Zająłem się w końcu tematem naskórkowości. Niżej opisane zjawiska często będą prosto/mało profesjonalnie opisane aby każdy załapał.
Pozwolę sobie podsumować temat kabli i ich wpływu na elektryczny sygnał audio a tym samym na dźwięk. Najpierw zajmę się elektrycznym schemate zastępczym kabli a potem przejdę do tematu naskórkowości i na koniec połączymy oba zjawiska.
Primo, poprzedni post nr94, został napisany na podstawie błędnych wyników obliczeń. Po porawieniu wzorów, ulepszeniu pliku excel, sprawdzeniu go pomiarami, sklepałem wyniki.
Przewody/kable zawierają składowe pasożytnicze: rezystancję, indukcyjność, pojemność. A gdy mówimy o prądzie zmiennym mają impedancję, induktancję i kapacytancję.
Wybrałem dwie skrajne (ale realne) opcje kabli głośnikowych do obliczeń i symulacji:
a) długość 6 metrów, przekrój 1.5mm kw, wielo-włókienny, zwykła/zanieczyszczona miedź (Cu 106) , ze słabej jakości izolacją (poliuretan) , obie żyły skręcone,
b) długość 3 metrów, przekrój 6mm kw, wielo-włókienny, miedź OFC (Cu 101) , dobrej jakości izolacja (polipropylen), obie żyły skręcone.
Oś X w dB(V), Zwróczcie uwagę na skale wykresów.
Komentarz:
Wyliczając wartości elementów pasożytniczych (induktancja, pojemność, rezystancja/impedancja) dowiadujemy się, że jest on elementem, który posiada swoją częstotliwość rezonansową, dobroć (
zależną od impedancji obciążęnia), górną częstotliwość graniczną/odcięcia itd.
Wnioski:
kabel
a) ma większą rezystancję (ze względu na mniejszy przekrój + większą długość), powoduje to straty mocy elektrycznej, wydzielonej w postaci ciepła.
Kabel
b) ma większą częstotliwość graniczną (ze względu na lepszą izolację, większy przekrój, mniejszą długość) i mniejszą rezystancję.
W praktyce (20Hz~20kHz) jedyna różnica między tymi kablami to liniowe, szerokopasmowe tłumienie sygnału i tyle. O ile? O 0.11dB SPL. Względna transmitancja kabla pozostaje bez zmian, nie ma podbijania jakiś oktav, jak i również ich nie tłumi, nie ma manipulacji fazą elektryczną.
(uwaga, obciążeniem był rezystor, dla impedancji zestawu głośnikowego efekt będzie inny )
Wiadomym też jest co jest lepsze, OFC, czy zwykła miedź. Wzory też to potwierdzają.
Zależności:
Aby zmniejszyć wzrost induktancji oraz pojemności kabla należy wybrać izolację o najmniejszej stałej dielektrycznej (epsilon) + najgrubsza warstwa izolacji + skręcone kable względem siebie
Aby zmniejszyć rezystancję/impedancję kabla należy wybrać kabel jednożyłowy + OFC + największy przekrój + najkrótsza długość
Zwiększając przekrój zmniejsza się induktancję pasożytniczą, ale zwiększa pojemność pasożytniczą, czyli trzeba dążyć do kompromisu.
Stosując kable wielożyłowe mamy bardziej giętki przewód, ale o większej rezystancji (mniejszy współczynnik właściwego przekroju). Jedno-żyłowy ma przewagę, ale jest łamliwy. W praktyce jak lecieć w wielożyłowy to w taki co ma największą ich ilość, czyli multum cieniutkich żyłek.
Temat naskórkowości.
Co to jest? Dla prądu stałego DC elektrony przepływające przez przewodnik (kabel) wykorzystują całą
powierzchnię przekroju przewodnika. W raz ze wzrostem częstotliwości (AC) elektrony mają tendencję do poruszania się w przewodniku co raz dalej od jego środka, czyli co raz bliżej jego
zewnętrznej warstwie/skóry/powierzchni/płaszcza. Dla częstotliwości
radiowych rozkład gęstości prądu znajduje się na cieniutkiej zewenętrznej warstwie przedownika, co oznacza, że tylko część włąściwego przekroju przewodnika jest wykorzystywana,
mniejsza część. Mniejsza część czyli mówiąc łopatologicznie zamiast kabla o przekroju 2.5mm kw, prąd wykorzystuje tylko ze 0.05mm kw. Wyżej opisałem, że jeżeli zmniejszami przekrój kabla, to zwiększamy jego rezystywność/impedancję, czyli kabel stawia większy opór dla prądu. Większy opór to większe straty.
Efekt naskórkowości powoduje gwałtowny zanik zewnętrznego pola elektromagnetycznego towarzyszący przepływowi prądu zmiennego przez przewodnik (prawo Ampera). Zainteresowanych odsyłam do wzorów Maxwell'a.
Bardziej skomplikowanym wyjaśnieniem zagadnienia jest oparcie się o prawo Ampera + prawo Lenz'a + prawo Faraday'a = prądy powierzchniowe, prądy indukowane, pole elektro magnetyczne o przeciwnym zwrocie wektora w odniesieniu do zwrotu wektora pola elektromagnetycznego wytworzonego przez nominalny prąd. Zostawiam temat…
Głównymi parametrami są częstotliwość, przenikalność magnetyczna (dla miedzi stała) oraz rezystywność. Czym mniejsza przewodność przewodnika [Simens*m] tym efekt naskórkowości jest bardziej widoczny, co oznacza, że sygnał zostanie szybciej stłumiony (tłumienie zacznie się na niższych częstotliwościach), sygnał zostanie szybciej odcięty. Przewodność jest zależna od rodzaju materiału, jak wybierzecie kabel miedziano-aluminiowy będzie jeszcze gorzej.
Pytanie czy to wsztstko ma on wpływ na częstotliwości audio?
Teoretycznie… TAK. Praktycznie - nie.
gama - grubość płaszcza [m]
a - srednica przewodnika [m]
oraz przenikalność, elektryczna, magnetyczna i przewodność.
Ciekawym fenomenem jest brak zależności grubości płaszcza naskórkowości (
gama) od promienia przewodnika, ale mimo to zmieniając promień ‘
a’ zmieniamy
zewnętrzny obwód kabla, a tym samym efektywny przekrój powierzchni, w którym płynie prąd powierzchniowy. Rysunek powyżej ilustruje sprawę.
Efektu naskórkowości nie da się wyeliminować, dla danego przewodnika (miedzi, aluminium itp) i danej częstotliwości, grubość płaszcza naskórkowości jest określona i stała. Wraz ze wzrostem częstotliwości grubość ta maleje i po
wyrażnym przekroczeniu
gamma<a prąd używa mniejszą część przekroju przewodnika. Wygląda na to, że najlepiej jest używać przewodników o przekroju
a>=gamma @ 20kHz, a wtedy otrzymamy około 0.7mm kw. Niestety nie polecam, ponieważ w tak cinekim przewodzie więcej strat przyniesie sama rezystancja kabla z niżeli nieliniowość impedancji spowodowanej naskórkowością.
Bardzo ważnym faktem jest iż wartości elementów pasożytniczych kabli, w schemacie zastępczym, nie są stałe tylko zmnieniają się dynamicznie! Spowodowane jest to zmianą aktywnego (tam gdzie płyną elektrony) przekroju kabla, który się zmniejsza przez naskórkowość. Przez to obliczenia w exelu są niedokładne.
Dodatkowo można zerknąć osobiście na wizualizacje w wolframie jak dzialają prądy powierzchniowe.
http://demonstrations.wolfram.com/SkinEffectsInStraightWires/
Czas na połączenie ze sobą wszystkich zjawisk
Pomiary:
Dokonałem porównań, gdzie wszyskie parametry był stałe i po kolei manipulowałem:
- dlugością kabla
- przekrojem
- "konstrukcją" (żyły skręcone)
Poniżej zdjęcie przedstawiające:
kabel głośnikowy 2.5 milimetra kwadratowego (18.7m oraz 2.5m), oraz drutu (jak w cewkach) 0.2mm kw. Legendy opisują wszystko. Pomiary dokonane dla kabla plus (+) i kabla minus (-) odsuniętych od siebie o 30cm.
Wykres kabla 18.7m@2.5mm kw skopiowałem na wykresie aby łątwiej było porównać kształt charakterystk.
Widać jak rośnie impedancja dla dłuższych przewodników. Dla
skrajnych przypadków (18.7m@0.2mm kw vs 2.5m@2.5mm kw) różnica impedancji spowoduje UWAGA kilka dB SPL tłumienia szerokopasmowego. Pamiętajcie, że efekt ten jest
ZALEŻNY od impedancji zestawu głośnikowego!
Wnioski.
Zmniejszając sam przekrój kabla podnosimy wartość absolutną wartości impedancji (przez większą rezystancję), czyli jego kształt nie ulega zmianie. Nieliniowość zaczyna się na tej samej częstotliwości. Lepiej zastosować grubszy przewód.
Aby zmniejszyć nieliniowość impedancji należy skrócić kabel. Lepiej stosować krótki przewód.
Kolejny pomiar prezentuje fizyke bliżej dziedziny elektromagnetyzmu, czyli co się stanie jak skręcimy kable względem siebie. (Tak jakby się skręciło przedów
+ i przewód
- w środku kabla glośnikowego)
Komentarz:
Jest to cieniutki drucik i widać jak ogromną rolę odgrywa sama rezystancja wewnętrzna. Po odjęciu rezystancji rezystora 2ohm otrzymamy 1.5ohma. Widać jak wiele pozytywnego dzieje się gdy skręcimy przewody ze sobą, impedancja zostaje zlinearyzowana.
W praktyce? Dodając rezystancję z kabla 18.7m@0.2mm kw (rezystancja =1.5ohm), tak wygląda sprawa:
Do -3dB szerokopasmowo, a to i tak mało, bo nie uwzględniłem nieliniowości impedancji (jej wzrostu dla wyższych częstotliwości). Dodałem tylko zywkłą rezystancję.
Wnioski:
Jak zachowa się nasz zestaw glośnikowy, po zastosowaniu słabej jakosci kabli, to zależy od użytych przetworników oraz od projektu zwrotnicy, czyli od impedancji całego zestawu.
Dla skrajnych, logicznych przypadków efekt ma sznase być słyszalny, szerokopasmowo.
Dodanie rezystancji z kabla powoduje zmianę dobroci zestawu dla niskich częstotliwości, czyli ma wpływ na bas.
Kup OFC max 5 metrów @ min 2.5mm kw i nie zawracaj sobie głowy innymi lepszymi cudo-kablami.
Najważniejsze pytanie.
Czy da się usłyszeć róznicę miedzy kablami?
według mnie
TAK. ale tylko dla bardzo różnych od siebie
Czym jest to spowodowane?
Nie pasożytniczymi komponentami ani efektem naskórkowości, ani innymi pierdołami, tylko głównie rezystancją kabla.
To kiedy słuchamy kabli?
Pokaż załącznik kable_el_liero.xlsx