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电缆的结构与布线——电线的电缆应用

北极星电力网新闻中心  来源:百度文库    2011/4/11 13:50:18  我要投稿  
所属频道: 电线电缆  储能   关键词: 布线 电缆 电线电缆

北极星电线电缆网讯:  除了制造电缆的厂家以及那些对系统导线编排是否完美无瑕担负责任的技术人员之外,大多数音响专业人士还会考虑电缆是否美观、电缆的重量、价格、使用是否方便、以及损坏时责任的承担等。他们通常把对这些方面一般的不满意合并到一起而勉强地收货。几乎全部的人会远至注意到用于话筒、扬声器、数字网络等不同要求的电缆不同的电性能,但他们却常常宁可拧一拧混音器或者调整一下功放系统,而不去动一动或者接一接电缆。因此,不管怎样,掌握电缆的工作知识还是会带来一些好处的。

位于Tour de France的Reference研究所的Cusom电缆和电缆轴系统

为了了解对电缆都有些什么要求,以及构成一条“良好”的电缆都有哪些因素,对于了解电缆的作用是有帮助的。最简单形式的电缆,就是在两台设备之间传送电流。因此,准确地说,可以认为电缆是一种和电阻、电容一样的电器元件,并且,在实际上,它具有这两者的属性。电缆发现其本身乃是范围宽广的各种不同的线路中的一部分, 但我们将在这里看看话筒与电缆的连接。

在这里引入一些基本的电学理论将对我们有所帮助,因此,让我们首先从阻抗开始。阻抗是在 AC (交流) 电路中与DC (直流)电路中的电阻相似的东西, 它反抗电路中的电流流动,并且也用欧姆表示(不过它不能够用直流电表来测量)。阻抗(Z)包括容抗分量和感抗分量以及直流电阻分量。这些电抗随着电路中流过的信号频率而变化,当频率降低时容抗增大,而感抗则随着频率的升高而增加。

由于阻抗是通常用来描述一个话筒的参数之一,所以辨别话筒的阻抗特关重要——高阻抗的话筒比低阻抗式话筒产生较高的输出电压,并且要求的放大量较低。但多数专业的话筒为低阻抗,并且在其放大器的前端需要输入变压器以提升话筒信号的电平,低阻抗话筒有很多的优点,这些优点对电缆很有意义。当话筒与电缆的容抗连接在一起时,高的信号源阻抗会使高频衰减,而低的信号源阻抗则可以减少这些高频的损失,并且在使用比较长的电缆时带来的干扰更少。

其他减少干扰的有效方法是使用平衡线路连接,平衡线路连接比简单的双线线路为好——最常见的平衡线路使用三个插针的XLR插头座连接,这种连接比单声道的四分之一英寸插头座要好。XLR除了连接公共点 (大地或底板地)之外, 还使用两根不同的信号线。这些信号线携带相同的电信号,但一者对于另一者是反相(极性相反)的。这并不能阻止进入到线路中的干扰,但它意味着当反相信号再次反相并且在线路接收端加到“in-phase”(同相)信号上时,由于两个干扰分量是反相的,因而互相抵消掉。这种传输方法另外的优点是:它不再需要把相同的接地点延伸到线路的各处,因而有助于避免干扰信号形成地回路。

理想地,平衡线路的每一边对地提供相等的阻抗。不平衡信号可以由使用作为导线对(pair)的“热”端和作为公共端的地而产生。浮地线路没有对地参考,因此线路的一边必须接到公共端以使它“不浮地(unfloat)”。

电缆的结构

低阻抗话筒平衡线路使用的基本电缆是一种屏蔽的绞合导线对。它由两条绞合在一起而又互相绝缘(经常使用填充物)的铜导线组成,用铜作屏蔽并且包上保护套管或保护膜。消除干扰的能力取决于感应进入两根信号导线的噪声的相等程度,并且用把两根导线绞合在一起,使它们之间的距离减到最小的方法,以帮助平衡他们接收到的外部干扰和改善共模抑制比(CMRR)。该两导线还起到接收电磁干扰(EMI)的天线的作用。两根导线距离越远,天线变得越大,而它从干扰源(例如变压器、日光灯镇流器、到舞台的交流线路等等)接收到的干扰就越强。

任何电缆的导体粗细均取决于它需要负载的电流大小。在作为话筒电缆使用的情况下,该电流应该说不超过10微安,功率小于1微瓦。许多低阻抗话筒电缆使用美国线规 AWG 24号的导线,而多对的蛇形(snake)电缆为把七股AWG 32号绞合成的AWG 24号导线。在每根导体中使用多股导线可以使电缆柔软,并且还有助于延长它的使用寿命。由于歌唱者们使用手提话筒会有移动一根电缆达到七个小时的习惯, 在这种情况下,经常需要更细的多股线绞合成较粗的导线, 有时候会粗到AWG 18 或者 20号。然而,由于应用了过粗的导线可能损害电缆的声学特性。

其他被广泛地使用的电缆类型为星形四心导线。这种屏蔽的四导线结构是有效地把两对导线绞合在一起的。把四条细的导线安排在大一点的空间中,进一步把对电磁干扰的抑制改善到一个达到10 (即20dB)的系数。这使得星形四芯电缆在话筒及平衡线路中应用(例如在现场音乐会和电视制作)时非常受人欢迎,在这些地方,经常有大量照明和摄像设备用的电源电缆围绕着表演者。

当星形四芯线电缆用于低阻抗话筒时,它的结构在实质上降低了电缆的感抗。在高阻抗的乐器电缆中,高频响应的敌人——并联电容在低阻抗应用中则影响非常轻微。串联电感(用微亨或µH表示)则否。圆形导体的电感很大程度地与其直径或大小无关,并且与其长度不直接成比例。并联电感的表现有点像并联电阻——并联连接两个等值的电感时,它们的电感值并不会加倍,而是变成一半。

在电缆结构中,使用了两根并联连接的AWG 25号导线来代替绞合导线对(pair)的每根AWG22号导线将会得到电阻相同而串联电感则减少约一半的结果。这样的结果将会改善高频性能——比较好的清晰度,不需要用均衡去提升高端响应。

还有一个重要的特点是“集肤效应”,这是一个在较高频率时,引起流过圆形导体上的电流改流到该导体表面上去的现象,这使得该导体几乎仿佛变成了一个空心管一般,(也就是这个效应,使得同轴电缆成为可能)。这个效应在高频时增大了导体的表面电阻,并且引起相移。

在平衡线路结构中的反相信号分量可以被认为是相等而反相180度的。在用平衡线路工作时,如果两个相同的信号彼此相位相同,把它们相叠加将会使信号的幅度增加一倍;而当他们反相180度时,把它们相叠加则将会造成他们互相抵消掉。由集肤效应引起的相位延迟为每一集肤深度一个弧度(约57.3度),而无论导体的直径很大或者很小,在任何相同的频率下每根导体的有效集肤深度都是相同的。因此,如果使用较细的导线,“集肤深度”相应地比较大,因而它的影响将减至最小。星形四芯线电缆优越的噪声抑制还降低了互调失真——与信号不和谐的“侧音”。

在话筒电缆中使用的绝缘材料通常用聚乙烯及聚丙烯造成。由于要保持电缆直径约为一英寸的四分之一,因此,典型的两导体话筒电缆的绝缘物厚度大约为.020英寸——同轴型乐器电缆的一半。因为这层壁相对较薄,焊接时要求良好的热控制,以避免它融化。对于需要很薄(.010英寸)的绝缘时,有时候使用cross-linked的聚乙烯。cross-linking工艺过程(类似于制造热缩套管时使用的工艺过程)大大地减小了在焊接时绝缘材料融化及收缩的问题。

电缆的另一个组成部分是纤维状的填充物,这些填充物是和导线绞合一起的,用来帮助保持电缆芯的圆形,以避免加工完成后的电缆旋绕。双绞合对的电缆不是圆形的,而如果没有填充物,除非加上很厚的外套,否则电缆形状将会是波动起伏或者卷曲的,但是,厚的外套将大大地影响它的柔软性,并且使到它剥线困难。填充物还能够吸收电缆在使用时受到的某些物理应力。项链式话筒使用的某些特殊的小型电缆使用全铜的多股导线绕在合成的 Kevlar园形纤维芯子上。这种电缆的直径小于1/8英寸并且格外地坚韧,但是因为它需要把不能够焊接的Kevlar 和铜线区分开来,所以它很难于端接。

噪声、屏蔽和维护

在同轴电缆上使用的“降噪”半导电性带状卷绕物或者导电的PVC层,是用来“泄放掉”由屏蔽层对内导体绝缘物摩擦而产生的静电的。当信号源阻抗很高而电缆被弯曲和握持时,将可以听到这些静电电荷的噼啪声。低的信号源阻抗对这类静电的产生具有抑制作用,把静电效应减到最小。某些电缆使用带有铜质泄放线的导电纺织物或者塑料屏蔽,或者加上很低规模的铜丝编织物使到电缆易于端接和获得低的直流电阻。这类的结构很柔软,当频率升高时,它的屏蔽效果受到很大损失,由于其低的导电性,在高于10千赫兹时,屏蔽效果很低。

一种称为“摩擦生电效应”的现象,是有时候当电缆碰击舞台或者被践踏时产生非常快的噪声的原因。这与电容有关,并且是由于在电缆移动和变形的时候在护套内部积累了电荷而引起的。幸而,除了在很低信号电平时引起的噪声之外,由于低阻抗话筒与它的前置放大器或者输入变压器存在的阻抗失配,使到这些静电效应引起的无关重要的噪声可以忽略。

低阻抗的话筒电缆使用与同轴型乐器电缆相似的基本屏蔽方法。制成的铜丝编织网通常对射频干扰(RFI)提供最好的高频屏蔽性能和保护。这是因为铜编织网的高导电率以及对高频的低电感、自短路构造(self-shorting configuration)的缘故。它在制造时是最费钱的,并且又是最难以端接的。螺旋形缠绕的铜用于屏蔽时,其特性是非常导电的,当它们展开时类似一个长的线圈。这会损害高频的屏蔽,并且在100千赫兹以上时不起作用。

金属箔屏蔽的电缆广泛地使用在永久性的安装工作中以及供便携的多对“蛇形” 电缆用。廉价、重量轻以及细长的外形使到金属箔屏蔽的电缆有利于应用在需要把电缆拉进导管的场合。在这些情况下,如果导管是金属的并且正确接地的话,可以大大地增强聚酯薄膜/铝金属箔对射频干扰及电磁干扰的屏蔽性能。在射频时,有很大优点的金属箔屏蔽全面覆盖由于典型地用来端接它的铜泄放线的电感特性而或多或少会受到损失,并且在低频时,由于金属箔/泄放构造相对低的导电率使性能受到妨碍。在需要反复弯曲卷绕使用时,金属化聚酯薄膜带将开始损失其铝粒子,在屏蔽层中出现裂缝。当把多对电缆使用在巡回演出系统中时,屏蔽层的破损可能导致各声道与无线电拾音器之间的串音增加,这可能是一个特殊的问题。

再进一步去到有关电缆敷设对机械方面的考虑。在户外广播、音像录制或者在电影制片厂及现场舞台,常常可以见到装在电缆轴上的多心电缆。而其方便性需要从多方面考虑,这给电缆的结构和维护带来了其他的考虑因素。尽管有现货可供选择,许多用户和制造厂家对电的和机械的要求,还是以注重应用细节的解决作为唯一现实的选择方案。由于维护和保存电缆对电缆的性能和寿命有直接关系,这些必然地包括了电缆的结构和电缆轴两方面。常规电缆对解决这两方面的因素更为有利的优点是:它可以为特殊的要求和用途根据它的性能和使用环境条件优化 – 不管是无秩序的、演出很糟糕的音乐节也好,或者电视台电磁干扰放电的环境也好。但是使用正确的屏蔽、端接和维护,你的话筒电缆就将像你最新的技术玩具一样令你得益。

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