三分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)分頻器電感的精確設(shè)計(jì)

1、三分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)分頻器電感的精確設(shè)計(jì)1 引言揚(yáng)聲器系統(tǒng)的分頻器分為前級(jí)分頻和功率分頻2類。前級(jí)分頻是前級(jí)電路中由電子元件產(chǎn)生的分頻，再由各自的功放分別驅(qū)動(dòng)高中低音揚(yáng)聲器系統(tǒng)，如圖（1a）所示，屬于小信號(hào)有源分頻。而功率分頻則是由電感、電容、電阻元件構(gòu)成的位于功放與揚(yáng)聲器之間的無(wú)源分頻電路，如圖（1b）所示。采用功率分頻的揚(yáng)聲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而且又能獲得很高的放音質(zhì)量，因而在現(xiàn)代高保真放音系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍。其性能的好壞與揚(yáng)聲器的各項(xiàng)指標(biāo)以及分頻電路、電感元件的性能、精度有密不可分的關(guān)系，精確計(jì)算電感參數(shù)便是成功的關(guān)鍵。2 對(duì)分頻器電路、元件的要求（1）電路中電感元件直流電阻、電感值誤差

2、越小越好。而且為使頻響曲線平坦最好使用空心電感。（2）電路中電容元件損耗盡可能小。最好使用音頻專用金屬化聚丙烯電容。（3）使各揚(yáng)聲器單元分配到較平坦的信號(hào)功率，且起到保護(hù)高頻揚(yáng)聲器的作用。（4）各頻道分頻組合傳輸功率特性應(yīng)滿足圖2所示特性曲線的要求（P0為最大值，P1為對(duì)應(yīng)分頻點(diǎn)f1、f2的值）。分頻點(diǎn)處的功率與功率最大值之間幅度應(yīng)滿足P1（=0.30.5）P0的范圍。（5）整個(gè)頻段內(nèi)損耗平坦，基本不出現(xiàn)“高峰”和“深谷”。3 分頻電感電容參數(shù)值的計(jì)算下面以三分頻分頻器為例說(shuō)明其參數(shù)的計(jì)算，如圖3所示。1）計(jì)算分頻電感L1，L2，L3，L4和分頻電容C1，C2，C3，C4。為了得到理想的頻譜特

3、性曲線，理論計(jì)算時(shí)可取：C1=C4，C3=C2，L1=L3，L4=L2，分頻點(diǎn)頻率為f1，（f2見(jiàn)圖2），則分頻點(diǎn)1=2f0，2=2f2。并設(shè)想高、中、低揚(yáng)聲器阻抗均相同為RL。每倍頻程衰減12 dB。2）實(shí)驗(yàn)修正C1，C2，C3，C4，L1，L2，L3，L4的值為精確起見(jiàn)，可用實(shí)驗(yàn)方法稍微調(diào)整C1，C2，C3，C4，L1，L2，L3，L4的值，以滿足設(shè)計(jì)曲線見(jiàn)圖2的要求。即通過(guò)實(shí)驗(yàn)描繪頻響曲線，從而得到C1，C2，C3，C4，L1，L2，L3，L4的最佳值。如果沒(méi)有實(shí)驗(yàn)條件，這一步也可不做。求出電容電感的值后就可計(jì)算電感值了。4 最佳結(jié)構(gòu)電感的作用4.1最佳結(jié)構(gòu)電感的提出空心分頻電感（簡(jiǎn)稱電

4、感）的基本參數(shù)是電感量和直流電阻。一般來(lái)說(shuō)，電感量不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致分頻點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)要求并可能影響揚(yáng)聲器系統(tǒng)的頻響，大家都比較重視。然而其直流電阻不宜過(guò)大，否則會(huì)對(duì)音質(zhì)產(chǎn)生影響。通常人們對(duì)此電阻在電路中的影響及其定量要求不甚了解，因此未引起足夠重視，對(duì)此特作以下簡(jiǎn)要分析。以圖3的分頻網(wǎng)絡(luò)為例，由于低音單元的分頻電感L2與負(fù)載R（L低音單元額定阻抗）相串聯(lián)，因此若L2的阻抗過(guò)大，功放輸出功率在其上的損耗將增大。同時(shí)，功放內(nèi)阻對(duì)低音單元的阻尼作用也將大大減弱。前者影響功放的有效輸出功率，后者對(duì)音質(zhì)的影響卻無(wú)可挽回。由于分頻網(wǎng)絡(luò)中L2的電感量最大，且隨分頻點(diǎn)的降低而增大，所以L2的直流電阻的影響相當(dāng)突出。至于

5、高音單元的分頻電感L1，因它未與負(fù)載串聯(lián)，就不存在L2那樣的功耗和阻尼問(wèn)題。但是仍希望其阻抗盡可能小些。因?yàn)樗c負(fù)載并聯(lián)，起著旁路來(lái)自C1的殘余低音頻成分的作用。若阻值過(guò)大，就會(huì)影響高音分頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)低音頻的衰減陡度。綜上所述，電感直流電阻的數(shù)值在理論上是越小越好，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電感直流電阻數(shù)值的要求，應(yīng)從減小它對(duì)電路的影響方面去考慮。具體說(shuō)又分2種情形，對(duì)與負(fù)載串聯(lián)的電感（如L2），應(yīng)從允許的功率損耗和有足夠的阻尼兩方面去考慮；對(duì)與負(fù)載并聯(lián)的電感（如L1），則主要從具有足夠的旁路作用去考慮。對(duì)L2電阻影響功率損耗和L1電阻影響旁路作用的處理原則相同，即應(yīng)使L1和L2的阻抗R遠(yuǎn)小于揚(yáng)聲器的額定阻抗R

6、（L即R<<RL）。從數(shù)學(xué)上分析這相當(dāng)于要滿足條件：RRL/10。此時(shí)，在L2上的功率損耗已相當(dāng)小，L1對(duì)負(fù)載的旁路作用很明顯。至于阻尼作用對(duì)L2電阻的要求，可根據(jù)對(duì)晶體管功放阻尼系數(shù)、揚(yáng)聲器與功放之間的饋線及功率分頻電感直流電阻之間的關(guān)系及其典型值的考查后認(rèn)為，作為家用高保真聲箱中與負(fù)載串聯(lián)的分頻電感直流電阻應(yīng)小于負(fù)載阻抗的1/20，即滿足條件RRL/20，才能得到良好的阻尼特性。對(duì)于C3，C4，L3，L4組成的中音分頻電路，則因需滿足圖2的頻譜特性，已取C3=C2，C1=C4，L1=L3，L4=L2。故可不予分析，只照?qǐng)D連接即可。若是多個(gè)電感串聯(lián)時(shí)，應(yīng)把用以上方法確定的電阻均分

7、到各個(gè)電感上去。綜上所述，可得出這樣的結(jié)論：對(duì)與負(fù)載串聯(lián)的電感，一般按阻尼要求RRL/20確定其電阻值。例如，對(duì)8負(fù)載，L2的電阻不應(yīng)高于0.4；對(duì)4負(fù)載則不應(yīng)高于0.2。對(duì)與負(fù)載并聯(lián)的電感按RRL/10確定其阻抗值。例如對(duì)8負(fù)載，L1的電阻不應(yīng)高于0.8；對(duì)4負(fù)載，則不應(yīng)高于 0.4。按這樣的要求可能許多著名的揚(yáng)聲器系統(tǒng)都達(dá)不到指標(biāo)。對(duì)同一電感量，其繞組結(jié)構(gòu)可任意多。因此空心電感線圈必然存在一個(gè)最佳結(jié)構(gòu)尺寸，它應(yīng)使電感量L對(duì)其電阻R之比L/R達(dá)到最大值。即可找出一套合理繞制空心電感線圈的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，與其它方法得出的結(jié)構(gòu)尺寸相比，相同的電感值具有最小的阻抗值。其實(shí)電感結(jié)構(gòu)是否最佳很容易從其外

8、形判別。如果繞組截面大致呈正方形，且繞組內(nèi)徑為繞組寬度（即繞組高度）的4倍，那么基本上屬于最佳結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)最佳的電感線圈應(yīng)該用料省、體積小，并可使電感量和電阻同時(shí)滿足預(yù)先給定的數(shù)值。由于對(duì)每一電感值和電阻值均有一個(gè)最佳結(jié)構(gòu)尺寸，因此應(yīng)舍棄傳統(tǒng)的計(jì)算方法求取、制作電感。因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法不經(jīng)測(cè)試修正難以滿足最佳要求。下面介紹改用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法，此方法能滿足最佳要求。而且它對(duì)一些特殊結(jié)構(gòu)尺寸的電感計(jì)算精確度也很高。4.2最佳結(jié)構(gòu)電感的計(jì)算設(shè)所需電感量為L(zhǎng)（H），其阻抗值為R（），先求出繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)b是繞組的高度（寬度），決定了繞組的內(nèi)徑和外徑。所以求得b后即可按圖4制作繞組骨架，其中骨架外徑適當(dāng)

9、加大10%左右，然后求取其中，N為繞組匝數(shù)，d為導(dǎo)線銅芯直徑，i為導(dǎo)線總長(zhǎng)度，w為導(dǎo)線總重量。根據(jù)銅芯直徑d從線規(guī)表中選取對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱直徑，由導(dǎo)線總重量可選購(gòu)足夠用量的高強(qiáng)度漆包線。采用該計(jì)算方法繞制的電感經(jīng)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，誤差一般小于5%，繞制后是否測(cè)量已無(wú)關(guān)緊要了，基本上能滿足直接應(yīng)用的要求。由于以上繞制方法中，實(shí)際使用導(dǎo)線銅芯直徑D總是選得比計(jì)算直徑d大一些，從而造成繞制后的電感量總比計(jì)算值低些，顯然，加長(zhǎng)繞制導(dǎo)線長(zhǎng)度，即多繞幾匝就可使實(shí)際電感量更接近計(jì)算值。實(shí)際繞制導(dǎo)線的總長(zhǎng)度可由k=0.4(D/d)-i （6）I（=i+k）i （7）求出。其中k為實(shí)際導(dǎo)線的加長(zhǎng)系數(shù)，I為實(shí)際繞制導(dǎo)線總長(zhǎng)度

10、，把長(zhǎng)度I全部繞入骨架即可。D為實(shí)際導(dǎo)線直徑。如計(jì)算1 mH、電阻值為0.8的空心電感線圈的最佳結(jié)構(gòu)尺寸及繞制參數(shù)。將數(shù)值代入式（1）式（5）得骨架的中心軸外徑取2b=24 mm，骨架兩夾板間距為b=12 mm，骨架夾板外徑取4b=48 mm，(實(shí)際制作時(shí)可加大10%）。計(jì)算結(jié)果如下b=12 mm；2b=24 mm；N=181.5匝；d=0.75 mm；i=20.52 m；w=81 g。如果采用導(dǎo)線直徑實(shí)際為D，則用k=0.4（D/d）-i，I（=i+k）i進(jìn)行修正。采用該方法計(jì)算出L1，L2，L3，L4的值，照?qǐng)D裝配即可。作為計(jì)算驗(yàn)證，筆者按Hi-Vi S8 plus揚(yáng)聲器系統(tǒng)分頻器的參數(shù)制作了一個(gè)家用揚(yáng)聲器系統(tǒng)。其中2只0.