揚(yáng)聲器的自濾波特性與D類功放失真的改善

1、第15卷第4期2004年12月廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)Vol115No14JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYDec12004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(zhǎng)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;失真中圖分類號(hào):TN72

2、211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。,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(wú)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)的相移不同,這就導(dǎo)致音頻信號(hào)產(chǎn)生相

3、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。由于低音的波長(zhǎng)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(jiǎn)介:劉長(zhǎng)學(xué)(19642),男,江蘇建湖人,鹽城工學(xué)院電氣工程系講師。第4期劉長(zhǎng)學(xué):揚(yáng)聲器的自濾波特性與D類

4、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,L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,l為音圈導(dǎo)線長(zhǎng)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,YMS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2。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

5、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),3:一是減小取樣失真,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)橐话愕墓β使艿慕刂诡l率都不高,如果采用信號(hào)中(高頻分量)失真3

6、。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(wú)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(jiǎn)易濾波

7、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4。64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(wú)法用濾波器濾除了,揚(yáng)聲器本身也無(wú)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4。反饋回路將功率放大器的輸出信號(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

8、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(cè)試儀對(duì)所制作的放大器在不同功率輸出情況進(jìn)行測(cè)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(cè)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

9、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,(4):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(zhǎng)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),2001,(10):242251(下轉(zhuǎn)第73頁(yè))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)7

10、3Analysisofleakagecausesofordinarywater-proofcoilstockofroofingsandrepairingZHOUSai2jun(11CivilEngineeringInstituteofHunanUniversityofScienceandTechnology,HunanXiangtan411201,China;2.CivilEngineeringInstituteofHunanUniversity,HunanChangsha410081,China)Abstract:Theordinarywater2proofcoiledmaterialsli

11、keasphaltfeltandsoonwereusedasmainwater2proofmaterialsallthetimeinourcountry.Thiskindofmaterialsareofsomeadvantagessuchaslowercostandthecapacityofprotectingagainstwater,butofsomedisadvantagessuchasstruction,serionslypollutedenvironment,cracksatlowtemperatureandmatmostimportantisthatthetimetocontinuo

12、uslyprotectagainstwateristootoberepairedaftersevenoreightyears.Thepaperanalyzedsomesofinginordinarywater2proofcoilstockandputforwordsomemeasuresto.Keywords:roofing;water2p;repairing(責(zé)任編輯李捷)(上接第64頁(yè))Characteristicsofselffilter-waveofloudspeakersandimprovementofdistortionofDkindofpoweramplificationLIUC

13、hang2xe(Dept.ofElectricEngineering,YanchenInstituteofTechnology,JiangsuYanchen224003,China)Abstract:Thepaperanalyzedthefrequencycharaeteristicsofaloudspeakerthroughtheanalogueandequivalentcircuitofelectricityandpowerandsoundoftheloudspeaker.Theinfluencesonaudio2frequencysignalsbyphase2distortionnetworkshouldbereducedasmuchaspossible,a