最新音響器材設計概觀－老音響資料庫/蘇桑部落格

　　最新的擴大機線路有什麼新的演變?目前接收調諧器系統是怎樣的?音響界方面最近又有什麼貢獻?無線電電子學的發展現狀如何?這些都是最新的技術知識而又為讀者亟望知道的,為了向讀者提供這一方面的需要,因此在這裡,我們特別把一些目前音響器材特殊的設計技術,介紹出來,讓大家耳目一新。

擴大機

一、直流功率放大器

　　在早期放大線路中,放大器的連接方式以電容交連者至為常見,用電容交連的電路可以使前後兩級的直流工作點,不會互相受到影響而又能達到交流聯繫的目的,因此它是廣泛地應用於放大電路電路中,但這種電路仍有很多的缺點,首先是交流電容對不同頻率的訊號,呈現不同的阻抗,以致引起放大器的頻率響應不能均勻平坦,其次,它會使訊號產生相位失真的問題,因此基於這些原因,直接交連的放大電路被應用於音頻放大器上,是電路發展過程必經階段。直接交連是否只要把交連電容除去就可以達到目的?當然不是這麼簡單,否則較早期也不會使用交連電容電路,因為直接交連電路要涉及前後兩級直流工作點互相牽連的問題,及電路受溫度影響的問題,所以直接交連所構成的直流放大器,首先要設法解決這些問題。

　　既然直流放大器的性能,主要是靠每一個獨立電路的穩定度來維持,因此通常最理想的輸入級電路裡就採用了FET差動式電路來加強穩定度。同時這類FET晶體管有非常高的輸入阻抗及非常低的噪音,所以許多電子計算機的電路也經常用到這種線路,這是自動平衡穩定的放大器電路中所不可缺少的。因此在設計直流放大器時,就特別抑制穩定的漂移,因為假如對此疏忽不顧,不僅是放大器的S/N及失真等諸特性,無法獲得良好結果,嚴重的甚至令放大器不能工作,甚或燒燬晶體。亦即電路穩定問題不能解決,直流放大器就根本不能應用實際用途上。

　　在許多的放大線路裡,直流放大器在音響設計中一向是一枝獨秀的,因為它能以最少的相移工作在整個音頻範圍內,因此出色的音響工程師總會運用這種放大器的優越性能,而設計出理想的放大線路,所以目前要想製造出一種高傳真度的擴大機,也變成輕而易舉的事情。

　　現在我們將直流放大器的若干重要特性,簡單說明於下:

　　1、輸入與輸出不產生相位移: 因為在訊號傳輸電路中,剔除了發生相位移的交連電容器,因此也少掉了一個產生失真的根源。

　　2、使重播的低頻響應趨於良好: 因為直接耦合所構成的直流放大器,在頻率響應方面能夠放大0Hz的訊號,尤其級間交連又少了電容器,因此大大改善放大器的頻率響應。

　　3、輸出波形完全形同輸入波形的複製,使輸出波形完全相同於原來輸入的波形,這種情形對一個高傳真度的擴大機來講,似乎是很自然的現象,不過唯有採用直流放大器才能夠達到這種完全符合原形的境界。

　　對於直流放大器的相位特性說明可用圖一來說明,即在示波器的X屏及Y屏上分別連接輸入與輸出的訊號,當兩訊號源的頻率為相同時,示波器光點就描出一條直線,表示兩訊號源之間沒有相位差,圖形如圖一B所示,其直流放大器的相位特性就是零相位差。若兩訊號源有輕微的頻率差,其中一訊源的相位將會慢慢超越另一訊號源,所顯示出的圖形亦漸漸將由0度變化至360度的相位差,其圖形就像一個橢圓形(見圖一A),而傳統式放大器的相位特性正是如此。

　　此外圖一(C)、圖一(D)是輸入波形與輸出波形比較圖,圖一(C)為一般傳統式放大器的輸入輸出波形比較,圖一(D)為採用直流放大器後的波形比較。

二、動態串音

　　其實早在單聲道時代,人們就發覺了電源供給的重要性。電源供給的主要功能是供應所有擴大機所耗的能量,同時電源供給的容量大小,經常會影響擴大機的輸出訊號,適當有效的功率運用可維持擴大機的輸出極為穩定,這種穩定對放音質素、瞬間的響應都有嚴重的影響。

　　我們知道,電源的供給是影響輸出音質好壞的因素之一。但在立體擴大機發展的初期所遭遇的種種問題,諸如穩定性的漂移、立體音場的不均衡、兩聲道互相干擾所產生的失真......等,這些癥結的根源,往往百思不得其解。然而對於音質逼真完美的追求,人們都不曾放棄,因此許多音響工程師花費經年的時間,針對以上的問題加以探討,結果他們證實了立體聲擴大機的音質和性能皆受電源供給的影響甚重,下面就列舉一些他們試驗的概要。

　　在一個單電源供給的系統中,將某一高電平瞬態訊號,饋入於右聲道輸入端(最好輸入瞬間的低頻來衝擊),相對應的在右聲道的輸出端就有一瞬時的高電平訊號輸出,同時在電源供給端也會出現很大的瞬時電流,使電源供給電路的內部阻抗也跟著變化,結果由於此種運用電源的變化,也觸發起左聲道受到影響,換句話說,即電壓的變化使得左聲道的輸入端彷彿產生一個假訊號,它被放大後同時也在左聲道的輸出端出現,這現象可參考圖二。因為這種現象不會出現在穩態的運用狀況下,同時穩定狀態下也無法測量,因此這種現象我們就稱之為動態串音。

　　為了對動態串音有一個分析的方法,可利用圖三的方式來測試,此圖是在試聽音樂重播的假設狀況下,來分析動態串音成份。例如將一個包含瞬態成份訊號輸入到右聲道中,另外一個恆定的1KHz訊號則輸入於左聲道,在這些設定的情況下來測試左聲道的失真,同時以頻譜分析儀(spectral analyser)來分析失真的波形,此頻譜分析儀波幅的測量可由-113dBm至+30dBm,被測訊號的動態範圍為80dB,訊號的波形通常可在一個9吋的顯像管上現出,這種儀器的特點是裝有石英晶體控制的諧波頻率標識器,使對電平低達-113dBm的訊號也能做準確的頻率測量,在此,該頻譜分析儀所測得的波形如圖四所示,即由圖中顯見動態串音是密集出現在低頻響應的末端。

　　此外,我們還可以做一種比較,由圖五所示,為一般使用單一電源供應下的擴大機,其動態串音的頻率分析圖。圖六則為採取雙電源供給方式下所測量的動態串音結果,將兩圖一比,很顯明的,雙電源供給系統在各方面都要比單一電源供應方式優良得多,同時由圖六可知,使用雙電源供應系統,不但完全消除了電路中的動態串音,而且也使立體聲有清晰的音色和更佳的低頻響應。

三、無輸入電容電路(ICL Circuitry)

　　通常交流電容都是運用在輸入級與輸出級之間,當作耦合的元件。在傳統式的真空管及電晶體放大電路裡,它一直擔任著這個重要的角色(在以往也是最經濟有效的運用)。不過這些交連電容有一個先天的缺陷,容易破壞訊號的音質,譬如和音質有關的頻率響應、相位移、訊號雜音比.....等,它都加以某種程度的降低。但目前電晶體電路在各個獨立級間改用直接交連後,這種現象就普遍改善了(譬如目前功率放大器、等化放大器......等,都用這種方式)。

　　不採用輸入電容作為級間的交連,在以往來講,是極嚴重又難解決的問題,但目前由於ICL電路已經發展的很普遍,尤其自從使用FET差動式放大器來發展ICL電路後,以往穩定漂移的問題,如今都獲得圓滿的解決。至於ICL電路的演變圖例,請參看圖七。此外,這種ICL新型的線路尚有如下的特點:

　　1、使低頻響應特性都得到改良

　　2、低頻段的相位失真都趨於降低

　　3、訊號雜音比獲得改善

　　由於有了以上三種性能的改善,因此使得立體生的重播境界更趨於清晰和真實感。

調諧器

　　通常一台調諧器電路設計的好壞,首先將會嚴重的影響播放的音質,因此凡能將接收到的廣播訊號,以逼真的方式播放出來的調諧器,我們就可以說它是一部優良的聲頻訊源裝備,因為這也是一台Hi-Fi調諧器所應具備的起碼條件,然而有些優良調諧器,往往會提供一些不太需要的合成調諧系統(Synthesizer tuning system)及價錢高昂的自動調諧系統(Automatic tuning system),這些系統與音質只有微乎其微的直接關聯,所以對音質的改善也只有較小的幫助,不過這些系統仍象徵著技術工藝不斷的在改進,只是吾人對這些系統所做的努力,並不如我們極力想改善音質的那般程度。

　　又如下面我們將談到幾項目前調諧器內所具備的特殊改良技術,其作用不外乎是用來降低級間的失真、或提高立體分離度、或改善訊噪比,而使得重播音質能趨於更善更美。現分述如次:

1、具備窄/寬通頻選擇特性的中頻放大級:

　　超外差式接收機的音質,在很大程度上決定於中頻放大器的通頻帶寬度,即通頻帶愈寬,高音頻就不致被衰減,揚聲器播放出來的聲音就愈動聽。相反的,如通頻帶很窄,那麼即使接收機的頻率響應再好,也難發出優美的聲音,但是通頻帶寬了,選擇性就相對降低,收聽遠地電台時,會產生串入別台的現象,同時干擾雜音也會相隨伴入,因此我們在收聽近電台時,總希望IF放大器的通頻帶寬一點,使音質好一點;而收聽遠地電台時,則希望通頻帶窄一點,提高選擇性減少雜音。為了滿足這兩種要求,在一些音質比較好的調諧器裡,通常把中頻放大器的通頻帶作成有選擇的特性,可按實際的需要而加以選用。在中頻放大級採用晶體濾波器或LC濾波器來改善接收訊號的選擇性,其特性的不同,可以圖八來比較出來。

2、使用多重檢波系統的寬頻帶鑑頻器

　　由於採用獨特的Butterworth type相移器和多重電路(Mutiplier circuit)的設計,目前鑑頻器的頻帶寬度已能達到5MHz以上,如此寬闊的頻帶對失真和噪音的抑制,就產生了極大的作用,即通常頻帶寬度在5MHz時,其失真度可一直保持在0.04%範圍以內,其特性請參考圖九所示。即當以上的電路一發展後,隨即提高了鑑頻器的特性,使其工作得更穩定,並使以往調校手續趨於更簡化,在使用上更增加了高度可靠性,因此這些新技術的成就,如今也成了鑑頻器獨具的特色。

3、降低FM MPX失真的PLL+DSDC、FET開關電路:

　　過去用當立體MPX解碼器的IC仍必須加用4個調諧線圈(兩個19KHz濾波用線圈,一個38KHz濾波用線圈,一個67KHz的SCA濾波用線圈)所以調整時非常麻煩,如今我們知道使用PLL的IC具有獨特的優點,主要它在電路上不必使用線圈就能具有理想的選擇性,在鎖定特性上,即為在輸入訊號微弱而雜波相當大時,照樣可以獲得穩定的同一頻率與同一相位的訊號輸出,除此PLL又可作為一種濾波器,通常PLL形式的MPX電器,依賴PLL濾波的作用,從合成訊號中可獲取指引訊號,然而假如PLL迴路響應太急陡的話,則濾波的效用就得低落,同時使副載波洩入合成訊號中造成高頻響應的失真。為了避免有這種情形,於是採用了一種特殊的PLL+DSDC響應自動控制系統,來抑制這種失真,現在由圖十中即可看出這種自動控制的作用,對高頻失真的抑制是極有效的。此外運用FET開關系統來取代舊式傳統的二極體開關電路,如此則不但消除以往二極體開關電路所造成的失真,而且動作性能更加穩定。同時DSDC電路也解決了左、右聲道之間所存在的串音問題,由測試報告得知: 從50Hz~15KHz間的分離度顯著的優於40dB。

4、消除相位差的特殊低通濾波電路:

　　採用Seven──element low pass filter的一種濾波電路,用在相位檢波器的輸出端,主要作用係將高頻訊號成份與雜波加以消除,如PLL因某種原因脫離鎖定範圍時,能做一種穩定電路,讓電路系統能夠繼續保持正常動作,而使立體聲左右聲道的相位差為零,以獲致完美的平衡及良好的鎖相穩定度。

5、解加重電路中的優質元件

　　在FM接收中,如果不採用解加重電路將高頻加以等化補償的話,則高頻的幅度就會提高,為了使播出來的聲音在整個音頻範圍內獲得平坦的頻率響應,因此接收機在接收之時,即須使用解加重電路,使高頻的訊號的幅度適量的衰減,一如擴大機重播唱片時,必須使用RIAA的均衡網路一樣。為了達成相應補償的作用,則電路上元件的精密度要求極高,使補償處理時,務必配合設計上的需求。譬如在優質的調諧器裡,所使用的電阻誤差都必須在±1%以內,而電容器誤差都選用在±2%以內,如此,從20Hz~15KHz之間才能獲得極平坦的響應。

如何判斷調諧器的工作性能?

　　選擇一部調諧器時,通常是需要考慮到很多有關調諧器的工作性能,很明顯的,靈敏度當以愈高愈好,但隨著靈敏度的增高,噪音也跟著加大,因此要取得有用的靈敏度,其噪音也必須同時出現合理的數字,換句話說,對一部調諧器的靈敏度的要求,單知道它的靈敏度有多少uV或uV/m是不夠的,必須同時知道在這個靈敏度下的訊噪比,才可對該靈敏度的實用價值作出決定,例如某調諧器在滿意的S/N(30dB)比值之下,使噪音不察覺而收音清晰時靈敏度(1.8uV)仍高,則能確定該機的靈敏度時具有其一定的品質。

　　一部調諧器具有將依電台由其頻率極相近的另一電台挑選出來的能力,稱為選擇性,通常以dB數值來表示,選擇性的dB數值愈高則該機的性能越佳,一般對鄰台的拒斥能力能有50dB或更高的數字,就算得是優良,若低於30dB可認為低劣。另外,立體聲分離度也是必須加以注意的特性,也以dB數值表示,其意思代表立體聲FM接收電路將左、右聲道隔離的能力,所列出的dB數愈高,則其線路的設計愈精良,一般可接納的數字為25dB以上。

　　在FM調諧器中,其總諧波失真的標列,通常是在40Hz、400Hz及1.000Hz三個頻率上以列出其失真數字,一部高級的調諧器,它的THD可能只有0.25%或更低,但我們要知道,從數字比較上,40Hz時的失真可能較400Hz及1.000Hz時的失真高出很多,因為這個低頻率正好用來反映出調諧器音頻部份的性能。通常THD的數值越小越好,而一般廠家測試THD值多半是以單聲道FM之工作條件下所列出者為多,顯然此數值比立體聲FM接收下所能獲致者低得多,故此很多熱心人士均堅持製造廠佳必須列出兩個不同的失真值,來做不同比較的依據。除此,通常製作一部優質的調諧器,其中所使用的零件特性對於機器的影響極大,所以非使用經過嚴加挑選的製品不可,保證受濕度及溫度的改變影響極小,因此受濕度和溫度影響所產生的漂移現象,目前也都降到很低的程度,在先前的優質調諧器,其漂移通常是在±200KHz之間,而目前有許多調諧器,由於採用了一種特製的印刷電路板,經過特別的防濕處理,使得調諧器的心臟──本地振盪電路,工作得極穩定,因此它的漂移程度以降為±100KHz。

接收機

(一)整個設計上的完美:

　　一部接收機雖然需要具備良好的工作性能和值得信賴的可靠性,同時它還要扮演一個重要的特色,就是它們的外觀都要滿足人們的心悅。這就是為什麼現在整個新的接收機群,對所有控制開關的安排位置和操作的動作,任何細微的地方,都考慮得周詳備至,其道理所在,就是力求操作起來方便而且悅人心意。除此,還費盡心思得來設計前面板,這些設計高明的地方,必須令人面對機器,就有一種開懷舒暢的感覺,而終必喚起人們得擁有慾──買了它。

　　其實不僅是前面板的設計應該如此吸引人,尤其接收機的背面和邊邊都應該一絲不苟,現在我們來看看以下這些設計工藝上的結晶:

1、採用吸引人的發光二極體作為指示燈,可迅速讀取指針所指示的數字,在所有的高級機種裡目多都採用這種方式。

2、以大旋鈕來控制超線性頻率刻度盤: 通常選台調諧旋鈕都是很大的,只要稍微轉動選台旋鈕,即可使指針在頻率刻度盤上移動,而採用大旋鈕來操作的另一個意義,主要是讓你感覺到,一個極昂貴又精緻的機器它是完全由你一「手」把持的。

3、通常後面板設計的良窳,可作為判定該機在整個設計中是否突出卓越的根據之一,因為後面板總是容易被人疏忽的,一個常令人忽略的地方,如果也設計得盡善盡美,那麼其他地方設計的好壞,我們自然就可想而知。現在許多接收機成品,其面板的設計系採用一種特別的塑質作為原料,所製成的形式是一塊極單純的、沒有接合痕跡的面板,因為現代化的構造體裡,已經達到避免使用螺絲來鎖定的地步,這樣才能使機型的外觀臻於平滑無痕的境地。

　　此外令人煩惱的天線棒,通常都伸出在接收機的背面,目前新型的機種也將過去這種方式剔除了,而將天線精巧的裝配在機器內部。

(二)增加輸出功率的新機種

　　目前新型的接收機其功率輸出已經不斷的在增加,可是售價不但沒有提高,而且在整個重要的音頻範圍(20~20KHz)內,其頻率響應仍然滿足人耳聆聽的需要。

　　此外,早期的A型功率晶體,也被一種新式的B型功率晶體所替代,因為B型晶體獨具有高輸出功率和安全可靠的特質。它們的外形請參看圖十一。

目前音響器材的特色和將來發展性

1、聲音注頻:

　　聲音注頻是一種外加音源混合及控制的裝置,其實混音的裝置很早就有,只是現在發展得更普遍。MIC混音裝置為將MIC的聲音與訊源相混,可隨時混入演唱演奏,獲得有趣的混音效果,同時混入的MIC聲音大小,可運用混合電平控制器調節。

2、附裝杜比雜音消除系統:

　　在未來發展的接收機中,杜比系統將被廣泛的運用,因為至今它在錄音帶錄放音中仍是最有效的噪音消除裝置,因此附有這種裝置的接收機,於錄音拷貝、FM錄音、唱片錄音或連接無杜比系統的錄音座進行帶過帶的互錄工作時,皆可利用內藏的杜比系統,達到噪音抑制的效果。通常需用兩台錄音座同時工作,因此在Hi-Fi使用上,運用兩台錄音座A和B已經是很普遍的現象,示意圖可參見圖十二所示。

3、音響控制:

　　為了增進音響性能,對50Hz聲頻的低音和中頻800Hz的增強都可在前面板控制器上任意選用,自然這些音響控制也能用來補償某些聲頻響應較弱的房間裡,它的補償作用如以頻率響應曲線表示,那就是要使低頻在100Hz以下才開始降落。總之,這些音響控制在設計上,處處顯示它的作用是如何補彌一個喇叭的弱點。

　　為什麼要在800Hz處加以增強呢?因為通常800Hz是處於人耳對聲音頻率最敏感的中央位置,而800Hz的增強,能同時使管絃樂和聲樂的聲音增強,所以這些音響控制的確能發揮很高的作用,使得周圍環繞的空氣產生逼真的現場效果。

4、FM──25uSec解加強作用:

　　自從FM──杜比(FM──Dolby)廣播節目在某些地區開始播送以來,為了接收這種廣播節目,於是FM──25uSec的解加強經常運用在電路之中。

5、FM 靜音/方式雙座用開關

　　FM靜音的主要效用,為供FM選台收音時,消除電台雜音使用。目前FM靜音(Muting)已經是普遍而有向地運用在所有機種上,而FM靜音開關在新方式裝置下,已經和方式開關組合在一起。即方式開關其作用是隨同FM靜音開關一起工作的,當FM靜音開關置於FM靜音位置時也保證方式開關工作在立體聲上。如果FM靜音開關運用在立體聲上而收不到電台訊號時,則須將靜音開關置向OFF,使電台訊號能夠接收在MONO方式上。

6、後面板端子柱的防護設計:

　　目前許多新的接收機群,都備有一種特徵就是在後面板上的突出部份有一道防護裝置,它的作用在於避免接收機背面的連接導線或插塞與後面板的插座相觸。(參看圖十三)。

7、印刷電路板和選擇開關採用直接交連法:

　　將開關直接與印刷電路板接合一塊,採用這種方式即可將彼此間過多的引線省除掉,這是一種優良設計,因為這樣可以防止引線撿拾不必要的交流聲、雜音而使電路更趨於穩定,不但改善訊噪比同時也將整個音頻範圍內的音質提高。

唱盤

(一)聲音回授的防止:

　　所謂聲音回授即為唱片上的訊號經唱頭拾取放大,經由楊聲器播放出來後,聲音的振動有時會影響到地板或者放置唱盤的架子;使得唱盤也跟著振動。這種回授至唱盤的振動再經唱頭拾獲而放大,這種電壓輸出,便造成聲音回授作用,這作用使喇叭產聲隆隆的聲音。為了防止此種情形產生,通常可使唱盤與揚聲器完全隔絕,而唱盤本身對外界的振動也採取了周全的防備,如唱盤底座備有阻尼特性極好的橡膠質墊腳,可降低振動。還有的就是將唱臂與轉盤固定在一個堅固的機架上,這架子再以隔離振動的材料吸收外界的振動,對聲音回授的防止,目前許多製造商的確費盡心思來設計唱盤的防振系統。

(二)直接驅動系統的改良:

　　在所有的唱盤驅動系統裡,不可否認的,直接驅動系統是性能最優越的一種,也是在最高的品級裡才會採用這種設置。

　　直接驅動唱盤通常運用一個特別設計的低速馬達,由轉軸直接帶動轉盤因此馬達的轉速也就是轉盤的轉速,而轉盤每分鐘轉速(rpm)和唱片上標記的轉速是一樣的,即為33⅓轉或45轉,此外,這種設計性能幾驅於理想化,譬如直接驅動只有一個簡單的運動原件(馬達),不需要經過任何惰輪或帶子的減速裝置來傳遞動力,因此對機械推動及轆聲就完全根除了,此外由於表面磨擦很小,所以馬達的運轉也極為平滑。

　　然而並不是所有的直接驅動系統都是完全相同的,這就是直接驅動的理論有著很大的出入只要結構不同;影響唱盤性能的參數也就跟著變化,諸如負載變動下的轉速變動率、溫度、顫抖率(Flutter)及電源電壓的變動率......等都受影響。然而目前有更進一步的廠商已經將直接驅動系統進展到運用頻率產生器(Frequency Generator)的型式。

　　採用頻率產生器伺服控制系統的主要作用,是在於維持轉盤的轉速更加穩定。其實在所有伺服控制的直接驅動唱盤都有一種速度偵察的裝置,或用適當電壓比例的方式,確實控制轉盤轉速保持穩定,即使馬達在電壓不穩定時,仍可保持速度的恆定,如要調節轉速的快慢則可利用電子調控速的方式完成,或有用適當頻率的比例方式,使得轉盤速度完全受頻率產生器的控制。雖然這些伺服系統的構造極為繁雜,但它的獨特技術性能,在使用上卻帶給我們無窮的便利。

　　此外,另外還有一種直接驅動系統;使用的是AC馬達,由於這種方式目前已經極少見,所以在此只是提提而已。

　　在此為了使讀者便於明瞭起見,線將以上前面二種伺服控制系統的原理,用方塊圖表示(見圖十四),並將級間重要的訊號波形附同補充於旁。