國內的揚聲器販賣,已經進入套件的階段了,因此,自己動裝配木箱的業餘者,必定會越來越多。如果是密閉式的箱子,情況倒還簡單,大致按廠商所提供的木箱容積,再加入所指定份量的吸音材料即可。如果是裝低音反射式的話,不恰當的製作和調整,所產生的低頻效果,簡直是難以入耳。而所謂的恰當的製作和調整,全賴分析阻抗曲線來做指引。因此,如何以大多數人手頭上具備的簡單儀器,例如三用電表和低週信號產生器,來測繪揚聲器阻抗曲線,便成為許多業餘者所感到興趣的話題。三用電表,幾乎是玩放大器的業餘者都人手一部,筆者手頭上的是SANWA的YX-360TR,因此,設計電表放大器時,即以推動360TR為目標。至於信號產生器,本刊也有多篇這方面製作的文章,應該也是不成問題的。既然兩者都具備了,加添一個電表放大器,花費不了多少時間和金錢,何妨一試。
一、原理概述
這個測試阻抗曲線的方法,叫做等效電阻取代法。其方法是將揚聲器串聯一微小電阻,(這個電阻,阻值要盡可能的小,小到揚聲器公稱阻抗的1/10以下,如線路圖中,兩個0.47歐姆的電阻並聯者即是),然後接至功率放大器的輸出。當放大器的輸出一定時,這個小電阻兩端的電壓降,與揚聲器的阻抗值接近成反比例,只是接近而已並不是正確地成反比例,但這無關重要,重要的是揚聲器阻抗一有變動,小電阻兩端的壓降也能有變動即可。如果以一部VTVM量這個微小電阻兩端的壓降,必可看得出讀數的變化,而我們所製作的電表放大器,其作用就相當於是一個VTVM。
如圖一,輸入一個定振幅,定頻率的信號,將SW至於S位置,並調整5KVR,使三用表上取得一個讀數,然後將SW換至R位置,這個時候電表讀數可能會有變動,調整VR,使得讀數恢復原來SW在S位置時的讀數,量取VR兩端的電阻值,即是該揚聲器,在該輸入頻率下的交流阻抗值。注意: SW換至R位置的前後,輸入信號的頻率,振幅和5KVR都必須保持一致。
當SW在S位置時微小電阻和揚聲器是串聯而成一個分壓器的,當SW在R位置時則是由VR和微小電阻形成另一個分壓器,調整VR使電表同讀數,即表示兩個分壓器對微小電阻的分壓都相等。兩個串連阻抗,對同一電阻(即此微小電阻)造成相同的分壓效果,則這兩個阻抗必定相等,其道理至為簡單不過了。
至於要使用VTVM或三用表加電表放大器,是因為微小電阻的阻值極低,其兩端的壓降太小,不足以推動一般的三用表或VTVM,我們所取得的讀數並不直接表示阻抗,或用以計算阻抗,而是用以確定SW切換之前後,指針都指在同一讀數即可,因此大可不必花大把金錢去買一個VTVM,只要加一個放大器提高三用電表靈敏度也就足夠了。
或許有人要建議,把那個微小電阻加大到10數歐姆,甚至數10歐姆,使其兩端壓降增大到足以推動三用電表,不是連電表放大器都可以省略了嗎?答案是不可!因為電壓降是可以因而提高到足以推動三用電表,可是所測得的阻抗曲線卻不正確了。
本來放大器的輸出阻抗一般都極小,這個極小輸出阻抗,可以對揚聲器產生阻尼作用。越小的輸出阻抗,阻尼就越小。以現階段的OTL、OCL放大器,阻尼因數高達40以上是輕而易舉的。以阻尼因數DF=40為例,吉表示放大器的輸出阻抗是揚聲器阻抗的1/40,若標示的阻尼因數是對8歐姆揚聲器而言,則放大器的輸出阻抗是8/40=0.2歐姆。我們的測試線路串聯了大約0.23歐姆(兩個0.47並聯)的電阻,相當於將放大器的輸出阻抗提高至0.2+0.23≒0.4歐姆,也就是相當於把阻尼因數將低至DF≒8/0.4=20,又根據若干資料所提供,阻尼因數可以影響揚聲器在最低諧振頻率附近的Q值,使它提高至(1+1/DF)。若DF=20則僅提高1/20,約是5%,可以忽視不計。
可是若把串聯的微小電阻,由0.23歐姆,提升至10歐姆的話,則放大器輸出阻抗提升至10.2歐姆,阻尼因數降低為DF=8/10。這時候的Q值將提高至(1+10/8),增加了10/8=125%。既然,Q值產生了這麼大的變化,顯然可以推斷出阻抗曲線必然是大不相同的。這也就是何以要將串聯電阻盡可能減小的緣故。在此順便一提的是,放大器的輸出阻抗,既然能對揚聲器的Q值產生影響,自然會影響到它的低頻特性。大多數的揚聲系統,都趨向於阻尼不足。因此,大多數的放大器的設計,都趨向於要求輸出阻抗越低越好。但是,也有可能某些揚聲系統阻尼過度,這時的補救之道就是增加揚聲器的輸出阻抗,不過並不是採用串聯電阻的方法,而是在回授電路上動腦筋,這是題外話,讀者如有興趣的話,可從教科書上談到回授網路的章節上去尋答案。
回顧正題,圖三的線路其實和一般的放大器無異,只是它的輸出又經整流成直流電壓,用以推動電表。這個整流電路,包括在負回授網路中,使得整流後的直流電壓,和輸入信號之間更接近直線性。所使用的電晶體,三個都是NPN的,由於B+僅使用9伏特的電,耐壓方面並不苛求。又放大後的輸出用以推動三用表,負荷量並不大,因此耐電流也不苛求,如果一定要說的話,就是最好選用低雜音的電晶體。筆者使用Fairchild的9014,hfe在200以上者。
整個線路較為苛求的部份是,可變電阻的部份。為了避免測試時的麻煩,VR做成變阻箱的方式,由選鈕上直接指示出VR的阻值,央此採用如圖二的方式,一個十段波段開關和一個10歐姆線遶可變電阻。
波段開關的每一段是10歐姆的進位,線遶可變電阻則是10歐姆以下個位數和小數點以下的微調,這兩個零件的活動軸都應加上刻度盤,以標名阻值。這個變阻箱部份,所使用的電阻的誤差要求較嚴,應採用1%以下的,市面上也許不容易買到,可以從5%(金色色帶的)當中挑選合用的,其方法後述。
二、取代法測阻抗曲線
在此先說明利用這個裝置測試阻抗曲線的實際過程,以便於解釋其後鑑選電阻箱用電阻的方法。
如圖一將測試裝置配線,三用電表選擇開關置於0.5V DC檔。所使用的功率放大器,其頻率響應要夠平坦,尤其低頻響應要夠低,如果有音調控制的話,應將它Defeat或置於平坦響應的位置,其他諸如Loudness或Hi-Filter, Lo-Filter也都應令其失效。信號產生器的輸入端子為Aux,調整信號產生器的衰減器或放大器的音量控制,使輸出準位3伏特左右(可將三用表拆下,利用其交流電壓檔測定,然後再將三用表裝回測試裝置)。在測試過程中,只要不變更衰減器或音量控制,應大致能保持這個3伏特左右的輸出。假如開關SW是在S位置的話,揚聲器會有聲音輸出,電表也會有指示。假如開關是在R位置的話,無聲音輸出僅有電表讀數。如果無電表讀數,或電表讀數太大而滿度的話,調整5KVR,使指針約在滿度之半的位置或略低。為了避免使用不當,例如將電阻箱定於0歐姆加入功率放大為負荷,如此會將放大器燒燬。因此,應隨時保持VR組的刻度盤指示在10歐姆以上,測試時再視需要調整之。以下為測試之步驟:
1. 如圖一配線,(功率放大器電源OFF的情況下進行之,三用表暫時不接)
2. 開關SW置於S位置,電阻箱定於10歐姆位置。
3. 輸入信號400Hz,功率放大器ON,並利用三用表量得輸出為AC3V。
4. 將三用表定於0.5V DC檔,接至電表放大器之輸出端子,並調整5KVR使只是在滿度之半或略小的位置。
5. 將信號輸入[由最低頻率20Hz或更低,視信號產生器而定]。
6. 讀取電表之讀數。
7. 將SW播至R位置,調整VR使電表讀數與步驟6相同。
8. 由VR組的刻度盤上讀取阻值,將此阻值配合輸入頻率,描繪在對數方格紙上。
9. 改變輸入頻率(但衰減器與音量均不變動)然後重覆6、7、8、9各步驟,將頻率──阻抗曲線完全描繪完成。
將阻抗曲線內的fo, f2, f1 和Rmax以及揚聲器的因圈直流阻抗值,取出即可計算Q值。其中fo,f2 ,f1和Rmax可由阻抗曲線上看出,直流阻抗,則可以用電表測得。既然,阻抗曲線上的數據,僅有fo,f2,f1和Rmax與計算Q值有關,那麼,似乎沒有必要將整條曲線描繪出來,也就是說只要測定fo和Rmax,以及求得f2和f1即可。在某種情況下,是可以這樣偷懶的,但是有兩點注意事項,可供讀者參考,以決定是否應該偷這個懶。第一、有些釘裝不良的木箱,很可能有些縫隙而漏氣,這種木箱的阻抗曲線,會有一個以上的峯,甚至亂七八糟,如不描繪曲線的話,初入門者很難發現。第二、測定時使用的功率放大器的輸出阻抗,如果夠低的話,測得的曲線形狀,在fo左右是非常對稱的。若是放大器輸出阻抗太高的話,曲線可能就非常不對稱了,這也是非描曲線不足以發現,在這種情形下最好換一部放大器為妙。如果很不幸,這一部放大器就是爾後要和你所裝配的揚聲系統配合使用以欣賞音樂的話,那麼你大可不必多費心機地去調整你的揚聲器木箱了,因為放大器的輸出阻抗實在是太高了,其所能提供的阻尼也實在是太低了,很可能談不上Hi-Fi的要求,一切努力都是白費的。
三、零件選擇
最頭疼的零件,大概就是做為變阻箱用的電阻,波段開關和大型線繞可變電阻了。波段開關和線繞可變電阻,在舊貨攤上常有出現,(這要靠運氣)。至於10歐姆的電阻,頭疼的在於它要求誤差極小,如果能買到誤差1%的則萬事OK。假如買不到的話,只好買一大堆來挑,如果有直流電橋的話,挑幾個合用的也不難。可是問題又來了,一般業餘者鮮有具備直流電橋這項設備的,因此不使點絕招勢難過關。目前為止,可資利用的設備就是功率放大器,信號產生器,和有表頭放大器的三用表,這些都可以做為挑選10歐姆電阻的利器,方法如下:
從一大堆10歐姆電阻中任選一枚,做為參考電阻,以取代圖一CR兩端所接之VR,將其餘的10歐姆電阻逐一取代CS兩端的SPK。據前述取代法則測揚聲器阻抗法,當SW置於R與置於S時的電表讀數不變的話,即表示接於CS兩端的電阻和參考電阻等值,將它挑選出來備用。假如參考電阻一直是用同一個,而挑出10個電阻來,則這10個電阻必定都和參考電阻等值。這10個等值電阻當然未必是正確的10歐姆,但10個阻值都相同是一定的事實,光是這點就教我們受用不盡了。
將這10個電阻接到十段波段開關上,然後如圖四般接線。圖中MA部份代表帶表頭放大器的三用電表,如此一來,10歐姆電阻群與線繞電阻和MA之間,顯然形成一個電橋,若將開關置於「1」的位置,調繞線可變電阻的滑動點,使得MA的讀數為最小,則該位置為線遶電阻全阻值的1/10位置。同理2/10,3/10......9/10的位置皆可取得,可以用刻度盤標出來。假定,線繞可變電阻的全阻值是和這10歐姆電阻群的一個相等,則以上所定出位置,使我們取得1~10的電阻變化量,配合10歐姆的電阻群,就可以獲得1~100的任何電阻變化。問題又來了; 剛才只是假定線繞可變電阻的全阻值是和10歐姆電阻群的一個相等的,如何方能使這種假定成立呢?很簡單!只要把前述挑選10歐姆電阻過程中的參考電阻,改用這個線繞電阻的全阻值代替即可。這種線繞可變電阻,如果是標明10歐姆的話,以筆者的經驗,大致都很精確地是10歐姆,偏差不會太大,用它來做參考電阻,選出來的10歐姆電阻,更為精確。即使,不是正確的10歐姆也無妨,因為計算Q值時,公式中分子分母都有電阻值,相除的結果使得誤差相抵銷。另外一提的是,假如計算Q值是採用洪健臟先生所提供的較正確的計算式的話,該式中用到音圈的直流電阻,該直流電阻不能用三用表直接量取(僅限於本製作的測定而言)而代入。宜先用三用表取得讀數,然後用同一三用表接到線繞可變電阻兩端(此時此線繞電阻最好能拆下而與測試線路不相關,以免有旁路作用,影響正確性),調整可變電阻使讀數與先前音圈直流電阻同讀數,但是卻觀察可變電阻刻度盤上的標示,以其標示值為直流電阻代入公式計算。這樣子大費周章的測試,是有其必要的,目的就是在於使電阻值的測定,都用同一尺度,以避免因量度標準的不同而產生誤差。
四、後 記
本次的製作,可以說是完全為業餘者所寫的。所謂業餘者,並不意味著是外行的意思,業餘與專業者之間唯一的差別,或許只是有無精確的儀器可資利用罷了。業餘者的設備儘管不如專業者,可是知識、技術未必就不如專業者,如果善用知識和技術的話,這些困難都是可以克服的。筆者雖然服務於電子業界,下了班之後仍要算是一個業餘者,蓋筆者自家中的儀器,很多都是克難產品的。相信與筆者類似的業餘者,為數必定不少,何妨將您的克難產品在本刊發表發表,大家共同研究。不是有句話說:「音響本是業餘的」?
轉載音響技術第23期 NOV. 1977 以三用表測揚聲器阻抗曲線/羅 哲
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