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无线电电子与电气工程百科全书 电声反馈在有源扬声器中的应用。 无线电电子电气工程百科全书
文中，作者考虑了涵盖功率放大器的反馈类型，同时也考虑了音响系统发射器的一些特性，在一定程度上纠正了扬声器的缺点。 电声反馈（EAOS）最有效地减少低频段的各种失真，但该技术的适用性仅限于内置UMZCH的扬声器。 作者提出了计算此类 AU 的简要方法以及附加电子元件的图表。 请注意，作者多次在展览中展示他的活跃扬声器（内置 UMZCH 和 EAOS）。 它们的不同之处在于声音的真实感和 EAOS 运行的低音音域的特殊纯度。 在通过带有电动头 (EDG) 的声学系统 (AS) 在 LF 频段实现高质量声音再现 (SV) 的主要问题中，可以区分两个主要问题：频率响应和相位响应的失真，以及大量的非线性失真（NI），特别是在低频时。 第一个原因是在扬声器的选择、声学设计 (AO) 以及听音室 (KdP) 的声学特性和扬声器在其中的放置方面的妥协。 这种类型失真的结果是瞬态响应（TR）失真，这会导致音频信号包络失真，尤其是电平突然变化时，这些通常被表征为“模糊”、“嗡嗡声”和“低音滞后”效果。 第二个问题的主要原因是需要显着增加 EDG 锥体的位移（行程），当其刚性不够时尤其强调这一点，并导致出现额外的泛音。 减少扬声器失真的方法 下面，我们简要考虑使用各种方法来克服或减少最常见类型的 AO 扬声器中这些问题的可能性，这些扬声器采用反相器 (FI) 和封闭箱 (CL) 的形式，但没有考虑到KdP 声学效果和扬声器在其中的位置的影响。 采用 FI 形式的 AO 的 AS，如果实施正确，可以显着扩展 SV 频段下截止频率区域的频率响应，并降低 NI，这一点尤其重要，因为 AS 体积相对较小，与CL形式的AS相比。 然而，所有这些优点都伴随着 RP 的显着扭曲，RP 往往是评估污染物质量的主要标准，当然，要考虑到 AU 的给定功能目的。 具有 WA 形式的 AO 的 AS 具有更好的 RP，但是，这需要显着增加 AS 的体积，同时降低 SV 频段的较低截止频率。 通过具有这两种类型AO的扬声器，对频率响应和相位响应进行联合校正[1]，以及与具有负输出阻抗的功率放大器（PA）联合使用[2]来改善污染物的质量，是最常用的，由于 EDG 具有更好的阻尼，因此可以显着提高 RP。 另一种方法不太常见，但非常有效，是基于机电反馈 (EMOS) 的使用。 在这种情况下，重要的是 OS 电路覆盖 EDG——所有类型失真的主要来源，通过这种方法，EDG 会与 EMOS 的深度成比例地减小。 在实现 EMOS 理念的众多选项中，最广泛使用的是使用固定在 EDG 扩散器表面的压电传感器形式的加速度计的选项 [3-5]。 EDG 扩散器振荡时产生的传感器电信号与声压成正比，在 EMOS 电路中不断与来自源的原始信号进行比较。 在这种情况下，由于差异信号，需要进行必要的校正，以实现声压与来自源的声音信号的对应关系。 还可以使用引入负反馈(NFB)的其他方法，例如，使用单独的附加音圈(“传感器”)作为传感器，其中的信号用于隔离CNF电路中的校正信号。 这种类型的 OOS 称为电动反馈 (EDOS)，但其使用仅限于 EDG 具有附加线圈的扬声器。 最难实施但也是最有效的方法是在 EDG 扩散器表面附近安装麦克风作为压力传感器。 在这种情况下，会发生电声反馈（EAOS），它最充分地考虑了麦克风检测到的所有类型的失真，无论原因如何。 EAOS 允许您进行最准确的校正，因为来自麦克风的电信号不需要额外的转换。 EAOS 的使用率较低是由于设计实施中的困难造成的，但所取得的成果令人印象深刻，例如 Meyer Sound（美国）的 X-10 录音室监听器 [6]。 上述所有方法在低频改善污染物质量的可能性方面的缺点在于需要进行各种设计补充。 因此，瑞典Audio Pro公司于1978年提出的低频EDG与PA“耦合”的技术备受关注。 该技术称为 ACE Bass（放大器控制悦音低音）[7]，不需要添加任何结构，并且可以在不增加使用 EDH 的扬声器箱体尺寸的情况下降低污染物的下限截止频率，其自然谐振频率可以明显高于扬声器中污染物的下限截止频率。 该系统的工作原理是EDG由PA激励，PA的输出阻抗具有复杂的复数特性：在某些频率下它是负的或正的并且是复数的。 ACE Bass 系统可以通过多种不同的方式实现，特别是可以通过正电流反馈或负电阻转换器来实现负输出阻抗。 该系统的实现对于具有不同初始输出阻抗的PA是可能的。 NI 显着降低的影响可以通过 EDG 的线性电气参数相对于转换为电路的非线性机械参数的优势来解释。 ACE Bass 技术的广泛使用受到需要考虑相当大量 EDD 参数的阻碍，而其中很大一部分通常未包含在规范中。 为了评估在 EP 形式或设计中采用 AO 的核电厂现代化中使用 EAOS 的可行性，有必要使用三个主要标准。 第一个标准是经济性的，评估参与污染过程的所有现有或正在设计的音频设备的成本增加。 同时，额外成本是根据购买或制造所有必要的机械和电子部件的成本以及其安装和调整的成本来计算的。 第二个标准是建设性和技术性的，它评估在 EDG 扩散器表面附近安装带有紧固元件的传感器麦克风的真正可能性。 第三，技术标准评估污染物质量改善的真实可能性。 在现代化过程中，这只是添加了 EAOS，应该考虑到频率响应向低频区域的扩展将伴随着最大声压的成比例下降，下降幅度通常不超过 6 dB，对应于频率响应的必要校正。 用 EAOS 计算 AS 的特点 当使用 EAOS 以音孔形式设计具有 AO 的 AP 时，主要给定值通常是最大声压 (p最大）在给定的较低频率（fн) 在具有线性频率响应的 SV 频带中。 在设计过程中，扬声器的类型、低频头的最佳谐振频率（fc）安装在AU中，PA在频率y下所需的输出电压，以及整个污染物系统的结构图和原理图以及所有类型元件的选择。 例如，考虑一个设计选项： p最大 = 2 Pa (100 dB), fн = 30 Hz，不考虑 KdP 和 AS 在其中的放置的影响。 最初的计算没有考虑欧洲经济区的行动。 众所周知[8]，声压由以下公式确定 p = (х' S f ρ) / r, (1) 其中 x' = 2π f x 是扩散器速度； х是EDG扩散器在一个方向上的位移幅度； S——扩散器面积； f是测量频率； ρ = 1,225 千克/米3 - 空气密度； r - 到测量接收器的距离。 代入值x'，我们变换公式（1） p = (2π f2x S ρ) / r, (2) 但 S x \u2d V 是移动的空气体积。 则式(XNUMX)转化为形式 p = (2π f2Vρ) / r, (3) 对于 r = 1 m 我们有 V = p / (2π f2ρ), (4) и x = V / S = p / (2π f2·ρ·S)。 (5) 例如，考虑使用 Eminence（美国）的 EDH LAB12 的可能性，其扩散器表面积 S = 506,7 cm2 = 5,067 10-2 м2, 而对于 p = p最大 = 2 Pa 且 f = 30 Hz： x =2 / (2 3,14 3021 5,067 10-2) = 0,57 10-2 米 = 5,7 毫米， 这远小于所选 EDG 的线性行程 x = ±13 mm 的护照值。 为了进一步计算，我们使用护照数据：f切 Ø 22 Hz - 没有 AO 的空气中的共振频率，pо = 89,2 dB - 对应于电压U的灵敏度o f = 2,83 Hz 时 PA 输出端 = 11,2 V (100 dB)，Qts = 0,39 - 品质因数。 EDG 的最佳谐振频率值，安装在 AU 外壳中，AO 为 CL 形式，并提供较小的频率响应不均匀性，建议根据[9]的建议使用公式进行计算 fс =（f切·Qtc) / 问ts , (6) 哪个Q.tc = 0,707 - AU 情况下 EDG 的总品质因数。 因此 fс = (22 0,707) / 0,39 = 40 赫兹。 计算 PA 输出电压的所需值 (UØ) 在频率 fн = 30赫兹在p最大 = 100 dB 通常使用安装在具有给定 AO 的扬声器箱中的 EDG 的频率响应来产生。 在实现具有 f 的二阶高通滤波器时，可以以足够的精度对这种频率响应进行建模，以供实践使用。c 根据 Sallen-Kay 方案 [40]，Q = 0,707 Hz，Q = 10，如图 1 所示。 XNUMX.
这种高通滤波器的频率响应和相位响应的测量结果以图的形式示出。 2. 这些测量以及所有后续测量都是在 Neutrik 的特殊音响设备“A2 - 音频测量系统”上进行的。
U 值Ø 来自 UM，考虑到 U 之间的正比例关系Ø 声压（以分贝为单位）可通过以下公式求得 UØ =U1 +ΔU1 , 你在哪里1 =Uo + (p最大 -po) = 11,2 + (100 - 89,2) = 23 dB (11 V) - U 值Ø对应于p最大 = 100 dB，f = 100 Hz，ΔU1 § 6 dB - 频率 f 处频率响应（图 2）下降的幅度н = 30 赫兹。 因此你Ø = 6 + 23 = 29 分贝（22 伏）。 作者使用增益为 K 的 PAу = 13,5 dB，则系统的灵敏度为U凛 =U1 - 至у = 23 - 13,5 = 9,5 dB (2,3 V)。 使用 EAOS 的污染物系统的简化框图如图 3 所示。 XNUMX、其中PA为功率放大器； AC - 带 EDG 的扬声器 (GR) 和带放大器 (MU) 的麦克风 (M)； PUNC——低频带通电压放大器； Σ - 来自主系统和 EAOS 的信号加法器。
从图中的图表可以看出。 如图3所示，EAOS是由于通过麦克风传感器将Gy包含在OOS环路中而形成的。 由图可知如下如图3所示，如果PA的端到端电压信号增益保持Ku = 13,5 dB = const，则EAOS的深度和范围完全由PULF的特性决定。 在这种情况下，EAOS 的最大深度受到 ELF（低频）稳定性极限的限制。 EAOS频带的上限频率是根据在EAOS电路中引入最小时间（相位）延迟的条件来选择的，并考虑到从麦克风传感器到EDG扩散器表面的实际距离来确定。 显然，这个距离不能小于必要的距离，对应于最大位移x最大限度 = ±5,7 毫米。 笔者采用的距离为12毫米。 同时，作者认为只要不等式就足够了 λ ≥ 100 x，但 λ = v/f，则 f < v/λ， 其中 λ 是声波的长度； v是声音在空气中传播的速度（340 m/s）； f 是音频信号的频率。 因此，f ≤ 340/ /(100 12 10-3) ≤ 283 赫兹。 EAOS系统的电子元件 使用EAOS的污染物系统的实际实用框图如图4所示。 图 3 与图 XNUMX 的简化图不同。 XNUMX.通过引入附加功能单元：PU——信号前置放大器，提供与MU必要的协调，以最小化信噪比的恶化和必要的电压增益； CL - Linkwitz校正器，它对具有大深度的EAOS环路中信号的频率响应和相位响应提供必要的校正，并为FIN创建足够的稳定裕度； LPF——低通滤波器，限制频率超过EEA频段上限的信号； HPF - 一种高通滤波器，可限制系统因 ELF 信号而过载。
使用 EAOS 的光伏系统的完整电路图，对应于图 4 中的框图。 如图5所示。 3.1、其中，为了方便考虑PA系统中所有元件的相互作用，在运放DA3.2上以反相放大器的形式呈现，而Gr、M和MU——以a的形式呈现DA14 上的高通滤波器，在其输出端打开 RXNUMX 调节器，这允许您更改 EAOS 的深度。
考虑来自源的主信号的路径，该路径从根据 Sallen-Kay 方案在 DA1.1 和 C1、C2、R1、R2 上实现的二阶高通滤波器开始。 选择截止频率 fc = 21,4 Hz 是在分析使用引入的 EAOS 测量声压频率响应的结果后得出的。 信号从 HPF 的输出馈送到电阻器 R3（加法器的元件之一），然后通过电容器 C3 馈送到 PUNCH 的输入端。 该电容器为 DA2.1 上的同相放大器与 HPF 和 EAOS 电路中的元件提供直流隔离。 R5С3电路元件标称值的选择是基于它们对f<10 Hz时频率响应和相位响应的最小影响。 PUNCH 在 DA2.1 和 DA2.2 运算放大器上实现，DA2.1 上的放大器提供了 EAOS 所需的深度，以及 f 的二阶 HPFc = 290 Hz，包含在 DA2.1 的 OOS 电路中，设置 EEA 频段的上限频率。 测得的 PLF 频率响应和相位响应如图 6 所示。 XNUMX.
电阻器R7/R6的阻值比和截止频率f的选择c DA290 上的 HPF = 2.2 Hz 是考虑到在 f = 40 Hz 频率下提供最大增益。 HPF 陡度的限制是由稳定性问题引起的。 从 PUNCH 输出（A 点），信号被馈送到 DA3.1 运算放大器的 PA 输入，然后馈送到 DA3.2 上的 Gr 等效项（见图 1），并通过输出（B 点）馈送到EAOS 深度控制器 (R14)。 EAOS 信号路径从控制面板的对称输入（C 点和 D 点）开始，在运算放大器 DA5.1 上实现，电压增益为 Kу = 1. 随后的（主）放大发生在运算放大器 DA5.2 上组装的非反相放大器上，其中 Kу=1+R22/R20。 电容器C16消除了具有恒定分量的信号从前级渗透到输入DA5.2，并且选择其电容时考虑到对EAOS较低频率区域中的频率响应和相位响应的较小影响。 元件 C17 和 R21 用于校正 EAOS 频段较高深度处的频率响应和相位响应。 PU 之后的 Linkwitz 校正器 (CL) 对频率响应和相位响应进行必要的校正，如图 7 所示。 8. CL元件的计算是在分析引入EAOS之前系统的频率响应（图8，a）和相位响应（图XNUMX，b）的基础上进行的，并且还考虑到提供小的频率响应不均匀性，频率响应的最大失效在频率 fн = 30 Hz 不超过 0,9 dB。 EAOS 信号链中的最后一个环节是根据 Sallen-Kay 方案在 DA1.2 和 C22、C23、R29、R30 上实现的二阶高通滤波器，可选择截止频率 fc2 = 1,05 fc1= 1,05×290 = 305 Hz，其中 fc1 - DA2.2 上 PUNCH 中的 HPF 截止频率等于 290 Hz。
从输入（C 点）到输出（E 点）的 EAOS 信号路径的频率响应和相位响应的测量结果如图 9 所示。 4. EAOS 的输出信号（E 点）通过电阻器 R4 与 PUNCH 输入端的主信号混合。 所选电阻器 R3/R2 的电阻比 ≈ 1.2 同时为 DAXNUMX 输出所需的最大电压提供足够的抗噪能力和足够的余量，同时考虑到系统的灵敏度 (U凛 = 2,3 V）和大深度的 EAOS。
EAOS 传感器（麦克风）的要求 1. 最大允许测量声压级，受 0,2 ... 1 Hz 频段内不超过 300% 的 THD 值限制，比 40 距离处规定的声压级高出不小于 1 dB米。 2. 频带 1 ... 300 Hz 中的频率响应不均匀 - 不超过 ± 0,2 dB。 3. 定向图案——圆形。 4、实际运行条件下，随环境温度、湿度、压力变化，参数长期运行稳定。 可以使用满足上述要求的现成测量传声器，或者自制传声器作为传感器。 在后一种情况下，您只需购买经典电容麦克风（例如 MK-265 或 AKG CK62-ULS）或驻极体麦克风即可。 拾音头必须补充麦克风放大器（MU），通常为了减少各种干扰的穿透，将其与拾音头放置在同一外壳中。 考虑到麦克风相对于 EDG 扩散器表面的位置较近，因此可以从 MU 输出接收到足够大的信号，因此可以通过使用电压跟随器来显着简化 MU 电路。 这种 MU 的两种可能方案如图 10 和 1 所示。 0,5，其中使用单独的晶体管或集成电路。 这些 MU 的一个特点是高输入阻抗，当与麦克风形式的信号源（在我们的例子中是低电容的电容传感器）一起工作时，可实现 SV 频段的低截止频率。 该电容与电阻器 R1 一起确定测量频带 f ≈ 0,2 ... XNUMX Hz 的较低频率，频率响应降低不超过 XNUMX dB。 图 MU 中如图10a所示，通过将晶体管VT2的集电极连接到源极VT1，采用直流和交流的深度公共OOS，保证了模式的稳定。 另外，MU还有一个POS，用于通过电阻R1从输出1获取电压，这增加了MU对R的输入电阻凛 = R1/(1 - Kу)，其中 Kу - 从输入（栅极 VT1）到输出 1 的电压传输系数。R3 上的电压降设置偏置电压（U沟通) 对于 VT1，在输出 1 处提供零电位。
电阻R4的阻值根据作用在信号传输线上的外部干扰（共模）到器件对称输入端的最大衰减来选择，以进一步放大信号（图5中控制板的输入端） ）。 最小干扰将对应于输出 1 和 2 的交流电阻相等（相对于公共线）。 MU 的输出与后续设备的这种连接称为准对称。 DA1上的稳定器用于降低对电源-U的纹波幅度的要求。 在图 MU 方案中10、晶体管VT1可用另一具有相似参数（U处截止电压和漏极电流）的晶体管代替。沟通 0）。 晶体管VT2也可以替换为任何其他在h下噪声水平低的相应结构。21e ≥ 200。在根据图的MU方案中。 如图10，b所示，输出1处的输出电阻足够接近于零，因此，通过与另一放大装置的准对称连接，可以使用公共（“零”）线。 在此版本中，还可以使用满足噪声和输入电阻R要求的其他类型的微电路凛 ≥1010 欧姆。 从图 MU 图中可以看出如图10所示，其中一根胶囊引线连接到电源的负极电路。 在这种情况下，当胶囊本体连接到电源时，可以达到减少干扰穿透的最佳效果，并且可以通过相应地改变稳定器的类型及其连接来将电源的极性变为正极。 文学
作者：A.Syritso
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