Ссылка на оригинал статьи https://electroclub.info/other/acoustic-cable-measurements/
Акустический кабель – измерения
Начало
Я уже писал статью про скин-эффект: Скин-эффект в аудио кабеле. Что это такое, откуда он берётся и почему нам не нужно бояться скин-эффекта в аудиокабелях. Также я измерил реальный скин-эффект на некоторых аудиокабелях. Результаты измерений приведены в статье Реальный скин-эффект в кабелях. Они подтвердили теорию: скин-эффект в аудиокабелях практически не проявляется, и его опасаться нет смысла. Борьба со скин-эффектом также не имеет смысла.
Главным врагом аудиокабеля является его индуктивность. Именно рост индуктивного сопротивления с частотой может привести к повышенному затуханию сигнала в аудиокабеле на высоких частотах. Поэтому имеет смысл изготовлять кабели не со сниженным скин-эффектом, а со сниженной индуктивностью. Хотя на самом деле производители делают не то, что выгодно нам – покупателям, а то, что выгодно им – производителям. А потом при помощи маркетинга и рекламы убеждают нас покупать именно эту продукцию.
В статьях, приведённых по ссылкам выше, реальные измерения выполнялись только на нескольких частотах, что снижало наглядность результатов. Недавно мне в руки попало измерительное оборудование, на котором было возможно измерить свойства аудиокабеля на различных частотах. Поэтому я выбрал четыре наиболее характерных аудиокабеля, и измерил их свойства. Два из этих кабелей участвовали и в предыдущих измерениях, так что можно сравнить результаты экспериментов. Ещё один кабель очень похож на тот, что использовался прошлый раз. Так что эти мои измерения можно считать дополнением предыдущих.
Все кабели медные и предназначенные для аудио.
Аудиокабели
Первый кабель показан на рисунке 1. Это очень дешёвый, но приличный кабель сечением 2,5 мм2 и стоимостью порядка 2…3 доллара за метр. Кабель такого сечения рекомендуется использовать, если расстояние от усилителя до колонок составляет 3…5 метров. Особенно для низкоомных колонок. Этот кабель аналогичен «обычному» кабелю, исследованному в прошлый раз.
Название кабеля на графиках – «2,5 мм2».
Второй кабель немного более красивый. Его проводники изготовлены из свитых пучков обычной и лужённой меди, что довольно красиво, рис. 2. И изоляция кабеля тоже более «благородная» — квадратного сечения. И надписи на кабеле: OFC и Hi-Fi. Оно понятно, что написать можно всё, что угодно, но покупателю приятно. Технически такая конструкция кабеля не имеет никаких преимуществ. Кабель такого сечения рекомендуется использовать, если расстояние от усилителя до колонок составляет не более 3 метров.
Стоимость такого кабеля порядка 1,5…2 доллара за метр, так что это тоже обычный дешёвый акустический кабель.
Название кабеля на графиках – «1,5 мм2».
Третий кабель (рис. 3) ещё красивее, тем более, что он монстр! По крайней мере так написано на самом кабеле — MONSTER. В этом кабеле приняты меры для снижения поверхностного эффекта. Центром кабеля является тонкий (порядка 1мм) полиэтиленовый стержень, а поверх него расположены обычные медные проводники, рис. 4. Таким образом, из центральной области кабеля, «где ток не течёт», медь удалена и перенесена в наружный слой, где течёт максимальный ток.
Название кабеля на графиках – «Low skin».
Этот кабель принимал участие в предыдущем тестировании кабелей, и действительно, скин-эффект в нём немного меньше, чем в обычных кабелях.
Четвёртый кабель со сниженной индуктивностью. Принцип его конструкции показан на рисунке 5. Это четыре кабеля сечением 0,75 мм2 сложенные вместе таким образом, чтобы прямые проводники (на рисунке 5 красные) одного кабеля были расположены над обратными проводниками другого кабеля (на рисунке 5 синие). При таком взаимном расположении проводов, создаваемые ими магнитные поля вычитаются и компенсируются. В результате суммарное магнитное поле всего вот такого сложного кабеля уменьшается, значит, уменьшается и его индуктивность.
Поскольку такой кабель собран из проводников небольшого сечения, то вместе с индуктивностью в нём снижен скин-эффект. Внешний вид кабеля показан на рисунке 6. Этот кабель также принимал участие в предыдущем исследовании.
Название кабеля на графиках – «Low L».
Измерения аудиокабелей
Пример результата измерений показан на рисунке 7. В принципе, можно пользоваться и такими результатами, они достаточно хороши. Но для большего удобства я экспортировал результаты измерений в программу Excel и там строил более удобные и наглядные графики.
Измерения проводились в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц. Использовать более низкие и более высокие частоты не имеет смысла. Шаг по оси частот был равен 1/6 октавы, что обеспечило отличное разрешение по частоте. На рисунке 8 показан пример графика, построенного по результатам измерений. На графике показаны точки, в которых производилось измерения – их шестьдесят штук. На других графиках такие точки не показаны для большей наглядности графиков.
Результаты измерений
Результаты измерений всех четырёх кабелей показаны на рисунке 9. Измерялись два параметра:
— активное (омическое) сопротивление, на графиках оно обозначено «R».
— реактивное (индуктивное) сопротивление, на графиках оно обозначено «X».
На самом деле измерительный прибор показывает значения сериесных — последовательных сопротивлений Rs и Xs (рис. 7). При измерении активного и индуктивного сопротивлений кабеля это не важно, а когда дойдёт до измерения ёмкости, я об этом расскажу подробнее.
Рисунок 9 сам по себе очень интересный, но им пользоваться неудобно из-за того, что все кабели имели различное сечение провода и разную длину: 10…12 метров. Поэтому дальше я показываю графики обработанных результатов измерений.
Для большей наглядности я нормировал графики параметров каждого из кабелей к активному сопротивлению этого кабеля на частоте 100 Гц. То есть все дальнейшие графики показывают, как изменяется сопротивление каждого из кабелей по отношению к его активному сопротивлению R на частоте 100 Гц. Тогда их можно корректно сравнивать. В этом случае на результаты не влияет ни длина кабеля, ни его сечение. Только конструкция.
И начнём, конечно же, с самого главного – страшного и ужасного скин-эффекта.
Скин-эффект
На рисунке 10 показано относительное изменение активного сопротивления R кабеля в зависимости от частоты. Помните, из-за влияния скин-эффекта активное сопротивление кабеля должно расти.
Так и есть, с увеличением частоты сопротивление кабеля увеличивается. «Волны» на графиках я сейчас объяснить не могу. Возможно, причина в том, что я не откалибровал как следует измерительное оборудование. Либо проявляются какие-то неучтённые эффекты. Сейчас мне разбираться некогда – оборудование надо отдавать. Но это и не очень важно: я не ставлю целью измерить мои кабели абсолютно точно. Цель данной работы – ещё раз показать принцип. Ещё раз продемонстрировать тот факт, что влияние скин-эффекта очень сильно преувеличивается, а влияние индуктивности кабеля (которая на самом деле является гораздо более важной) вообще замалчивается. Кстати, погрешность измерений даже в такой недостаточно калиброванной системе не превышает 5 миллиом.
Итак, скин-эффект проявляется, с увеличением частоты активное сопротивление кабеля увеличивается. На частоте 20 кГц в самом худшем случае сопротивление возрастает на 13%. Много это, или мало? Если говорить о самом кабеле, то такое увеличение сопротивления уже хорошо заметно. Для самого худшего в этом отношении кабеля. У кабеля, находящегося на втором месте по влиянию скин-эффекта, на частоте 20 кГц сопротивление увеличилось на 5%. Что уже немного. И это самые дешёвые кабели!!! В более дорогих, но всё же бюджетных кабелях, сопротивление практически не изменилось (с учётом погрешности измерений).
Но это относительное изменение сопротивления. Для малых величин большое относительное изменение ни на что не влияет. Например, если ваша зарплата составляет 1 доллар в год, то увеличение её даже на 300% вряд ли будет реально заметно. Так и в наших кабелях. В самом плохом из них (с точки зрения скин-эффекта) сопротивление изменилось с величины 127 мОм на частоте 100 Гц до 144 мОм на частоте 20 кГц. То есть по сравнению с сопротивлением нагрузки (а скин-эффект влияет именно на работу нагрузки), равному 4 ома, изменение сопротивление кабеля составляет полпроцента.
Рисунок 10 предназначен для наиболее наглядной демонстрации именно изменения сопротивления кабеля. Поэтому на нём изменение сопротивления выглядит значительным. Какое оно на самом деле, можно увидеть из рисунка 9, где показано сопротивление в чистом виде.
Индуктивность аудиокабеля
Влияние индуктивности на работу кабеля видно из рисунка 9, где тонкими штриховыми линиями показано индуктивное сопротивление кабеля. Именно индуктивное — оно положительно, тогда как ёмкостное сопротивление по правилам электротехники имеет отрицательный знак. С ним мы встретимся в конце статьи. Обратите внимание на то, что у всех кабелей индуктивное сопротивление растёт с частотой (это естественно для индуктивности). Выше определённой частоты индуктивное сопротивление кабеля становится больше активного. Причём это происходит на звуковых частотах!
Чтобы сравнить активное и индуктивное сопротивления в чистом виде, на рисунке 11 показаны графики, нормированные к активному сопротивлению кабеля на частоте 100 Гц. Они позволяют сравнить между собой все изменения сопротивлений.
Рисунок 11 показывает, что у кабелей, в которых не принимались меры по снижению индуктивности, на частотах 4…6 кГц индуктивное сопротивление превышает активное. И это индуктивное сопротивление продолжает расти с ростом частоты. В результате на частоте 20 кГц индуктивное сопротивлени превышает активное в 3…6 раз.
Сравните: активное сопротивление кабеля, вызванное скин-эффектом выросло на 1…13 процентов, а индуктивное – в 3…6 раз! Что больше?
У кабеля со сниженной индуктивностью на частоте 20 кГц индуктивное сопротивление больше активного в 1,5 раза, а до частоты 10 кГц (а это практически весь реальный звуковой диапазон) индуктивное сопротивление меньше активного.
Итак, с чем в реальности надо бороться? Со скин-эффектом, или индуктивностью? Учитывая, что снижение индуктивности в некоторых случаях (например, как у моего кабеля) приводит и к снижению скин-эффекта.
Для большей наглядности я построил нормированные графики импеданса (полного сопротивления) кабелей, рис. 12. Видите, как изменяется сопротивление? На частоте 100 кГц оно увеличивается в 20…25 раз! И это влияет индуктивность кабеля, а совсем не скин-эффект!
На самом деле этот график предназначен больше для психологического воздействия. Импеданс состоит как из активного, так и из реактивного сопротивлений, а каждое из них влияет по-своему. Поэтому в реальности надо рассматривать активное и реактивное сопротивления кабеля по отдельности. Собственно, именно это я и делаю. Назначение рисунка 12 в том, чтобы ещё раз подтвердить то, о чём я говорю.
Для этого же предназначен и рисунок 13. Это тот же самый нормированный график импеданса, но в другом масштабе. Из рисунка хорошо видно, что на частоте 10 кГц сопротивление кабеля увеличивается в 2…3 раза, а на частоте 20 кГц в 3,5…6 раз. И всё это из-за влияния индуктивности. Скин-эффект составляет в этом всего несколько процентов.
Реальная работа аудиокабеля
Мы достаточно хорошо рассмотрели акустический кабель сам по себе. Но через кабель подключаются громкоговорители. Как происходит совместная работа системы кабель + нагрузка? Насколько в этом случае влияет индуктивность кабеля? Влияние индуктивности на затухание сигнала я кабеле я рассматривал в предыдущей статье. Сейчас рассмотрю только сопротивления и фазовые сдвиги.
Я подключил к кабелю нагрузку – безиндуктивный резистор сопротивлением 8 ом. Результаты показаны на рисунке 14. Активное сопротивление всей системы остаётся практически неизменным – наибольшее влияние скин-эффекта составляет порядка 0,2%. И индуктивное сопротивление на фоне сопротивления нагрузки выглядит небольшим. На частоте 20кГц индуктивное сопротивление обычных кабелей меньше активного в десять раз. Много это, или мало?
Если индуктивное сопротивление меньше активного в десять раз, то его влияние на амплитуду сигнала только-только начинается. Это влияние очень маленькое, и изменение амплитуды сигнала абсолютно незаметно. Так значит всё в порядке? Не совсем. Если сопротивление нагрузки равно 4 ома, то влияние индуктивного сопротивления становится выше. Правда на слух оно и в этом случае незаметно. Но ведь есть ещё и фазовый сдвиг…
Фазочастотная характеристика системы кабель + нагрузка показана на рисунке 15. Как видите, на частоте 20 кГц сдвиг фаз составляет 5 градусов. На нагрузке 4 ома фазовый сдвиг будет равен 10 градусов. На слух это тоже незаметно.
Так что в принципе влиянием кабеля на работу нагрузки вполне можно пренебречь. Именно это и имеют в виду инженеры, когда говорят, что кабель не влияет на звучание усилителя и колонок. Они имеют в виду именно такой, правильно изготовленный и грамотно подобранный кабель.
Но не всё так просто.
Наша система кабель + нагрузка находится близко к «границе незаметности» влияния кабеля. И если промахнуться со свойствами кабеля, то влияние кабеля на звук действительно можно будет услышать.
Пуристы утверждают, что даже такое незначительное влияние кабеля на систему недопустимо. Если согласиться с ними, то ситуацию следует улучшать. Поскольку улучшать – это хорошо, то возможно, соглашаться надо. Посмотрите на рисунки 14 и 15. График, соответствующий кабелю с низкой индуктивностью: индуктивное сопротивление кабеля на два порядка ниже сопротивления нагрузки. Такой кабель не оказывает влияния ни на амплитуду, ни на фазу сигнала. Так что кабель со сниженной индуктивностью является почти идеалом. И не забудьте, скин-эффект в этом кабеле тоже снижен!
Не все кабели таковы. Попытка изготовить какие-нибудь экзотические кабели со сниженным скин-эффектом может повысить индуктивность, и тогда её влияние станет заметно. В предыдущей статье описан подобный случай с дорогим кабелем.
Ёмкость аудиокабеля
В предыдущих статьях я уже писал, что ёмкость кабеля незначительна и незаметна на фоне индуктивности кабеля. При работе на низкоомную нагрузку ёмкостью кабеля можно пренебречь. Если конечно специально не делать кабель огромной ёмкости. В моей предыдущей статье был описан кабель, изготовленный из UTP проводников. Он обладал практически нулевым скин-эффектом, весьма малой индуктивностью и очень большой ёмкостью. К сожалению, он не сохранился. Поэтому я произвёл измерения влияния ёмкости кабеля на самом дешёвом из кабелей – участников сегодняшнего теста.
Когда влияет ёмкость кабеля, а когда индуктивность? Ёмкость кабеля подключена параллельно нагрузке, а индуктивность – последовательно с нагрузкой, рис. 16в. На низких частотах, когда длина кабеля в несколько тысяч раз меньше длины волны в кабеле, эффектом распределения индуктивности и ёмкости по длине кабеля можно пренебречь, и воспользоваться электрической схемой замещения с сосредоточенными параметрами.
Если концы кабеля замкнуты – короткое замыкание, то ёмкость кабеля окажется замкнутой накоротко, и влиять не будет, рис. 16а. Работает только индуктивность. Если концы кабеля разомкнуты – холостой ход (рис. 16б), то основное сопротивление для протекания тока будет оказывать ёмкость. Влияние ёмкости будет максимально, а влияние индуктивности настолько мало, что им можно пренебречь. Это граничные условия. На работу кабеля с нагрузкой, влияют и индуктивность, и ёмкость (рис. 16в). Чем сопротивление нагрузки больше, тем ближе система к холостому ходу. При этом влияние ёмкости больше, а влияние индуктивности меньше. Чем сопротивление нагрузки меньше, тем ближе система к короткому замыканию. При этом влияние ёмкости меньше, а влияние индуктивности больше.
Измерения сопротивления кабеля при работе с нагрузкой сопротивлением 100 ом и 200 ом показаны на рисунке 17. Сопротивление нагрузки 200 ом оказалось «высокоомным» — реактивная составляющая сопротивления системы кабель + нагрузка оказалась ёмкостной. Об этом говорит знак реактивного сопротивления. Для индуктивности он положителен, а для ёмкости отрицателен. Нагрузка сопротивлением 100 ом оказалась «низкоомной». Реактивное сопротивление для неё положительно, так что во влиянии кабеля преобладает индуктивность.
Так что если сопротивление вашей нагрузки меньше чем сто ом, про ёмкость кабеля можно забыть. Её влияние полностью перекрывается влиянием индуктивности кабеля.
Надо пояснить поведение графика на рисунке 17, чтобы не было неясностей. Из физики известно, что ёмкостное сопротивление с ростом частоты уменьшается. А красная пунктирная линия на рисунке 17 показывает обратное. Судя по графику, ёмкостное сопротивление кабеля с ростом частоты растёт. Это не ошибка. Дело в том, что на графике показано не ёмкостное сопротивление кабеля. График показывает так называемое Cs – вычисленное ёмкостное сопротивление, включённое последовательно в цепь. Для индуктивности всё получается прозрачно, индуктивность действительно включена последовательно, и измерения показывают истинные значения. Ёмкость включена параллельно нагрузке, поэтому реальная ёмкость кабеля (и её ёмкостное сопротивление) пересчитывается в эквивалентное последовательное сопротивление. Такое, какое будучи включённым последовательно с нагрузкой, даст аналогичный результат. Так работают многие измерительные приборы, и этот в том числе. Результаты можно было пересчитать в реальное параллельное ёмкостное сопротивление, но я не стал этого делать. Я не вижу в этом необходимости. Я уже говорил, что у меня другая цель.
Итак, «обычный» кабель на той реальной нагрузке, которую мы к нему подключаем, никак не проявляет своих ёмкостных свойств. Поэтому если ёмкость кабеля «правильная», то есть небольшая, как у обычного кабеля, то нет смысла о ней беспокоиться. Ёмкость кабеля не является важной.
Выводы
Измерения в очередной раз подтвердили теорию. Результаты совпали с тем, что я писал в предыдущей статье. Это и неудивительно.
Обычный дешёвый кабель показал достаточно хорошие результаты. Настолько хорошие, что нет необходимости использовать что-то более дорогое.
Когда инженеры говорят, что кабель не влияет на звучание усилителя и колонок, то они имеют в виду то, что правильно сконструированный и подобранный кабель изменяет параметры сигнала (амплитуду и фазу) настолько незначительно, что на слух это абсолютно незаметно. И это реально. Конечно, если вы не верите в волшебство, которое протекает по кабелю.
И ещё инженеры имеют в виду, что кабель не должен влиять на звук. Как цвет вашего автомобиля не должен влиять на его ходовые качества. И это тоже реально.
У дешёвого кабеля есть всего один, но очень большой недостаток – кабель дешёвый. На таком кабеле трудно заработать много денег как производителю, так и продавцу. Поэтому, они прикладывают много сил, чтобы заставить людей покупать дорогие кабели. Тем более что в дорогих кабелях под предлогом борьбы со скин-эффектом можно «нечаянно» сделать большую индуктивность или ёмкость. Тогда влияние индуктивности и/или ёмкости кабеля будет заметно на слух, кабель будет обладать «собственным звуком», и можно будет заставить потребителя многократно покупать различные дорогие кабели в поисках «наилучшего звучания».
Поэтому существует очень много информации о том, как звучат те или иные кабели. И о том, что кабель существенно влияет на звук. И о том, что кабель – самый главный компонент аудиосистемы. Это естественно, люди хотят заработать деньги, продавая аудиокабели. Даже если для этого приходится немного обманывать.
Я не пытаюсь бороться с этим явлением. Те, кто хочет быть обманутым, обязательно позволят себя обмануть. Я обращаюсь к тем, кто доверяет разуму.