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什麼是動態回授

動態回授雖然不是新理論,但是構想卓越,卡通認為這種舊理論配上新技術很值得向各位介紹一番。現在先給各位說明一下動態回授是啥玩意兒。

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  請看圖一a所示一般重現音源的四個步驟,咱們業餘者有能力的僅在第三第四兩步,第三步的信號處理因為使用了回授的技術,失真可以壓到很低的程度,第四步的揚聲器卻不然,成了改善音響效果技術上的一個瓶頸。也就是說,喇叭的好壞,較擴音機的好壞對整體效果而言有更大的影響力。

  動態回授的系統如圖一b所示,把回授進一步推到揚聲器的各種失真,由於它是將在動作中揚聲器的狀態轉換成電氣訊號回授,因此稱為「動態回授」(motional feedback),簡稱MFB。

動態回授的優劣點比較

  動態回授的優點簡言之即失真小,但是這個優點事實上等於三個優點: 

1.喇叭失真減少: 

  喇叭在100赫到10K赫的範圍內失真並不很大,但是在極低頻段失真往往非常大,這是因為所需重現的聲波波長很長,而喇叭口徑卻有限的緣故,在自然諧振頻率以下的失真直線上升,響應同時下落。運用動態回授的方法,使喇叭可以重現的低頻不再受制於諧振頻率,響應失真因而減小,甚至連其他諸如非線性失真等亦連帶地改善了。

2.消除箱音渲染: 

  不管什麼形式的音箱,都要解決箱音問題。要低頻響應好,箱子體積就不能小,於是各型音箱愈做愈大,從可以養條狗卻號稱「書架型」的到可供兩三個大男人躲貓貓的棺材型都有,響應曲線畫起來都蠻漂亮的,但是一聽卻往往令人有不過爾爾之感,原來音色往往會模糊鬆散,混雜著甕聲隆聲,這是音箱共振的緣故。一般業餘者自行裝配喇叭最傷腦筋的也是音箱製作,一個弄不好昂貴的套件就裝成了窩囊喇叭。如果運用動態回授的話,音箱的共振在回授後被抑止,根本沒有箱音問題。

3.體積縮小: 

  動態回授可以固定容積音箱中的喇叭低頻作進一步的延伸,相對的也可以縮小要獲得某程度低頻響應所需的音箱容積。這對於空間有限的愛樂者而言是一大福音: 你可以在節省空間的條件下使用小型音箱,卻可以獲得大型音箱的低頻特性。

  動態回授的缺點簡言之即麻煩,它跟電子分音揚聲器一樣麻煩,甚至還要更麻煩一點: 多一個調整步驟。但是因為卡通很懶的緣故,各位想動手的發燒友們有福了,在以後的文章裡,各位可以看到,在零件材料齊全的情況下,如何在半天之內完成一對動態回授揚聲器。(好像不太相信?說實在的,卡通在沒看完這篇文章之前也不相信)。

  現在我們來研究一下動態回授的原裡: 

動態回授理論

1.喇叭動作原理: 

  在沒開始討論動態回授之前,我們先來把喇叭的一些基本性質複習一下: 

  用三用電表可以很容易地測出喇叭的直流阻值,音圈在接觸探棒時會迅速移動,同時紙盆發出碰的一聲。電表指針最後指在一個固定位置就不動了,這個位置,就是喇叭的靜態直流電阻值Rs。

  如果在此時把紙盆推動一番,你會發現電表的指針也會跟著擺動,這是因為音圈在磁場中運動時產生感應電壓使電流起了變化的緣故。

  因此在討論喇叭的動作時,咱們不妨分成兩方面來考慮。首先將紙盆固定,此時喇叭即等於一個固定在磁場中的線圈一樣,通入直流時呈純電阻性,通入交流時除了直流電阻Rs存在外尚有感抗ZL存在,換言之,音圈的靜態阻抗

Zs=Rs+ZL

  然後把音圈放開,這下子問題可多了,此時測出之實際阻抗,會受紙盆特性、空氣特性等機械性質與電氣性質的影響。如果把喇叭裝在一密閉的容器上,則其動態阻抗為箱內箱外空氣質量、柔順度、幅射耗散等變數的函數,由於本刊以前已有此類論文,在這裡卡通只繪出其等效電路如圖二

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  向箱外的聲能幅射可視為向自由空間發射,對喇叭之動作沒有影響,因此我們可以把所有影響紙盆運動的動態因素以動態阻抗ZD表示,圖二便簡化成圖三那樣。

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  使用放大器來推動喇叭時,電功率輸出

PEVo²

  而聲能輸出卻是 Ps=V²Rr

  V為紙盆速度,Rr為聲能幅射耗散電阻,為空氣對音波傳送的一種影響力,它隨著頻率而變,也隨空氣的其他性質而變,但是在大約500赫以下的頻率範圍內,它是與頻率的平方成正比關係,在此頻率以上它受到許多因素的影響太大,以致無法以簡單的關係表示出來。

  好啦!趁各位尚未打瞌睡之前,咱們馬上來看一看飛利浦推出的動態回授揚聲器是怎麼個一回事。

2.飛利浦動態回授喇叭原理: 

  飛利浦已推出的動態回授系列包含了RH 541,RH 532, RH 544以及今年最新的RH 545等,現在以較簡單的RH 532為例說明其結構與原理。

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  全機線路如圖四所示,如果你覺得又些眼花撩亂,不妨與圖五對照看看。

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信號自左端輸入以後分成三路前進,最下面的TS446~450為一個信號檢知器,當前置擴大機一開,音訊或雜音超過1~1.5mV時,TS 449與TS 450的史密特觸發器便導通一枚繼電器而接通製放大器的電源,信號消失後約2分鐘此電路又把供電切離,本機的分頻網路與此檢知器是永遠在的ON狀況下。

  信號的中間一路進入TS439的高通濾波器,分頻點500赫,分頻斜率18dB/OCT,分頻後的中高頻訊號經過TS440~TS442的20W放大器後進入一傳統式LC分音分頻器,在分別推動中音與高音喇叭,這個LC分音器的分頻點為3500赫,分頻斜率為12dB/OCT,本機的中高音部份並未利用動態回授,亦非電子分音。

  信號的最上端一路經TS421濾除500赫以上的中高頻(斜率18dB/OCT),再經TS422以12dB/OCT的斜率濾除35赫以下的低頻,因此本機的低頻響應與自然頻率為35赫的揚聲體系相同(但是體積卻小很多)。

  TS423把信號與動態回授訊號相加送入TS423~TS431的40W功率放大器,直接推動低音喇叭。這個低音單元如圖六所示,

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它的音圈上附著一枚壓電元件(圖七),

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它將喇叭紙盆的活動情況換成電器訊號,先經一枚FET降低阻抗後才自喇叭引出,進入TS433~TS435的等化放大器做圖八c的響應修正,於是壓電元件的原來輸出特性(圖八b)與喇叭的輸出特性(圖八a)綜合回授以後得到全機最終的響應特性(圖九)。

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  音圈上的壓電元件實際上為一加速檢知器(acceleration sensor),由F=ma可知加於壓電元件上之壓力(或張力)與紙盆的加速度成正比,因此壓電元件的電壓輸出也與加速度成正比,擴大機輸出的電壓Vo亦與加速度a成正比,即

  Vo=c1a, a=Vo/c1

  上一節裡我們說到幅射耗散電阻與頻率的平方成正比,即

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  即PsVo²而與頻率無關。正好,擴大機的電功率輸出PEVo²。聲能輸出不隨頻率而變亦即吾人獲得了平坦的頻率響應,此外聲能輸出也與音箱、喇叭單元特性無關,它只受Vo的控制。

3.另一種動態回授方法: 

  上面所討論的也許你看懂了,也許你仍迷糊,不過即使你看懂了也未必能動手,因為你要演的這場戲找不到主角──喇叭也。(飛利浦已生產發售的單元有AD8067/MFB八吋與AD12100/MFB十二吋,此地永康雖有進口,卻未發售)下面我要介紹的,是採用傳統喇叭來作動態回授的方法,所謂知難行易,裝來簡單得很(材料齊全後只需半天),寫起來可要費上許多原子筆油,下面寫的,是給喜歡窮理的朋友們看得,懶人可以直接看下期製作篇(知難行易嘛!!!),不過,也許你會看懂也說不定,所以,何不瞧瞧?

  上節中,曾經提到過,由於空氣的特性關係,幅射耗散Rr在低頻範圍(約500赫以下)內與頻率的平方成正比,再由Ps=V²Rr可之所發出的聲能亦與頻率的平方成正比。要使頻率響應平坦,則聲能輸出不可隨頻率而變才行。有啦!咱們只需要在擴大機的前面加上一個6dB/OCT的低通濾波器變得了,即頻率每增加一倍,電壓變成原來的一半; -6dB; 信號電壓即與頻率成反比關係,則擴大機的功率輸出就會與頻率的平方成反比關係(別忘了PEVo²),這種結果與幅射耗散的性質相加,最後的聲能輸出就不隨頻率變動矣,妙!妙極了!!!

  再看一下圖三,又不妙了,原來擴大機的輸出並非加在Rr的兩端,中間還串著兩隻電燈泡: Zo與Zs,這個Zs會隨頻率而變(因為它有感抗成分在內),更可惡的是,與Rr並聯著的ZD是個千變萬化的傢伙,它不但隨頻率而變,也隨箱內箱外空氣質量、柔順性、幅射共振等而變,而這些因素本身又受溫度、濕度、器壓......減直這世界上除了女人之外所有的東西都與ZD有關(說實在的,女人是否與之完全無關我還不太敢確定哩)。ZD既然變化多端,它跟Zo+Zs分壓的結果,就會使加在Rr上的電壓VZD不按照咱們所希望的那樣: 與頻率成反比關係。

  看來要解決這個問題,必須使Zo+Zs=0,也就是說Zo=-Zs

  擴大機的輸出阻抗須為負擔,恰好把Zs抵消掉,這樣VZD才能控制。(這個卡通剛才是不是喝了瓶啤酒?輸出阻抗怎麼會變成負的?)

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  請看圖十,在揚聲器的下面串上一枚電阻R,再把R與喇叭的分壓VR經放大器Az放大B倍後與輸入訊號相加,再送入主擴音機A1,於是

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  假設Az的輸入阻抗遠較R為大,即分流極小,

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整理此式,得

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  (5)代入(4)式即得VZD=AVin, VZD不再受ZD、Zo、Zs的影響,只受輸入電壓控制矣。

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  再請看一下圖十一,假設擴大機的輸出阻抗為Zo,負載為ZL,

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  把此式ZL與(3)比較,就可看出圖十的擴大機A1的輸出阻抗 Zo=-(AB-1)R

  再由(5)式,選擇A,B與R之值使(AB-1)R=Zs,則 Zo=-Zs(卡通原來沒醉)

  Zs是喇叭的靜態阻抗,是固定的,一般8的喇叭它的Zs也差不多是這個值(由於頻率很低,感抗很小)。

  R的數值愈小愈好,因為它與喇叭串聯,也消耗功率。

  A的值要視你設計的靈敏度而定,也要配合喇叭所能承受的功率,如果輸出要50W,輸入靈敏度定為1V,則擴大機A1的增益 A=20,這也是一般功率擴大機的增益數值,因此A的值也大略固定了。

  電路愈簡單愈好,咱們何不省去放大器A2,而把回授直接與輸入訊號相加,這樣 B=1,馬上可以決定R的值。

 

 

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  一來Zs的精確值咱們不知道,二來得出的R值: 0.5.然後把回授電壓先經可變電阻分壓後才回授,這一來B的值就可以調整(當然B的最大值只能等於一)到(AB-1)R=Zs。

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  圖十二就是使用8低音喇叭動態回授的設計圖,簡單否?下期我們就來動手裝啦。

轉載音響技術第23期NOV. 1977 動態回授式電子分音揚聲器/盧卡通

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