Dla akustyków

 

 

Transmisja symetryczna

Większość połączeń w sprzęcie profesjonalnym wykonana jest jako połączenia symetryczne. Sygnały mikrofonowe, DMXowe, połączenia LAN, a nawet USB. W jakim celu stosujemy właśnie taki sposób, który jest droższy niż transmisja niesymetryczna?

Celem stosowania transmisji symetrycznej jest zmniejszenie przenikania zakłóceń elektromagnetycznych do sygnału użytecznego, które mogą pojawić się w trakcie przesyłania sygnału na większe odległości. Istota tej transmisji jest przesłanie tego samego sygnału po dwóch przewodach niepołączonych z masa żadnego urządzenia, w taki sposób, ze drugi sygnał ma obrócona polaryzacje.

Poniższy obrazek przedstawia różnice w transmisji symetrycznej względem niesymetrycznej (obrazek jest dużym uproszczeniem, służy tylko do celów poglądowych):

Transmisja symetryczna vs. niesymetryczna

Na szaro zaznaczono pozytywny przebieg sygnału elektrycznego w transmisji symetrycznej, na czerwono negatywny. Zakłócenia dostające się do linii są identyczne dla obu żył (ponieważ obie żyły są blisko siebie oraz są ze sobą skręcone) i tak samo transmitowane. Po dotarciu do układu wejściowego, sygnał, który transmitowany był z odwrotną polaryzacją zmienia ją ponownie i jest sumowany z sygnałem nieobróconym. Podczas tego prostego zabiegu odwracane są również zakłócenia, następnie same się wyciszają.

W przypadku transmisji niesymetrycznej, zakłócenia, które dostały się do przewodu, docierają do samego końca i razem z nimi są przetwarzane dalej.

Ważną rzeczą w przypadku transmisji symetrycznej jest wysoka symetria linii transmisyjnej i odbiornika. W skrócie mówiąc, obie żyły powinny mieć taką samą impedancję i pojemność względem ekranu. Parametry te różnią się pomiędzy różnymi kablami. Zdarza się, że partia kabla średniej jakości nie zachowuje odpowiednich parametrów dotyczących symetrii żył, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo pojawienia się zakłóceń i przydźwięków na takim kablu.

W celu zmaksymalizowania równomierności przedostawania się zakłóceń do przewodów, żyły prowadzone są po spirali. Stąd zwyczajowa nazwa kabla czteroparowego do transmisji danych – ‚skrętka’. Kabel taki składa się z czterech par skręconych ze sobą przewodów.

Impedancja

Znamy formułę tłumaczącą, iż impedancja jest rezystancją, ale w układzie prądu zmiennego. Niby tak, ale nie do końca. Tak samo jak nie do końca prawidłowym jest nazywanie impedancji zawadą (która w rzeczywistości jest modułem impedancji). Jak sobie wyobrazić więc zjawisko, o którym mówimy? Jakie ma ono znaczenie dla elektroakustyki?

Zacznijmy od zwykłej rezystancji. Przed oczami mamy układ składający się z baterii i opornika (opornik brzmi bardziej jak z książki do fizyki ze szkoły podstawowej, więc go zostawiamy). Umawiamy się, że opornik ma oporność 1 oma (lub 1 Ω), a bateria ma napięcie 4,5 wolta (4,5 V). Łączymy zaciski baterii z końcówkami opornika, zamykamy obwód i zaczyna płynąć prąd. Jakie natężenie będzie miał płynący w tym obwodzie prąd?

Znamy doskonale wzór wynikający z prawa Ohma (tu wielką literą) XXX . Podstawiając wartości otrzymamy 4,5 ampera (4,5 A). Możemy nawet na szybko ocenić moc, która zostanie przez ten układ oddana: P = U * I, czyli 20,25 wata (20,25 W).

No dobrze. A co będzie się działo w sytuacji, w której zastąpimy prąd stały z baterii prądem zmiennym z generatora? W przypadku pozostawienia samego opornika w układzie, nie zdarzy się nic niezwykłego. Jeśli jednak oprócz rzeczonego opornika dołożymy szeregowo kondensator to sprawa zmieni się znacząco. Zaczynamy od bardzo niskiej częstotliwości, zbliżonej niemal do prądu stałego. Napięcie zmieniamy sinusoidalnie, od 0 do 4,5 V. Jaki teraz popłynie prąd w układzie? Zależny oczywiście od rezystancji opornika i pojemności kondensatora, ale również od częstotliwości. Przy bardzo niskiej częstotliwości kondensator nie będzie przewodził (mówiąc w uproszczeniu). Kiedy jednak zaczniemy zwiększać częstotliwość, opór elektryczny stawiany przez kondensator zacznie maleć, coraz większy prąd będzie płynął przez układ, aby w końcu osiągnąć maksymalną wartość 4,5 A (bo cały czas w układzie znajduje się jednoomowy rezystor).

Jeśli kondensator zastąpimy cewką, wtedy sytuacja się zmieni. Dla niskich częstotliwości (od prądu stałego zaczynając) cewka będzie miała impedancję bliską zera, więc prąd w układzie będzie ograniczony rezystancją opornika czyli wyniesie 4,5 A. Kiedy częstotliwość zacznie rosnąć, zwiększała się będzie impedancja cewki, a co za tym idzie będzie malał prąd płynący w układzie.

Kolejną różnicą będzie przesunięcie fazowe pomiędzy natężeniem a napięciem w układzie, co pokazuje poniższy wykres:

W zależności od tego czy obciążenie ma charakter bardziej indukcyjny czy pojemnościowy, przesunięcie natężenia prądu względem napięcia będzie miało wartość dodatnią lub ujemną.

Przesunięcie to ma dla nas duże znaczenie w kilku podstawowych aspektach:

  • zasilanie – w przypadku prądu stałego moc elektryczna była ilorazem napięcia i natężenia płynącego prądu (P = U * I, wzór już wcześniej przytoczony). W przypadku prądu przemiennego, moc wyrażona w ten sposób nazywa się mocą pozorną i wyraża się ją w VA (woltoamperach). Taką moc źródło mogłoby dostarczyć do układu, w którym nie występuje przesunięcie fazowe. Przyzwyczailiśmy się jednak wyrażać moc w watach, mówimy wtedy o mocy czynnej, różniącej się od mocy pozornej uwzględnieniem tego przesunięcia – P = U * I cosφ, gdzie φ oznacza przesunięcie fazowe. Dlatego też moce agregatów prądotwórczych wyrażone są w VA lub częściej kVA. Agregat nie wie, co będzie do niego podłączone, więc podana moc jest mocą pozorną. Gdybyśmy obciążyli taki agregat zwykłymi żarówkami, to moc czynna będzie w zasadzie równa mocy pozornej. Kiedy jednak podłączymy przeróżne urządzenia mające w zasilaczu transformator lub mostek i kondensatory, wtedy różnica będzie znaczna. Dla ułatwienia obliczeń i doboru agregatów przyjmujemy, że cosφ = 0,8. Jeśli więc potrzebujemy 80 kW mocy do naszych wzmacniaczy, lamp bądź wciągarek, musimy użyć agregatu o mocy 100 kVA.
  • filtry – praktycznie każdy filtr analogowy wprowadza przesunięcie fazowe. Przy czym jako filtr należy rozumieć zarówno pasywną zwrotnicę, aktywny układ filtrujący, a także filtr mechaniczny jakim jest głośnik (o określonych parametrach podatności zawieszenia i masie membrany). To przesunięcie fazowe wpływa na nasze wrażenia słuchowe, jako że nasz układ słuchowy działa jak analizator FFT pracujący w czasie rzeczywistym.

W wyniku pracy tegoż analizatora (opartego w swojej konstrukcji o błonę podstawną i komórki rzęsate) otrzymujemy wynik zespolony – poziom poszczególnych składowych i ich fazy.

Nie można też pominąć kwestii impedancji podczas połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami toru audio. Co prawda w większości przypadków producenci tak doprecyzowali standardy, że możemy łączyć wszystko ze wszystkim, są jednak miejsca, gdzie nie możemy zapomnieć o impedancji.

Przyjrzyjmy się prostemu połączeniu mikrofon – konsoleta. Mikrofon posiada swoją impedancję, nazywamy ją wyjściową. Wejście konsolety posiada dla odmiany impedancję wejściową. Symbolicznie pokazuje to poniższy rysunek.

Warunkiem odpowiedniej transmisji energii ze źródła do odbiornika jest różnica impedancji wejściowej i wyjściowej. Przyjmujemy, że impedancja wejściowa odbiornika powinna być około 10 razy większa niż wyjściowa źródła. Co by było, gdyby było inaczej? Rozważmy kilka wariantów.

  1. Impedancja wejściowa równa jest impedancji wyjściowej. To prosty układ. Łatwo zobaczyć, że połowa napięcia pozostaje po stronie źródła. Czyli 6 dB. To nieduża strata, ale zupełnie niepotrzebna.
  2. Impedancja wejściowa jest niższa niż wyjściowa. Poziom sygnału na wejściu spada o więcej niż 6 dB. Ale nie to jest głównym problemem. Okazuje się, że pasywne źródła dźwięku (mikrofony dynamiczne, przetworniki piezoelektryczne) obciążone zbyt bardzo nie pracują właściwie i powstająca w mikrofonie siła elektrodynamiczna utrudnia ruch cewki. Sygnał z takiego źródła może być zniekształcony, może mieć również bardzo nierównomierne pasmo (np. brak niskich częstotliwości). Klasycznym przykładem takiego błędu jest podłączenie przetwornika piezoelektrycznego (zamocowanego przy gitarze, kontrabasie czy innym instrumencie) bezpośrednio do wejścia mikrofonowego konsolety. Nie tylko ryzykujemy uszkodzenie przetwornika w przypadku podania zasilania Phantomowego przez konsoletę, ale zapewniamy sobie nienaturalne brzmienie instrumentu. W takim przypadku konieczne jest podłączenie poprzez DIbox – małe urządzenie, którego zadaniem jest właśnie dopasowanie impedancyjne oraz symetryzacja sygnału.
  3. Impedancja wejściowa jest dużo wyższa niż wyjściowa. Przy połączeniach wysokoimpedancyjnych pojawiają się dużo większe zakłócenia niż przy połączeniach średnio i niskoimpedancyjnych. Najczęstszym miejscem, gdzie spotykamy tego typu problem jest połączenie gitary ze wzmacniaczem. Impedancja wyjściowa przetwornika może wynosić 20 kΩ, zaś wzmacniacza około 1MΩ. Z tego powodu wzmacniacze gitarowe podatne są na zakłócenia. Podłączenie takiej gitary bezpośrednio do wejścia konsolety (2 – 10 kΩ) jest zasadniczym błedem, do DIboxa pasywnego (20 kΩ) nieeleganckie, a do DIboxa aktywnego (0,1 – 1 MΩ) całkiem prawidłowe.

Tłumienie

Jak każdy element bierny w torze sygnałowym, kable też wprowadzają straty energii. Nie są one duże z elektrycznego punktu widzenia, mają jednak istotne znaczenie w przypadku sygnałów audio, anologowych i cyfrowych. Kłopotem jest szczególne upodobanie kabli do tłumienia wysokich składowych sygnału. Jest to zupełnie zrozumiałe, jeśli zastanowimy się nad tym, jak działa kabel (czyli układ dwóch lub więcej współbieżnych przewodników). Z elektrycznego punktu widzenia kabel jest zbiorem szeregowej rezystancji i indukcyjności oraz równoległej pojemności (oczywiście upraszamy sobie widok, rezygnując z rezystancji izolacji, którą przyjmiemy jako idealną). Krótko mówiąc, kabel jest filtrem dolnoprzepustowym. To oczywiście generalizowanie, zjawisko jest jednak niepomijalne w pracy scenicznej.

Inaczej należy podejść do tłumienia związanego z cienkimi kablami sygnałowymi, inaczej do kabli głośnikowych o dużych przekrojach.

W przypadku kabli sygnałowych wrogiem nr 1 jest pojemność elektryczna. Dla sygnałów analogowych (f ≤ 20 kHz) nie jest to aż tak dramatyczna sprawa. Owszem, w przypadku kabli gitarowych, gdzie impedancje po obu jego stronach są wysokie, wpływ kabla jest niepomijalny, jest wręcz wyraźną składową brzmienia instrumentu. Dla połączeń, gdzie impedancje są niższe, wpływ pojemności jest dużo mniejszy, bywa jednak słyszalny. Tam, gdzie transmitujemy sygnały na duże odległości za pomocą kabli wieloparowych (które mają stosunkowo dużą pojemność i rezystancję) możemy spodziewać się utraty wysokich częstotliwości. Jeśli dopuścimy do zawilgotnienia kabla, wtedy zmiany będą większe (przenikalność elektryczna izolacji to 2-3, wody 81, zmoczenie kabla zwiększa więc jego pojemność o rząd wielkości).

Inaczej sprawa się ma z transmisją cyfrową. Do prawidłowej transmisji sygnału cyfrowego (o stromych zboczach) konieczne jest szerokie pasmo przenoszenia. Zgodnie z teorią Fouriera, traktowanie filtrem górnozaporowym sygnału prostokątnego prowadzi w efekcie do wygładzenia przebiegu i otrzymania sygnału sinusoidalnego. Sygnał, który stracił za dużo wysokich składowych może być niedekodowalny przez odbiornik. To samo zjawisko odpowiada za problemy z transmisją na duże odległości zarówno sygnałów AES3 (nazywanych popularnie AES/EBU) jak i MADI, a także protokołów bazujących na transmisji po skrętce.

Ciekawie przedstawia się sprawa z kablami głośnikowymi. Tutaj pojemność jest mało istotna. Większy wpływ ma rezystancja i indukcyjność. Impedancje wyjściowe wzmacniaczy mają wartość pojedynczych miliomów. Impedancje głośników i zespołów głośnikowych – pojedynczych omów. Powstaje więc układ rezonansowy (wraz z indukcyjnością samego głośnika), który powoduje zmniejszenie możliwości kontrolowania pracy samego głośnika. Użycie zbyt długiego kabla głośnikowego o za niskim przekroju może skutkować niechcianymi oscylacjami. Oscylacje te powinny być tłumione przez wzmacniacz i jego bardzo niską impedancję wyjściową. W tym miejscu możemy wprowadzić ‚współczynnik tłumienia’ (damping factor), czyli parametr będący stosunkiem impedancji wejściowej nominalnego zestawu głośnikowego do impedancji wyjściowej wzmacniacza. Na nic nam jednak bardzo wysokie wartości współczynnika tłumienia, jeśli impedancja samego kabla jest kilkanaście razy wyższa niż impedancja wyjściowa wzmacniacza. Niezwykła wartość spada na łeb na szyję…

Poniższy rysunek obrazuje wpływ zbyt dużej impedancji kabla głośnikowego. Proszę zwrócić uwagę, że pierwszy szczyt sygnału na końcu kabla ma niższy poziom niż na początku. To zupełnie zrozumiałe. Może się natomiast okazać, że drugi szczyt sygnału na końcu kabla będzie miał wyższy poziom niż na początku! A to jest sytuacja niepożądana.

Żeby nie zagłębiać się w fizykę, możemy przyjąć, że rezystancja kabla nie powinna przekroczyć 5% impedancji znamionowej głośnika. Jak to policzyć?  R = ρ l – wzór znany ze szkoły podstawowej (przynajmniej niektórym), gdzie R – rezystancja pojedynczej żyły, ρ – rezystancja właściwa materiału (dla miedzi ρ=0,0178 Ω*mm2/m), l – długość pojedynczej żyły, S – pole przekroju żyły. Oczywiście, dla kabla należy przyjąć podwójną rezystancję pojedynczej żyły.