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有源音箱中超重低音的设计
Subwoofer design

时间:2011-3-2 23:31:31 来源:互联网 作者:不详 编辑: 【关闭


有源音箱中超重低音的设计
作者:吴红奎 吴红静
一般超重低音是指120Hz以下的音频,重低音是指220Hz~100Hz的音频。无论是通俗音乐还是经典音乐,无论是自然音乐还是自然界里的声音,重低音和超重低音都是少之又少的,但就像味精一样,又是必不可少的,少了它,音乐就会缺少临场感。
  超重低音的力度感很强。方向性却不明显,所以超重低音系统。
一般是单声道的。除最新的数字录音系统中的超重低音是作为一个独立的声道录制外,我们目前听到的超重低音都是从全频带的声音信号中分离出来的。所以一般2.1有源音箱的电路大致包含电源、前置放大器、分频电路、功率放大器、音箱(喇叭)几部分,如图1所示。
           有源音箱中超重低音的设计
  1.超重低音声道的功率
  不管是一阶还是多阶分频。分频点后频率曲线都是斜的而不是陡降的直角,阶数越高,斜率越大。
  为了获得平直的频率响应。每路喇叭之间的频率覆盖有一定的重叠。
  同时,锥盆喇叭的阻抗曲线也是非线性的,在谐振频点处最大,100~500Hz处最低,随频率的上升,阻抗随之升高。这就意味着对不同频率的信号,即使输入到喇叭的功率一样,喇叭发出的声音强度也不一样。要使各路喇叭产生的声压让人耳听起来与原始音乐信号大致相同,推动各路喇叭的功率放大器的输出功率也就不能相等,要有一定的比例关系。
比如,一个100W的三分频系统,分频点为400Hz和3kHz。那么低音声道需要50W,中音为35W.
有源音箱中超重低音的设计
  高音为15W,必须以这个比例关系来统筹设计,并通过调整RC滤波器的插入损耗和放大器的增益来获得整个系统的均衡。对于重低音系统,重低音声道的功率要比主声道大1O倍左右,所以重低音声道的放大器要求有很大的功率裕量。
  2.分频网络
  2.1有源音箱的分频电路可以采用有源RC分频,也可以采用无源RC分频,还可以采用有源功率分频。
    (1)无源RC分频
  无源RC电子分频的电路简单,具有最平直的幅频特性和相位特性,相位失真和瞬态失真都很小,缺点是带外衰减特性不好。只有6dB/oct,这就要求喇叭在频率转折点外仍然具有很好的线性。也就是要求超重低音喇叭在120Hz以上、中低音喇叭在120Hz以下仍然具有良好的线性。2.1音箱采用的都是小口径的喇叭,刚好能够最大限度地弥补这个缺点。
有源音箱中超重低音的设计   
  图2是一阶RC滤波器龟路。
  分频点选在120Hz,主通道加入了10dB的衰减以平衡主通道和超重低音通道。实践中可以对分频点和衰减量进行调整。要求RC分频网络的输入阻抗远大于信号源的输出阻抗,RC分频网络的输出阻抗远大于功率放大器的输入阻抗。
  信号源的输出阻抗一般小于1kΩ,功率放大器的输入阻抗一般为47kΩ,RC分频网络的输入、输出阻抗等于网络电阻R。在图2中,R1-1与R1-2之和等于网络电阻R,R2-1与R2-2并联后的阻值也等于R,为10kΩ。
分频点的计算公式是:
f0=1/(2πRC)= 160/(RC)
有源音箱中超重低音的设计
  公式中的网络电容C等于C1-1与C1-2之和R1-1与R1-2既是分频网络中的网络电阻。又是衰减网络中的衰减电阻,与右声道中的R3-1和R3-2相同,调整衰减量的时候要保持二者之和不变。
  如果R1-2调整到比较小的数值时还不能满足需要,可以同时调整功率放大器的增益来满足需要。
如果想获得更陡的带外衰减特性,最好采用有源RC分频网络。
有源音箱中超重低音的设计
(2)有源RC分频
   有源RC分频电路多采用二阶巴特沃兹滤波器,具备12dB/oct的带外衰减特性。如果想获得更陡降的特性,可以用两级串联的方式获得24dB/oct的带外衰减特性。巴特沃兹滤波器在音频应用中要求其品质因数(Q)为0.707,RC网络中的C值不大于0.1μF较好。图3是增益(A0)不等于1的典型电路,图4是增益(Ao)等于1的典型电路。为了说明问题,图中元件是按转折频率(f0)为120Hz取值。
对于增益(Ao)不等于1的典型电路,业余条件下为计算方便,可让R1=R2,C1=C2;对于增益(A0)等于1的典型电路,可让R1=R2,C1=2C2。这样电路的Q值将与R1和C2的取值无关,电路的计算和调整就较方便。在主通道中也可以采用带通滤波器以滤除超音频信号的影响。
图5就是这样的二阶带通滤波的电路。
 
  图6是带输人隔离的2.1音箱分频电路,用了6块双运算放大器NE5532来完成输入缓冲隔离、重低音信号的分离、主声道信号与超重低音信号的分离、输出缓冲等。
性能完善,不过这个电路比较复杂,如果不严谨制作,会适得其反。
      有源音箱中超重低音的设计
  在图6中,IC1 B、IC2B将左、右声道的信号隔离缓冲后合成一路送入由IC3B组成的二阶低通滤波器完成超重低音信号的分离。
  IC1A、IC2A将左、右声道信号隔离缓冲后分别送入IC4A、IC5A组成的带通滤波器。滤除超音频信号。
  同时起到延时作用,以保证和超重低音通道有精确同步的相位,这是本电路的一大特点。然后信号分别送人由IC4B、IC5B组成的反相器,最后送入IC6A、IC6B组成的减法器,分别与分离出来的超重低音信号相加。反相的全频信号和重低音信号相加便得到了不含超重低音信号的左、右声道信号,干净纯正。
  这是本电路的另一大特点。这种分频方法基本上不存在相位干涉现象,分频曲线不会产生在分频点各自下跌后再相交的现象,也就不会造成合成后的曲线出现峰谷或者峰鼓现象。
有源音箱中超重低音的设计
图6电路还有另外两个特点,一是加入了由IC3A和SW1组成的相位转换电路。IC3A是一个反桐器。SW1向上时,得到反桐信号;SW1向下时,得到同相信号。这样可以与主音箱更好的配合。二是加入了由SW2控制的低频信号上限频率截止点选择功能。即控制由IC3B组成的二阶巴特沃兹低通滤波器的截止频率的转折点:100Hz、125Hz、150Hz三个频点。这种方法提商了电路对音箱喇叭的适也性。同时也是调节乐感的方式。对于近来出现的独立功收而言,应该是一个不锵的选择。
  (3)有源功率分频
 有源音箱中超重低音的设计      
  这是将功率放大和有源分频结合起来的高效分频方法。这种方法不需婴运放作分步分的有源器件。理论上,只要功率放大IC具备相位相反的两个输入端、增益可调就可行。例如我们常见的TDA2030A、LM1875等。对于像TDA1517、TD7370、TDA8946等固定增益的功放IC则不适合。图7是其典型电路。这种方法实际上是把功放IC当做大功率运放用了。按照图中元件数值。
  频率转折点为900Hz,带外衰减特性为18dB/oct。要注意做有源功率分频时,R6的阻值不能太大。
  图8是一个采用有源功率分频的2.1电路。按照图中参数,超重低音通道可以提供约56W的功率。主声道可以提供每声道约20W的功率,总谐波失真(THD+N)小于0.05%。分频点选在了220Hz,可以根据音箱的实际情况来调整。分频阻容网络的元件选用误差小于1%的品种。
型号
功率/W
失真/%
工作电压/V
引脚数量
LM1875
20×1(8Ω)
0.07
±25
5
LM1876
15×2(8Ω)
0.08
±22
11
LM4766
30×2(8Ω)
0.06
±30
15
LM3886
38×1(8Ω)
0.03
±28
11
TDA2030
9×1(8Ω)
0.5
±14
5
TDA2030A
12×1(8Ω)
0.08
±16
5
TDA8946
15×2(8Ω)
0.07
18
17
TDA8947
18×2(4Ω)
0.05
24
17
TDA1517ATW
6.6×1(8Ω)
1
12
20
TA8231
17×2(4Ω)
1
13.2
17
  3.功率放大电路
      有源音箱中超重低音的设计      
  常见的2.1音箱中采用的功率放大电路多半是集成功率放大器,主要性能指标见表1。表中的工作电压指的是典型工作电压,输出功率一栏中按“每声道功率×声道数(接入负载阻抗)”表示,失舆度(THD+N)是指功率…·栏标称的数值下计算的,而不是1W状态下的数值。表中数据都是来自厂商公开发表的数据文件。一般双电源工作的集成电路都可以工作于单电源状态,双声道的集成电路一般都可以接成BT1的形式来获得更大的功率。
  笔者认为尽管数字放大器的音质还不能完全和模拟放大器媲美,但至少用于超重低音通道是比较合适的。
  表2足报道比较多的数字放大器。
型号
功率/W
失真度/%
工作电压/V
效率/%
引脚数量
独立散热器
输出1C滤波器
LM4651+LM4652
125x1(4Ω)
1
±20
85
28/15
必须
必须
TPA3100D2
20x2(8Ω)
1
18
92
48
非必须
必须
TPA3001D1
15×1(8Ω)
1
18
86
24
非必须
非必须
TASS012+TAS5112
40x2(8Ω)
0.2
29.5
90
48/56
非必须
必须
MAX9708
20x2(8Ω)
10
18
87
56/64
非必须
非必须
MAX9709
25x2(8Ω)
10
20
87
56/64
非必须
非必须
MAX9741
12x2(8Ω)
1
18
78
56
非必须
非必须
TDA8920
50x2(4Ω)
 
±25
90
17
必须
必须
TA2022
100x2(4Ω)
1
±28
87
32
必须
必须
STA304+STA500
25x2(8Ω)
1
25
B2
44/36
非必须
必须
TDA7482
18x1(8Ω)
1
21
87
15
必须
必须
YDA143
12x2(8Ω)
0.1
12
87
52
非必须
必须
AD1991
20*2
0.1
14.4
85
52
非必须
必须
  关于输出LC滤波器,部分产品由于|采用了特殊的技术,可以不用线圈式电感和瓷片电容,靠一个磁珠即可。
  4.音箱
   有源音箱中超重低音的设计
  2.1系统有源音箱中一般超重低音音箱采用5英寸左右的长冲程喇叭,箱体相对较大,电源和电路部分都安装在箱内,立体声采用小口径全频带喇叭的居多。也有少量采用两分频的品种。
  音箱从结构上说有敞开式、封闭式、倒相式、号筒式以及在各类的基础上变形的形式等。笔者认为采用倒相和迷宫结合的形式、喇叭采用推挽形式可以达到体积和性能兼顾的效果。倒桐方式提高了低音的效率,迷宫式延长了声音的道路,等于变相增大了音箱的体积,两只喇叭丁作于推挽的方式无疑提高了低音的能量。图9是这种音箱的设想图。这种方式也被称为双驱动方式。三菱公司曾把它成功用于电视机的超重低音系统。音箱中使用两只一模一样的喇叭。反桐连接。阻抗为单只喇叭的一半,共振频率和单只喇叭相同。这种方式理论上要重放同样频率的低频。只需要采Hj单喇叭音箱体积的一半。而儿还可以抵消齐次非线性失真,缺点是设计和调较非常复杂,所以采用性能一致性非常好的塑料材质比较容易实现批量生广。

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