Propagacja fal w kablach sygnałowych
Artykuł można potraktować jako kontynuację wcześniej opublikowanego o tytule „kable głośnikowe”. Oparłem go o artykuł magazynu Stereophile z 2005 roku „The Essex Echo 1995: Electrical Signal Propagation & Cable Theory” (*). Napisałem, że “oparłem”, a nie “przytaczam”, co oznacza wykorzystanie poważnych jego fragmentów w moim (dość swobodnym) tłumaczeniu, przeplatane moimi refleksjami i objaśnieniami (fotografie nie pochodzą z artykułu Stereophile’a, zostały dobrane przez mnie).
Od redakcji Stereophile: Kwestia czy, a jeśli tak, to w jaki sposób głośnikowe kable i interkonekty mogą wpływać na dźwięk systemu audio jest tematem gorącym dla społeczności audiofilskiej, a pierwsze refleksje przyszły w połowie 1970 roku. Większość argumentów od tamtej pory wywoływało więcej gorąca, niż światła. Już w sierpniu 1985 roku, profesor dr Malcolm Omar Hawksford (z Uniwersytetu brytyjskiego w Essex oraz Fellow of Audio Engineering Society) napisał artykuł dla brytyjskiego magazynu Hi-Fi News & Record, którego byłem wtedy dziennikarzem, w którym zawarł wnioski z badań nad transmisją sygnału AC i sformułował jej pierwsze zasady. Wśród jego wniosków było wskazanie, że istnieje optymalna średnica przewodu do transmisji audio-sygnału, coś co może prowadzić do swego rodzaju porozumienia pomiędzy obiema stronami dyskusji – wierzących we wpływ i tych co nie wierzą. Gdy sceptycy ogłaszali, że „prawa fizyki” nie pozwalają by kable wpływały na jakość dźwięku, ten naukowiec wykazywał, że „prawa fizyki” przewidują coś dokładnie odwrotnego.
„Cóż, myliłem się. Dziesięć lat później, w moim ostatnim eseju „Wired !!!” (czerwiec 1995) gdy pisałem- „przewody zrobią różnicę? / nie, one nie!” Poprosiłem Malcolma Omara zatem by dokonać przeglądu i przerobić swój artykuł z 1985 ze Stereophile’a . Zasadniczo matematyka może wyglądać zastraszająco, ale nie jest tak trudno pojąć, że w rzeczywistości jest inaczej (nie traci się punkty za pomijanie ich). Wnioski są zarówno fascynujące jak i lektura dla każdego, kto pragnie zaprojektować kable audio”- John Atkinson (**)
Szczególnym poglądem, które obiecuje podważenie fundamentu przyzwyczajeń i przekroczenie barier oporu intelektualnego, jest przekonanie mniejszości słuchaczy systemów audio, że przewody połączeniowe są czynnikiem ograniczającym w niepomijalnym zakresie. Sceptycy w swojej masie pozostają wytrwali, zwłaszcza wśród swoich przyjaciół o podobnych poglądach, w żartowaniu publicznym z tych, którzy co już od dawna są „w innym miejscu” audiofilskiego świata (w innym- tym lepszym!). Ci żartownisie- sceptycy są zadowoleni z tego co mają… A niech mają, niech będą szczęśliwsi… Do czasu, gdy u innego audiofila nie usłyszą, że można znacznie więcej „wycisnąć” z płyt lub plików, tylko dzięki odpowiednim kablom, których współczynnik zniekształceń wprowadzanych na każdym ich centymetrze jest mniejszy od kabli przypadkowo dobranych.
Rewolucja porusza się wolno, ale do przodu…
Oszczędzę Wam przebrnięcie przez trudne teoretyczne rozważania poparte wzorami matematycznymi na tle praw Maxwella czy Faradaya (wszystko to możecie przeczytać w oryginale Sterephile).
Skupię się na wnioskach (trochę je skrócę by łatwiej się je czytało) przedstawionych w artykule, co może zachęci do uważniejszego odczytania oryginału:
Podstawowe elementy kompletnego modelu, w którym wewnętrzne pola strat rozprzestrzeniające się wewnątrz przewodów są przynajmniej częściowo odpowiedzialne za niektóre stwierdzone anomalie. W punktach zostaną wyświetlone:
- Pole stratne rozchodzi się pod kątem prostym do osi kabla; to znaczy, promieniowo w przewodach.
- Pole strat wywołuje odpowiedni wewnętrzny rozkład prądu wzdłuż osi przewodu (J σ = σE σ ). Zauważyć można, że dla składnika strat, którego pole jest prostopadle do kierunku propagacji fali, a więc wzdłuż osi przewodu. To powoduje osiowe przewodzenie prądu i jest częścią składową prądu, zazwyczaj występującą.
- Prędkość rozchodzenia się wewnątrz przewodu (np. miedzi) jest bardzo powolna i zależne od częstotliwości. W konsekwencji różne częstotliwości rozchodzą się z różnymi prędkościami, co oznacza, że materiał jest wysoce dyspersyjny.
- Szybkość w zakresie strat jest bezpośrednio zależna od wartości charakterystycznych dla materiałów magnetycznych. Granice krystaliczne tworzą nieciągłości, tak że przewody zbudowane jak linka tworzą chaotyczny ruch mikroprądów w obrębie przewodu.
- Linka bez izolacji pojedynczego pasma wydaje się słabą konstrukcją. Przy oglądaniu takiego modelu, gdy pole strat rozchodzi się na nici oraz występują nieciągłości na granicy- powietrze/miedź, można ocenić przebieg sygnału jako losowo nieunikniony. Pojedyncza nić o długim krysztale miedzi lub wielu pasm izolowanego drutu, będzie zachowywał się bardziej przewidywalnie.
- Nieprawidłowości w konstrukcji kabla, mogą spowodować różnice rozkładu prądu w obrębie przewodów (mogą być obecne wiry na podobieństwo wirów, w strumieniu wody). Dokładny charakter strat wskazuje, dzięki czemu kabel ma charakterystykę kierunkową. Niewielkie różnice w średnicy przewodów oraz różnice w wewnętrznej strukturze krystalicznej, mogą wystąpić w wyniku pól naprężeń mechanicznych. Takie efekty, jednak wydają się leżeć w domenie błędów niezwykle subtelnej natury.
- Ubytek wydajności jest niezależny od konstrukcji linowej, w tym utlenianie powierzchni przewodnika.
- Grube przewody wydają się bardziej problematyczne przy niskich częstotliwościach, bowiem wykazują większą tendencję do rozproszenia czasu wnikania.
- Przewody magnetyczne wykazują nieliniową histerezę, więc należy ich unikać.
- Wydaje się, że wady kabli wywołują większe szkody podczas wzbudzania niż w stanie pseudo-stacjonarnym poszczególnych tonów. Błędy amplitudy odpowiedzi częstotliwościowej w stanie stacjonarnym są na poziomie, który jest bez znaczenia podczas słuchania dźwięków. Jednak ich znaczenie wzrasta w przypadku sygnałów przejściowych, z możliwością większego znaczenia w odsłuchu stereo.
- Propagacje osiowe w dielektryku zwykle nie są uważane za ważne w zakresie częstotliwości słyszalnych. Jednak warto skierować naszą uwagę na pola strat wewnątrzprzewodów, w których ze względu na powolne prędkości, wymiary kabli porównywalne do długości fali są znaczące. Pomiary niektórych kabli głośnikowych potwierdziły, że głębokość warstwy charakterystycznej dla zjawiska naskórkowości należy uwzględnić, gdy dokładne oszacowanie impedancji ma być wykonane. Jest to bardziej widoczne przy dużej pojemności, o niskiej indukcyjności przewodów, gdzie proporcjonalnie efekty związane z impedancją głębokości „w skórze przewodnika” jest większe.
Podsumowanie redakcji magazynu Stereophile:
„Wnioskujemy z tych obserwacji, że przewody powinny być na tyle cienkie, że jedynie ułamek długości fali przy najwyższej częstotliwości dźwięku jest uwięziony wewnątrz przewodów, chociaż można dzięki oddzielnie izolowanych nici skutecznie zmniejszyć impedancję serii ze względu na sumę przekrojów wewnętrznych w przewodach. Całkowita impedancję mozna obniżyć stosując odpowiednią geometrię kabla i dbając o odpowiednie odstępy przewodów.
Przeplatanie wielu przewodów (np. o konstrukcji Litz) może obniżyć podatność na zewnętrzne zakłócenia (jest to ciekawy trik). Zewnętrzne obszary propagacji powinny być rozmieszczone możliwie równomiernie na całej powierzchni przewodu, kabel powinien być szczelnie opakowany w celu zapobiegania wpływom zewnętrznych drgań mechanicznych, modulacji impedancji (drgania drutów, zwojów i połączeń w systemach głośnikowych).
Ten artykuł stara się opisać bardziej rygorystyczny model systemów kablowych, przyglądając się kilku podstawowym zasadom elektromagnetycznym. Ważne było aby nie wprowadzać uproszczeń inżynierii zbyt wcześnie, kiedy tworzony był model. Dokonaliśmy kilku przybliżeń jednak, w przypadku pól bardzo skomplikowanych, zależnych od geometrii kabla i zachowania materiału wewnętrznego na poziomie molekularnym (wciąż myślę o wirach). Niemniej jednak, istnieją wystarczające dowody na to, że wydajność kabla nie jest tak prosta jak się może wydawać, często dlatego, że praca przy projektowaniu kabli jest postrzegana jako prosta. Dla mnie w tej obserwacji najbardziej uderzające było, szybkość sygnału zależna jest od częstotliwość fali „podróżującej” w przewodniku. Ponadto- wysoka przewodność i przepuszczalność przewodnika pojawia się znacznie większa w środku, a granice krystaliczne działają jako przegrody wewnątrz tej przestrzeni…”
*) Autor oryginału: Malcolm Omar Hawksford • 28 sierpnia 2005 • Publikacja z 1. października 1995
**) John Atkinson, redaktor magazynu Stereophile (jeden z najpoczytniejszych recenzentów audio). Jak można odczytywać z jego wyznania potrafił się przyznać do błędu, potrafił namówić specjalistę by mu wyjaśnił i może przekonał…