电缆屏蔽足以用于视频,但不适用于音频

电器工程 声音的 噪音 屏蔽 趋肤效应 电场
2022-01-07 20:04:43

我不是音响设备方面的专家,但为了自学我一直在学习。在此过程中,我看到了一段视频,该视频测试了据称屏蔽视频电缆的音频屏蔽。(我无法证明它确实是一条视频线,我希望我不会掉进兔子洞)。无论如何,屏蔽在音频频率上不是很有效。(在整个过程中,我指的是屏蔽电场,而不是磁场。)

起初,这对我来说是有意义的。我推理如下。屏蔽层太薄。在视频频率下,趋肤深度非常小,因此薄箔可能仍然有几个趋肤深度。然而,在较低频率下,相同的箔片可能小于集肤深度。众所周知,皮肤深度是影响屏蔽效果的一个因素。结案。或者是吗?

经过进一步考虑,我不满意箔片的厚度与趋肤深度的关系可以解释为什么视频电缆的屏蔽可能不足以用于音频。

当然,我们可以在没有像 N 个 DC 趋肤深度那样厚的箔的情况下屏蔽 DC!即使在 60 Hz 时,(可能)铝的趋肤深度也太厚,以至于屏蔽的有效性取决于趋肤深度。确实,高频电场在通过导体时呈指数衰减,这种衰减与穿透的趋肤深度的数量有关。然而,音频电场的趋肤深度太大而无法解释导电箔的屏蔽效应。相反,正是箔片提供的低阻抗接地通路解释了屏蔽效应(至少据我所知)。

所以,我接下来考虑可能是箔的电阻太高了。但是使用的电缆长度很小,而且我不相信它是用大电流驱动的(尽管我无法证明这一点)。所以我倾向于相信箔电阻在这里不是一个重要因素。

这让我很困惑。也许视频没有透露重要细节或歪曲事实。也许我的理解有很大的差距。

对 MHz 信号进行充分屏蔽的电缆是否可能无法充分屏蔽用作音频电缆?

如果是这样,是什么机制使屏蔽不适用于音频?


澄清和担忧。

关于直流屏蔽。确实,直流电场不会引起“噪音”。然而,众所周知的事实是,在静电情况下,被导体包围的空腔内的电场为0。也就是说,电子在导体的外表面上重新排列,使内场为零。 . 我从未听说过,也不相信这种效果需要一定厚度的导体。因此,直流屏蔽,即使它对于防止噪声并不重要,也说明了我认为的事实,即趋肤深度不是低频屏蔽的一个因素。

关于视频中使用的“感应式”拾音器,我很确定它不是磁性拾音器,而是静电拾音器。它似乎类似于“狐狸和猎犬”追踪穿过墙壁的电线。还有一些自己动手做的传感器,可以用 FET 和一小段电线(连接到栅极)制成。它们通过电容耦合到电场而不是磁耦合来工作。

关于据称视频制作者未能将屏蔽接地。我考虑过这种可能性,但鉴于视频制作者至少对音频了解一两件事,如果他没有将屏蔽接地,那么它必须是故意欺骗的。我也考虑过这种可能性,但我就是不买。但是,即使视频是“假”演示,问题仍然存在。对视频进行充分屏蔽的电缆能否对音频进行充分屏蔽?如果是这样,它是如何工作的?

关于使用非编织线作为屏蔽层以及因此 EMI 穿过的孔:首先,我不敢相信这样的电缆在视频频率上会有用。但是,如果是这样,我仍然想知道它如何在音频频率上具有更少的屏蔽。音频的电波长太大了。EMI 通过屏蔽中的孔取决于 EMI 的波长小于孔的最长尺寸。电缆本身只是音频电波长的一小部分。

这让我想到了磁场与电场。在音频频率下,电波长很大。因此,我们几乎可以肯定是在处理近场效应,而不是远场效应在近场中,电场和磁场之间的比率不受空间本身的性质(就像在远场中一样)决定,而是由发射天线的性质决定。天线是否主要产生(近场)电场?还是(近场)磁场?同样,根据视频制作者使用的拾音器的性质,我认为他表面上检测到的缺乏屏蔽主要是电场。

4个回答

从概念上讲,在电屏蔽电缆中可能会在音频频率处引起磁干扰,但在较高频率下这不太可能,因为屏蔽层对磁场变得不透明。您不能忽略音频频率的磁场。通常用于屏蔽的普通导体(铝/铜)根本不会屏蔽它们。

虽然您可以使用例如 mu-metal 对电缆进行电气和磁性屏蔽,但在音频中防止磁场干扰的久经考验(且更便宜)的方法与 UTP 电缆中的相同:差分信号、双绞电缆和钢制底盘.

Todd Hubing 制作了两个视频系列,您可以在 YouTube 上观看:

它很好地表明所有金属都屏蔽了高频,但只有磁性材料屏蔽了低频。

另外,我对链接的 YouTube 视频的科学严谨性表示严重关切。视频中的那个人听起来像是他想出售使用 mu-metal 箔屏蔽或其他东西的昂贵电缆。

事实上,它是这个巫毒产品的销售视频。但电缆甚至没有磁屏蔽,只有一些巫毒成分,如空气管和“晴空导体”。我并不是说视频是假的,但整个演示可能旨在“揭示”这些电缆的一些所谓的优势,这在现实生活中是无关紧要的。例如,蓝色电缆可能具有较厚的绝缘层,因此噪声探头无法有效地拾取近场效应。或者黑色电缆的一端可能有一个断开的屏蔽层(我见过这样的事情),它的屏蔽层可能是浮动的。或者黑色电缆可能只是一个精心挑选的坏例子。

没有理由认为屏蔽具有单调阻抗。电缆中潜伏着寄生电感和电容,因此可以预期会有阻抗峰值和谷值。

可能只是电缆设计者费心使视频频率的阻抗低,因此音频频率落入高阻抗区域。阻抗与频率曲线将取决于电缆的所有方面,包括结构、材料和几何形状。

我的理解是,屏蔽层的阻抗始终与信号路径有关,包括趋肤效应和低阻抗接地路径。所有相同的事物概念。噪声(电流和电场)共同在一种带有返回路径的环路中传播,它类似于通过并联电阻的电流。每个电阻器都会有一些噪声,但最终在每条路径上的噪声比例取决于电阻的相对幅度(或技术上的阻抗)。

一个电阻代表屏蔽层提供的路径,另一个代表信号路径提供的路径。您的目标是使屏蔽所呈现的阻抗相对于信号路径非常低,并保持这种状态。这样,绝大多数噪声电流将流过您的屏蔽层,而信号路径中的极少。

但这里有一个问题:噪声,特别是高频噪声可以通过电容耦合传播(这在物理方面与首先引起噪声的电场几乎相同)。我很想说两个天线之间的信号传输几乎就像在电容器板之间传输的电磁能量一样。

因此,即使您对信号路径进行了绝缘,噪声仍然可以通过该绝缘电容耦合进入您的信号路径。本质上形成了天线,即使您隔离事物,电磁能也会离开导体并穿过空气(通过电容耦合)到达目的地。即使您将信号路径包围在屏蔽中以拦截电场,因此它们不能直接在您的信号路径中感应噪声,也不能保证现在在屏蔽中感应的噪声不会电容耦合到您的信号路径并引起噪声在那里,基本上是从你的盾牌跳到信号路径。

给定的电容在较低频率下表现出较高的阻抗,因此低频噪声不能轻易地从屏蔽层电容耦合到信号路径。换句话说,与包含屏蔽信号路径电容耦合的信号路径的路径相比,屏蔽本身往往呈现出低得多的阻抗路径以在环路中流动。

但对于高频噪声,情况并非如此。在高频噪声中,屏蔽层和电线之间的电容可能足够低,以至于涉及信号路径的路径低于屏蔽层下方的路径(屏蔽层像电线一样具有电感)。那时即使您有屏蔽,信号路径中也会出现噪声。屏蔽层中的孔(或孔径)之类的东西不仅为电场提供了一种通过屏蔽层并直接在信号路径上产生噪声的方式,而且还允许屏蔽层中的噪声电流从屏蔽层外部传播到屏蔽内部,然后它们可以电容耦合到信号路径中。

所有的趋肤效应是一种机制,您可以利用它来对抗高频信号如何轻松地从屏蔽层电容耦合到信号路径。趋肤效应为您提供了一种在屏蔽外部和内部信号路径之间的低阻抗路径中间呈现高阻抗的方法(如上段所述,孔径绕过此路径)。

这也是为什么您需要在屏蔽层和外壳外部之间建立圆周连接的原因。如果您使用电线将电缆屏蔽层连接到外壳,则会在屏蔽层和噪声之间形成一条高阻抗路径。从那里开始,屏蔽外部的噪声电流将尝试找到更容易的路径,并可以绕过屏蔽的末端到达内部,在内部屏蔽和信号线之间存在很大的电容耦合。而且,如果您不将屏蔽接地,噪声电流通过电容耦合到周围可能包括您的信号线的所有物体以及通过空气到达您的外壳。

在此处输入图像描述

注意通过空气的电容耦合,以及在屏蔽外部围绕屏蔽边缘流向屏蔽内部的电流。取自 Henry Ott 的电磁兼容性

检查这些曲线和不同屏蔽结构的解释: 如何选择电缆屏蔽以实现电磁兼容性 - 第 3 部分

另外,为了兴趣:

在此处输入图像描述

基于传输阻抗的电缆屏蔽系数预测简单方法

从直接经验(在经过修改以包含内置电源 PSU 的混音台上添加屏蔽)到屏蔽 50Hz 及其低频谐波的磁信号(如电源变压器),您需要大量的铁质材料。我们实际上购买了 mu-metal 并确实使用了它,但最好的结果是从车间清除的大块生铁。不过确实变重了。

音频系统中抑制低频“嗡嗡声”的主要机制是低阻抗线路驱动器,以及接收器具有高 CMR 的平衡电路(尤其是在麦克风电路中)。音频电缆上的屏蔽是有用且重要的,但您在这里要避免的是更多的射频,其中将包含可听成分 - 咔嗒声、嗡嗡声等。

感谢@tobalt 指出电缆的另一端是打开的。为了在有接收器时应用相同的结果,接收器必须具有高 z 输入(音频正常)并且不能有接地回路(可能发射器使用电池)。我将尝试解释在这种情况下会发生什么。

我们可以估计它周围的字段如下。假设源是 1 kHz 和 1V。1 kHz 时铜的趋肤深度约为 2 mm,可能大于屏蔽层的厚度。据估计,电缆的电阻为 100 mΩ,电容为 100 pF,电感为 250 nH。它的电阻比它的感抗大得多,所以它可以被建模为一个从一端到中间的电阻串联的电容器。当前进入它是\$\frac{V}{j \omega C}\$,约 1.5 μA。中间的电流是其中的一半。屏蔽内部的纵向电场是电流乘以屏蔽每单位长度的电阻,约为 100 nV/m。而方位磁场是电流除以周长,约为 300 μA/m。由于屏蔽层比皮肤深度薄,因此其内部和外部的场具有相同的数量级。我们看到电场和磁场的比值远小于 377 Ω。因此,感应干扰比电容干扰多。

在 1 MHz 时,铜的趋肤深度为 20 μm。电流是现在的1000倍。一个 7 倍于表皮深度厚的坚固护盾可将磁场衰减 1000 倍。因此,如果电缆没有端接,即使是视频电缆也可能会在音频频率上产生更多干扰。如果接收端在传输视频时被端接,电流会大很多,从而产生更多的感应干扰。

减少干扰的方法,以及为什么视频中那个人卖的电缆看起来更好:

  • 使探头远离电缆中心。因为磁场与周长成反比。使用较粗的电缆可以做到这一点。

  • 使用电容较小的电缆。使用较短的电缆最有效地完成。否则,可以使电缆的单位长度具有较小的电容,这意味着更大的屏蔽层和更薄的中心导体,这会改变其特性阻抗并使其不适用于高频。

  • 使用几个皮肤深度厚的防护罩。在 1kHz 时大约是 2 毫米的铜或 20 微米的坡莫合金。在 1 MHz 时,铜的趋肤深度为 20 μm,因此廉价电缆的屏蔽是有效的。

我最初认为设置是连接发射器和接收器的电缆,两者均以 75 Ω 端接。下面解释会发生什么。

总之。在低频时,电流遵循电阻最小的路径(接地回路)。在高频下,电流遵循电感最小的路径(信号电缆)。接地回路在低频时对不平衡信号的影响更大。

假设一个信号源通过一个 75 Ω 电阻放置在一台仪器的输出连接器的中心引脚和接地之间。电流有两条路径向下流动。请记住,电流总是在一个回路中流动,而返回路径只是这样标记的回路的一半。

  • 不良电缆的中心导体,接收器的 75 Ω 输入阻抗,不良电缆的屏蔽层。

  • 不良电缆的中心导体、接收机的输入阻抗、接收机的底盘、其电源线的地线、发射机电源线的地线、发射机的底盘。

这两条路径中的电流比率与两条路径不共享的阻抗的比率成反比。首先,它是导线的电阻,大约为 100 mΩ。其次,它是接地回路的电感量级为 1 μH,加上它的电阻应该小于廉价电缆屏蔽层的电阻,因为电源线通常更粗。

因此,对于音频频率,接地回路的阻抗较小,并且有很大一部分信号电流在其中流动。因为接地回路比信号对回路大得多,所以它会发出更多的感应干扰。

对于视频频率,我们可以看到接地回路的电感明显大于信号对的电阻。因此,较少的电流流入其中。因此产生的感应干扰较小。是的,在大约 1 MHz 处,大约 1 m 的环路仍然比波长小得多,因此我们仍然可以将其分析为集总电路,并且它仍然发出比电容更多的感应干扰。

由于 互惠,某物作为侵略者发出的干扰越多,它就越会把它当作受害者。

为了使屏蔽在低频下有效,其电阻最多需要与接地回路的电感相当。这个要求与要求屏蔽层的厚度与趋肤深度大致相同。

直接回答你的问题。确实,对 MHz 信号充分屏蔽的电缆可能对音频屏蔽不足。这是因为屏蔽层可能不够厚。被完美导体包围的空腔内没有电场。当导体具有电阻率时,流过它的电流会根据欧姆定律产生电场。完美导体中,趋肤深度始终为 0。这就是为什么超导体只需要在非超导基板上形成一层薄膜。