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無線電子工学および電気工学の百科事典 UMZCH の出力インピーダンスは低いほうがよいでしょうか? 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
無線電子工学と電気工学の百科事典 / トランジスタパワーアンプ ラウドスピーカーの相互変調歪みと倍音の低減について 異なる UMZCH を使用した場合のラウドスピーカーのサウンドの違いは、主にチューブ アンプとトランジスタ アンプを比較することでわかります。それらの高調波歪みのスペクトルは、多くの場合、大きく異なります。 同じグループのアンプでも顕著な違いがある場合があります。 たとえば、オーディオ雑誌の 12 つでは、50 W と XNUMX W の真空管 UMZCH によって与えられた評価は、出力の低いものを支持する傾向がありました。 それとも評価が偏っていた？ この記事の著者は、さまざまな UMZCH を使用するときに音に顕著な違いをもたらす、ラウドスピーカーでの過渡歪みおよび相互変調歪みの発生の神秘的な理由の XNUMX つを説得力を持って説明しているように思われます。 また、スピーカーの歪みを大幅に低減する手頃な価格の方法も提供します。これは、最新のエレメント ベースを使用して非常に簡単に実装できます。 現在、パワーアンプの要件の 1 つは、負荷抵抗が変化しても出力電圧が変化しないことを保証することであると一般に認められています。 言い換えれば、UMZCH の出力抵抗は、負荷の抵抗モジュール (インピーダンス) |Z の 10/1,,,1000/XNUMX 以下になるように、負荷の出力抵抗と比較して小さくする必要があります。н|。 この見解は、文献だけでなく、多くの基準や推奨事項にも反映されています。 減衰係数などのパラメータも特別に導入 - Kd (またはダンピング係数) アンプの出力インピーダンスに対する公称負荷抵抗の比に等しい RO マインド。 したがって、4オームの公称負荷抵抗と0,05オームKのアンプの出力インピーダンスでd 現在の HiFi 規格では、高品質のアンプには少なくとも 80 の減衰係数が必要です (少なくとも 20 が推奨されます)。 市場に出回っているほとんどのトランジスタ アンプでは、Kd 200を超えています。 Rが小さい理由O UM（それに応じて高い Kd）はよく知られています：これは、アンプとスピーカーの互換性を確保し、スピーカーの主な（低周波）共振の効果的で予測可能な減衰を得るため、およびアンプの特性を測定および比較する利便性を確保するためです。 ただし、上記の考慮事項の正当性と妥当性にもかかわらず、著者によると、そのような比率の必要性についての結論は根本的に間違っています! 問題は、この結論が、動電型スピーカー ヘッド (GG) の動作の物理を考慮せずになされていることです。 大多数の増幅器設計者は、必要なすべてのことは、与えられた負荷抵抗で必要な電圧をできるだけ少ない歪みで提供することであると心から信じています。 ラウドスピーカーの設計者は、彼らの製品がごくわずかな出力インピーダンスを持つアンプによって駆動されると想定しているようです。 すべてがシンプルで明確であるように思われます-どのような質問がありますか? それにもかかわらず、質問があり、非常に深刻な質問があります。 主な問題は、GG が無視できる内部抵抗 (電圧源または EMF 源) を持つアンプから動作する場合に、GG によって導入される相互変調歪みの大きさの問題です。 「アンプの出力インピーダンスと何の関係があるの？騙されないで！」 読者は言うでしょう。 -そして、彼は間違っています。 この依存関係の事実が非常にめったに言及されていないという事実にもかかわらず、それは持っていて、最も直接的です。 いずれにせよ、アンプ入力の電圧から音の振動まで、エンドツーエンドの電気音響経路のすべてのパラメータに対するこの影響を考慮した最新の研究は見つかっていません。 何らかの理由で、このトピックを検討するとき、以前は低周波数での主な共振近くの GG の動作の分析に限定されていましたが、共振周波数より数オクターブ高い周波数で、同様に興味深いことが起こります。 この記事は、このギャップを埋めることを目的としています。 アクセシビリティを高めるために、プレゼンテーションは非常に単純化され、図式化されているため、多くの「微妙な」問題が考慮されていないと言わざるを得ません。 したがって、UMZCH の出力インピーダンスがラウドスピーカーの相互変調歪みにどのように影響するかを理解するには、GG コーンからの音響放射の物理が何であるかを覚えておく必要があります。 主共振周波数以下では、正弦波信号電圧が GG ボイスコイルの巻線に印加されると、そのディフューザーの変位振幅はサスペンション (または密閉ボックス内で圧縮された空気) の弾性抵抗によって決定され、ほとんど独立しています。信号周波数の。 このモードでの GG の動作は、大きな歪みと有用な音響信号の出力が非常に低い (非常に低い効率) という特徴があります。 基本共振周波数では、空気の振動質量とサスペンションの弾性とともに、ディフューザーの質量が、ばね上のおもりに似た振動システムを形成します。 この周波数範囲での放射効率は、この HG の最大値に近いです。 主共振周波数を超えると、ディフューザーの慣性力と振動する空気質量がサスペンションの弾性力よりも大きくなるため、ディフューザーの変位は周波数の XNUMX 乗に反比例します。 ただし、この場合のコーンの加速度は、理論的には周波数に依存しないため、音圧に関する周波数応答の均一性が保証されます。 したがって、主共振周波数を超える周波数で HG の周波数応答の均一性を確保するには、ニュートンの第 XNUMX 法則 (F=m *a)。 ボイスコイルからコーンに作用する力は、その中の電流に比例します。 GGが電圧源Uに接続されている場合、各周波数でのボイスコイルの電流Iは、オームの法則I（f）\uXNUMXd U / Zから決定されますг(f)、ここで Zг(f) はボイスコイルの周波数依存の複素インピーダンスです。 主に次の XNUMX つの量によって決定されます。 ボイス コイル R のアクティブ抵抗г (抵抗計で測定)、インダクタンス LG 電流は、ボイス コイルが磁場内を移動するときに発生する逆起電力の影響も受け、移動速度に比例します。 主共振よりもはるかに高い周波数では、ボイスコイルを備えたコーンが信号周波数の半分の周期で加速する時間がないため、逆起電力値は無視できます。 したがって、依存性 Zг(f) 基本共振周波数より上は、主に R の値によって決定されます。г とLг だから、どちらの抵抗 Rg、 インダクタンス L もг 特に安定していません。 ボイスコイルの抵抗は温度に大きく依存します (TCR 銅は約 +0,35%/оC）、通常動作中の小型中域GGのボイスコイルの温度は30 ... 50変化します оかなり迅速に、数十ミリ秒以下で。 したがって、ボイスコイルの抵抗、したがってボイスコイルを流れる電流、および一定の印加電圧での音圧は10 ... 15%変化し、対応する値の熱信号圧縮の相互変調歪みが生じます。 インダクタンスの変化はさらに複雑です。 共振周波数よりも著しく高い周波数でボイスコイルを流れる電流の振幅と位相は、主にインダクタンスの値によって決まります。 また、ギャップ内のボイスコイルの位置に大きく依存します。基本共振周波数よりわずかに高い周波数の通常の変位振幅では、さまざまな GG でインダクタンスが 15 ～ 40% 変化します。 したがって、ラウドスピーカーに供給される定格電力では、相互変調歪みは10〜25％に達する可能性があります。 上記は、国産最高の中周波 GG - 5GDSH-5-4 の XNUMX つで撮影された音圧オシログラムの写真によって示されています。 測定セットアップのブロック図を図に示します。
ツートーン信号のソースとして、約1 mの面積の音響スクリーンに設置された、テストGGが接続された出力の間にXNUMX対のジェネレーターとXNUMXつのアンプが使用されました2 . 大きな電力マージン (400 W) を持つ 66 つの別個のアンプを使用して、130 トーン信号が増幅経路を通過する際の相互変調歪みの形成を回避します。 ヘッドによって発生する音圧は、リボン型動電マイクロフォンによって感知され、その非線形歪みは、96 dB の音圧レベルで -XNUMX dB 未満です。 この実験におけるこのようなラウドスピーカーの音圧は約 XNUMX dB であったため、これらの条件下でのマイクロフォンの歪みは無視できます。
上部オシロスコープの画面上のオシログラムでわかるように (上部 - フィルタリングなし、下部 - HPF フィルタリング後)、周波数 4 Hz の別の信号の影響下での周波数 300 kHz の信号の変調 ( 2,5Wのヘッドパワーで）20％を超えています。 これは、約 15% の相互変調歪みに相当します。 相互変調歪み成分の知覚可能性のしきい値が XNUMX% よりもはるかに低く、場合によっては XNUMX 分の XNUMX に達することを思い出す必要はないようです。 UMZCH の歪みは、それらが「ソフト」な性質のものであり、XNUMX 分の XNUMX パーセントを超えない場合にのみ、電圧からの動作によって引き起こされるラウドスピーカーの歪みの背景に対して単純に区別できないことは明らかです。ソース。 相互変調歪み成分は、音の透明性とディテールを破壊します。個々の楽器や声がたまにしか聞こえない「混乱」が得られます。 このタイプのサウンドは、おそらく読者にはよく知られています (歪みの良いテストは、児童合唱団の表音文字です)。 しかし、前述のヘッドインピーダンスの変動によって引き起こされる歪みを大幅に減らす方法があります。 これを行うには、ラウドスピーカーを駆動するアンプの出力インピーダンスが、インピーダンス R のコンポーネントよりもはるかに大きくなければなりません。dと Xг (2p fLg) GG. その後、それらの変化はボイスコイルの電流に実質的に影響を与えなくなり、その結果、これらの変化によって引き起こされた歪みもなくなります。 歪みを低減するこの方法の有効性を実証するために、GG と直列に接続された 47 オームの抵抗 (つまり、調査対象の GG のインピーダンス係数よりも 2 桁大きい) を測定セットアップに追加しました。 同じ音圧レベルを維持するために、アンプの出力での信号レベルがそれに応じて増加しました。 現在のモードへの切り替えの効果は、対応するオシログラムの比較から明らかです。下部オシロスコープの画面上の高周波信号の寄生変調ははるかに小さく、ほとんど見えず、その値は3を超えません... XNUMX% - HG 歪みが急激に減少します。 専門家は、ボイスコイルのインピーダンス変動を減らす方法がたくさんあると主張するかもしれません: 磁気冷却液でギャップを埋める、磁気システムのコアに銅キャップを取り付ける、コアプロファイルとコイル巻線密度を慎重に選択する、などなど。 ただし、これらの方法はすべて、第一に、原則として問題を解決するものではなく、第二に、HGの製造の複雑さとコストの増加につながります。その結果、スタジオのスピーカーでも十分に使用されていません。 そのため、ほとんどの中周波および低周波 GG には銅キャップも磁性流体もありません (このような GG では、フル パワーで動作している場合、液体はギャップから放出されることがよくあります)。 したがって、特にマルチバンドのアクティブ音響システムを構築する場合は、GG に高インピーダンスの信号源 (制限内で - 電流源から) から電力を供給することは、相互変調歪みを減らすのに便利で便利な方法です。 この場合、中周波 GG の固有の音響品質係数は、原則として、 4 を大幅に上回り、8...XNUMX に達します。 特に電流用のローカルFOSがある場合、10極管またはXNUMX極管出力を備えた浅い（XNUMXdB未満）FOSを備えたランプUMZCHで発生するのは、まさにこのGGの「電流」電源モードであることは興味深いことです。カソード回路の抵抗の形で。 このようなアンプをセットアップする過程で、一般的な OOS を使用しない場合の歪みは、通常 2..5% 以内であることが判明し、制御パスのブレークに含まれている場合、自信を持って耳で認識できます (「ストレート アンプとの比較方法」ワイヤー」）。 ただし、アンプをラウドスピーカーに接続した後、フィードバックの深さが増すにつれて、サウンドが最初に改善され、次にディテールと透明度が失われることがわかりました。 これは、出力段がフィルターなしで対応するラウドスピーカーヘッドに直接駆動されるマルチバンドアンプで特に顕著です。 この理由は、一見、逆説的な現象ですが、電圧の OOS 深度が増加すると、アンプの出力インピーダンスが急激に減少するためです。 低出力インピーダンスで UMZCH から GG に電力を供給することのマイナスの結果については、上記で説明しました。 三極管アンプでは、原則として、出力インピーダンスは五極管や四極管よりもはるかに小さく、フィードバックを導入する前の線形性は高くなるため、電圧にフィードバックを導入すると、単一のアンプのパフォーマンスが向上しますが、同時にスピーカーヘッドの性能を悪化させます。 その結果、出力電圧フィードバックを三極管アンプに導入した結果、アンプ自体の特性が改善されたにもかかわらず、実際にはサウンドが悪化する可能性があります。 この経験的に確立された事実は、オーディオ パワー アンプでのフィードバックの使用による害、およびサウンドの特別な真空管のような透明性と自然さについての議論に関する憶測の尽きることのない食べ物として役立ちます。 ただし、上記の事実から、問題は OOS 自体の存在 (または非存在) にあるのではなく、アンプの結果として生じる出力インピーダンスにあることが明らかになります。 それが「犬が埋まっている」ところです！ 負の出力抵抗 UMZCH の使用について、いくつかの言葉を言う価値があります。 はい、正の電流フィードバック (POF) は基本共振周波数で GG を減衰させ、ボイス コイルで消費される電力を削減するのに役立ちます。 ただし、電圧源からの動作モードと比較しても、特性に対する GG インダクタンスの影響を大きくすることによって、ダンピングの単純さと効率を犠牲にする必要があります。 これは、時定数 Lг/Rr は、より大きなものに置き換えられます。 Lг/[Rг+(-R出力PA)]。 したがって、周波数が低下し、「GG + UMZCH」システムのインピーダンスの合計で誘導性リアクタンスが支配的になり始めます。 同様に、ボイス コイルのアクティブ抵抗の熱変化の影響も大きくなります。ボイス コイルの変化する抵抗とアンプの一定の負の出力抵抗の合計は、パーセンテージでより大きく変化します。 もちろんRならアウト。PA の絶対値は、ボイス コイル巻線のアクティブ抵抗の 1/3 ～ 1/5 を超えないため、POS の導入による損失は小さくなります。 したがって、わずかな追加減衰または低周波数帯域での品質係数の微調整のために弱い電流 POS を使用できます。 さらに、UMZCHの現在のPOSと電流源モードは互いに互換性がないため、残念ながら、低周波数帯域でのGGの電流供給は常に適用できるとは限りません。 相互変調歪みで、明らかにそれを理解しました。 インパルス性の信号を再生するときにGGのディフューザーで発生する倍音の大きさと持続時間です。 この質問ははるかに複雑で「より薄い」ものです。 知られているように、GH ディフューザーは、非常に大まかな概算でのみ無限に剛体であると見なすことができます。 実際、振動すると、非常に奇妙な方法で大きく曲がります。 これは、ディフューザーと HG の可動システム全体に多数の寄生共振周波数が存在するためです。 パルス信号が通過した後、各共振周波数の自由振動はすぐには消えず、倍音を生成し、音に色を付け、明瞭さとディテールを隠し、ステレオ効果を悪化させます。 これらの倍音を除去するには、理論的には 50 つの可能性があります。 100 つ目は、動作周波数範囲を超えてすべての共振周波数を遠方超音波 (XNUMX...XNUMX kHz) の領域にシフトすることです。 この方法は、低出力の高周波 GG や一部の測定用マイクロホンの開発に使用されています。 GGに関しては、これは「ハード」ディフューザーの方法です。 XNUMX 番目の可能性は、寄生共振の品質係数を減らして、振動がすぐに消えて聞こえなくなるようにすることです。 これには、寄生共振の品質係数が XNUMX に近いほど大きな曲げ損失の「ソフト」ディフューザを使用する必要があります。 ただし、「ソフト」ディフューザーを使用した GG の非線形歪みと最大音圧は、「ハード」コーンを使用した GG よりもいくらか悪いことがわかります。 一方、「ソフト」コーンを使用したGGは、原則として、音の明瞭さ、無色、透明度の点で大幅に勝ちます。 したがって、XNUMX 番目のオプションも可能です。比較的「硬い」ディフューザーを備えた GG を使用し、その音響減衰を導入することです。 この場合、両方のアプローチの利点をある程度組み合わせることができます。 これは、スタジオ コントロール ラウドスピーカー (大型モニター) が最もよく構築される方法です。 当然のことながら、減衰された HG が電圧源から電力を供給されている場合、周波数応答は、主共振の総合品質係数が急激に低下するため、大幅に歪められます。 この場合の電流源は、熱圧縮の影響を排除すると同時に周波数応答を均一化するのに役立つため、好ましいことが判明しました。 GGのディフューザーの自由振動から生じる倍音に関しては、寄生共振周波数は通常、主共振の周波数よりもはるかに高い位置にあるため、GGの動作モード-電流または電圧源を使用-それらにはほとんど影響しません。 寄生共振に対処する唯一の直接的な方法は音響減衰です。 ただし、GG が電流源から電力を供給されている場合、これらの共振は歪み生成物によって励起されたときに最も顕著になるため、励起される可能性は低くなります。 GG のこの動作モードでは、これらの歪み成分の絶対振幅と相対振幅の両方が大幅に小さくなることがわかります。 上記を要約すると、次の実用的な結論を導き出すことができます。 1. 電流源 (電圧源ではなく) からのラウドスピーカー ヘッド動作モードは、ヘッド自体によって導入される相互変調歪みを大幅に低減します。 2. 相互変調歪みの少ないラウドスピーカーに最適な設計オプションは、クロスオーバー フィルターと各帯域用の個別のアンプを備えたアクティブ マルチバンドです。 ただし、この結論は、GG ダイエットに関係なく当てはまります。 3. 電流源からのヘッドの動作は、その主な共振の音響減衰の必要性を引き起こします。その結果、可動システムの寄生共振の減衰も途中で達成されます。 これにより、ラウドスピーカーのインパルス応答が改善され、追加のサウンド カラーレーションを排除するのに役立ちます。 4. 増幅器の出力インピーダンスを高くし、歪みを小さく維持するには、電圧ではなく電流で OOS を使用する必要があります。 もちろん、著者は、歪みを低減する提案された方法が万能薬ではないことを理解しています。 さらに、既製のマルチバンド ラウドスピーカーを使用する場合、個々の GG を変更せずに電流を供給することは不可能です。 マルチバンドラウドスピーカー全体を出力インピーダンスの高いアンプに接続しようとすると、歪みが減少するのではなく、周波数応答が急激に歪み、それに応じて音質バランスが崩れます。 それにもかかわらず、GG の相互変調歪みのほぼ XNUMX 桁の削減、およびそのようなアクセス可能な方法による削減は、明らかに注目に値します。 著者は、NIKFI のスタッフ A.P. Syritso に感謝します。 測定と Shraibman A.E. 結果を議論するため。 著者：S.アゲエフ、モスクワ。 出版物: cxem.net
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