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无线电电子与电气工程百科全书 UMZCH 应该具有低输出阻抗吗？ 无线电电子电气工程百科全书
关于减少扬声器中的互调失真和泛音 使用不同 UMZCH 时扬声器的声音差异主要通过比较电子管和晶体管放大器来发现：它们的谐波失真频谱通常有很大不同。 有时，同一组的放大器之间存在明显差异。 例如，在其中一本音频杂志中，12 瓦和 50 瓦的 UMZCH 电子管给出的评级倾向于支持功率较小的电子管。 还是评估有偏见？ 在我们看来，这篇文章的作者令人信服地解释了扬声器中发生瞬态和互调失真的神秘原因之一，当使用各种 UMZCH 时，这些失真会产生明显的声音差异。 它还提供了经济实惠的方法来显着减少扬声器的失真，这些方法使用现代元素基础非常简单地实现。 现在普遍认为，对功率放大器的要求之一是保证其输出电压在负载电阻变化时保持不变。 换句话说，UMZCH的输出电阻应该比负载小，不超过负载的电阻模块（阻抗）的1/10,,,1/1000 |Zн|。 这种观点反映在许多标准和建议以及文献中。 甚至还专门引入了阻尼系数-K这样的参数d （或阻尼系数）等于标称负载电阻与放大器输出阻抗 R 的比值Ø 头脑。 因此，标称负载电阻为 4 欧姆，放大器的输出阻抗为 0,05 欧姆 Kd 应该是 80。当前的 HiFi 标准要求高质量放大器的阻尼系数至少为 20（建议至少为 100）。 对于市场上的大多数晶体管放大器，Kd 超过200。 小R的原因Ø UM（以及相应的高 Kd) 众所周知：这是为了保证放大器和扬声器的互换性，以获得扬声器主（低频）谐振的有效和可预测的阻尼，以及测量和比较放大器特性的方便性。 然而，尽管上述考虑的合法性和有效性，根据作者的说法，关于需要这样一个比率的结论是根本错误的！ 问题是这个结论是在没有考虑电动扬声器头（GG）的工作物理的情况下得出的。 绝大多数放大器设计人员真诚地认为，他们所需要的只是在给定的负载电阻下提供所需的电压，同时尽可能减少失真。 就扬声器设计者而言，他们似乎假设他们的产品将由输出阻抗可忽略不计的放大器供电。 似乎一切都很简单明了-可能有什么问题？ 尽管如此，还是有一些问题，而且是非常严重的问题。 主要问题是当 GG 由内部电阻可忽略不计的放大器（电压源或 EMF 源）运行时，GG 引入的互调失真幅度问题。 “功放的输出阻抗和这个有什么关系？别骗我！” 读者会说。 - 他错了。 它有，而且是最直接的，尽管这种依赖的事实很少被提及。 在任何情况下，都没有发现考虑这种影响端到端电声路径的所有参数的现代作品——从放大器输入端的电压到声音振动。 出于某种原因，在考虑这个话题时，我们以前仅限于分析 GG 在低频主共振附近的行为，而同样有趣的事情发生在明显更高的频率 - 比共振频率高几个八度音阶。 本文旨在填补这一空白。 必须说，为了增加可访问性，呈现方式非常简化和模式化，因此许多“微妙”的问题仍然没有考虑。 因此，为了了解 UMZCH 的输出阻抗如何影响扬声器中的互调失真，我们必须记住 GG 扩散器的声辐射物理特性是什么。 在主谐振频率以下，当向GG的音圈绕组施加正弦信号电压时，其扩散器的位移幅度由悬架的弹性阻力（或封闭箱内压缩的空气）决定，几乎是独立的的信号频率。 GG 在这种模式下的操作的特点是失真大，有用的声学信号输出非常低（效率非常低）。 在基本共振频率下，扩散器的质量，连同空气的振荡质量和悬架的弹性，形成一个类似于弹簧上的重物的振荡系统。 此频率范围内的辐射效率接近此 HG 的最大值。 在主共振频率以上，扩散器的惯性力与振荡的气团一起大于悬架的弹性力，因此扩散器位移与频率的平方成反比。 但是，这种情况下锥体的加速度理论上不依赖于频率，从而保证了频率响应在声压方面的均匀性。 因此，为了确保 HG 在高于主谐振频率的频率响应的均匀性，必须从音圈一侧向扩散器施加一个恒定幅度的力，如牛顿第二定律（F =m*a)。 音圈作用在锥体上的力与其中的电流成正比。 当 GG 连接到电压源 U 时，每个频率下音圈中的电流 I 由欧姆定律 I (f) \uXNUMXd U / Z 确定г(f)，其中 Zг(f) 是音圈的频率相关复阻抗。 它主要由三个量决定：音圈的有源电阻Rг （用欧姆表测量），电感 L克 电流还受到音圈在磁场中移动时产生的反电动势的影响，并且与移动速度成正比。 在远高于主谐振的频率下，可以忽略反电动势值，因为带有音圈的锥体根本没有时间在信号频率的一半周期内加速。 因此，依赖 Zг(f) 以上基本谐振频率主要由R的值决定г 和L.г 因此，电阻 R克， 电感 Lг 不是特别稳定。 音圈的电阻高度依赖于温度（TCR铜大约+0,35%/оC)、小型中频GG正常工作时音圈温度变化30～50 о并且相当快 - 在几十毫秒或更短的时间内。 因此，音圈的电阻以及通过音圈的电流以及恒定施加电压下的声压会变化 10 ... 15%，从而产生相应值的互调失真（在低频 GG 中，其热惯性很大，加热音圈会导致信号热压缩效应）。 电感变化更加复杂。 在明显高于谐振频率的频率下，通过音圈的电流的幅度和相位在很大程度上取决于电感值。 它在很大程度上取决于音圈在间隙中的位置：对于仅略高于基本谐振频率的频率的正常位移幅度，对于不同的 GG，电感会发生 15 ... 40% 的变化。 因此，在提供给扬声器的额定功率下，互调失真可以达到 10 ... 25%。 以上是用国内最好的中频GG-5GDSH-5-4之一拍摄的声压波形图照片说明的。 测量装置的框图如图所示。
作为双音信号源，使用了一对发生器和两个放大器，在其输出之间连接了测试 GG，安装在面积约为 1 m 的声学屏幕上2 . 两个具有较大功率余量（400 W）的独立放大器用于避免双音信号通过放大路径时形成互调失真。 头部产生的声压由带状电动麦克风感知，其非线性失真在66 dB声压级下小于-130 dB。 本实验中这样的扬声器的声压约为 96 dB，因此在这些条件下麦克风的失真可以忽略不计。
从上示波器屏幕上的波形图中可以看出（上 - 没有滤波，下 - 在 HPF 滤波后），频率为 4 kHz 的信号在另一个频率为 300 Hz 的影响下调制（头功率为 2,5 W）超过 20%。 这对应于大约 15% 的互调失真。 似乎无需提醒，互调失真产物的可感知阈值远低于百分之一，在某些情况下达到百分之一。 很明显，UMZCH 的失真，只要它们具有“软”性质，并且不超过百分之几，在扬声器由电压操作引起的失真的背景下是无法区分的。资源。 互调失真产物会破坏声音的透明度和细节——造成“混乱”，其中个别乐器和声音只能偶尔听到。 这种类型的声音可能为读者所熟知（一个很好的失真测试可以是儿童合唱团的录音）。 但是，有一种方法可以显着减少由磁头阻抗变化引起的上述失真。 为此，驱动扬声器的放大器必须具有远大于阻抗 R 的分量的输出阻抗g和 Xг (2p fLg) GG。 然后它们的变化实际上对音圈中的电流没有影响，因此，由这些变化引起的失真也将消失。 为了证明这种减少失真的方法的有效性，测量装置增加了一个与 GG 串联的 47 欧姆电阻（即，比所研究的 GG 的阻抗模量大一个数量级）。 为了保持相同的声压级，放大器输出端的信号电平相应增加。 切换到电流模式的效果从对应的示波图对比就很明显了：高频信号在下部示波器屏幕上的寄生调制要小得多，几乎看不到，其值不超过2 ... 3% - HG 失真急剧下降。 行家可能会反对，有很多方法可以减少音圈阻抗的可变性：这是用冷却磁流体填充间隙，在磁系统的磁芯上安装铜帽，以及仔细选择磁芯轮廓和线圈绕组密度，等等。 然而，所有这些方法，首先，原则上不能解决问题，其次，它们导致HG的生产复杂化和成本增加，因此即使在录音室扬声器中也没有得到充分的使用。 这就是为什么大多数中频和低频 GG 既没有铜帽也没有磁性流体的原因（在这种 GG 中，当全功率运行时，液体通常会从间隙中喷出）。 因此，从高阻抗信号源（在极限情况下 - 从电流源）为 GG 供电是减少互调失真的有用且方便的方法，尤其是在构建多频段有源声学系统时。 在这种情况下，主共振的阻尼必须纯声学来执行，因为中频 GG 的固有声学品质因数通常， 显着超过 4，达到 8...XNUMX。 奇怪的是，正是这种 GG 的“电流”供电模式发生在具有浅（小于 10 dB）FOS 的五极管或四极管输出的灯 UMZCH 中，特别是如果有电流的本地 FOS在阴极电路中以电阻的形式出现。 在设置这样一个放大器的过程中，它没有一般 OOS 的失真通常在 2,..5% 之内，并且当包含在控制路径的中断中时，耳朵肯定会注意到（比较方法与“直金属丝”）。 但是，将放大器连接到扬声器后，发现随着反馈深度的增加，声音先是有所改善，然后是细节和透明度的损失。 这在多频段放大器中尤其明显，其输出级直接驱动到相应的扬声器头，无需任何滤波器。 其原因，乍一看，一个矛盾的现象是随着电压OOS深度的增加，放大器的输出阻抗急剧下降。 上面讨论了从具有低输出阻抗的 UMZCH 为 GG 供电的负面影响。 在三极管放大器中，输出阻抗通常远小于五极管或四极管，并且引入反馈之前的线性度更高，因此引入电压反馈提高了单个放大器的性能，但同时恶化了扬声器头的性能。 结果，由于在三极管放大器中引入了输出电压反馈，尽管放大器本身的特性有所改善，但声音实际上会变得更糟！ 这一凭经验确定的事实为推测在音频功率放大器中使用反馈造成的危害以及关于声音的特殊、管状透明度和自然性的争论提供了无穷无尽的食物。 然而，从上述事实可以清楚地看出，关键不在于 OOS 本身的存在（或不存在），而在于放大器的最终输出阻抗。 那是“狗被埋葬”的地方！ 关于负输出电阻UMZCH的使用，值得说几句。 是的，正电流反馈 (POF) 有助于在基本谐振频率处抑制 GG，并减少音圈中的功率耗散。 然而，人们必须通过增加 GG 电感对其特性的影响来为阻尼的简单性和效率付出代价，即使与电压源的操作模式相比也是如此。 这是因为时间常数 Lг/Rr 被更大的替换，等于 Lг/[Rг+(-R输出功放)]。 因此，频率降低，从该频率开始，感抗开始在“GG + UMZCH”系统的阻抗总和中占主导地位。 类似地，音圈有源电阻的热变化的影响增加：音圈变化的电阻和放大器的不变负输出电阻的总和以百分比变化更多。 当然，如果 R出去。PA绝对值不超过音圈绕组有源电阻的1/3～1/5，引入POS的损耗小。 因此，可以使用弱电流 POS 来实现小的附加阻尼或用于微调低频带中的品质因数。 此外，UMZCH中的电流POS和电流源模式互不兼容，导致GG在低频段的电流供应，不幸的是，并不总是适用。 对于互调失真，我们显然已经弄清楚了。 现在还需要考虑第二个问题——在再现脉冲性质的信号时，GG 扩散器中出现的泛音的幅度和持续时间。 这个问题要复杂得多，也更“薄”。 众所周知，GH 扩散器只能在非常粗略的近似下被认为是无限刚性的。 事实上，当它们振动时，它们会以一种非常奇怪的方式显着弯曲。 这是由于扩散器的大量寄生共振频率和整个HG的运动系统的存在。 在脉冲信号通过后，每个共振频率的自由振荡不会立即消失，从而产生泛音，使声音着色并隐藏清晰度和细节，从而恶化立体声效果。 理论上有两种可能性可以消除这些泛音。 第一个是将所有共振频率移到工作频率范围之外，进入远超声区域（50...100 kHz）。 该方法用于小功率高频GG和一些测量传声器的开发。 关于GG，这是一种“硬”扩散器的方法。 第二种可能性是降低寄生谐振的品质因数，使振荡消失得如此之快，以至于听不见。 这需要使用“软”扩散器，其弯曲损耗如此之大，以至于寄生谐振的品质因数接近于一。 然而，带有“软”扩散器的 GG 的非线性失真和最大声压比带有“硬”音盆的 GG 稍差。 另一方面，具有“软”音盆的 GG 通常在声音的清晰度、无色度和透明度方面显着胜出。 因此，第三种选择也是可能的——使用具有相对“硬”扩散器的 GG 并引入其声学阻尼。 在这种情况下，可以在一定程度上结合两种方法的优点。 这就是工作室控制扬声器（大型监视器）最常见的制造方式。 自然，当阻尼 HG 由电压源供电时，由于主谐振的总品质因数急剧下降，频率响应会显着失真。 在这种情况下，电流源也被证明是可取的，因为它有助于在排除热压缩效应的同时平衡频率响应。 至于由 GG 扩散器的自由振动产生的泛音，那么，由于寄生谐振频率通常比主谐振频率高得多，GG 的工作模式 - 使用电流或电压源 -对他们几乎没有影响。 处理寄生共振的唯一直接方法是声学阻尼。 然而，当 GG 由电流源供电时，它们的激发概率较小，因为当它们被失真产物激发时，这些共振变得最明显。 对于 GG 的这种操作模式，这些失真产物的绝对幅度和相对幅度都明显更小。 综上所述，我们可以得出以下实际结论： 1. 来自电流源（与电压源相反）的扬声器头工作模式可显着减少由头本身引入的互调失真。 2. 对于具有低互调失真的扬声器，最合适的设计选项是有源多频段，每个频段都有一个分频滤波器和单独的放大器。 然而，无论 GG 饮食如何，这个结论都是正确的。 3. 电流源的磁头操作导致需要对它们的主共振进行声学阻尼，因此在此过程中也实现了对运动系统的寄生共振的一些阻尼。 这改善了扬声器的脉冲响应并有助于消除额外的声音染色。 4、为了获得放大器的高输出阻抗并保持其少量失真，OOS不应以电压为单位，而应以电流为单位。 当然，作者明白，所提出的减少失真的方法并不是万能的。 此外，在使用现成的多频段扬声器的情况下，其单个 GG 的电流供应是不可能的。 将多频带扬声器作为一个整体连接到输出阻抗增加的放大器的尝试，不仅会导致失真的减少，而且会导致频率响应的急剧失真，从而导致音调平衡的失败。 然而，通过这种可访问的方法，将 GG 的互调失真减少了几乎一个数量级，显然值得关注。 作者感谢 NIKFI 工作人员 A.P. Syritso。 寻求测量帮助和 Shraibman A.E. 用于讨论结果。 作者：S. Ageev，莫斯科； 出版：cxem.net
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