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無線電子工学および電気工学の百科事典 アクティブスピーカーにおける電気音響フィードバックの応用。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
この記事では、著者はパワーアンプをカバーするフィードバックの種類を検討しており、音響システムのエミッターの特性も考慮して、スピーカーの欠点をある程度修正しています。 電気音響フィードバック (EAOS) は、低周波数帯域のさまざまな歪みを最も効果的に低減しますが、この技術の適用範囲は、UMZCH を内蔵したスピーカーにのみ限定されます。 著者は、そのような AU を計算するための簡単な方法論と追加の電子コンポーネントの図を提案します。 著者は、（UMZCH および EAOS を内蔵した）アクティブなスピーカーを展示会で繰り返し発表していることに注意してください。 それらは、サウンドのリアリズムと、EAOS が動作する低音域の特別な純度が異なります。 動電型ヘッド (EDG) を備えた音響システム (AS) による LF 帯域の高品質サウンド再生 (SV) の主な問題のうち、主に XNUMX つの問題に区別できます。それは、周波数応答と位相応答の歪みです。特に低周波数で、大量の非線形歪み (NI) が発生します。 XNUMX つ目の理由は、スピーカーの選択、その音響設計 (AO)、リスニング ルームの音響特性 (KdP) とその中のスピーカーの配置における妥協です。 このタイプの歪みの結果として過渡応答 (TR) 歪みが生じ、特に突然のレベル変化によりオーディオ信号のエンベロープに歪みが生じ、一般に「ブラー」、「ハム」、「バスラグ」効果として特徴付けられます。 XNUMX 番目の問題の主な理由は、EDG コーンの変位 (ストローク) を大幅に増加する必要があることです。これは、EDG コーンの剛性が十分でない場合に特に強調され、追加の倍音の出現につながります。 スピーカーの歪みを減らす方法 以下では、フェーズインバーター (FI) とクローズドボックス (CL) の形式の AO を備えた最も一般的なタイプのスピーカーで、これらの問題を克服または軽減するためのさまざまな方法を使用する可能性について簡単に検討します。ただし、 KdP 音響とその中のスピーカーの位置の影響。 FI 形式の AO を備えた AS は、正しく実装されていれば、SV 帯域の低域カットオフ周波数の領域で周波数応答を大幅に拡張できるだけでなく、NI を低減できます。これは特に重要ですが、比較的少量の AS で実現できます。 、CLの形でASと比較。 ただし、これらすべての利点には RP の重大な歪みが伴います。RP は、AU の所定の機能目的を考慮して、汚染物質の品質を評価するための主な基準となることがよくあります。 WA の形で AO を備えた AS の RP ははるかに優れていますが、これには、SV 帯域の低域カットオフ周波数の減少に伴い、AS のボリュームを大幅に増加する必要があります。 これら 1 種類の AO を使用してスピーカーからの汚染物質の質を改善するには、周波数応答と位相応答を共同補正 [2]、さらに負の出力インピーダンスを持つパワー アンプ (PA) と併用する [XNUMX]。が最も頻繁に使用され、EDG のダンピングが向上するため RP が大幅に向上します。 あまり一般的ではありませんが、非常に効果的な別の方法は、電気機械フィードバック (EMOS) の使用に基づいています。 この場合、OS 回路があらゆるタイプの歪みの主な原因である EDG をカバーすることが重要です。この方法では、EMOS の深さに比例して歪みが減少します。 EMOS のアイデアを実装するための多数のオプションの中で、最も広く使用されているのは、EDG ディフューザーの表面に固定された圧電センサーの形式の加速度計を使用するオプションです [3–5]。 EDG ディフューザーが振動するときに発生し、音圧に比例するセンサーの電気信号は、EMOS 回路内でソースからの元の信号と常に比較されます。 この場合、差分信号により、音源からの音声信号と音圧を一致させるために必要な補正が行われます。 負帰還 (NFB) を導入する他の方法を使用することも可能です。たとえば、センサーとして別個の追加のボイス コイル (「センサー」) を使用し、そこからの信号が CNF 回路で補正信号を分離するために使用されます。 このタイプの OOS は電気力学的フィードバック (EDOS) と呼ばれますが、その使用は EDG に追加のコイルがあるスピーカーにのみ限定されます。 実装が最も困難ですが、最も効果的であるのは、EDG ディフューザーの表面のすぐ近くにマイクを圧力センサーとして設置する方法です。 この場合、電気音響フィードバック (EAOS) が発生します。これは、理由に関係なく、マイクによって検出されたあらゆるタイプの歪みを最も完全に考慮します。 EAOS を使用すると、マイクからの電気信号に追加の変換を必要としないため、最も正確な補正を行うことができます。 EAOS の使用の普及率が低いのは設計実装の難しさによって引き起こされていますが、たとえば Meyer Sound (USA) の X-10 スタジオ モニターで達成された結果を見ると印象的です [6]。 低周波での汚染物質の質を改善する可能性という点で、上記に列挙したすべての方法の欠点は、さまざまな設計の追加が必要なことです。 したがって、1978 年にスウェーデンの会社 Audio Pro によって提案された、LF EDG と PA を「結合」する技術は、非常に興味深いものです。 ACE Bass (Amplifier Controlled Euphonic Bass) [7] と呼ばれるこの技術は、構造的な追加を必要とせず、EDH を使用してスピーカー キャビネットの寸法を大きくすることなく、汚染物質の低いカットオフ周波数を下げることができます。スピーカー内の汚染物質の下限カットオフ周波数よりも大幅に高くなる可能性があります。 システムの動作原理は、EDG が PA から励起されることです。PA の出力インピーダンスは複雑な特性を持ち、特定の周波数では負または正の複雑な特性を持ちます。 ACE Bass システムは、いくつかの異なる方法で実装できます。特に、負の出力インピーダンスは、正の電流フィードバックまたは負性抵抗コンバータのいずれかを使用して実装できます。 初期出力インピーダンスが異なるPAでもシステムの実装が可能です。 NI の大幅な減少の影響は、電気回路に変換された非線形機械パラメータに対する EDG の線形電気パラメータの優位性によって説明されます。 ACE Bass テクノロジーの普及は、通常、その重要な部分が仕様に含まれていないかなりの数の EDD パラメータを考慮する必要があるために妨げられています。 EP の形式または設計において AO を備えた原子力発電所の近代化において EAOS を使用する実現可能性を評価するには、XNUMX つの主要な基準を使用する必要があります。 最初の基準は経済的であり、汚染プロセスに関与している、既存または設計中のすべてのオーディオ機器のコストの増加を評価します。 同時に、追加コストは、必要なすべての機械部品および電子部品の購入または製造コスト、およびそれらの設置および調整のコストに基づいて計算されます。 XNUMX 番目の基準は建設的かつ技術的なもので、EDG ディフューザーの表面のすぐ近くに固定要素を備えたセンサー マイクを取り付ける実際の可能性を評価します。 6 番目の技術的基準は、汚染物質の品質を改善するための実際の可能性を評価します。 最新化の際、これは EAOS の追加にすぎませんが、低周波数領域への周波数応答の拡大に伴い、最大音圧が通常 XNUMX 以下の値で比例的に減少することを考慮する必要があります。 dB、周波数応答の必要な補正に対応します。 EAOSによるAS計算の特徴 EAOS を使用してサウンド ホールの形で AO を備えた AP を設計する場合、通常、主に指定される値は最大音圧 (p) です。マックス) 与えられた低い周波数 (fн) 線形周波数応答を持つ SV バンドで。 設計プロセス中に、スピーカーの種類、低周波ヘッドの最適な共振周波数 (fc) AU に設置された、周波数 y での PA からの必要な出力電圧、およびあらゆるタイプの要素を選択した汚染物質システム全体の構造図と概略図。 例として、設計オプションを考えてみましょう: pマックス = 2 Pa (100 dB)、fн = 30 Hz。KdP の影響とその中の AS の配置は考慮されません。 初期計算はEEAの措置を考慮せずに実行されます。 知られているように [8]、音圧は次の式で決定されます。 p = (х' S f ρ) / r、(1) ここで、x' = 2π f x はディフューザーの速度です。 х は EDG ディフューザーの一方向の変位振幅です。 S - ディフューザーエリア。 f は測定周波数です。 ρ = 1,225 kg/m3 - 空気密度; r - 測定受信機までの距離。 値 x' を代入して、式 (1) を変換します。 p = (2π f2x S ρ) / r、(2) しかし、S x \u2d Vは移動する空気の体積です。 次に、式 (XNUMX) は次の形式に変形されます。 p = (2π f2V ρ) / r、(3) r = 1 m の場合、 V = p / (2π f2ρ), (4) и x = V / S = p / (2π f2・ρ・Ｓ）。 (5) たとえば、ディフューザー表面積 S = 12 cm の Eminence (USA) の EDH LAB506,7 を使用する可能性を検討してください。2 = 5,067 10-2 м2、一方 p = p の場合マックス = 2 Pa および f = 30 Hz: x =2 / (2 3,14 3021 5,067 10-2）= 0,57 10-2 m = 5,7 mm、 これは、選択した EDG の直線移動 x = ±13 mm のパスポート値よりもはるかに小さいです。 さらに計算するには、パスポート データを使用します。切る \u22d XNUMX Hz - AOなしの空気中の共振周波数、pо = 89,2 dB - 電圧 U に対応する感度o = 2,83 V (11,2 dB)、PA の出力、f = 100 Hz、Qts = 0,39 - 品質係数。 EDG の最適な共振周波数の値は、CL の形で AO を備えた AU ケースに取り付けられ、周波数応答の不均一性が小さくなります。[9] の推奨事項に従って、次の式を使用して計算することをお勧めします。 fс =（f切るQtc) / Qts 、(6) ここで、Qtc = 0,707 - AU の場合の EDG の合計品質係数。 したがって fс = (22 0,707) / 0,39 = 40 Hz。 PA からの出力電圧の必要な値の計算 (UO) 周波数 fн = p で 30 Hzマックス = 100 dB は、通常、特定の AO を持つスピーカー キャビネットに取り付けられた EDG の周波数応答を使用して生成されます。 このような周波数応答は、f を使用して XNUMX 次ハイパス フィルターを実装する場合、実践に十分な精度でモデル化できます。c Sallen-Kay スキーム [40] によれば = 0,707 Hz および Q = 10 であり、図に示されています。 1.
このようなハイパスフィルターの周波数応答と位相応答の測定結果をグラフの形式で図2に示します。 2. これらの測定は、その後のすべての測定と同様に、ノイトリック社の特別な音響機器「AXNUMX - オーディオ測定システム」で実行されました。
U値O UM から、U 間の正比例を考慮してO デシベルで表される音圧は、次の式で求められます。 UO =U1 ＋ΔU1 , どこで1 =Uo +（pマックス --po) = 11,2 + (100 - 89,2) = 23 dB (11 V) - U値Opに対応するマックス = 100 dB で f = 100 Hz、ΔU1 \u6d 2 dB - 周波数fにおける周波数応答の減少の大きさ（図XNUMX）н = 30Hz。 したがって、UO = 6 + 23 = 29 dB (22 V)。 著者はゲイン K で PA を使用します。у = 13,5 dB、システムの感度は U〜で =U1 - にу = 23 - 13,5 = 9,5 dB (2,3 V)。 EAOS を使用した汚染物質システムの簡略化されたブロック図を図に示します。 ３、ここで、ＰＡは電力増幅器である。 AC - EDG 付きスピーカー (GR) およびアンプ (MU) 付きマイク (M)。 PUNC - 低周波バンドパス電圧アンプ。 Σ - メインと EAOS からの信号の加算器。
図の図からわかるように、 図 3 に示すように、マイク センサーを介して OOS ループに Gy が含まれることにより、EAOS が形成されます。 図より以下の通り。 図 3 に示すように、PA のエンドツーエンド電圧信号ゲインが Ku = 13,5 dB = const に維持されると仮定すると、EAOS の深さと範囲は PULF の特性によって完全に決まります。 この場合、EAOS の最大深度は ELF (低周波) での安定性限界によって制限されます。 EAOS 帯域の上部周波数は、EAOS 回路に最小時間 (位相) 遅延を導入する条件から選択され、マイク センサーから EDG ディフューザーの表面までの実際の距離を考慮して決定されます。 明らかに、この距離は最大変位 x に対応する必要以上に短くすることはできません。最大 = ±5,7 mm。 筆者は12mmの距離を使用しています。 同時に、著者は、不等式が満たされていれば十分であると考えています。 λ ≥ 100 x、ただし λ = v/f の場合、f < v/λ、 ここで、λ は音波の長さです。 v は空気中の音の伝播速度 (340 m/s); f はオーディオ信号の周波数です。 したがって、f ≤ 340/ /(100 12 10-3) ≤ 283Hz。 EAOS搭載システムの電子部品 EAOSを使用した汚染物質システムの実際の実用的なブロック図を図に示します。 図４は図３の簡略図とは異なります。 4 追加機能ユニットの導入によるもの: PU - 信号前置増幅器。信号対雑音比の劣化を最小限に抑えながら、MU と必要な調整を行い、必要な電圧利得を提供します。 CL - Linkwitz 補正器。深いEAOS ループ内の信号の周波数応答と位相応答に必要な補正を提供し、FIN に十分な安定性マージンを作成します。 LPF - EEA 帯域の上限周波数を超える周波数の信号を制限するローパス フィルター。 HPF - ELF 信号によるシステムの過負荷を制限するハイパス フィルターです。
EAOS を使用した PV システムの完全な回路図。図 4 のブロック図に対応します。 5を図に示します。 ここでは、PA システム内のすべての要素の相互作用を考慮する便宜上、オペアンプ DA3.1 上の反転アンプの形式、および Gr、M、および MU の形式で表されています。 DA3.2 のハイパス フィルター。その出力で R14 レギュレーターがオンになり、EAOS の深さを変更できます。
ソースからの主信号のパスを考えてみましょう。このパスは、DA1.1 および C1、C2、R1、R2 上の Sallen-Kay スキームに従って実装された XNUMX 次ハイパス フィルターで始まります。 カットオフ周波数 f の選択c =21,4Hzは、導入したEAOSで音圧の周波数応答を測定した結果を解析して作成したものです。 信号は HPF の出力から加算器の要素の 3 つである抵抗 R3 に供給され、その後コンデンサ C2.1 を通って PUNCH の入力に供給されます。 このコンデンサは、DA5 の非反転アンプを HPF および EAOS 回路の要素から DC 絶縁します。 R3С10 回路素子の公称値の選択は、f<XNUMX Hz での周波数応答と位相応答への影響が最小限に抑えられることに基づいて行われます。 PUNCH は DA2.1 および DA2.2 オペアンプに実装されており、DA2.1 のアンプは EAOS の必要な深さと、f を備えた XNUMX 次 HPF を提供します。c = 290 Hz、DA2.1 の OOS 回路に含まれており、EEA 帯域の上限周波数を設定します。 PLF の測定された周波数応答と位相応答を図 に示します。 6.
抵抗器R7/R6の抵抗比とカットオフ周波数fの選択c DA290 の HPF の = 2.2 Hz は、周波数 f = 40 Hz での最大ゲインの提供を考慮して作成されています。 HPF の急峻さの制限は、安定性の問題によって引き起こされます。 信号は PUNCH 出力 (ポイント A) から DA3.1 オペアンプの PA 入力に供給され、その後 DA3.2 の Gr に相当する回路 (図 1 を参照) に供給され、出力 (ポイント B) から DA14 オペアンプに供給されます。 EAOS 深度コントローラー (RXNUMX)。 EAOS 信号パスは、コントロール パネルの対称入力 (ポイント C と D) から始まり、電圧ゲイン K のオペアンプ DA5.1 に実装されています。у = 1。後続の（メイン）増幅は、K を備えたオペアンプ DA5.2 に組み込まれた非反転アンプで行われます。у=1+R22/R20。 コンデンサ C16 は、前段から入力 DA5.2 への一定成分の信号の侵入を排除し、その容量は EAOS の低周波数領域における周波数応答と位相応答への影響が小さいことを考慮して選択されます。 要素 C17 と R21 は、EAOS 帯域の奥深くにある上部周波数での周波数応答と位相応答を補正するのに役立ちます。 PU に続くリンクウィッツ補正器 (CL) は、図 7 のグラフに示されている周波数応答と位相応答の必要な補正を生成します。 8. CL 要素の計算は、EAOS 導入前のシステムの周波数応答 (図 8、a) と位相応答 (図 XNUMX、b) の解析に基づいて行われました。周波数 f での周波数応答の最大障害を伴う小さな周波数応答の不均一性の規定を考慮に入れるн = 30 Hz で 0,9 dB 以下。 EAOS 信号チェーンの最後のリンクは、カットオフ周波数 f を選択して、DA1.2 および C22、C23、R29、R30 上の Sallen-Kay 方式に従って実装された XNUMX 次ハイパス フィルターです。c2 = 1,05 fc1= 1,05 290 = 305 Hz、ここで fc1 - DA2.2 の PUNCH の HPF カットオフ周波数は 290 Hz に相当します。
入力 (C 点) から出力 (E 点) までの EAOS 信号経路の周波数応答と位相応答の測定結果を図のグラフに示します。 9. EAOS の出力信号 (E 点) は、抵抗 R4 を介して PUNCH の入力でメイン信号と混合されます。 抵抗器 R4/R3 ≈ 2 の選択された抵抗比は、システムの感度 (U〜で = 2,3 V) と深い EAOS です。
EAOSセンサー（マイク）の要件 1. 測定された最大許容音圧レベル。周波数帯域 0,2 ～ 1 Hz で 300% 以下の THD 値によって制限され、距離 40 で指定された音圧レベルよりも 1 dB 以上大きくなります。メートル。 2.周波数帯域1 ... 300 Hzでの不均一な周波数応答 - ±0,2 dB以下。 3.指向性パターン - 円形。 4. 実際の動作条件における環境の温度、湿度、圧力の変化に伴う長期間の動作に対するパラメータの安定性。 センサーとしては、上記の要件を満たす既製の測定用マイク、または自作のマイクを使用できます。 後者の場合、従来のコンデンサー (MK-265 や AKG CK62-ULS など) またはエレクトレット マイクのカプセルを購入するだけで済みます。 カプセルにはマイクアンプ (MU) を追加する必要があります。通常、さまざまな干渉の侵入を減らすために、マイクアンプはカプセルと同じハウジング内に配置されます。 EDG ディフューザーの表面に対してマイクの位置が近いこと、したがって MU 出力から十分に大きな信号を受信することを考慮すると、ボルテージ フォロワを使用することで MU 回路を大幅に簡素化することができます。 このような MU の 10 つの可能な方式を図 1 と 0,5 に示します。 ここでは、別個のトランジスタまたは集積回路が使用される。 これらの MU の特徴は、マイクの形式の信号源 (この場合は低静電容量の静電容量センサー) と連携して動作するときに、SV 帯域の低いカットオフ周波数を達成するための高い入力インピーダンスです。 この静電容量は、抵抗 R1 とともに、周波数応答の低下が 0,2 dB 未満である測定帯域の低い周波数 f ≈ XNUMX ... XNUMX Hz を決定します。 図のMUでは、 図１０ａでは、直流および交流用の深い共通ＯＯＳが、トランジスタＶＴ２のコレクタをソースＶＴ１に接続することによって使用され、これによりモードの安定化が保証される。 さらに、MU には出力 10 から抵抗 R2 を経由する電圧用の POS もあり、これにより MU の入力抵抗が R1 まで増加します。〜で = R1/(1 - Kу)、ここで Kу - 入力 (ゲート VT1) から出力 1 までの電圧伝達係数。R3 両端の電圧降下によってバイアス電圧 (U) が設定されます。ジー) VT1 に対して、出力 1 にゼロ電位を提供します。
抵抗器 R4 の抵抗値は、信号をさらに増幅するためのデバイスの対称入力 (図 5 のコントロール パネルの入力) までの信号伝送路に作用する外部干渉 (コモン モード) の最大減衰に応じて選択されます。 ）。 最小干渉は、出力 1 と 2 の AC 抵抗の等しい値に対応します (コモンワイヤを基準とした場合)。 MU の出力と後続のデバイスとのこのような接続は、準対称と呼ばれます。 DA1 のスタビライザーは、電源 -U からのリップル振幅の要件を軽減するために機能します。 図の MU スキームでは、 10 であり、トランジスタ VT1 は同様のパラメータ (U でのカットオフ電圧とドレイン電流) を持つ別のものと置き換えることができます。ジー = 0）。 トランジスタ VT2 は、h でのノイズ レベルが低い他の対応する構造に置き換えることもできます。21e ≥ 200。図による MU スキームでは。 図 10 の b では、出力 1 の出力抵抗はゼロに十分近いため、追加の増幅デバイスとの準対称接続により、共通 (「ゼロ」) ワイヤを使用できます。 このバージョンでは、ノイズと入力抵抗 R の要件を満たす他のタイプの超小型回路を使用することも可能です。〜で ≥1010 オーム。 図の MU ダイアグラムからわかるように、 図１０に示されるように、カプセルリード線の１つは電源の負の回路に接続される。 この場合、カプセル本体を電源に接続すると、干渉の侵入を低減する最良の結果が得られます。電源の極性は、スタビライザーの種類とその接続の対応する変更に応じて正に変更できます。 文学
著者: A. シリツォ
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