扬声器的自滤波特性与D类功放失真的改善(精)

第15卷第4期

2004年12月广西工学院学报

Vol115No14

JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY Dec12004

文章编号100426410(2004)0420062203

扬声器的自滤波特性与D类功放失真的改善

刘长学

(盐城工学院电气工程系,江苏盐城224003)

摘要:应用动圈式扬声器的电-力-声类比等效线路对动圈式扬声器的频率特性进行了初步的研究,提出了利用扬声器的自滤波性能改善因D类功放移相网络引起信号相位失真的方法。同时,采用比较、反馈的方法对音频信号的谐波加以抑制,使得数字功放的总体失真指数下降。

关键词:扬声器;低通滤波;失真

中图分类号:TN72211文献标识码:A

1概述

,、超低音的功率放大电路中已广泛使用。以往数“失真度”这一参数上与传统的模拟功率放大器(尤其是A类)差距甚大[1]。,越来越多的专用芯片被开发出来,直接或间接地应用到音频功率放大领域中来,各项技术指标大大改善,使得数字功率放大器成了新一代功率放大器的主流产品而倍受关注。一般来说,无论哪一类功率放大器,其输出必须是模拟信号,而对数字功放而言,其H桥输出的是PWM信号,因此先要将调制在载波上的模拟音频信号取出来,才能驱动扬声器发声。这个工作是通过一个LC低通滤波器完成的。但LC低通网络是一个移相网络,当复合音频信号通过这个网络时,各个频率信号的相移不同,这就导致音频信号产生相位失

真。另外,调制过程中也会产生信号的非线性失真。减小失真成了进一步提高数字功放性能的重要课题。

2扬声器单元的自滤波特性

目前,音响设备中使用的扬声器单元,绝大多数是动圈式扬声器。不管是高音单元、中音单元还是低音单元,它们具有类似的结构、相同的电声换能原理以及对信号源所呈现的性质。其中扬声器单元本身所具有的自滤波性质更是三者所共有的。下面以低音单元为例阐明其这种特性

。

由于低音的波长远大于扬声器振动系统的尺寸,所以它的特性可用一个集中线路来模拟,这个方法称为收稿日期:2004205226

作者简介:刘长学(19642),男,江苏建湖人,盐城工学院电气工程系讲师。

第4期刘长学:扬声器的自滤波特性与D类功放失真的改善63类比法。低音扬声器的类比等效线路如图1[2]。其中Rg是功率放大器的内阻,L为音圈钳定时的电感,Re是音圈钳定时的电阻,B为音圈处磁路空气隙中的磁感应强度,l为音圈导线长度,fc为音圈所受的力,vC为音圈震动的速度,MMD 为震动系统的质量,CMS为支撑系统的等效力顺,YMS为支撑系统的力导,ZMR为扬声器的震动膜一面的辐射阻抗。

如果将力学端的阻抗反映到电学回路,则等效线路如图2所示[2]

。

从类比线路图可以看出,作为音源的功率电信号从扬

声器的电学端接入到振动膜的辐射,其间有一个由L、

MMD、CMS以及辐射抗组成的高阶中心频率很低的带通滤波

器。

箱式扬声器系统的箱体作用主要在于拓展扬声器的低

频性能,图3是倒相式扬声器系统的电力声类比线路等效图3倒相箱扬声器系统电力声类比图到声学端的线路图[2]。从图中可以看出,倒相式扬声器箱实

质是一个声学的低通滤波系统CAB、倒相管辐射声质量MAR所构成的低通滤波网络,,装的超重低音扬声器系统来说,、力学滤波之外,又多了一道声学滤波的环节,3:一是减小取样失真,二是在功率输出端很容易将“有效脉冲宽度”范围的脉冲能够被功率管识别。前两个要求载波频率高。载波频率越高,抽样信号还原后的失真越小,从频谱图上来看,音频信号与载波频率差距越大,信号就越容易被完整地还原出来。第三则要求频率不能太高。因为一般的功率管的截止频率都不高,如果采用信号中

(高频分量)失真[3]。的“窄脉冲”不能被功率管识别,就会引起该脉冲的丢失,而导致音频信号“细节”

音频信号的奈奎斯特(Nyquist)频率为40kHz,实际上为了减少失真,采样信号频率取到音频信号最高频率(20kHz)的10倍(200kHz)以上,具体看调制度以及功率管的开关频率而定。4利用扬声器的特性实现滤波

前面研究了扬声器的自身具有的低通滤波特性,利用扬声器这个特点,数字功率放大器H桥输出的PWM信号可以直接输出到低音扬声器中,由扬声器的电学和力学系统完成将PWM信号中的音频信号滤出的任务,而无需另加滤波器。这样由高阶LC所产生的相位失真也随之消失。

实验中也证实了这一点:即去掉或接一个高端截止频率较高的简易滤波网络相位失真大大改善,尤其在2000Hz以上的音频频率区间。实验比较曲线如图4

。

64广西工学院学报2004年12月

将1kHz的正弦信号从功率放大器的音频输入端输入,信号经过调制、功率放大、音箱还原后,信号波形谐波失真十分明显,如图5。失真主要来自于调制环节,抑制谐波失真将在下面进行介绍。

5输入信号谐波的抑制

载波与音频信号在频率上的巨大差距,使得两者的分离变得容易。但是对于音频信号在调制电路中产生的谐波就无法用滤波器滤除了,扬声器本身也无法做到,只能采用外加负反馈网络的方法加以抑制。电路框图如图6所示[4]

。

反馈回路将功率放大器的输出信号取回到输入端,与输入信号频率进行比较,闭环放大器对与输入信号相同频率信号的增益基本保持不变,而对于不同频率的信号放大器增益衰减30dB～40dB,因而使信号的谐波分量得以抑制。实验中用频率特性测试仪对所制作的放大器在不同功率输出情况进行测试。加、不加反馈网络

放大器的谐波失真情况对比如图7,曲线A是未加负反馈网络时放大器总谐波失真随频率的变化关系,曲线B则是加了反馈后放大器的总谐波失真随频率的变化关系。

从测量结果可以看出,总谐波失真减低到了0103～013之间。

6结论

虽然不同的扬声器具有不同的电学、力学和声学参数,但动圈式扬声器都有类似的电学、力学甚至声学滤波结构,只是低端和高端截止频率不同罢了。利用这个特点,可以对数字功率放大器外加的滤波器参数进行调整,甚至取消滤波网络,这样不仅可以减小滤波器上的功率损耗,还能减小由滤波网络引起的相位失真。若再配合使用一定特性的负反馈网络,减小非线性失真,数字功放的优点就不再局限在高效率一点上了。参考文献:

[1]李挥,罗勇,皱传云1数字音频功率放大器原理及实现[J]1电声技

术,2003,(4):322341

[2]管善群1电声技术基础[M]1北京:人民邮电出版社,19991

[3]刘长学,王惠贞1D类功放的交越失真[J]1电声技术,2002,(7):502511

[4]李志刚,石寅1D类功率放大器的失真分析及其负反馈方案讨论[J]1电路与系统学报,2001,(10):242251

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第4期周赛军:建筑物屋面普通防水卷材渗漏原因分析与修复73

Analysisofleakagecausesofordinarywater-proof coilstockofroofingsandrepairing

ZHOUSai2jun

(11CivilEngineeringInstituteofHunanUniversityofScienceandTechnology,HunanXiangt an411201,China;

2.CivilEngineeringInstituteofHunanUniversity,HunanChangsha410081,China) Abstract:Theordinarywater2proofcoiledmaterialslikeasphaltfeltandsoonwereusedasmain water2proofmaterialsallthetimeinourcountry.Thiskindofmaterialsareofsomeadvantagess uchaslowercostandthecapacityofprotectingagainstwater,butofsomedisadvantagessuchass