揚(yáng)聲器的自濾波特性與D類功放失真的改善(精)

1、第15卷第4期廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)2004年12月Vol115 No14JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYDec12004文章編號(hào) 100426410（2004）0420062203揚(yáng)聲器的自濾波特性與D類功放失真的改善劉長學(xué)（鹽城工學(xué)院電氣工程系，江蘇鹽城 224003）摘 要:應(yīng)用動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的電-力-聲類比等效線路對(duì)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的頻率特性進(jìn) 行了初步的研究，提出了利用揚(yáng)聲器的自濾波性能改善因 D類功放移相網(wǎng)絡(luò)引起 信號(hào)相位失真的方法。同時(shí)，采用比較、反饋的方法對(duì)音頻信號(hào)的諧波加以抑制，使得數(shù)字功放的總體失真指數(shù)下降。關(guān)鍵詞:揚(yáng)聲器;低通濾波;失真中圖分

2、類號(hào):TN72211文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1概述，、超低音的功率放大電路中已廣泛使用。以往數(shù)失真度”這一參數(shù)上與傳統(tǒng)的模擬功率放大器（尤其是A類）差距甚大1 o ,越來越多的專用芯片被開發(fā)出來，直接 或間接地應(yīng)用到音頻功率放大領(lǐng)域中來，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)大大改善，使得數(shù)字功率放 大器成了新一代功率放大器的主流產(chǎn)品而倍受關(guān)注。一般來說,無論哪一類功率放大器，其輸出必須是模擬信號(hào)，而對(duì)數(shù)字功放而言，其H橋輸出的是PWM信號(hào), 因此先要將調(diào)制在載波上的模擬音頻信號(hào)取出來，才能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。這個(gè)工作 是通過一個(gè)LC低通濾波器完成的。但LC低通網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)移相網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)復(fù)合音頻 信號(hào)通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，各個(gè)頻率信號(hào)的相移不

3、同，這就導(dǎo)致音頻信號(hào)產(chǎn)生相位失 真。另外，調(diào)制過程中也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的非線性失真。減小失真成了進(jìn)一步提高數(shù)字 功放性能的重要課題。2揚(yáng)聲器單元的自濾波特性目前，音響設(shè)備中使用的揚(yáng)聲器單元，絕大多數(shù)是動(dòng)圈式揚(yáng)聲器。不管是高音 單元、中音單元還是低音單元，它們具有類似的結(jié)構(gòu)、相同的電聲換能原理以及對(duì) 信號(hào)源所呈現(xiàn)的性質(zhì)。其中揚(yáng)聲器單元本身所具有的自濾波性質(zhì)更是三者所共有 的。下面以低音單元為例闡明其這種特性0由于低音的波長遠(yuǎn)大于揚(yáng)聲器振動(dòng)系統(tǒng)的尺寸，所以它的特性可用一個(gè)集中線 路來模擬，這個(gè)方法稱為收稿日期：2004205226作者簡介:劉長學(xué)（19642），男，江蘇建湖人，鹽城工學(xué)院電氣工程系講師。

4、第4期劉長學(xué):揚(yáng)聲器的自濾波特性與D類功放失真的改善63類比法。低音揚(yáng)聲器的類比等效線路如圖12。其中Rg是功率放大器的內(nèi)阻丄為音圈鉗定時(shí)的電感，Re是音圈鉗定時(shí)的電阻,B為音圈處磁路空氣隙中 的磁感應(yīng)強(qiáng)度，1為音圈導(dǎo)線長度，fc為音圈所受的力，vC為音圈震動(dòng)的速度，MMD 為震動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量,CMS為支撐系統(tǒng)的等效力順，丫MS為支撐系統(tǒng)的力導(dǎo),ZMR為 揚(yáng)聲器的震動(dòng)膜一面的輻射阻抗。如果將力學(xué)端的阻抗反映到電學(xué)回路，則等效線路如圖2所示2o從類比線路圖可以看出，作為音源的功率電信號(hào)從揚(yáng) 聲器的電學(xué)端接入到振動(dòng)膜的輻射，其間有一個(gè)由L、 MMD、CMS以及輻射抗組成的高階中心頻率很低的帶通濾波

5、器。箱式揚(yáng)聲器系統(tǒng)的箱體作用主要在于拓展揚(yáng)聲器的低頻性能，圖3是倒相式揚(yáng)聲器系統(tǒng)的電力聲類比線路等效圖3倒相箱揚(yáng)聲器系統(tǒng)電力聲類比圖到聲學(xué)端的線路圖2。從圖中可以看出，倒相式揚(yáng)聲器箱實(shí) 質(zhì)是一個(gè)聲學(xué)的低通濾波系統(tǒng)CAB、倒相管輻射聲質(zhì)量MAR所構(gòu)成的低通濾波 網(wǎng)絡(luò),，裝的超重低音揚(yáng)聲器系統(tǒng)來說，、力學(xué)濾波之外，又多了一道聲學(xué)濾波的環(huán) 節(jié),3:是減小取樣失真，二是在功率輸出端很容易將 有效脈沖寬度”范圍的脈沖能 夠被功率管識(shí)別。前兩個(gè)要求載波頻率高。載波頻率越高，抽樣信號(hào)還原后的失真越小,從頻譜圖上來看，音頻信號(hào)與載波頻率差距越大，信號(hào)就越容易被完整地還原 出來。第三則要求頻率不能太高。因?yàn)橐话?/p>

6、的功率管的截止頻率都不高，如果采用信號(hào)中(高頻分量)失真3。的窄脈沖”不能被功率管識(shí)別，就會(huì)引起該脈沖的丟失，而導(dǎo)致 音頻信號(hào)細(xì)節(jié)”音頻信號(hào)的奈奎斯特(Nyquist)頻率為40kHz,實(shí)際上為了減少失真，采樣信號(hào)頻 率取到音頻信號(hào)最高頻率(20kHz)的10倍(200kHz)以上，具體看調(diào)制度以及功率管 的開關(guān)頻率而定。4利用揚(yáng)聲器的特性實(shí)現(xiàn)濾波前面研究了揚(yáng)聲器的自身具有的低通濾波特性，利用揚(yáng)聲器這個(gè)特點(diǎn)，數(shù)字功 率放大器H橋輸出的PWM信號(hào)可以直接輸出到低音揚(yáng)聲器中，由揚(yáng)聲器的電學(xué)和 力學(xué)系統(tǒng)完成將PWM信號(hào)中的音頻信號(hào)濾出的任務(wù)，而無需另加濾波器。這樣由 高階LC所產(chǎn)生的相位失真也隨之消

7、失。實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了這一點(diǎn)：即去掉或接一個(gè)高端截止頻率較高的簡易濾波網(wǎng)絡(luò)相 位失真大大改善，尤其在2000Hz以上的音頻頻率區(qū)間。實(shí)驗(yàn)比較曲線如圖464廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)2004年12月將1kHz的正弦信號(hào)從功率放大器的音頻輸入端輸入，信號(hào)經(jīng)過調(diào)制、功率放大、 音箱還原后,信號(hào)波形諧波失真十分明顯，如圖5。失真主要來自于調(diào)制環(huán)節(jié)，抑制 諧波失真將在下面進(jìn)行介紹。5輸入信號(hào)諧波的抑制載波與音頻信號(hào)在頻率上的巨大差距，使得兩者的分離變得容易。但是對(duì)于音 頻信號(hào)在調(diào)制電路中產(chǎn)生的諧波就無法用濾波器濾除了，揚(yáng)聲器本身也無法做到只能采用外加負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的方法加以抑制。電路框圖如圖6所示4o反饋回路將功率放大器的

8、輸出信號(hào)取回到輸入端 ，與輸入信號(hào)頻率進(jìn)行比較， 閉環(huán)放大器對(duì)與輸入信號(hào)相同頻率信號(hào)的增益基本保持不變，而對(duì)于不同頻率的信 號(hào)放大器增益衰減30dB40dB,因而使信號(hào)的諧波分量得以抑制。實(shí)驗(yàn)中用頻率 特性測試儀對(duì)所制作的放大器在不同功率輸出情況進(jìn)行測試。加、不加反饋網(wǎng)絡(luò) 放大器的諧波失真情況對(duì)比如圖7,曲線A是未加負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)放大器總諧波失真 隨頻率的變化關(guān)系，曲線B則是加了反饋后放大器的總諧波失真隨頻率的變化關(guān) 系。從測量結(jié)果可以看出，總諧波失真減低到了 0103013之間。6結(jié)論雖然不同的揚(yáng)聲器具有不同的電學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)參數(shù)，但動(dòng)圈式揚(yáng)聲器都有類似的電學(xué)、力學(xué)甚至聲學(xué)濾波結(jié)構(gòu)，只是低端和

9、高端截止頻率不同罷了。利用這個(gè) 特點(diǎn),可以對(duì)數(shù)字功率放大器外加的濾波器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，甚至取消濾波網(wǎng)絡(luò)，這樣不僅可以減小濾波器上的功率損耗，還能減小由濾波網(wǎng)絡(luò)引起的相位失真。若再配 合使用一定特性的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，減小非線性失真，數(shù)字功放的優(yōu)點(diǎn)就不再局限在高 效率一點(diǎn)上了。參考文獻(xiàn)：1 李 揮，羅 勇,皺傳云1數(shù)字音頻功率放大器原理及實(shí)現(xiàn)J1電聲技術(shù),2003，:3223412 管善群1電聲技術(shù)基礎(chǔ)M1北京:人民郵電出版社,199913 劉長學(xué),王惠貞1D類功放的交越失真J1電聲技術(shù),2002,(7):5025114 李志剛,石 寅1D類功率放大器的失真分析及其負(fù)反饋方案討論J1電路與系 統(tǒng)學(xué)報(bào),2

10、001,(10):242251(下轉(zhuǎn)第73頁)第4期周賽軍:建筑物屋面普通防水卷材滲漏原因分析與修復(fù)73An alysisofleakagecausesoford in arywater-proofcoilstockofroofi ngsa ndrepairi ngZHOUSai2j un(11CivilE ngin eeri ngI nstituteofH unanUn iversityofScie ncean dTech nology,H unan Xia ngt an 411201,Chi na;2.CivilE ngi neeri ngln stituteofHu nanUn iver

11、sity,Hu nan Cha ngsha410081,Ch in a) Abstract:Theordi narywater2proofcoiledmaterialslikeasphaltfelta ndso on wereusedasma in water2proofmaterialsallthetime ino urco un try.Thisk in dofmaterialsareofsomeadva ntagess uchaslowercosta ndthecapacityofprotect in gaga in stwater,butofsomedisadva ntagessuch

12、ass tructio n,serio nslypollutede nviro nmen t,cracksatlowtemperaturea ndmatmostimporta ntisth atthetimetoc ontinu ouslyprotectaga in stwateristootoberepairedafterseve no reightyears.The papera nalyzedsomesofi ngi no rdi narywater2proofcoilstocka ndputforwordsomemeasurest o.Keywords:roofi ng;water2p

13、;repairi ng（責(zé)任編輯李捷）（上接第64頁）Characteristicsofselffilter-waveofloudspeakersa nd improveme ntofdistortio no fDki ndofpoweramplificati onLIUCha ng2xe（Dept.ofElectricE ngin eeri ng,Ya nche nln stituteofTech nologyja ngsuYa nche n224003,Ch ina）Abstract:Thepapera nalyzedthefreque ncycharaeteristicsofaloudspeakerthroughthea nalog uea ndequivale ntcircuitofelectricitya ndpowera ndso un doftheloudspeaker.Thei nflue nceso n audio2freque ncysig nalsbyphase2distort ionn etworkshouldbereducedasmuchaspossible, an dat