изоляции и звуковыми характеристиками кабеля также повлияла на конструкцию межблочных кабелей QED, в которой используется вспененный полиэтилен низкой плотности, позволяющий увеличить соотношение воздуха к сплошному диэлектрику и получить наилучшее качество звучания.
Научный Подход к Разработке Кабелей
*система с сосредоточенными параметрами
СИСТЕМА С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ (дискретная система) - система, движение к-рой может быть описано как движение конечного числа точечных объектов (строго сосредоточенные параметры) или протяжённых объектов с жёстко фиксированной внутр. структурой (параметры, сводимые к сосредоточенным). Напр., тело, подвешенное на нити (маятник), относится к С. с с. п., если его можно считать точечным, а нить - нерастяжимой и невесомой; колебат. контур, состоящий из индуктивности L , ёмкости С и сопротивления R , является С. с с. п., когда размеры всех его элементов значительно меньше длины эл--магн. волны и структуру полей в элементах L, С и R можно идеализировать как жёстко фиксированную.
Описание движения С. с с. п. обычно основывается на ур-ниях, связывающих обобщённые координаты и обобщённые импульсы (в т. ч. поля, токи, напряжения) входящих в неё объектов. Порядок этих ур-ний определяется числом степеней свободы С. с с. п. Так, плоское движение маятника в поле тяжести или изменения тока в L, С, R -контуре описывается дифференц. ур-ниями 2-го порядка и соответствует С. с с. п. с одной степенью свободы. Ур-ния движения консервативных (сохраняющих энергию) С. с с. п. могут быть получены из вариац. принципа (см. Наименьшего действия принцип ).При этом различаются три осн. типа эквивалентных описаний движения С. с с. п.: через Лагранжа ф-цию, содержащую обобщённые координаты и скорости, через Гамильтона ф-цию, содержащую обобщённые импульсы и координаты, ц через ф-цию действия (см. Гамильтона - Якоб и уравнение) , выраженную через обобщённые координаты и их производные. В первых двух случаях в ур-ния входят полные производные по времени, в последнем случае - частные производные.
Лит.: Андронов А. А., В и т т А. А., X а й к и н С. Э., Теория колебаний, 3 изд., М., 1981; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика , 4 изд., М., 1988; Мандельштам Л. И., Лекции по теории колебаний, М., 1972. М. А . Миллер .
Расчёты, приведённые в данной статье, наглядно показывают, что влияние кабелей на передачу сигналов в спектре частот, слышимых человеческим ухом, пренебрежимо мало. Бессмысленно даже задумываться о ёмкостях, индуктивностях и длинах кабелей;
Кабели как и люди сейчас в кризис бывают двух типов: работающие и неработающие. :)
Несомненно, они не вносят никакого «окраса», «настроения» и прочих вещах, о которой так любят говорить продавцы или аудиофилы.
Кроме активного сопротивления, которое уменьшается с увеличением сечения, кабель характеризуется ещё и индуктивным сопротивлением, которое с увеличением сечения увеличивается. Да, большое сечение и низкое активное сопротивление способствуют улучшению передачи на низких частотах, т.к. снижают коэффициент демпфирования. Но увеличивающаяся индуктивность ухудшает передачу на высоких частотах. Завал ВЧ может быть подсчитан так же, как и активное сопротивление и может в реальных кабелях достигать несколько дБ на 10кГц. И плохое демпфирование и завал могут быть хорошо заметны на слух. Причём погонная индуктивность плоской пары увеличивается как из-за увеличения диаметра, так и за счёт увеличения расстояния между проводниками. Поэтому "толстенная" изоляция ничего хорошего, кроме вреда принести не может. Изоляция нужна как можно тоньше. В этом важное отличие звукового и силового кабеля. Недаром звуковой кабель имеет изоляцию, рассчитанную всего на 50В и об этом указано в паспорте. Наибольшей индуктивностью обладают одиночные провода (в жизни встречается и такое), наименьшей - коаксиал. Хороший звуковой коаксиал имеет отличную передачу ВЧ.
Поскольку звуковой кабель работает в широком диапазоне частот, то требования к нему предъявляются противоречивые. С одной стороны - он должен иметь большое сечение для высокого демпфирования, с другой - малое сечение для низкой индуктивности и хорошей передачи ВЧ.
Т.к. импеданс нагрузки кабеля (импеданс громкоговорителя) имеет сложную зависимость от частоты, в каждом конкретном случае есть оптимум по сечению/форме сечения кабеля. Заранее его предсказать невозможно, т.к. невозможно сказать насколько можно пожертвовать демпфированием ради хорошей передачи ВЧ. Для каждого индивидуума, в соответствии с его вкусом, может быть своё предпочтительное соотношение. Поэтому, ИМХО в большой степени, подбор оптимального кабеля является чёрной магией, на которой охотно спекулируют лохоразводчики.
В изложенном не имелось ввиду использование заведомо "неправильного" кабеля, праметры которого совсем неприемлемые (чаще всего слишком длинный и/или тонкий…)- здесь не вопрос ликбеза.
В общем случае более чем достаточно обычного акустического многожильного кабеля с диаметром жил 2,5 кв. мм.