揚(yáng)聲器的自濾波特性與D類功放失真的改善

1、廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)第 15卷 第 4期 2004年 12月 Vol115 No14JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY Dec12004 文章編號 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)用動圈式揚(yáng)聲器的電 -力-聲類比等效線路對動圈式揚(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 信號相位失真的方法。同時(shí) ,采用比較、反饋的方法對音頻信號的諧波加以抑制 , 使得數(shù)字功放的總體失真指數(shù)

2、下降。關(guān) 鍵 詞:揚(yáng)聲器;低通濾波;失真 中圖分類號 :TN72211 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :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 ,無論哪一類功率放大器,其輸出必須是模擬信號 ,而對數(shù)字功放而言 ,其H橋輸出的是 PWM 信號, 因此先要將調(diào)制在載波上的模擬音頻信號取出來 ,才能驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲。這個(gè)工作 是通過一個(gè) LC 低通濾波器

3、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 信號通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí) ,各個(gè)頻率信號的相移不同 ,這就導(dǎo)致音頻信號產(chǎn)生相位失 真。另外 ,調(diào)制過程中也會產(chǎn)生信號的非線性失真。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 信號源所呈現(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遠(yuǎn)大于揚(yáng)聲器振動系統(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

4、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。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,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)線長度 ,fc為音圈所受的力 ,vC 為音圈震動的速度 ,MMD 為震動系統(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

5、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從揚(yáng) 聲器的電學(xué)端接入到振動膜的輻射 ,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

6、 “有效脈沖寬度 ”范圍的脈沖能 夠被功率管識別。前兩個(gè)要求載波頻率高。載波頻率越高 ,抽樣信號還原后的失真 越小 ,從頻譜圖上來看 ,音頻信號與載波頻率差距越大 ,信號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,如果采用信號中(高頻分量 )失真3 。的“窄脈沖”不能被功率管識別 ,就會引起該脈沖的丟失 ,而導(dǎo)致 音頻信號 “細(xì)節(jié)”音頻信號的奈奎斯特 (Nyquist) 頻率為 40kHz,實(shí)際上為了減少失真 ,采樣信號頻 率取到音頻信號最高頻率 (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

7、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 信號中的音頻信號濾出的任務(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 的正弦信號從功率放大器的音頻輸入端輸入 , 信號經(jīng)過調(diào)制、功率放大、 音箱還原后 ,信號波形諧波失真十分

8、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 輸入信號諧波的抑制載波與音頻信號在頻率上的巨大差距 ,使得兩者的分離變得容易。但是對于音 頻信號在調(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4反饋回路將功率放大器的輸出信號取回到輸入端 ,與輸入信號頻率進(jìn)行比較 , 閉環(huán)放大器對與輸入信號相同頻率信號的增益基本保持不變 ,而對于不同頻率的信 號放大器增益衰減 30dB 40dB,因而使信號的諧波分量得以抑制。實(shí)驗(yàn)中用頻率 特性測試儀對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

9、饋網(wǎng)絡(luò) 放大器的諧波失真情況對比如圖 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)

10、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)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) 73Analysisofleakagecausesofordinar

11、ywater-proofcoilstockofroofingsandrepairingZHOUSai2jun(11CivilEngineeringInstituteofHunanUniversityofScienceandTechnology,HunanXiangt an411201,China;2.CivilEngineeringInstituteofHunanUniversity,HunanChangsha410081,China)Abstract:Theordinarywater2proofcoiledmaterialslikeasphaltfeltandsoonwereusedasma

12、inwater2proofmaterialsallthetimeinourcountry.Thiskindofmaterialsareofsomeadvantagess uchaslowercostandthecapacityofprotectingagainstwater,butofsomedisadvantagessuchass truction,serionslypollutedenvironment,cracksatlowtemperatureandmatmostimportantisth atthetimetocontinuouslyprotectagainstwateristoot

13、oberepairedaftersevenoreightyears.The paperanalyzedsomesofinginordinarywater2proofcoilstockandputforwordsomemeasurest o.Keywords:roofing;water2p;repairing（責(zé)任編輯 李 捷 ）（上接第 64 頁）Characteristicsofselffilter-waveofloudspeakersand improvementofdistortionofDkindofpoweramplificationLIUChang2xe （Dept.ofElect

14、ricEngineering,YanchenInstituteofTechnology,JiangsuYanchen224003,Ch ina）Abstract:Thepaperanalyzedthefrequencycharaeteristicsofaloudspeakerthroughtheanalog ueandequivalentcircuitofelectricityandpowerandsoundoftheloudspeaker.Theinfluenceso naudio2frequencysignalsbyphase2distortionnetworkshouldbereducedasmuchas