V 隔離的對象與各種隔離的方法
系統或單元或元件對外界環境所做摒蔽之處置,謂之隔離,而系統裡面的各個單元之間,以及單元中各元件之間所做相互間的摒蔽行為,亦謂之隔離。一個系統其干擾的來源除了系統以外周圍環境對系統之干擾,尚有系統內部的相互感應,所已隔離作業的施行,也必須針對這些不同的來源,而其工程的大小也有不同,舉例而言:一間專門做為調整收音機調諧器的房子必須將整個房子隔離,使空間中的任何足以干擾它的訊號被摒除於房子外;一部示波器為了不使外界的磁場及電場干擾它內部的各個單元,而將示波器置於一小型隔離室裡;又示波器不做完全隔離而僅針對示波管做局部隔離的處理,一般而言示波管內部電子束最容易受磁場及電場的影響,所以變壓器、電感器之漏磁以及其周圍的電路裡所含的電位差形成之電場均足以形成干擾的現象,所以示波管常裝於小型隔離罩中;調諧器之高頻調諧及放大電路,為免受外界電波訊號的干擾,且為免其本身電路對外界產生干擾,故這部份電路常有隔離罩隔離起來;又一只場效應電晶體,因其對電場之敏感性甚鉅,故將此一枚電晶體之金屬外殼接地,藉以隔離其周圍之電場。由以上的例子,可見隔離作業對整個系統、對單元、對局部、對元件都得以施行,音響器材的隔離如變壓器的隔離、電源電路的隔離、磁頭均衡放大器的隔離等皆是。
系統之周圍環境除了我們今天在這兒所討論的電場以及磁場之外,尚有溫度、濕度以及放射線等等,但後者不列入我們討論的內容。所以我們把隔離作業的對象簡單分為兩類,即A:游離電位的隔離。B:磁場的隔離。
空間中,任何兩點之間有電位的存在,則這一電位就相對產生了電場,這電場剛好呈現在電位端點之間,所以只要處在這個電場中,皆有感應的可能,如果屋頂上高架的電纜線,這電線對地之間存在一仟伏特的電壓,那麼地面到電纜線之間就有一仟伏特電壓所建立的相對電場存在,因為這種電場的形成,會隨著兩電位端點間介質之性質而改變其強度,故其任意一定點位置並未具有一固定電位,也不是對距離均勻的等量分配,所以我們稱它為游離電位,另一面,其電位端點之間的介質也可能因這電場的存在,而形成游離的離子分布。
我們在討論迴路感應時,曾就其迴路對磁場的感應的現象做過一番討論,所以我們知道,隔離磁場是隔離處置的一大主題。不管是電場,或者是磁場,它們以各種不同的頻率與各種不同的強度存在系統或單元周圍。它存在的強度對感應量的大小有直接的關係,而接受干擾量的容忍度對各系統均有一定的限制,只要系統感受到干擾的量對系統成為不可忽視的後果,就必須施行隔離作業。對強度的干擾現象要作強度的隔離,方能使隔離作業有效。另外電場和磁場的頻率的大小對系統有不等量的感應,也就是系統對周圍電場及磁場的干擾也有頻帶的選擇,舉例而言之,收音機對電器開關以及火星塞所發出高頻的突發干擾訊號特別敏感,而對變壓器所發出市電頻率的磁場則無影響,但是一具高靈敏度的電子方位角計測儀,它對地球磁極的磁場非常重視,而對射頻訊號卻不接受感應。我們音響系統裡的磁頭均衡放大器對聲音頻帶的磁場及電場皆有接受其干擾的可能。又一部RF訊號產生器,它的可變電感器對磁場的相應諧振頻率有相當的感應作用。諸如以上種種的例子,我們可知不管是大系統或是小單元,其隔離作業的處理先須決定其有必要與否,也就是先了解其所能接受感應量的多寡以及其環境所存在可能最大的感應,然後須了解其感應的種類與頻率,而選擇最正確的隔離材料與隔離措施。
VI 交流聲
通常稱市電電源頻率的一倍及二倍的頻率的訊號為交流聲。市電為達到傳送的目的在系統的周圍環境佈置了可稱複雜的傳輸系統,而這些傳輸系統並沒有做好本身的隔離,使得其他系統有被其干擾的現象產生。
在定義裡面,我們並沒有把交流聲的來龍去脈說得非常詳盡,可是我們知道凡是因為我們使用的市電所引發而起的任何干擾現象,都可稱得上是交流聲。交流聲並不是專指音響系統裡喇叭所發出的哼聲,而一如電子類儀器或其他系統,由市電所引起的訊號是我們不需要的。幾乎所有有關電的系統,它所使用的能源皆為直流電,但是直流電在傳輸方面來講,是不經濟而不確實的,譬如我們家庭用的110V燈泡,如果使用直流電,則發電廠也必須發出110V的直流電力方能配合使用,如此一來,電力的傳輸無法作升壓降壓的處理,使得電力輸送的作業變得非常困難,再者,我們使用的系統可能需要很多組不同的直流電壓,那必難以從單一的直流電源取得,所以我們只要需要直流電源必由交流電源取得,在經過變壓和整流的處理,成為接近直流性質的電源。在交流電源變直流電源這個程序當中,必然無法做得非常完善,使得直流電源中亦含有另外一種由原來交流電源所引起的訊號,這訊號可能會被送到很多單元中而成為主要訊源的一部分,也可能這系統中的單元經由其他路徑感應得交流電源的訊號,然後在系統中各個單元處理的結果中顯現出來。音響系統各單元處理完成後的結果是揚聲器所發出的音波訊號,如果有交流生存在其中,則因交流聲的頻率亦在人耳的感應範圍之內,使我們的耳朵得以聽聞。一般的市電電源頻率有50Hz,60Hz及400Hz(特殊用途),它們的頻率都在我們的聽覺範圍之內。另外由市電電源所產生的諧波,如60Hz產生120Hz,180Hz,240Hz等,亦是交流聲的另一種存在方式。各種不同功能的系統對交流聲的反應也不一樣,上面所言音響系統對交流聲的反應是耳朵能聽聞的只是一例而已。
系統中處理交流電源變為直流電源的單元我們稱它是電源供應器,最簡單的電源供應器所包含的元件有變壓器、整流器和濾波電容器,用於音響系統中的功率擴大機的電源供應器即屬此型,它把市電電源經由變壓器後得到所欲得的電壓值再整流濾波成為可以使用的直流電源,這直流電源在沒有負載的時候,幾乎是理想的直流,而在加上額定負載之後,就會產生兩倍於電源頻率的交流漣波電壓,這交流漣波的成分含有60Hz的各次諧波,而它們的總和的量就是交流聲的量,這個值和原來直流輸出的電壓值相比,可得到一交流聲的比值,在直流電源供應器單一的單元中,我們稱它為漣波比,另外電源供應器電路的型式中尚有L型濾波電路,π型濾波電路,還有含有主動元件如電晶體、真空管等電路的型式,不同的直流電源供應器對其輸出之直流之比值皆有不同,愈複雜的電路可能得到更好的效果。
系統中的各單元對交流聲的抑制能力也有一定的程度,有的單元對電源中所含交流聲的抑制能力很差它就要配合使用效果優良的電源供應器,有的單元對電源中的交流聲的抑制能力很強,則它對電源供應器的要求也就不很嚴格了,我們用一音響系統中的擴大機來討論它。一部擴大機中含有磁頭均衡放大器、音質控制器、後級擴大器,則這部擴大機它在額定的動作狀態下,其輸出的訊號中含有多少的交流聲可以求得,也可以測得。我們把這擴大機中的三個單元對交流聲的抑制力分別用數值標示出來,如圖十一所示,
三個單元分別用NR1,NR2,NR3表示,而相對的三個電源供應器所輸出的交流聲為NS1,NS2,NS3,又每個單元對交流聲的綜合增益為A1,A2,A3,每個單元的輸出端點的交流聲訊號量為O1,O2,O3則第一個單元磁頭均衡放大器的輸出訊號量O1為NS1×NR1,第二個單元音質控制器的輸出訊號量O2為O1×A2+S2×NR2,第三個單元後級擴大器的輸出端的訊號量O3極為O2×A3+NS3×NR3,把這些公式完全代入,則可得:
O3=NS3×NR3+A3[NS2×NR2+A(NS1×NR1)]以上的結果是不考慮像量及角度所得的結果,但可以建立系統中各單元對交流聲影響的觀念,亦即在這擴大機當中,因各單元有放大作用存在,所以愈是在前端的單元愈不能接受到交流聲的干擾與感染,否則將使這惡劣的結果一級一級放大下去,(在迴路感應的討論中我們也述及此項性質),在實際作業裡,如果後級擴大器用一般的二極體及濾波電容器組成的電源供應器,音質控制器則需要有含然納二極體的電源供應器,而磁頭均衡放大器的電源供應器可能要用IC電路。
以上我們討論的交流聲行走的途徑及其存在的型式只是交流聲總量的一份子而已,我們把電源供應器所輸出之交流聲是為系統輸出訊號中的第一種來源。第二種來源是磁感應,也就是迴路對磁通的感應,這兒所言的磁通就於因交流市電所引起的磁力線,大部分存在於系統和單元周圍的磁場可能都是由變壓器的漏磁得來的,所以其頻率也就是市電的頻率了。磁力線也就是變壓器的磁場和交流聲有所牽連的幾種現象我們將它列在下面,以供討論。
1.擴大機裡面電源變壓器使用隔離罩將變壓器之漏磁減至最小。
2.擴大機內,離變壓器最遠的是磁頭均衡放大器,次遠的是音質前置放大器,而後才是功率擴大器。
3.擴大機輸入訊號的輸入插孔遠離變壓器,而輸出端子則全集中在靠變壓器的一側。
4.面板上的小訊號控制器,都遠離變壓器。
5.錄音座裡面的變壓器使用特殊的隔離罩之外又將變壓器用絕磁物質墊高,使不與導磁的鐵質機殼接觸。
6.錄音座內的變壓器必離磁頭最遠,且有方向和角度的顧慮。
7.唱盤裡的變壓器及馬達對電磁唱頭有相當程度的敵對,因而每一廠牌對變壓器與馬達和電磁唱頭之間,皆做了相當程度的處置。
8.我們都喜歡有隔離罩的變壓器。
9.擴大機裡面磁頭均衡放大器使用隔離罩完全封住。
以上所列之例均取自音響器材,而拆開示波器、訊號產生器或其他較精密的電子儀器,則各種手段與花樣層出不窮。導引磁力線的介質有甚多,空間中無物質的狀態所得的導磁係數為1,其他介質的導磁係數則以此為基準,變壓器主要是使用磁力感應的原理方能得到能量轉換的目的,也才得以變更輸入與輸出之間相對的電壓。磁力線經由E型和I型鐵蕊(也有別的形狀的)而構成閉合的迴路,但是空氣或真空也是導磁的介質,所以磁力線經由鐵蕊的同時,也經由空間,愈是靠近變壓器的地方磁力線數愈多,也就是磁通愈密,而遠離變壓器則磁力線數相對減少。系統中各單元對其感應量有不同的抑制力,而一經感應,則變成電訊號傳送,和前述的交流聲的感應情形就大致一樣了。我們已經知道磁力線能佈滿整個空間,只是視其磁力線數的多寡而已,因此,要避免磁力線對交流聲感應的來源,我們所採取的對策當然是將系統或單元遠離磁力線的源頭,如前例所言,磁頭均衡放大器離變壓器最遠的現象即為引證,再者亦須考慮其各單元對磁力線的敏感程度而決定。在沒有辦法用距離來換取效果時,就要開始隔離的措施與處理了,所以有變壓器本身的隔離和被感應單元的隔離措施之被採用。
這二種交流聲的來源──磁場,我們在迴路感應一段也有討論,所以重複的部份就不再贅述,今天還要討論第三種交流聲的來源即電場和訊號感應。由市電電源所形成的電場佈滿了我們生活的空間,我們所接觸的任何物質(就是人體本身亦然),其中一點和另外一點之間都有可能會有電位的存在,我們仍然以音響器材為主題來討論由此形成的交流聲。
有幾種現象,讓我們先來討論它為什麼?
第一種現象:用手觸及擴大機的輸入端則喇叭會有交流聲產生,所以使用音響時有這麼一道禁令,即不可手觸擴大機的任何輸入線,尤其是電磁唱頭輸入及MC唱頭輸入線,如果有以上之行為,則可能對音響器材造成損壞。(以上所說的輸入線是指隔離線中間的一條導線)。另外我們在接上或拆下擴大機輸入端的插頭時,則喇叭也會有很響的交流聲產生,甚至於把機器燒毀。由以上現象可知,雖然我們人體並非什麼特定的訊號源,而我們人體卻因處在空間中而感應到相當程度的交流電的量,觸摸擴大機的輸入端時,這交流訊號就被送到擴大機裡面去放大了,然後由喇叭表現出來。
第二種現象:用手由遠而近的接近電磁唱頭的輸入點(一般是在蓮花座的內側)的位置,雖然沒有直接接觸,而喇叭的交流聲卻由小而大的變化。除了用電場來解釋這一現象之外,我認為空間中的任何兩個點有電阻和電容的存在,既然如此,就可以用等效電源來表示人體所含(對擴大機之地電位而言)的交流電,然後再用一等效電阻來表示空間中相對距離間的兩點所含的等效阻抗,(這阻抗必然隨空間中所含的氣體的種類與成分而變,同時也和溫度濕度及雜質有關),再和磁頭均衡放大器的輸入阻抗相串聯成迴路狀態,圖十二所示得以簡略表明其間的關係。
上面所述我們是空間中之空氣為電阻的形態,那麼兩個距離較近的點其間的阻值必然較小,而較遠的距離就較大,所以任何存在空氣中的電位,必然會在空氣中形成電位降,而空間中單位距離之兩個點就會有一定量的電位降了,如果電位愈高,則電位降也就愈大。由以上我們討論的兩個現象,就可得到若干結論,即對交流聲感應愈靈敏的系統或單元,他必須遠離高電壓的交流電所建立的游離電位場,此項游離電位給予系統或單元的感應量是和電位的高低成正比,和距離成反比,同時和系統或單元本身的感應點阻抗成正比。就一電路來論及其對此項感應量的總和。如果磁頭均衡放大器內有五十個元件,有三十個節點,則任意一個元件均會感應到若干的量,而任意兩點結點所形成的路徑亦為感應路徑,那麼三十個節點可以得到不同而對應的組合有甚多甚多,用計算式來代表,將無比複雜,因此,我們就截取電路中感應最靈敏的一個點所感應得的結果來代表這個電路的感應程度。
磁頭均衡放大器中最靈敏的感應點是輸入端與地之間。我們如果把系統或單元用隔絕磁場的材料隔離起來,這隔離罩可能亦為導體,這樣的隔離措施就兼具有隔磁及隔游離電位的功能。由以上的檢討希望諸君均能了解交流聲的來龍去脈,並活用於系統及電路中。
VIII 結語
這一篇「接地;迴路感應;隔離;交流聲」總算得以歇筆了,這樣包含四個主題的研討過程,或有未詳盡及牽連重複的地方,而我們盡量引用實際的例子來說明這四個主題的現象和處理的要領,希望能彌補當中的缺失。
在真空管時代,一部擴大機裡面的配線,可以說統統接到機殼就沒有錯,即沒有所謂的迴路感應的現象,也不需要某些特殊的隔離,同時也不會有交流聲的產生。現今的工業界和電子界,對各種設備所要求的精度和分解度已較數十年前大大的提高,而越是精密的系統,對本身內部的處理要求就更加嚴格,而對外界環境也列入其考慮的因素,這當中由%進步到PPM的現象是眾目可見的。又以音響系統為例,以前只有幾球幾燈或再進一步幾瓦的規格,根本就沒有人去理什麼阻尼因數、TIM失真之類的名詞,所以科學技術演進的結果創造出更合乎理想化的物品來,以為人類所享用。今天敝人能藉筆在此和大家一起討論這一些問題,以盡技術人所能為的點滴貢獻,也是一大榮幸。
轉載音響技術第52期APR. 1980 接地˙迴路感應˙隔離˙交流聲/洪 飛
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