Индуктивный кабель. Реальное влияние на работу системы. Эффекты, связанные с емкостью

Для корректной работы проектируемого устройства необходим внимательный подбор пассивных компонентов. Необходимо подробно рассмотреть характеристики пассивной элементной базы будущего устройства и предварительной компоновки корпусов на плате.

Зачастую разработчики не придают особого значения рабочей частотной области пассивных компонентов при подборе элементной базы для будущего устройства. Это приводит к непредсказуемым результатам. Хочу отметить, что этот касается не только высокочастотных аналоговых устройств, так как ВЧ-сигналы оказывают сильное воздействие на пассивные НЧ-компоненты по средствам гальванической связи или излучая. К примеру, простой активный НЧ-фильтр на ОУ может работать как ВЧ-фильтр при воздействии на его вход высокой частотой.

Резисторы

Резистор на высоких частотах обладает собственной индуктивностью, ёмкостью и сопротивлением. См. рис. 5.

Резисторы можно разделить на три основных типа: проволочные, углеродные композитные и пленочные. Проволочный резистор по своей структуре представляет собой катушку из высокоомного металла, откуда и появляется его собственная индуктивность. Аналогичная структура у пленочных конденсаторов, поэтому пленочные конденсаторы так же обладают индуктивностью. Индуктивные свойства пленочных резисторов проявляются в меньшей мере, чем у проволочных. Пленочные резисторы номиналом до 2 кОм можно смело использовать в ВЧ схемах.

Так как выводы резисторов параллельны друг другу, следовательно, между ними присутствует существенная ёмкостная связь. Чем больше номинал резистора, тем меньше межвыводная ёмкость.

Конденсаторы

Эквивалентная схема конденсатора в области высоких частот приведена на рис. 6.

Конденсаторы в схемотехники применяются как развязывающие и фильтрующие элементы. Для расчета реактивного сопротивления конденсатора обратимся к следующей формуле:

Отталкиваясь от вышеуказанной формулы, рассчитаем реактивное сопротивление конденсатора ёмкостью 10 мкФ на частотах 10кГц и 100 МГц. Расчётные величины получились следующие 1,6 Ом на 10кГц и 160 мкОм на 100 МГц. А теперь проверим так ли на самом деле.

Все упомянутые сопротивления складываются и создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Исходя из вышесказанного отметим, что конденсаторы, применяемые в развязывающих цепях, должны обладать малым ESR. Это объясняется тем, что последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры устройства так же значительно влияет на изменение ESR, увеличивается. Поэтому, при использовании алюминиевого электролитического конденсатора при повышенных рабочих температурах, необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа.

При использовании электролитических конденсаторов следует внимательно располагать, подключать конденсатор на плате. Положительная обкладка должна быть подключена к плюсу, линии подключающие конденсатор должны быть максимально короткими. При некорректном подключении конденсатора токи начинают протекать через электролит с скорым выходом из строя самого конденсатора.

Существуют так же устройства, в которых разность потенциалов по постоянному току между двумя точками может менять свой знак. В подобных случаях применяют неполярные электролитические конденсаторы.

Индуктивности

Эквивалентная схема индуктивности в области высоких частот приведена на рис. 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается по следующей формуле:

Из формулы видно, что индуктивность номиналом 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 ом на частоте 10 кГц, на частоте 100 МГц расчётная величина составит 6.28 МОм.

Печатная плата

Печатной плате так же присуще все описанные свойства пассивных компонентов, но эти свойства не так ярко выражены.

Печатные проводники на печатной плате могут быть как источниками помех, так и приёмниками (антенной). Грамотная трассировка печатной платы сводит к минимуму излучаемые и наводящие помехи. Так как любой проводник на печатной плате можно рассматривать как антенну, обратимся к основам теории антенн.

Основы теории антенн

Одним из основных типов антенн является «штырь» или в нашем случае – прямой проводник. Полный импеданс прямого проводника имеет резистивную (активную) и индуктивную (реактивную) составляющие:

На постоянном токе и при низких частотах преобладает активная составляющая. При увеличении частоты реактивная составляющая оказывается более значимой.

Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:

В среднем печатный проводники на плате обладают индуктивностью 6…12 нГн на сантиметр длины. К примеру, проводник длиной 10 см имеет сопротивление 57 МОм и индуктивность 8 нГн на сантиметр. На частоте 10 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 МОм, а на более высоких частотах проводник необходимо рассматривать как индуктивность, нежели проводник с активным сопротивлением.

Штыревая антенна начинает функционировать при соотношении длины волны к длине антенны 1/20. Поэтому 10-ти сантиметровый проводник послужит хорошей антенной на частоте свыше 150 МГц. Возвращаясь к печатным платам отмечу, что к примеру генератор тактового сигнала может и не иметь частоты равной 150 МГц, а вот высшие гармоники от тактового генератора могут стать источником высоких частот.

Другим одним из основных типов антенн является петлевая антенна. Индуктивность прямого проводника существенно увеличивается при изгибах. Увеличенное значение индуктивности проводника снижает частоту, на которой чувствительность «антенны» максимальна.

Опытные разработчики печатных плат, имеющие представления об эффекте петлевых антенн, отмечают, что нельзя строить топологию таким образом, чтобы образовывалась петля для критических сигналов. В противном случае образовываются петли из проводников прямого и обратного хода токов. См. рис.8. На рисунке так же отражен эффект щелевой антенны.

Рассмотри подробнее три варианта рисунка 8.

Вариант А: Самый неудачный из представленных. В нем не используются полигоны земли, Петлевой контур образуется земляным и сигнальным проводниками. Следует помнить, что при соотношении длины волны к проводнику 1/20 петлевая антенна достаточно эффективна.

Вариант Б: По сравнению с вариантом А это вариант лучше. Но здесь виден разрыв в земляном полигоне. Пути прямого и возвратных токов образуют щелевую антенну.

Вариант В: Этот вариант самый наилучший. Пути сигнальных и обратных токов совпадают, тем самым эффективность петлевой антенны ничтожно мала. Стоит отметить, что в этом варианте так же присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.

Теория отражений и согласований проводников идентична той, что рассмотрена в теории антенн.

При повороте печатного проводника на угол в 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит из-за изменения ширины проводника. В углу проводника ширина трассы увеличивается в 1,414 раза, что приводит к рассогласованности линии связи, распределенной ёмкости и индуктивности трассы. Современный системы автоматического проектирования предлагают различные виды сглаживания углов см. рис. 9.

Самым наилучшим из представленных вариантов поворота является третий вариант, так как ширина его проводника неизменна.

Ирина Алдошина

Дата первой публикации:

Звуковые кабели в акустических системах.

Завершая серию статей по акустическим системам, необходимо остановиться еще на одном важном элементе акустической системы - звуковом кабеле, соединяющим ее с усилителем низкой частоты (УНЧ). Поскольку звуковые кабели работают с высокими уровнями напряжения (например, при подключении к стоваттному усилителю акустической системы с номинальным сопротивлением 8 Ом сила тока будет равна 3,5 А), для них требуется использовать проводники с довольно большим сечением. До 80-х годов ХХ века подход к выбору звукового кабеля был довольно прагматичным: требовалось минимизировать потери мощности при передаче сигнала от усилителя к громкоговорителю и спад АЧХ по напряжению на высоких частотах. Потери первого вида определяются активным сопротивлением кабеля, вторые - взаимодействием индуктивности и емкости кабеля с реактивным сопротивлением акустической системы.

Однако в последние годы появилось много публикаций в отечественных и зарубежных журналах по результатам субъективных тестирований различных конструкций звуковых кабелей, доказывающих чрезвычайно большое влияния кабеля на качество звучания акустической системы (чистоту, прозрачность, четкость и др.), особенно на высоких частотах. Для объяснения этих явлений стали искать разнообразные причины: влияние примесей кислорода в меди, скин-эффект, эффект дисперсии (то есть зависимость скорости распространения сигнала от частоты), фазовый сдвиг, поглощение в изоляторах, электромагнитные наводки и др.

Серьезные научные работы были опубликованы в отечественной литературе по длинным (трансмиссионным) линиям. Однако по звуковым кабелям у нас, в основном, публиковался чрезвычайно противоречивый материал. Поэтому кратко изложенные ниже данные по теории звуковых кабелей опираются на труды таких известных специалистов, как R. A. Greiner, A. Davis, G. Ballou и др., опубликованных в журналах JAES, JASA, трудах конгрессов AES и энциклопедиях.

Характеристики звуковых кабелей
Прежде всего, необходимо отметить, что звуковой кабель, используемый для акустических систем (рис. 1), обычно имеет длину приблизительно от трех до десяти метров, что позволяет рассматривать его как систему с сосредоточенными параметрами, поскольку его длина значительно меньше длины электромагнитной волны в переделах звукового диапазона L<< λ.

Длина волны определяется как λ = v / f, где v - скорость распространения электромагнитной волны в кабеле, которая связана со скоростью распространения ее в вакууме (с - скорость света в вакууме равная 3 х 108 м/с) следующим соотношением , где μ - магнитная, а ε - диэлектрическая проницаемость среды (изолятора). Например, для полипропилена она равна 2,3, для тефлона - 2,1, для PVC - 3,5, то есть значение скорости распространения электромагнитной волны в кабеле может составлять минимум половину скорости света - 1,5 x 108 м/с (значение μ можно считать близким к единице).

Отсюда минимальная длина волны на верхней частоте звукового диапазона составит λмин = 1,5 х 108 (м/с) / 2 х 104 (Гц) = 7,5 км. Поскольку в звуковом кабеле выполняется соотношение L<< λ (как было отмечено ранее, в АС используется кабель длиной 3-10 м), то можно расчет его параметров производить, исходя из эквивалентной схемы для системы с сосредоточенными параметрами, представленной на рис. 2 (расхождение между расчетами по этой схеме и расчетами по точной теории трансмиссионных линий начинает проявляться на частотах выше 50 кГц).

Отсюда также следует, что эффекты, характерные для длинных трансмиссионных линий, такие как фазовый сдвиг и дисперсия, в звуковых кабелях проявляются очень незначительно: фазовый сдвиг составляет ~0,3 град/м на 20 кГц и дисперсия (разница по времени прихода высоких частот по отношению к низким) меньше 60 нс/м в звуковом диапазоне, что вряд ли может влиять на слышимые искажения. Кроме того, флюктуации сигнала за счет волновых отражений, характерные для длинных трансмиссионных линий, также никак не проявляются для коротких линий в звуковом диапазоне частот, они начинают сказываться на частотах выше 30 МГц.

Скин-эффект
Еще одно из свойств звуковых кабелей, которое, как считают многие авторы, оказывает существенное влияние на качество звучания - это скин-эффект. Скин-эффект (поверхностный эффект) возникает в проводниках, по которым течет переменный ток, за счет появления индукционных токов (токов Фуко). Эти токи направлены у поверхности проводника в направлении первичного электрического тока, а у оси - навстречу ему. В результате внутри проводника ток "слабнет", а у поверхности увеличивается. На высоких частотах плотность тока вблизи оси оказывается практически равной нулю, что вызывает увеличение сопротивления проводника и, соответственно, потери мощности в нем. Глубина скин-эффекта (на которой амплитуда тока уменьшается в е раз, то есть в 2,73 раза) может быть вычислена по приближенной формуле:

где μ - магнитная проницаемость материала проводника, σ - удельная электропроводность (они зависят от материала проводника и задаются в справочных таблицах), f - частота.

Эта формула пригодна для сплошных проводников. Если кабель состоит из отдельных жил, то удельная электропроводность будет уменьшена за счет учета коэффициента заполнения (поскольку между отдельными цилиндрическими жилами имеются воздушные промежутки), который приближенно равен 0,9069. Для медного проводника глубина скин-эффекта составляет на 20 кГц примерно 0,5 мм (глубина скин-эффекта не зависит от диаметра проводника, она определяется только его материалом, правда, при изменении диаметра меняется процент его использования).

Связь изменения погонного сопротивления R и погонной индуктивности кабеля L (то есть сопротивления и индуктивности на единицу длины) с глубиной скин-эффекта (который зависит от частоты f) может быть оценена следующим образом:
R/R0 = r0 /2δ + 0,26;
ωL/R0 = r0 /2δ - 0,02, где R0 - сопротивление на постоянном токе (на очень низких частотах), r0 - радиус проволоки.

Учет изменения общего сопротивления за счет скин-эффекта показывает, что на частоте 25 кГц сопротивление возрастет примерно в 1,05-1,3 раза в зависимости от размера (калибра) проводника, и это может дать эффект потери мощности, показанный на рис. 3. Этот эффект на частоте 25 кГц за счет учета изменения сопротивления сплошного проводника, вызванного скин-эффектом, составит 0,02 дБ (для многожильных кабелей он будет еще меньше за счет учета коэффициента заполнения), что вряд ли может оказывать существенное влияние на результат прослушивания обычной акустической системы.

Параметры звуковых кабелей
Эквивалентная схема, показанная на рис. 2, представляет собой цепь, состоящую из усилителя, звукового кабеля и акустической системы. Звуковой кабель характеризуется такими параметрами, как погонное сопротивление, емкость и индуктивность (так как обычно их относят к единице длины кабеля, то есть к 1 м).

Погонное сопротивление определяется сечением проводника и его материалом, в частности, для медного провода сечением 1 кв. мм оно составляет 0,019 Ом. Размер проводника кабеля и его погонное сопротивление задается с помощью значений его калибра AWG (American Wire Gauge). Связи калибра кабеля с площадью сечения проводника и его погонным сопротивлением для меди даны в таблице 1.

Одним из важных требований, предъявляемых к звуковому кабелю, является передача сигнала без потери мощности. Считается допустимой потеря мощности не более 0,5 дБ. Для этого активное сопротивление кабеля R должно быть существенно меньше сопротивления нагрузки, то есть R << |ZАС |, где |ZАС | - номинальный импеданс акустической системы. Поскольку его значение лежит для бытовых акустических систем в пределах 2..16 Ом, то значение сопротивления кабеля R должно лежать в пределах 0,1..0,5 Ом. Звуковые кабели обычно имеют длину 3-5 м и сечение проводника 2,5-10 кв. мм (то есть AWG 10-14), поэтому они вполне удовлетворяют этим условиям.

Звуковой кабель состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком, то есть представляет собой конденсатор. Емкость такого конденсатора, образованного двумя параллельными проводниками (жилами), равна: С=ε0 επ/ln(d/a) , где ε0 - удельная емкость свободного пространства, равная 8,854 х 10-12 Ф/м; ε - диэлектрическая постоянная (проницаемость) изолятора; d - расстояние между проводниками (жилами, м), а - радиус каждого проводника (м). Для коаксиального кабеля это выражение несколько изменится: С=ε0 ε2π/ln(b/a) , где b - внешний диаметр кабеля, а - внутренний. Таким образом, погонная емкость зависит от конструкции кабеля, от размеров проводника и от расстояния между жилами (см. табл. 2), от размеров и свойств диэлектриков, используемых в качестве изоляторов, и лежит в пределах 10-100 пФ/м.

Поскольку в кабеле по проводнику протекает переменный ток, то он создает переменное магнитное поле. Связь между величиной тока и создаваемым им магнитным потоком (числом магнитных силовых линий, пересекающих проводник) определяется с помощью коэффициента индуктивности (или просто индуктивности) L. Индуктивность двух параллельных проводников радиуса а и расстоянием между ними d равна
L= (μμ0 /π)(lnd/a+0.25) , где μ - магнитная проницаемость изолятора, μ0 - магнитная проницаемость вакуума 1,257 х 10-6 Гн/м. Таким образом, погонная индуктивность зависит от геометрии и конструкции кабеля, и меняется в пределах 0,1-1 мкГн/м.

Изменения значений индуктивности и емкости с изменением расстояния между проводниками для медного кабеля калибра 12AWG даны в таблице 2.

Как видно из таблицы 2 и приведенных выше формул, увеличение расстояния между проводниками увеличивает индуктивность и уменьшает емкость кабеля.

Равномерность АЧХ
Кроме вышеуказанного требования к параметрам кабеля (передачи без потерь мощности сигнала от усилителя к акустической системе), имеется второе требование, которое состоит в том, чтобы характеристика сигнала, передаваемого от усилителя к акустической системе, по напряжению сохранялась равномерной в звуковом диапазоне частот. Чтобы определить условия, при которых эти требования будут выполняться, необходимо рассмотреть взаимодействие сопротивлений усилителя, кабеля и акустической системы.

Если посмотреть на эквивалентную схему (рис. 2), то видно, что кабель можно рассматривать как фильтр низких частот второго порядка, включающий в себя последовательное сопротивление, индуктивность и параллельную емкость (можно сравнить со схемами фильтров низких частот, используемых в АС, которые были приведены в ). При выборе конструкции кабеля необходимо обеспечить значения этих параметров такими, чтобы частота среза была выше частотного звукового диапазона. То есть, частотная характеристика по напряжению передаваемого по кабелю сигнала от усилителя к акустической системе была плоской. Если бы такой фильтр (то есть кабель) был нагружен на активное сопротивление, то анализ такой схемы и выбор параметров не представлял бы особых затруднений.

Однако кабель имеет комплексный импеданс, включающий в себя как активную (R), так и реактивную часть (L, C) и обладающий определенной частотной зависимостью. В работе, которую проделал Fred E. Davis, был проведен эксперимент с 12 видами кабелей разной конструкции. Значения погонных сопротивлений, индуктивностей и емкостей выбранных кабелей даны на рис. 4. Из этих данных видно, что многожильные плоские кабели (номера 6 и 11) имеют минимальную индуктивность, но большую емкость, кабели с двумя параллельными проводниками (номера 1, 2 и 12) имеют большую индуктивность, но малую емкость. Хорошие кабели должны иметь низкий импеданс (как его активную, так и реактивную часть), который остается постоянным во всем аудиодиапазоне, чтобы обеспечить плоскую характеристику по напряжению.

Выполненные измерения частотных характеристик импедансов проводились при замене АС резистором 1 Ом. Некоторые типы кабелей (например, номер 6 - рис. 5) имеют практически плоскую частотную характеристику импеданса, в то же время другие (например, номер 3) показывают некоторый подъем характеристики. Анализ этих данных показал, что подъем частотной характеристики происходит за счет реактивной части сопротивления кабеля (его индуктивности) и скин-эффекта, который имеет значительно меньшее влияние. Чем выше емкость кабеля, тем больше снижается общее реактивное сопротивление на высоких частотах, что делает частотную характеристику импеданса более плоской (что противоречит принятому мнению, что чем больше емкость кабеля, тем больше затухают высокие частоты, это следовало бы из анализа эквивалентной схемы без учета индуктивности). Кабель номер 6 на рис. 5 имеет наибольшую емкость (2,3 нФ на 1 м), наименьшую индуктивность и самую плоскую частотную характеристику импеданса. При этом емкость кабеля еще настолько мала, что она не должна влиять на стабильность профессионального усилителя.

Основную проблему составляет взаимодействие кабеля с акустической системой, которая обладает частотно-зависимым комплексным сопротивлением (импедансом, эквивалентная схема АС была представлена в предыдущей статье). Зависимость модуля импеданса и его фазы от частоты для трехполосной системы с фазоинвертором и пассивными фильтрами показана на рис. 6.

Результаты измерений частотно-зависимой характеристики по напряжению для кабелей разной конструкции с различными усилителями и акустическими системами (одна из комбинаций представлена на рис. 7) показывают следующее. Наилучшие результаты (величина спада АЧХ на частотах выше 15 кГц менее 0,2 дБ) получаются при использовании многожильных кабелей, имеющих низкое активное сопротивление, низкую индуктивность и минимальный скин-эффект (например, номер 6) совместно с усилителями с низким выходным сопротивлением, (обычно порядка 0,05 Ом), низким выходным индуктивным сопротивлением порядка (2 мкГн) и высоким, не зависящим от частоты, демпфирующим фактором, что обычно и выполняется в хороших усилителях. При этом, даже при учете низкоомной нагрузки со стороны АС, и влияния ее реактивного сопротивления, обусловленного индуктивностью и емкостью, частота среза (то есть частота, на которой спад АЧХ достигает -3 дБ) в такой системе "УНЧ - кабель - АС" лежит существенно выше звукового диапазона: 80-160 кГц, также как и частота возможного резонанса между индуктивностью кабеля и емкостью нагрузки, которая находится в пределах 40 кГц.

Таким образом, для относительно коротких звуковых кабелей (длиной до 10 м) можно получить практически плоскую характеристику по напряжению в слышимом диапазоне частот (правда, для низкоомных АС не следует применять кабели слишком большой длины).

Конструкции звуковых кабелей
Производством звуковых кабелей занимаются в настоящее время десятки (если не сотни) фирм, к числу наиболее известных относятся Audio Quest, DeLink, Gotham, Wirewold, Electronics, Belsis, Canare, Cordial, Horizon, Mogami, Prospecta, Samson, Tasker-Milan.

Конструкции кабелей все более усложняются, постоянно ведутся поиски материалов для проводников и изоляторов, и, соответственно, растет цена звуковых кабелей, которая уже может превосходить 800$ за метр. Все это сопровождается большим количеством реклам и публикаций, убеждающих в огромном влиянии звуковых кабелей на качество звучания акустических систем (чистоту, прозрачность, четкость, сбалансированность музыкального образа и пр.).

В настоящее время наиболее распространенными конструкциями акустических кабелей являются следующие.

1. Двухжильный кабель - использует два проводника в изоляции (рис. 8а).

2. Многожильный кабель - из звуковых кабелей такого типа можно выделить конструкции типа Litz (фирма Audio Quest), где используется много тонких жил в изоляции, что позволяет уменьшить скин-эффект. С целью уменьшения электромагнитного взаимодействия проводников друг с другом фирма Audio Quest применила особую конструкцию (HyperLitz): каждая жила одета в изоляцию из полипропилена или фторопласта и завита вокруг пластикового стержня, при этом нигде не пересекаясь и не создавая контактных потерь (рис. 8б).

В новых разработках фирма использует в качестве изоляции трубки из тефлона, диаметр которых больше диаметра проводника, что создает воздушную прослойку между ними, уменьшая диэлектрическую постоянную (у воздуха она близка к единице). В кабелях этого типа также применяется технология SST (Spread Spectrum Technology), которая предусматривает использование жил разных диаметров, например, в кабеле Audio Quest CV-4 есть две жилы калибра 20 AWG (0,52 кв. мм) и две 17 AWG (1,02 кв. мм).

В конструкциях кабелей типа "двойная спираль" используются восемь проводников, скрученных в две группы (рис. 8с) с калибрами 16, 18, 19, 21 AWG, при этом в них применяется длиннокристаллическая медь с особо чистой поверхностью (технологии PSC/LGC).

Наконец, одна из последних разработок фирмы Audio Quest: две спирали проводников (положительных и отрицательных) уложены спирально навстречу друг другу в противоположных направлениях - Counter Spiraling Circular Helix HyperLitz (рис. 8д). По мнению производителя, все эти усложнения конструкции кабеля значительно улучшают качество звучания акустических систем (соответственно, и их цену).

3. Коаксиальные кабели (рис. 9), в которых внутренний и внешний проводник "вложены" друг в друга и разделены изоляцией. При этом значительно уменьшены поля рассеяний электромагнитной энергии при передаче сигнала по кабелю, поэтому они в первую очередь используются для сигналов малой мощности и для высокочастотных сигналов (например, в измерительных системах).

Материалы для проводников
Выбору материалов проводников в кабеле также уделяется очень большое внимание; обычно используются такие металлы, как медь или серебро. В 1984 году фирма Hitachi выпустила на рынок первый кабель из бескислородной меди (OFC - Oxygen Free Copper). Присутствие кислорода в меди создавало вкрапление окислов (по мнению фирмы, это приводило к искажению временнОй структуры звукового сигнала, особенно на низких уровнях). Следующим этапом стало применение материала LC-OFC (Linear Crystal Oxygen) - бескислородная медь с низкокристаллической структурой (монокристалл); как было объяснено в каталогах фирмы, это уменьшило "электрические барьеры" между кристаллами меди и улучшило чистоту звучания.

Японские фирмы Sony, Audio-Technica и др. начали применять медь, полученную методом непрерывной вытяжки из расплава РС-ОСС, что позволило получить максимально длинные (до нескольких метров) кристаллы.

Ведущая американская фирма по производству звуковых кабелей Audio Quest в 1988 году разработала аналогичный собственный процесс получения длиннозернистой меди - LGC (long-grain copper), что позволило добиться для жил диаметром 0,15..0,25 мм длины кристалла свыше 200 м.

Кроме того, специалисты той же фирмы сумели получить и начали использовать особо чистую медь - 6N с содержанием меди 99,9999%. Эта технология получила название FPC-6 (Functionally Perfect Copper - функционально совершенная медь). Уже появились сообщения о применении меди 7N, а также новой технологии PSC (Perfect Surface Copper) - медь с идеально чистой поверхностью (поскольку из-за скин-эффекта поверхность проводника, по мнению фирмы, играет особую роль в "музыкальности" кабеля).

Аналогичные опыты по применению чистого серебра в качестве проводника в кабелях позволили фирме Audio Quest использовать серебро FPS и PPS (Functionally Perfect Silver и Perfect Surface Silver), а фирме Finestra Design Group - серебро с чистотой 5N. Однако чистое серебро очень дорого, поэтому его, в основном, используют для покрытия медных проводов (silver-clad cooper). Появились сообщения о применении криогенной низкотемпературной обработки (жидким азотом) медных проводников, что якобы благотворно влияет на проводимость меди.

Надо сказать, что огромные затраты по созданию сверхчистых материалов для проводников звуковых кабелей и связанное с этим значительное повышение цен на кабели для аппаратуры Hi-Fi с физической точки зрения трудно объяснимо, поскольку удельная электропроводность металлов зависит от L - среднего расстояния между двумя последовательными столкновениями электронов с дефектами в кристаллической решетке металлов (обусловленными наличием примесей и др.). Зависимость эта выражается следующим образом: σ=ne2 L/pF , где σ - удельная электропроводность, n - концентрация электронов проводимости ~1023 см-3 , e - заряд электрона, pF - импульс Ферми. При комнатной температуре L~10-6 см, поэтому вряд ли переход от меди с очисткой 6N к очистке 7N может привести к настолько значительному изменению L, что это существенно изменит удельную электропроводность кабеля и приведет к изменениям качества звучания акустических систем, даже на тихих уровнях.

Материалы для изоляторов
Выбор материалов для изоляторов в звуковых кабелях имеет существенное значение. Поскольку любой диэлектрик в той или иной степени способен поглощать электромагнитную энергию, то с целью уменьшения потерь необходимо выбирать материалы с малой диэлектрической постоянной и малыми диэлектрическими потерями (которые характеризуются обычно значением тангенса угла потерь), например, для полиэтилена тангенс равен tgδ=2х10-4 на 1 МГц. На более низких частотах он меньше и поэтому для звуковых кабелей эти потери не вносят значительных искажений. Кроме того, материалы должны обладать большой механической прочностью, широким диапазоном рабочих температур и др.

В качестве материала для изоляторов обычно в кабелях применялись резина, шелк и т. п. В последнее время используются такие материалы, как поливинилхлорид, полипропилен, фторопласт, полиуретан, полиэтилен, тефлон и т. д. С целью уменьшения диэлектрической постоянной (поскольку она влияет на значение емкости и индуктивности кабеля) фирмы применяют особые материалы, например, вспененный фторопласт или специальное искусственное волокно с большим содержанием воздуха (MicroFiber), у которых диэлектрическая постоянная стремится к 1 (диэлектрическая постоянная воздуха 1,0167).

Примером современной конструкции кабеля может служить звуковой кабель фирмы Gotham (Швейцария) модель 50150 GAC-SPK 2 x 2.5mm2 Quaxial (рис. 9), состоящий из внешней оболочки (температуростойкий полиуретан PUR диаметром 6,8 мм), разделителя (поливинилхлорид PVC диаметром 6,1 мм), двух оплеток (чистая медная проволока диаметром 0,13 мм), изолятора (PVC диаметром 4 мм), проводника (50 жил чистой медной проволоки диаметром 0,25 мм, площадь 2,5 кв. мм).

Технические характеристики такого кабеля:
- сопротивление центрального проводника меньше 7, 6 ом/км,
- сопротивление внешней оплетки меньше 7,8 Ом/км,
- емкость (проводник/проводник) меньше 450 нФ/км,
- тестовое напряжение (пров./пров.) 800 Vэфф.,
- сопротивление изоляции больше 200 МОм/км,
- температурный диапазон (гибкая установка) от -5 до +50 С,
- температурный диапазон (фиксированное размещение) от -30 до +70 С.

Следует отметить также, что в ряде конструкций высококачественных АС используется метод подключения каждого громкоговорителя и фильтра к усилителю своей отдельной системой кабелей ("bi-wiring"), а не одним общим. Фирмы-изготовители утверждают, что такой способ подключения уменьшает взаимное влияние кабелей. При этом оба кабеля должны иметь очень близкие значения индуктивности и емкости, чтобы не было различий в фазовых сдвигах. Хотя анализ, который выполнил J. Lesurf, показывает, что при таком включении может увеличиться неравномерность частотной характеристики по напряжению в области частоты среза между громкоговорителями. Так что применение такой схемы включения требует тщательного выбора параметров.

Существенное значение для работы акустической системы с кабелем имеет выбор разъемов. Они должны обеспечивать надежное электрическое соединение и механическую фиксацию кабеля. Сопротивление контактов зависит от размеров и площади соприкасающихся поверхностей и усилий, с которым они прижаты друг к другу. Хорошие разъемы имеют стойкое покрытие поверхностей и выдерживают пятилетний срок интенсивной эксплуатации, именно поэтому фирмы–изготовители уделяют их конструкции серьезное внимание.

Вывод
Приведенный выше анализ и многолетний опыт использования звуковых кабелей в аппаратуре Hi-Fi показывает, что выбор кабеля, безусловно, является существенным моментом в обеспечении высокого уровня качества звучания акустических систем. Кабель должен обладать определенным набором электрических параметров и надежной конструкцией, необходимо использовать качественные материалы для проводников и изоляторов и т. д., однако применение все более сложных и дорогих конструкций кабелей с целью "существенного улучшения качества звучания АС" (по утверждению фирм-производителей) пока не имеет разумного физического объяснения.