1. Природа аудиосигнала и влияние электромагнитных помех на качество звука
Природа аудиосигнала и влияние электромагнитных помех на качество звука
Любая работа со звуком начинается с понимания того, что именно течет по проводам студийной аппаратуры. Звук в своей первоначальной форме — это механические колебания упругой среды, чаще всего воздуха. Когда певец берет ноту или гитарист ударяет по струне, они создают перепады акустического давления. Однако микшерные пульты, усилители и звуковые карты не умеют работать с давлением воздуха. Им нужен электрический аудиосигнал.
Преобразование акустической энергии в электрическую осуществляют микрофоны и звукосниматели. В результате этого процесса звуковая волна превращается в переменный электрический ток, форма которого в точности повторяет форму исходной звуковой волны. Именно этот хрупкий электрический слепок звука отправляется в путешествие по кабелям, где его подстерегает множество опасностей.
Уровни аудиосигналов и их уязвимость
Главная проблема аудиосигналов заключается в их микроскопической мощности на начальном этапе пути. Чем слабее сигнал, тем сильнее он подвержен влиянию внешних факторов. В звукотехнике принято выделять несколько стандартизированных уровней сигнала.
| Тип сигнала | Источник | Типичное напряжение | Степень уязвимости к помехам | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Микрофонный (Mic level) | Динамические и конденсаторные микрофоны | От 1 до 50 милливольт | Экстремально высокая | | Инструментальный (Instrument level) | Электрогитары, бас-гитары | От 100 до 500 милливольт | Высокая | | Линейный (Line level) | Синтезаторы, звуковые карты, CD-плееры | Около 1 вольта | Средняя | | Акустический (Speaker level) | Усилители мощности | От 10 до 100 вольт | Низкая |
Представьте, что микрофонный сигнал — это тихий шепот в переполненной комнате. Напряжение, генерируемое мембраной динамического микрофона, может составлять всего 2 милливольта. Если на этот сигнал наложится посторонняя электрическая наводка амплитудой всего в 1 милливольт, она исказит полезную информацию почти наполовину.
Электромагнитные помехи: невидимый враг
Пространство вокруг нас пронизано электромагнитными полями. Провода электропитания, трансформаторы, вышки сотовой связи, роутеры и даже диммеры для ламп освещения постоянно излучают энергию.
> Электромагнитная помеха (EMI, Electromagnetic Interference) — нежелательное физическое явление или воздействие электрических, магнитных или электромагнитных полей, электрических токов или напряжений внешнего или внутреннего источника, которое нарушает нормальную работу технических средств. > > Руниверсалис
Любой металлический проводник, по которому передается аудиосигнал, физически представляет собой антенну. Чем длиннее кабель, тем эффективнее эта антенна улавливает паразитные излучения из окружающей среды.
Классификация помех в звуковом тракте
В зависимости от источника и физической природы, помехи в аудиоаппаратуре проявляются по-разному. Звукорежиссеры выделяют три основные категории нежелательных шумов:
Сетевой фон (Hum*). Возникает из-за наводок от бытовой электросети. В России и Европе частота переменного тока составляет 50 герц, поэтому фон звучит как низкий, непрерывный гул на этой частоте (и ее гармониках — 100, 150 герц). Радиочастотные наводки (RFI - Radio Frequency Interference*). Высокочастотные помехи от радиостанций, мобильных телефонов и Wi-Fi. В динамиках они проявляются как треск, писк, жужжание или даже обрывки радиопередач. * Импульсные помехи. Резкие щелчки, возникающие при включении или выключении мощных электроприборов (например, холодильника или кондиционера) в ту же фазу электросети, к которой подключена аудиоаппаратура.
Если положить работающий мобильный телефон рядом с кабелем электрогитары, в момент входящего звонка усилитель выдаст громкую серию ритмичных щелчков. Это классический пример радиочастотной наводки: электромагнитное излучение телефона индуцирует в гитарном кабеле паразитный ток, который затем многократно усиливается.
Отношение сигнал/шум
Для объективной оценки того, насколько сильно помехи испортили звук, в инженерии используется параметр отношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio, SNR). Этот показатель определяет, во сколько раз мощность полезного аудиосигнала превышает мощность фонового шума.
Математически это выражается следующей формулой:
Где: * — отношение сигнал/шум, измеряемое в децибелах (дБ). * — мощность полезного аудиосигнала. * — мощность электромагнитной помехи (шума).
Допустим, мощность полезного сигнала от синтезатора составляет 1000 милливатт, а мощность наведенного на кабель шума — 1 милливатт. Отношение к равно 1000. Десятичный логарифм от 1000 равен 3. Умножаем на 10 и получаем дБ. Если из-за плохого кабеля мощность шума вырастет до 100 милливатт, отношение составит 10, логарифм от 10 равен 1, и упадет до 10 дБ. Звук станет грязным и непригодным для профессионального использования.
Физика наведения помехи на проводник
Процесс проникновения помехи в кабель описывается законом электромагнитной индукции. Когда рядом с аудиокабелем проходит силовой провод (например, питающий концертный прожектор), вокруг силового провода образуется переменное магнитное поле. Линии этого поля пересекают жилу аудиокабеля.
Изменяющееся магнитное поле заставляет электроны в аудиокабеле двигаться, создавая паразитное напряжение. Это напряжение беспрепятственно смешивается с полезным сигналом. Разделить их в дальнейшем практически невозможно, так как они становятся единым электрическим током.
Чтобы минимизировать этот эффект на практике, инженеры применяют несколько базовых правил прокладки кабелей:
Даже при соблюдении всех правил физического расположения, длинный проводник все равно соберет радиочастотный «мусор» из эфира. Обычный (небалансный) кабель, состоящий из одной сигнальной жилы и экрана, не способен отличить полезный сигнал от наведенной помехи. Любая наводка, пробившаяся через экранирующую оплетку, неминуемо попадет в усилитель.
Именно эта физическая уязвимость аудиосигнала заставила инженеров искать принципиально новый способ передачи данных на большие расстояния, что в итоге привело к изобретению симметричных (балансных) линий связи.