電流功率放大器-負(fù)阻放大器
實際上,這種電路是和音箱搭配使用的,單獨沒有什么實際使用的意義。其工作原理是:如果音箱是一個剛體,那么加上一個管子,就可以變成一個理想的霍爾莫滋共鳴箱,那么不管這箱子大小如何,管子的粗細(xì)怎樣,只要符合霍爾莫滋共振計算公式。哪怕20Hz的諧振點也可以做的到,箱子的大小,只是效率高低而已,由于音箱上有喇叭的存在,喇叭在發(fā)聲的時候是在運動的,音箱就不是一個剛體,那么箱子就不會產(chǎn)生霍爾莫滋共鳴。因此,如果在發(fā)聲的時候喇叭的振膜是靜止不動的。那么,箱子就接近剛體,就可以滿足霍爾莫滋共振的條件,可以任意的設(shè)計這個箱子的諧振點。發(fā)聲的時候讓喇叭不動的工作就是負(fù)阻功放的任務(wù)了。
負(fù)阻功放的工作原理是當(dāng)喇叭在低頻段工作的時候,其阻抗特性急劇變化,放大電路通過電流取樣將這種變化取出來反饋給功放,,使得功放以電流的形式進(jìn)行控制喇叭,如果對放大電路進(jìn)行等效分析,可以發(fā)現(xiàn)功放的內(nèi)阻在計算上成負(fù)阻特性。在動態(tài)放大的時候使得喇叭加放大器的內(nèi)阻接近于0。結(jié)果這種電路使得在喇叭不管朝哪個方向都受到很強的阻尼。只要發(fā)聲以結(jié)束,喇叭就不動了,箱子也就變剛體了。所謂負(fù)阻,說白了就是正反饋。
下面所論的揚聲器,是直接輻射式電動揚聲器,簡稱直射揚聲器。
直射揚聲器問世于1924年,被譽為20世紀(jì)最動聽的發(fā)明。雖然它已有80多年的歷史,但是目前仍在揚聲器中占主流地位,被稱為萬壽無疆的揚聲器。直射揚聲器只所以長盛不衰,是因為它有許多優(yōu)點。但是,它也存在不少缺陷。人們對它的改良,一直沒有取得突破性進(jìn)展。所以,它又公認(rèn)是電聲系統(tǒng)全鏈條中最薄弱和最難提高的環(huán)節(jié)。
現(xiàn)有電聲系統(tǒng),均是對直射揚聲器進(jìn)行恒壓驅(qū)動,即驅(qū)動它的是恒壓功率放大器(簡稱功放)。雖然現(xiàn)在的恒壓功放,保真度已達(dá)到接近理想的水平,但是因被其驅(qū)動的直射揚聲器還很不理想,致使整個電聲系統(tǒng)的重放質(zhì)量也很不理想。
能否通過改變直射揚聲器的驅(qū)動方式,找到提高電聲系統(tǒng)重放質(zhì)量的辦法呢?答案是肯定的。
1.1基本理論
直射揚聲器是涉及電學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)的復(fù)雜電聲器件,現(xiàn)以裝于無限大障板上的直射揚聲器為例,了解一下它的輸入電阻抗ZY。ZY=R+jωL+(Bl)2YM,R是直射揚聲器音圈的等效電阻;j是虛數(shù)單位,ω=2πf是聲信號的角頻率,π是圓周率,f是聲信號頻率,L是直射揚聲器音圈的等效電感;B是直射揚聲器磁隙中的等效磁通密度,l是直射揚聲器音圈導(dǎo)線在磁場中的等效總長度,YM=1/(RM+jωMM+1/jωCM)是直射揚聲器振動系統(tǒng)和輻射負(fù)載的等效輸入力導(dǎo)納,RM=RM1+RMR1+RMR2是直射揚聲器力學(xué)系統(tǒng)的總等效力阻,RM1是直射揚聲器振動體的等效力阻,RMR1、RMR2分別是直射揚聲器正面和背面的輻射力阻,MM=MM1+MM2+MMR1+MMR2是直射揚聲器的總等效質(zhì)量,MM1是直射揚聲器錐盆的等效質(zhì)量,MM2是直射揚聲器音圈的等效質(zhì)量,MMR1、MMR2分別是直射揚聲器正面和背面的同振質(zhì)量,CM=CM1CM2/(CM1+CM2)是直射揚聲器的總等效力順,CM1是直射揚聲器軛環(huán)的等效力順,CM2是直射揚聲器中心墊圈的等效力順,(Bl)2YM是直射揚聲器力學(xué)系統(tǒng)的動生電阻抗。
因直射揚聲器的力學(xué)系統(tǒng)折合成電路參數(shù)之后,仍為一個并聯(lián)諧振回路即電流諧振回路,故在其并聯(lián)諧振頻率即力諧振頻率fO呈現(xiàn)高阻,致使ZY在fO出現(xiàn)最大模值│ZY│MAX;在低于fO的頻段,因并聯(lián)諧振回路呈感性,故ZY也呈感性,即ZY的模值│ZY│隨f降低而減小;當(dāng)f高于fO時,并聯(lián)諧振回路呈容性,這個電容又與音圈電感L發(fā)生串聯(lián)諧振即電壓諧振,故在其串聯(lián)諧振頻率即電諧振頻率fZ呈現(xiàn)低阻,致使ZY在fZ出現(xiàn)最小模值│ZY│MIN;當(dāng)f高于fZ時,串聯(lián)諧振回路呈感性,故ZY也呈感性,即ZY的模值│ZY│隨f升高而增大。
對于閉箱和開箱即有限大障板上的直射揚聲器,其│ZY│的頻率特性與裝于無限大障板上的直射揚聲器具有相同的規(guī)律,僅在某些具體細(xì)節(jié)有區(qū)別;對裝于反相箱和其它特殊音箱上的直射揚聲器,其│ZY│的低頻特性與裝于無限大障板上的直射揚聲器會有較大不同。限于篇幅,本文不予詳述。
從YM=1/(RM+jωMM+1/jωCM)可以看出,在fO時,YM=1/RM,故直射揚聲器力學(xué)系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)QM2=MM/RM2CM=MMYM2/CM,電聲系統(tǒng)的總品質(zhì)因數(shù)QO2=(RO+R)2QM2/(RO+│ZY│MAX)2=(RO+R)2MMYM2/(RO+│ZY│MAX)2CM,由此可得YM2=QO2(RO+│ZY│MAX)2CM/(RO+R)2MM,RO是聲功放及其饋線的等效內(nèi)阻。由于直射揚聲器fO時的R、│ZY│MAX、MM、CM是一定的,故其YM只受QO和RO的影響。不難看出,QO大,YM也大;QO小,YM也小。
QO>0.5時,直射揚聲器將發(fā)生振蕩,會使重放聲音的瞬態(tài)特性變壞,失真加大,只有QO≤0.5,直射揚聲器才不振蕩,故在要求重放聲音有好的瞬態(tài)特性和小的失真時,QO必須≤0.5。
在QO=0.5時,YM的頻率特性大致有如下特點:當(dāng)f<fO時,YM∝f;當(dāng)f>fO時,YM∝f-1。
從ZY=R+jωL+(Bl)2YM可以看出,在fO時,因L可以忽略,故ZY=R+(Bl)2YM。又因fO時的YM2=QO2(RO+│ZY│MAX)2CM/(RO+R)2MM,故得fO時的ZY2=R2+(Bl)4QO2(RO+│ZY│MAX)2CM/(RO+R)2MM。顯然,fO時的│ZY│也受QO和RO的影響。不難看出,QO大,│ZY│也大;QO小,│ZY│也小。
在QO=0.5時,│ZY│的頻率特性大致有如下特點:當(dāng)f<fO時,│ZY│∝f;當(dāng)fO<f<fZ時,│ZY│∝f-1;當(dāng)f>fZ時,│ZY│∝f,對于音圈電感量L為0的無感直射揚聲器,│ZY│∝f0,即│ZY│基本恒定。
對于波陣面為平面的聲波,波陣面面積S不隨傳播距離r而變化,若忽略媒質(zhì)對聲波能量的損耗,則聲壓瞬時值p和質(zhì)點振速瞬時值v也不隨傳播距離r而變化,聲波方程和波動方程中的波陣面面積S、聲壓瞬時值p和質(zhì)點振速瞬時值v都不再是傳播距離r的函數(shù),故簡諧平面聲波聲場中某點的聲壓復(fù)值P與同一點質(zhì)點振速復(fù)值V之比即波阻抗率ZS=P/V=ρOCO。ρO是媒質(zhì)的靜態(tài)密度,CO是無限大均勻媒質(zhì)中的聲速。
對于波陣面為球面的聲波,波陣面面積S將隨計量點到聲源等效中心的距離r而變化,即S=4πr2,故簡諧球面聲波的波阻抗率模值│ZS│2=P2/V2=ρO2CO2(kr)2/[1+(kr)2]。顯然,簡諧球面聲波的│ZS│與kr有關(guān)。當(dāng)距離r較遠(yuǎn),聲波頻率f較高,即kr>10時,球面聲波│ZS│中抗與阻相比已小到可以忽略,故可以按平面聲波處理,即ZS=P/V≈ρOCO。k=ω/CO=2π/λ是波數(shù),λ=CO/f是聲波的波長。
直射揚聲器的輻射體可近似看成活塞輻射器,故可用無限大障板上作簡諧振動的圓活塞在遠(yuǎn)區(qū)場的聲壓表達(dá)式來計算直射揚聲器的聲壓,即P(θ)=ρOCOka2VJ1(ka·sinθ)/r(ka·sinθ),P(θ)是與活塞面法線成θ角、距活塞幾何中心r處的聲壓,a是直射揚聲器輻射面的半徑,J1(ka·sinθ)是以(ka·sinθ)為宗量的第一級柱面函數(shù),即貝塞爾函數(shù)??梢?,空間中某頻率聲波的聲壓P,不但是方向角θ和ka的函數(shù),而且隨距離r的增加而線性減小。這表明,直射揚聲器輻射的遠(yuǎn)區(qū)場聲波不完全是球面波,其球形波陣面上各處的聲壓P不同,這是θ和ka造成的。
由活塞輻射體的指向性系數(shù)DS(θ)=2J1(ka·sinθ)/(ka·sinθ)可以看出,ka越小,指向性越寬;ka越大,指向性越窄。當(dāng)ka大到一定程度,還會出現(xiàn)副指向性。這表明直射揚聲器輻射出的聲能在向活塞面法線方向集中。所以,若使活塞面法線方向上的輻射聲壓具有平直的頻響,則其它角度的聲壓頻響會產(chǎn)生高頻下降的線性畸變,且該畸變隨ka的增大而加劇。由于ka較大時出現(xiàn)副指向性,故在大ka時,直射揚聲器輻射體非法線方向上的聲壓頻響會出現(xiàn)“梳狀”特性。這充分說明直射揚聲器的高頻聲波已接近平面波,故完全可以按平面波處理。
雖然在kr>10時,球面波可近似按平面波處理,但因直射揚聲器的實際聽音和計算距離r不可能太遠(yuǎn),故低頻時不能按平面波處理。在直射揚聲器輻射體的法線方向上,即θ=0°時,J1(ka·sinθ)/(ka·sinθ)=1/2,故聲壓復(fù)值P=ρOSfV/r。S=πa2是直射揚聲器有效輻射面積。
1.2恒壓驅(qū)動
為了減小P的計算誤差,設(shè)在f<fZ時P=ρOSfV/r,即按球面波處理;在f>fZ時P=ρOCOV,即按平面波處理。另由力學(xué)歐姆定律知,V=FYM,F(xiàn)是作用于直射揚聲器輻射體上的電動力。由電動原理知,F(xiàn)=BlI,I是直射揚聲器的驅(qū)動電流。由電學(xué)歐姆定律知,I=U/ZY,U是直射揚聲器的驅(qū)動電壓。因此,對直射揚聲器恒壓驅(qū)動的聲壓表達(dá)式為:當(dāng)f<fZ時,P=ρOSfBlUYM/rZY;當(dāng)f>fZ時,P=ρOCOBlUYM/ZY。
在f<fZ時,因ρO、S、B、l、U、r恒定,故P∝fYM/ZY;在f>fZ時,因ρO、CO、B、l、U恒定,故P∝YM/ZY。當(dāng)f=fO時,因YM2=QO2(RO+│ZY│MAX)2CM/(RO+R)2MM,ZY2=R2+(Bl)4QO2(RO+│ZY│MAX)2CM/(RO+R)2MM。故f2YM2=fO2QO2(RO+│ZY│MAX)2CM/(RO+R)2MM,P2∝fO2QO2(RO+│ZY│MAX)2CM/(RO+R)2MM/[R2+(Bl)4QOnbs
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