高保真和音量控制。方案、说明

高保真音响和音量控制。无线电电子电气工程百科全书

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也许我会引用一句话开始：“调节信号电平的任务 - 换句话说，“响度” - 是音频设备电路中最困难的问题之一”[1]。这里作者大大简化了问题，将“信号电平”和“响度”等概念等同起来，然后描述了他的电平控制。信号电平是音频（而不仅仅是）频率放大器电路领域的概念。这里使用术语“电平控制”或“增益控制”。响度是生理声学领域的一个概念，其中使用“响度”、“响度级别”等[2]。

“响度”的概念比音频工程师和音响工程师使用的术语“信号电平”复杂得多，它表示声音放大路径中不同点的电压量（以伏特或分贝为单位）。与音量控制不同，电平控制是与频率无关的设备。甚至还有“微补偿音量控制”（听起来像同义反复！），表示考虑到听力特性的控制。值得一提的是“生理音量控制”这个术语，与刚才命名的类似。毫无疑问，Hi-Fi 设备中的音量控制通常是微补偿的，或者说是生理性的。我们不会考虑“高端”（Hi-End）的设备，因为势利小人的任何奇思怪想在那里都会得到很多钱。奢华是必须的！

众所周知，人耳的灵敏度取决于频率[3]，因此不同频率下同等感知的音量对应不同的声压级。从图形上看，这种依赖性通过“等响度曲线”来说明（图 1）。为了保证特定声音节目的高质量再现，有必要以等响度曲线为重点，补偿相应的听觉灵敏度差异。此任务旨在执行薄补偿音量控制 [2]。

高保真和音量控制

然而，设计这样的调节器绝非易事。问题在于，等响度曲线的形状是不明确的。它取决于许多因素，特别是听音室的声学特性、掩蔽噪声的存在、听者的听力特征等。结果，在某种情况下必要的补偿音量控制的音调也被证明是不明确的。然而，据听众反映，如果使用平面声波的纯音等响度标准曲线，可以获得很好的效果。但它们需要根据以下考虑因素进行调整。

收听音乐节目时，音量通常不超过90方，收听者可以将音量降低至听力阈值或房间内的噪音水平。为了明确起见，我们将 1...2 kHz 频率下的音量控制范围设为 80 dB。我们假设调节器的频率响应是线性的，并且音乐节目在对应于最大音量（80 phon）的调节器位置上的音色是平衡的。从该音量级别过渡到另一个音量级别（例如 60 方）需要校正调节器的频率响应。

为了获得图 1 中校正后的相关性，我们在 L 轴上划分 80 dB 处画一条水平线（如虚线所示）。然后我们测量从这条直线到等响度 80 von 曲线上几个点的距离。此外，这些距离是从等响度 60 von 曲线上的对应点得出的。通过这样获得的新坐标，我们绘制一条曲线，该曲线将是调节器在60方音量对应位置处的调整频率响应。

同样，相对于等响度80方的曲线。在40和20(0)背景的音量水平下构建校正后的频率响应，并获得正确响度所需的音量控制的频率响应族。在3dB音量范围内，如图80所示（粗实线）。

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现在有必要构建一种薄补偿音量控制，其频率响应系列以尽可能最好的方式接近所需的频率响应系列。在2kHz以下的频率范围内，最小增益对应的曲线可以用RC电路的频率响应来近似。如图3a所示。拐点频率 f1 左侧的该特性（图 3b）的斜率为每倍频程 6 dB。如果该电路的电阻R2是可变的，并且其最小阻值选择远小于R1。那么当调整R2的阻值时，随着电路传输系数的改变，其频率响应的拐点频率也会改变。从图2中可以看出，考虑到3dB以内的近似值，在调节过程中拐点频率必须沿着LV线移动，才能提供所需的响度。在这种情况下，电阻R2的变化范围不能超过100，因为fa/fv<100。另一方面，如前所述，从图 2 可以看出，频率为 2 kHz 时调节器的增益 Kp 应变化 80 dB（10000 倍）。电阻 R2 应改变相同的量。

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很明显，仅通过改变一个电阻器R2的阻值，不可能实现拐点频率的偏移和传递系数的改变。然而，通过增加串联RC电路的数量，同时降低每个电路中电阻R2的调节极限。这个问题是可以解决的。已经有两个这样的 RC 电路（第二个电路的时间常数应比第一个电路大 20...40 倍）就可以获得相当可接受的结果：实际频率响应系列的曲线（图 2 中的虚线）与所需曲线（实线）的偏差不超过 3 dB。

在高于 2 kHz 的频率下，音量从 80 方下降到 60 方，同时在 60 kHz 频率处 5 方曲线上会出现每倍频程 3 dB 斜率的拐点。随着音量进一步降低至听觉阈值（3 级背景），拐点频率从 5 kHz 变为 3 kHz，而曲线的斜率实际上没有变化。在此频率范围内，曲线3背景可以通过图4a所示的RC电路的频率响应来近似。电阻R1和R2的值与RC电路中的相同。如图3a所示。电阻 R2 的变化不会导致拐点频率 f2 的变化（图 4b）。

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为了使音量从60方增加到80方不伴随更高音频的上升，RC电路必须在最大传输系数下提供频率补偿，这可以通过在电阻器R2上并联电容器C2来实现，电容器C2的容量使得时间常数T1=R1C3和x2=R2-C2相等。此时，控制音量所需的电阻R3的减小将伴随着时间常数T3的减小以及RC电路的截止频率(f1=2/2nR2-C2)向更高频率区域的偏移，而拐点频率f2将保持不变，这将保证RC电路的频率响应在XNUMXkHz以上的频率范围内符合等响度e曲线的要求。

图 5 [4, 5] 显示了薄补偿音量控制的实际实现示例。其中包含的电阻器和电容器的电阻可以使用以下关系计算：

R1=R3=R：
R4min=R5min=0.01R；
R4max=R5max=10R；
R1C2=R3C3=20MKC;
R4minC4=4000 µs；
R5minC5=100 µs；
R5maxC6=20 µs。电阻 R 可在 103..106 欧姆范围内选择。在图 5 中，R=510 kOhm。 R5minC5=2000 µs (4000)； R4minC4=100 µs。

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以避免R5-C5电路并联。连接到调节器输出的AF放大器必须具有大的输入阻抗和小的输入电容。具体地，它可以根据输入处具有场效应晶体管的运算放大器上的电压跟随器电路来执行。连接在调节器之前的放大器的输出阻抗必须小于电阻R20的2倍。薄补偿音量控制的可变电阻必须加倍。在我们的例子中，它们的功能由光敏电阻R4、R5执行，电阻器R10充当调节机构。改变通过白炽灯HL1的电流。用于音量控制的光敏电阻SFZ-1具有高速（时间常数-小于0,06秒）和必要的电阻变化范围。白炽灯（超小型）- NSM (6,3 Vx20 mA)。通过它的电流在 6 ... 18 mA 范围内变化。光敏电阻放置在白炽灯附近，整个调节器放置在不透明的金属屏中。

图 5 显示了立体声放大器的双通道控制。其中，需要在不同通道中成对选择光敏电阻，使得在104至106欧姆范围内变化时，它们的阻值相差不超过20%。否则，当音量变化时，通道不平衡会很明显。

立体声平衡通过电阻 R9 在 ±6 dB 范围内调整。电容器 C7、CB 消除了可变电阻器产生的沙沙声和爆裂声。

可变电阻R10必须具有线性调节特性。固定电阻器——阻值与标称值的偏差不超过±5%。电容器C1。 C4、C5 - 纸质 MBM，其余 - 陶瓷。电容器C6的电容取决于装置的电容以及连接至音量控制输出的放大器的输入电容。白炽灯必须由稳定的电源供电。

调整调节器归根结底是为了确保 Kn = 0 dB 时频率响应的线性度（通过选择 C6），并检查立体声放大器不同通道中不同音量级别的频率响应系列的一致性。

图 6 显示了调节器的另一个示例。它使用双可变电阻器，其电阻与轴（“A”组）的旋转角度成线性关系。对于立体声调节器，您需要使用两个双可变电阻。如果将音量等级应用于安装了两个电阻器的面板，则这样的解决方案不会导致调节平衡的任何特殊问题。

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使用四电阻的尝试遇到了很大的困难；首先，它是我们地区非常罕见的“鸟”，其次，它的电阻阻值变化较大，第三，额外需要一个平衡调节器，这并不能简化整个设计。对于该电路来说，双电阻器的电阻值的分布是完全可以接受的。如果双电阻器具有不同的阻值，则必须根据给定的比率重新计算电容器的电容。电阻器 R3 和 R5 用于阻止音频范围之外的低频上升。

当可变电阻器滑块位于上方位置时，调节器的增益为-6 dB。频率为 2 kHz 时的调节范围为 80 ... 85 dB。与所需 AMX 的偏差 - 不超过 ±2 dB。如果稳压器的负载电阻大于 1 MΩ，且负载电容小于 50 pF。电容器C1。 C3。 C5-薄膜，其余-云母。调节器的调整 - 是的，无需调整！

最后，我要说的是，如果您只听吵闹的音乐，那么控制范围为 10 ... 15 dB 的电平控制就足够了。但如果你想感受安静音乐的魅力，就像来自最近的公园一样，那么建立这个音量控制，你不会后悔的！

文学

A.尼基丁。 Hi-Fi 设备中的音量控制。 - Radiohobby，2002 年。第 2 期，第 63 页。
Terekhov P. 关于音量控制。 - 电台，1982 年，第 9 期，S. 42。
Zwicker E. Feldkeller R. Ear 作为信息的接收者。 - M.：沟通。 1971 年。
一、普加乔夫。大声补偿的音量控制。 - 电台，1988 年。N911.C.35。
苏联作者证书，编号：1390776。 - 公告“发现、发明……”。 1988 年，第 15 期。

作者：I. Pugachev，明斯克

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