電吉他-電磁波干擾EMI-噪音改善全紀錄

友人一直抱怨 電吉他 有斷斷續續的噪音,也就是受到電磁波干擾 ,一般在業界稱為Electromagnetic Interference (EMI)。在好奇心的驅使之下,我到現場觀察,發現他樓下剛好就是一個小型的工廠,但台灣的人口密度高,這也是沒辦法的事情,於是我想或許能幫他做點改善,做多少算多少,於是電磁波大作戰就此開始。

在作戰之前,我們先來認識一些電磁波的行為特性,掌握這些觀念之後,將來你或許也能自己處理。但我得先說,處理EMI是個非常專業的學問,我也只略知一二,若真的要卯起來做,會需要很多專業儀器涉入,甚至還需要一點運氣,像我們這種想空手奪白刃的人,就只能先了解基本知識。

電吉他 的天線效應 Antenna Effect

若各位有使用擴大機的經驗,應該多少有遇過手指不小心碰到擴大機的訊號接頭,因而產生噪音的事情,這個就是天線效應。因為人體也算能導電的電阻,雖然不算金屬導體,但還是能被當作天線感應電磁波,透過手指傳遞到訊號線,最後透過擴大機放送出來。這件事情在示波器上也會發生,請看這篇手摸示波器探棒-為何有弦波? 原因在這裡

事實上,即便你只是把擴大機訊號線插頭靠近雜訊源,一樣能讓擴大機產生很大的雜音。如下圖,左後方白色的方塊是擴大機,中間紅色插頭則是擴大機的輸入訊號線,當它靠近筆電的時候,擴大機就會滋滋叫,產生很刺耳的雜音。因為筆電內部有很多電源轉換電路,它們會產生很強烈的電磁波,拿來當雜訊源剛剛好,這是最便宜的作法。

電吉他 音源插頭的訊號端能感應到電磁波雜訊
電吉他 音源插頭的訊號端能感應到電磁波雜訊

屏蔽效應 Shielding Effect

各位應該有聽過若要阻擋電磁波,就需要包一層金屬在外殼上,基本上這個思考方向正確,但還有一個動作一定要做,那就是接地。

如下圖,這個 電吉他 的Mono接頭它有兩截,一截較長是地Ground、另一截較短是訊號Signal,我用鋁箔的兩端接觸Ground,並在Signal接頭周圍繞一圈,光這樣就能抵擋電磁波,啥! 真的? 對是真的。當我把這個裝置放到筆電上方的時候,擴大機幾乎沒有雜音,但只要把其中一端的鋁箔放開,雜音馬上就出現。很明顯的,接地金屬的罩子對於防治電磁波有很立竿見影的效果。

用接地金屬隔離 電磁波
用接地金屬隔離 電磁波

那鋁箔中間的空洞難道不會讓其他電磁波穿透過去嗎? 會的,但只有像Wifi或藍芽之類的2.4GHz/5GHz高頻訊號才穿得過去,它們的波長很短只有6cm~12cm,而一般音頻的訊號,波長非常的長,大約是100公里左右,若把鋁箔圓圈當作波導管,音頻波長的長度遠大於鋁箔圓柱的直徑,因此音頻波通過圈圈時,會快速衰減。

另外若屏蔽的效果要好,在可以施作的前提下,鋁箔與接地的接觸面積就要盡量大,以上圖為例,鋁箔兩端都接地的噪音,會比只有一端接地要來得小。因此幾乎所有的電子電路,都會把Ground層的面積做到最大,就是為了降低電磁波干擾。

集膚效應 Skin Effect

接地的金屬罩有很好的隔離效果,但如果不接地呢? 這時候就要拚厚度了,因為電磁波在金屬內部傳導的時候,衰減非常快速,頻率越高衰減越多,所以電流幾乎都在金屬表面。當我們由金屬表面往內觀察時,若振幅衰減為原來的37%時,這個深度就定義為集膚深度Skin Depth,這個效應就稱為集膚效應Skin Effect。

集膚效應Skin Effect
集膚效應Skin Effect

以市電為例,當60Hz的交流電通過磚塊尺寸的銅塊時,集膚深度為8.4mm,也就是從銅塊表層往內8.4mm的地方,電流會變為表層的37%,若再繼續往內8.4mm,就會再打折37%也就是電流會更小。所以如果銅線半徑超過8.4mm,由於主要電流都在表層,它的整體銅線使用效率就沒這麼好,這時就要用多股銅線去纏繞形成中心線,所以將高壓電覽線切片的話,就是長得像下圖這個樣子。

380KV高壓電纜 (CC BY-SA 3.0, Author: Wdwd)
380KV高壓電纜 (CC BY-SA 3.0, Author: Wdwd)

如果是微波爐,它用的是2.4GHz的電磁波,通過銅製金屬時,集膚深度更淺,經過計算為1.33um,比一張紙還薄上百倍。所以微波爐其實只需要一般鐵板就可以阻擋大部分的電磁波,那小部分呢? 由於微波爐並不是焊死的鐵盒子,它一定有縫隙,小部分的電磁波就會從這些縫隙跑出來,這些功率通常非常小,就看你能不能接受。

至於聲音的頻率,大約在20Hz~20KHz之間,若以一般稍微高音的聲音頻率5KHz來算,音頻的電子訊號在鋁材的集膚深度大約是1.16mm,所以2mm厚度的金屬大約可以降低八成的音頻電磁波。

Skin depth for 5KHz
Skin depth for 5KHz

因此到底要用多少厚度的金屬來隔離電磁波,就端看你想讓哪個頻段達到多少衰減量,當然理論上是越厚越好。所以如果你想要連同60Hz都要完全靜悄悄,那只好把擴大機關在一個完全密閉的金屬箱內,而且厚度要超過8.4mm,當然啦! 是越厚越好,如果厚個10倍我想即便金屬沒接地也是可以達到隔離效果。

但這樣的話,密閉金屬內的擴大機電源是要接哪裡呢? 那不就沒得插電了,所以我們還是得考慮現實狀況,所謂完美的封閉金屬是很難達成的,一般的測試用金屬隔離箱最脆弱的就是門框,門框銜接處一定還是有縫隙,隔離度要求越高,縫隙就得越少,維護上也較花心思。

還好音頻的波長非常的長,有上百公里,就算縫隙開個1cm,音頻電磁波也幾乎都會被拒於門外,僅有很小部分會進來,無奈拾音器有8000到10000圈,等於又會放大一些回來,所以在隔離上我們只能盡量做。

改造 電吉他

為了把電磁波隔離做好做滿,我必須先測量琴身的凹槽,由於凹槽內部並不是很平整,所以測量起來也很費力,我甚至還用鋁箔紙放進去壓模,用來確認圓弧的半徑。

測量 電吉他 凹槽尺寸
測量 電吉他 凹槽尺寸

接著就是要畫工程CAD圖,這種圖可不是Windows小畫家弄一弄就好了,它是一種向量圖,有精準度的要求,才能讓機器做雷射切割,由於要考量將來的組裝,這張圖我也花了好些時間繪製。

繪製CAD圖
繪製CAD圖

最後裁切出來是長這個樣子,原本在電腦裡的東西突然變成真實的零件,老實說第一眼看到的時候還真是感動。另外一個原因則是,從圖到樣品這個階段非常曲折,花了我非常多的時間。

原先我以為雷射切割甚麼都可以切,最先是寄了一片MuMetal過去,據說磁導係數非常高,但由於我自己不小心把金屬板折到,雖然有再扳回去,但廠商說表面不平沒辦法切。後來我再寄了一塊銅板過去,這次廠商說雷射對銅沒有反應也沒辦法切,只能用線切割,以我這圖來看,線切割似乎是個很麻煩的加工方式。最後只好使用傳統的黑鐵材,給它雷射一下很快就切出來了。Wow原來不同金屬需要用不同加工方式,真是隔行如隔山,也上了一課。

黑鐵金屬雷射切割的零件成品
黑鐵金屬雷射切割的零件成品

如下圖,把鐵板試著擺一下,還不錯是我期望中的樣子,但是我發現凹槽內層有黑色的漆,據說這是導電漆,導電? 真假,我試著測量一下任兩點的阻抗,大約是20 ohm~50 ohm左右,這個值對金屬來說也太大了,它只是具有比較小的電阻而已,一般的金屬電阻大約會是0.01 ohm左右,甚至更小。所以這個導電漆可能只適用於靜電排除,對於隔離電磁波的任務是無法達成的。

凹槽內的導電漆無法勝任隔離 電磁波 的效果
凹槽內的導電漆無法勝任隔離 電磁波 的效果

所以我決定在鋪設鐵板之前,先貼上一層銅箔,由於銅箔有背膠,而背膠不會導電,所以貼的時候還需要想辦法上兩片交疊的銅箔能導電才行。

在 電吉他 的凹槽貼上銅箔
在 電吉他 的凹槽貼上銅箔

弄了個老半天,銅箔與鐵板終於都貼上了,最後還把拾音器的傳輸線套上接地編織帶,完全就是把接地與隔離做好做滿的概念,當時還有點得意。

貼完銅箔與鐵片的 電吉他
貼完銅箔與鐵片的 電吉他

只是人還是要謙虛一點,正要把音量的可變電阻裝回去的時候,突然發現剛剛加裝的鐵板竟然卡到可變電阻了,就差那麼一咪咪,只好把鐵板拆下來,銅箔也要重貼。

可變電阻與鐵板發生干涉
可變電阻與鐵板發生干涉

另外音源插座的訊號線與地線的接點之間也會形成感應電流的迴圈,所以我連插座也用銅箔圍起來了,務必要做到滴水不漏,至少我個人是這麼期望的。

音源插座也用銅箔圍起來防 電磁波
音源插座也用銅箔圍起來防 電磁波

最後再來巡一下,看到下圖的調音電路,原本的地線是一條普通的黑色電線,當我把手指放在電線塑膠皮上的時候,擴大機會有明顯的嗡嗡聲,我想是它太細的緣故,所以改以接地編織帶Ground Braid取代,施工之後果然無論手指有沒有觸碰金屬面,嗡嗡聲都不再出現,我當時可得意了。

將 電吉他 電路室的接地線改以編織帶取代
將 電吉他 電路室的接地線改以編織帶取代

只是我天生好奇,為了確認真的是更換這條Ground Braid的緣故,我又再把那條細細的接地線給換回去了,理論上應該嗡嗡聲會重新出現對吧? 怪的是,嗡嗡聲就再也沒出現了。是的,處理EMI就是這麼古怪又惱人,我對這件事情的解釋是,原先的接地線沒焊好,當我換成Ground Braid的時候,勢必得重新焊接,於是就順便修好了,即便想回復嗡嗡聲的狀態,目前看來是回不去了,以上純屬臆測,僅供參考。

電吉他 最終測試

每次修東西最緊張的就是這個步驟,搞了半天到底有沒有效? 這才是大家最關心的。所以我把電吉他還給友人,請他試一個星期,看看是否真的有改善。結果他很委婉的說,只有8KHz以上的噪音有改善,也就是說8KHz以下的噪音都還存在就是了。

雖然我知道EMI這種東西很難對付,但是花了那麼久的時間卻依舊失敗,心中總是難免失望。這就是人生啊,有努力不一定有收穫,沒有努力一定沒有收穫,但至少這個過程我也學到不少東西。

既然友人說8KHz以上的噪音有改善,我們就來聽聽看甚麼是8KHz的噪音,然後我再來加工一下讓各位比較。於是我找了一首很像噪音的音樂,各位先聽看看它原本的樣子,如下Player。

濾波之前的音樂

接著我把等化器Equalizer調整在8KHz以上拉低,由於此軟體的級距沒有8KHz,我就從6KHz~15KHz逐漸拉低,意思一樣。

用等化器拉低8KHz以上的訊號
用等化器拉低8KHz以上的訊號

接著再請各位聽看看,拉低8KHz的聲音,變成甚麼樣子? 請聽下面的Player。

濾波之後的音樂

各位是不是覺得聲音有點悶? 沒錯,因為高頻訊號不見了,只剩下較低頻的訊號,意思就是低頻的噪音依舊惱人,所以其實就是效果不大的意思,整體看來就是挑戰失敗。

電吉他 的噪音改善建議

根據上面的實驗,我們可以得到一個結論,如下圖單線圈的拾音器Pickups構造雖然簡單,由於是單一線圈繞出來的,因此只要有電磁波擾動,它都會照單全收,因為根本無法分辨訊號是來自琴弦還是雜訊,它們是混在一起的。

單線圈的拾音器無法對抗電磁波雜訊
單線圈的拾音器無法對抗電磁波雜訊

面對單線圈的拾音器,你能做的就是改善環境,像是離噪音源遠一點,或是直接把房間貼滿銅箔、鋁箔並接地,我相信會有改善,因為我曾試過把接地金屬板放在電吉他的正前方,噪音就明顯變小,但這樣手就沒法彈琴了,所以我們只能把這個概念放大到整個房間,只是得花點時間貼牆壁就是了,而且還要想辦法裝飾一下,不然你的房間看起來會很像人造衛星。

至於正式演出的時候,通常是在大場地或是一般民宅,一般不會有雜音干擾源出現,除非你很倒楣,剛好隔壁有快炒店的大型冷凍櫃,裡面的壓縮機24Hr運作,啟動關閉的瞬間就會產生很強的電磁波,這樣可能會有影響,但比起工廠工具機電磁閥運作,冷凍櫃的開關次數應該低很多。

如果你對於雜音這件事情非常在意,那我會建議你使用雙線圈的Pickups,它是利用方向相反的線圈做到將雜訊抵銷,所以在功能上稱為Humbucker,也就是去除交流嗡嗡聲的意思,我這個門外漢一開始還以為Humbucker是品牌名稱。

雙線圈拾音器能抵抗電磁波雜訊
雙線圈拾音器能抵抗電磁波雜訊

雖然利用兩個方向相反的線圈抵銷雜訊,聽起來好像很有道理,但你有沒有想過這樣一來,不就連琴弦的訊號也一起抵銷了嗎? 哎呀,這個講起來又是一篇了,我會另外再寫一篇來解釋,這次的挑戰,就跟各位分享到這裡。

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