改善 UMZCH 扬声器系统中的声音再现。方案、说明

改善 UMZCH 扬声器系统的声音再现。无线电电子电气工程百科全书

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聆听时，专家通常更喜欢电子管 UMZCH，尽管晶体管电子管在形式上具有更高的参数。怎么了？文章作者关于扬声器响应导致 UMZCH 中出现额外互调失真的假设在寻找客观评估放大器质量的方法过程中得到了实验证实。文章对现代UMZCH的技术解决方案进行了批判性分析，并提出了排除扬声器对放大器影响的措施。作者声称，晶体管化的 UMZCH 可以抵抗扬声器响应的影响，无需特定的着色即可提供声音再现。

在经典的双声道立体声中，功率放大器和扬声器的质量对于实现自然声音再现的潜力和声音画面的空间感具有重大影响。参观音乐厅的细心听众会立即注意到真实乐器的声音与通过扬声器播放的录音中的声音之间的差异。

预测声音再现质量的困难与用于客观测量声音路径特性的方法的不完善有关。因此，选择音频设备的主要标准应被视为主观质量评估（SQA）。

声音再现路径的最后环节——UMZCH和扬声器的特性对SOC的结果影响最大。考虑它们的特点以及解决现有问题的可能性。

首先，让我们评估一下 SOC 结果与 UMZCH 客观特征之间的关系。根据作者的说法，仅关注对声音再现质量影响最大的参数。这里，人们非常感兴趣的是对灯和晶体管 UMZCH 的 SOC 结果的分析（作为估计值之间存在最大差异的组件）。一般来说，在这些比较中，灯 UMZCH 的客观参数明显低于晶体管参数，但 SOC 的结果往往恰恰相反。在考虑时，我们仅使用专家最常使用的措辞，将自己限制在质量管理体系的一些基本标准上。

第一个声音特征是音色：明亮、柔和、温暖，或者分别是沉重、坚硬、寒冷（金属色调）。第二个是攻击的再现（渐强的声音）：活跃、清晰或迟缓、松散。第三个特点是信号源的定位：好坏全景。第四 - 微观动力学：复杂形状信号的良好细节，而类似信号的低水平或难以区分的细节。 SOC 的总体结果：强烈的情感影响，或者相应地，较弱的情感影响。

专家对对比UMZCH的评价相差甚远，以至于出现了俚语——“电子管”和“晶体管”的声音。文献中多次引用了对这一悖论原因的解释，但它们都只给出了部分答案。让我们再次尝试建立此处考虑的 SOC 标准与比较 UMZCH 的客观参数之间的关系。

UMZCH电子管音色的特点可以用以下几个主要原因来解释：

窄谱非线性失真 (NI)，通常仅限于二次和三次谐波；
NI 值对信号频率的依赖性低；
随着信号电平的降低，频谱宽度和 NI 幅度急剧下降；
输出级过载时 NI 平滑增加。

晶体管UMZCH的音色特点有以下原因：

NI的扩展范围（高达10次谐波及以上）；
随着信号频率的增加，NI 急剧增加；
随着信号电平的降低，频谱宽度和 NI 幅度略有减小；
输出级过载时 NI 急剧增加。

再现声音信号的不失真攻击是准确识别源图像的最重要条件。显然，真实信号声音再现中出现的攻击失真（延迟或重音）会显着影响其感知。造成这种失真的原因之一是与UMZCH系统相匹配的条件——电动扬声器（EDG）。

众所周知，当脉冲信号作用于音圈 (VC) 时，EDH 中会产生一个力，该力往往会改变其在磁场中的位置，即移动。然而，在这种情况下出现的感应反电动势闭合 UMZCH 的输出电阻，产生阻止 ZK 位置变化的电流，并引导至导致此变化的电流，即 UMZCH 的输出电流。 “逆流”的流动一方面降低了机械谐振的品质因数并增强了阻尼[1]，其有效性取决于UMZCH的输出电阻，另一方面，这导致了音乐信号的可再现起音的延迟。因此，该过程直接取决于“逆流”的值，在反电动势恒定值的情况下，“逆流”越大，UMZCH的输出电阻越低。输出阻抗值的任何变化（例如，由于 OOS 深度的频率依赖性）都会导致“回流”和起音失真的变化。由于 ZK [1] 在磁系统内不同位置的电感变化以及电压源对 EDH 的激励，也会产生类似的失真。比较电子管（0,5 ... 1,5 欧姆）和晶体管（通常为 0,1 欧姆或更小）放大器的输出阻抗值，我们可以得出结论：较大的电阻值是首选。

人们不应该排除 UMZCH、EDG 和“声学”电缆的有源和无源元件中的热物理过程对攻击再现准确性和很少研究的扭曲的影响。

信号源的定位和微动力学被认为是 RNS 的下一个重要特征。作者认为，这些特性主要由 UMZCH-EDG 系统中互调失真 (II) 的幅度和频谱决定。

因此，在第一阶段，可以得出以下结论：

1. UMZCH - EDG 系统的 SOC 结果由其技术特性的整体决定，形式上不取决于放大器中使用的有源元件的类型。

2. 对音色影响最大的是NI频谱的大小和宽度，以及它们对声音信号的频率和电平的依赖性。

3. 声音信号攻击的再现精度尤其取决于 EDH 感应的反电动势引起的电流以及高电流电路的有源和无源元件中的热物理过程的失真。

4. 信号源的定位和微动力学主要由红外的幅度和频谱决定。

现在我们来分析一下改进对SOC影响最大的UMZCH参数的可能性。

让我们从降低 NI 幅度和频谱的方法开始。对这些类型失真的研究已经确定了其发生的两个主要原因——有源元件特性的非线性和输出级的工作模式。与晶体管相比，真空管的一些线性优势是众所周知的，并且在文献中有详细记载。当使用不切断集电极电流的输出级晶体管的工作模式时，改进该参数中的晶体管 UMZCH 是最有效的，例如：Super A、New class A、Non Switching [2, 3] 等。在这些工作模式中模式中，不仅 NI 频谱（高达四次五次谐波）及其值显着降低，而且随着信号电平的降低而急剧降低。 NI 的频率独立性通常通过选择适当的电路和元件来实现。一种称为“前馈误差校正”的补偿方法 - 使用直接连接校正失真在降低 NI 方面具有很高的效率 [4, 5]。减少 NI 的颇有前景的方法包括通过减去失真进行反馈补偿 - OSVI [6]。

当设计晶体管UMZCH时，有必要考虑UMZCH输出级的晶体管在实际负载下操作时的操作特性。各种畸变出现的原因以及减少畸变的方法在[7-9]中有详细介绍，但其中提出的控制畸变的方法极其复杂，并且需要昂贵的测量设备。使用建议可以显着降低失真的可能性，例如[10]中的建议。减少晶体管 UMZCH 中 NI 的最佳结果是通过使用 A 类输出级的操作模式以及整体 OOS 的最小深度来实现的。同时，由于电子管放大器中没有输出变压器（低频失真源），NI 可能比电子管放大器低得多。

当晶体管 UMZCH 中的输出级过载时，NI 的平滑增加是通过减小整体 OOS 的深度来实现的 - 其深度越小，效果越高。

让我们进一步考虑提高再现音频信号攻击的准确性的可能方法，同时考虑对其有很大影响的原因。

与瞬态互调失真一样，随着整体反馈深度的降低，起音失真也会得到相当有效的降低。将没有公共 OOS 的 UMZCH 频率响应扩展到 300 ... 500 kHz 也有助于减少 UMZCH 中的信号建立时间。

然而，在具有高输出阻抗 (RplL>>Rh) 的 UMZCH 中，可以特别有效地减少由感应反电动势引起的负载电路中的电流攻击的失真。改进音频路径特性的结果在[11-13]中有详细描述。上图。图 1 和图 2 显示了当 EDH 由低输出阻抗的 UMZCH 和高输出阻抗的 UMZCH 激励时的谐波失真频谱图 (12)。 3 kHz 信号的总谐波失真分别约为 3% 和 0,2%。

改善 UMZCH 扬声器系统中的声音再现

对声音路径的主动和被动元件中发生的热物理过程引起的失真进行建模分析，使得实际实现提高攻击再现准确性的被动设备成为可能[14]。

上面列出的用于提高攻击再现质量的方法显示了它们对最终结果的影响，并解释了仅通过增加 UMZCH 输出电压的压摆率来实现这一目标的不成功尝试的原因。

由于IS发生原因的多样性和检测的复杂性，IS的降低造成了相当大的困难[15-20]。在很大程度上，问题的解决受到所使用的测量方法的阻碍，这些方法无法以足够的精度预测专家的评估。在[21]中，提出了一种信息更丰富的测量噪声互调系数（NIR）的方法。然而，用这种测量方法对 SOC 结果进行的分析也无法解释估计值存在巨大差异的原因：例如，对于灯 UMZCH - 9 点，对于晶体管 - 5 点。而 KSI 的微小差异分别为 0,8% 和 0,9%。因此，这种方法还需要改进。

为了解释这种测量情况的主观评估，作者通过实验检验了 EDG 的响应（脉冲响应）对 UMZCH 中的 IS 可能产生的影响的假设 (1)。为此，使用了相同的测量 CSI 的方法，但使用的是真实的 EDH，而不是 UMZCH 的电阻负载。应特别注意，在这些测量中需要使用真实的 EDD，而不是其等效物，后者不考虑信号转换的非线性。同时，只有低输出电阻的晶体管UMZCH发现CSI急剧增加：不是0,9％，而是9,7％，即增加了10倍以上。对于 UMZCH 灯，这些值分别为 0,8% 和 1,2%。

用真正的 EDG 替换等效电阻负载时的主要区别在于它位于 OOS 电路中。除了 UMZCH 信号的输出电压及其失真之外，EDG 的响应也会渗透进来。在 OOS 环路中，它们被组合并形成用于补偿 UMZCH 失真的信号以及来自 EDD 的具有相应幅度和相位的响应。此时的补偿信号的频谱可以比音频信号的上限高10-30倍。

显然，消除畸变的主要要求是对其进行精确补偿，但这实际上是不可能实现的。这些限制与 UMZCH 的实际频率响应和相位响应以及失真和噪声水平有关。此外，补偿机制还受到EDH特性的非线性的显着影响，因此补偿是不完全的。在这种情况下，仅对 UMZCH 失真和 EDD 响应的乘积频谱的相对低频分量实现最佳补偿，而这些振荡频谱的高频分量再次落入 OOS 电路，在放大器中引起新的预加重。存在一个恶性循环，导致失真的高频分量急剧增加。增加放大器整体OOS的深度只会导致失真频谱的进一步扩大，并相应地导致声音再现质量的更大恶化。

此外，还创造了一些条件，在这种条件下，简单导体（例如 UMZCH-EDG 连接电缆）由于其分布参数的差异，能够影响 SOC 的结果，从而增加或减弱来自其的某些谐波。品种丰富。与此同时，作者提出了另一个假设，以解释声波电缆对 SOC 结果影响的神秘原因：可以将它们视为“声波阀”——LPF，从而减弱从 EDG 到 UMZCH 输出的响应的渗透。

现在我们将展示 UMZCH 管中的 EDG 响应对 AI 影响较小的原因，该管通常具有匹配的输出变压器和相对较浅的 OOS 深度。如果我们考虑到EDD响应信号的所有麻烦都是由其频谱的高频分量（即干扰）的穿透引起的，那么很明显，输出变压器的漏感可以起到低通滤波器的有用作用，显着衰减侵入放大器的高频干扰量。此外，浅的FOS深度也导致EDG响应效果的降低。作者认为，UMZCH-EDG系统中描述的过程很大程度上解释了实验中获得的灯和晶体管UMZCH的SOC差异[21]。

分析结果表明人工智能的两个组成部分在 UMZCH - EDG 系统中可能产生的影响。一种是UMZCH自己的AI，可以用电阻负载当量进行客观测量（KSI）。第二个是在EDD响应的影响下在UMZCH中引起的IS，第二个分量的检测发生在通过重复测量CSI将UMZCH加载到真实的EDD上时。

这使我们能够推荐 UMZCH 的设计，使电路在 UMZCH 中提供最少的自身 AI。要分析它们的频谱，您可以使用稍微修改的技术来测量 CSI，分析三分之一倍频程中的噪声。在这个阶段，应该考虑NI和AI之间的密切关系，使用已知的方法来减少它们。

由上可见，减少EDD响应对UMZCH中IS增加影响的最有效方法是排除其与FOS环路中其他信号相互作用的条件。有多种方法可以完成此任务。例如，称为耗散器的无源匹配装置具有高效率[14]。然而，信号功率存在显着损失。另一个更简单的实现示例是使用输出变压器的场效应晶体管上的 UMZCH。这种情况下，所达到的效果比耗散器差很多，但输出功率损耗却减少了。仅通过使用具有高输出阻抗的 UMZCH，即可在保持高效率且不受 UMZCH-EDG 声学电缆影响的同时，实现降低 EDG 响应对 NI 影响的最大效果 [12, 13]。有源和无源元件、由于热压缩导致的动态范围和信号互调的变化。

通过该方案，攻击重现的准确率得到显着提高。 EDD 中发生的失真也显着减少，原因如下：

由于音圈位移导致的阻抗非线性以及高信号电平电流导致的有源电阻变化；
音圈周围的交变磁场与间隙中的恒定磁场相互作用的非线性性质；
当音圈从磁芯移开时，磁路和音圈之间存在额外的吸引力。

基于上述，可以得出以下结论：

1.当将UMZCH中的CSI加载到真实的EDG上时，对UMZCH中的CSI进行客观测量的结果使得可以预测UMZCH-EDG系统的SOC结果。

2. NI和IS的幅度和频谱的降低、它们的频率独立性以及过载期间的平滑增加是在UMZCH-EDG系统中实现声音再现的高保真度的必要条件。 UMZCH 对 EDH 反应的敏感性应该是最小的。

3.通过将EDG与具有高输出阻抗的UMZCH一起使用，可以实现提高声音再现质量的最大效果。

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作者：A. Aleynov、Kharkov、A. Syritso，莫斯科

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