作者：實作派
友人一直抱怨他的電吉他有斷斷續續的噪音，也就是受到電磁波干擾 ，這個狀況一般在業界稱為 Electromagnetic Interference（EMI）。在好奇心驅使下，我到現場觀察，發現他樓下剛好就是間小型工廠，因此我開始了電磁波大作戰，或許能幫他做點改善。
在作戰之前，我們先來認識一些電磁波的行為特性，掌握這些觀念後，將來你或許也能自己處理，不過其實處理 EMI 是門非常專業的學問，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。
電吉他的天線效應 Antenna Effect
各位如果有使用過擴大機的經驗，應該多少有遇過手指不小心碰到擴大機的訊號接頭，因而產生噪音的情況，這個就是天線效應。人體雖然不算金屬導體，但也算是能導電的電阻，因此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【實作實驗室】手摸示波器探棒為何有弦波？。
事實上，即使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，看下面這張圖，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，擴大機會滋滋叫，產生很刺耳的雜音，這是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！
電吉他音源插頭的訊號端能感應到電磁波雜訊（圖片來源：實作派提供）
屏蔽效應 Shielding Effect
各位應該有聽過如果要阻擋電磁波，需要包一層金屬在外殼上，基本上這個思考方向是正確的，但還有一個動作要做，那就是接地。
如下圖，這把電吉他的 Mono 接頭有兩截，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！
當我把這個裝置放到筆電上方，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。很明顯地，接地金屬的罩子對於防治電磁波有立竿見影的效果。
用接地金屬來隔離電磁波（圖片來源：實作派提供）
那鋁箔中間的空洞難道不會讓其他電磁波穿透過去嗎？會，但只有像 Wifi 或藍芽之類的 2.4 GHz/5 GHz 高頻訊號才穿的過去，因為它們的波長很短，只有 6 cm~12 cm，而一般音頻的訊號，波長非常長，大約是 100 公里左右，如果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，當音頻波通過圈圈時，會快速衰減。
如果屏蔽的效果要好，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時，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，稱為集膚效應 Skin Effect。
集膚效應 Skin Effect（圖片來源：實作派提供）
以市電為例，當 60 Hz 的交流電通過磚塊尺寸的銅塊時，集膚深度為 8.4 mm，也就是從銅塊表層往內 8.4 mm 的地方，電流會變為表層的 37%，如果再繼續往內 8.4 mm，就會再打折 37%，也就是電流會更小，所以如果銅線半徑超過 8.4 mm，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。將高壓電覽線切片的話，就會長得像下圖：
380 KV 高壓電纜（CC BY-SA 3.0, Author: Wdwd）
如果是微波爐，它用的是 2.4 GHz 的電磁波，通過銅製金屬時，集膚深度更淺，經過計算為 1.33 um，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 20 Hz~20 KHz 之間，如果以一般稍微高音的聲音頻率 5 KHz 來算，音頻的電子訊號在鋁材的集膚深度大約是 1.16 mm，因此 2 mm 厚度的金屬大約可以降低八成的音頻電磁波。
Skin depth for 5 KHz（圖片來源：實作派提供）
那到底要用多少厚度的金屬來隔離電磁波，就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 60 Hz 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 8.4 mm，而厚度也是越厚越好，如果厚個 10 倍我想即使金屬沒接地，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。
還好音頻電磁波的波長非常長，有上百公里，就算縫隙開個 1 cm，音頻電磁波也幾乎會被拒於門外，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，由於凹槽內部不是很平整，所以測量起來很費力，我甚至還用鋁箔紙放進去壓模，來確認圓弧的半徑。
測量電吉他的凹槽尺寸（圖片來源：實作派提供）
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（圖片來源：實作派提供）
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，花了我非常多時間。
原先我以為雷射切割什麼都可以切，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…最後使用傳統的黑鐵材，給它雷射一下很快就切出來了（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（圖片來源：實作派提供）
如下圖，我試著擺鐵板，還不錯~是我期望中的樣子，但我發現凹槽內層有黑色的漆，據說這是導電漆，真假？我試著測量任兩點的阻抗，大約是 20 ohm~50 ohm左右，這個值對金屬來說也太大了吧！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（圖片來源：實作派提供）
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讓兩片交疊的銅箔能導電才行。
在電吉他的凹槽貼上銅箔（圖片來源：實作派提供）
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（圖片來源：實作派提供）
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，銅箔也得重貼。
可變電阻與鐵板發生干涉（圖片來源：實作派提供）
由於音源插座的訊號線與地線的接點之間會形成感應電流的迴圈，因此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（圖片來源：實作派提供）
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（圖片來源：實作派提供）
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，怪的是，嗡嗡聲再也沒出現了。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，即使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。
因此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 8 KHz 以上的噪音有改善，也就是說 8 KHz 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，但花了那麼久的時間依舊失敗，心中難免失望。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 8 KHz 以上的噪音有改善，我們就來聽聽看什麼是 8 KHz 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 8 KHz 以上拉低，由於此軟體的級距沒有 8 KHz，我就從 6 KHz~15 KHz 逐漸拉低，意思一樣。
用等化器拉低 8 KHz 以上的訊號（圖片來源：實作派提供）
接著再請各位聽看看，拉低 8 KHz 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，單線圈的拾音器 Pickups 是單一線圈繞出來的，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（圖片來源：實作派提供）
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，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 24 小時運作，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，這在功能上稱為 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（圖片來源：實作派提供）
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，我寫在這篇【實作實驗室】電吉他小常識！為什麼雙線圈的拾音器可以抗雜訊？。
（本文經同意轉載自實作派電子實驗室、原文連結；責任編輯：賴佩萱）
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