设备管理_音响设备技术之二

音响陈衍洪主编建文课件制作 音响技术之二 2 第2章音响设备 2 1Hi FiAVPA系统特点 2 2音频节目源设备 2 3音频放大及控制电路 2 4音频重放设备 返回 2 5音频线材与附件 2 6房间的声学特性与声音重放 前级 前置 放大器 后级功率放大器 右音箱 左音箱 CD机 SACD机 数字调谐器 MD机 MP3 数字磁带录 放 音机 耳机 均衡器 均衡器 遥控单元超生频红外线 中置音箱 液晶大屏幕电视机 DVD播放机 数字音频功率放大器 右音箱 左音箱 重低音音箱 左环绕音箱 右环绕音箱 VCD DVD刻录机 数字音视频采集处理系统 数码摄像机 音频播放设备 数码相机 数字示波器 电脑 数字音视频采集处理系统 三 专业音响系统的组成 调音台 功率放大器 右音箱 左音箱 CD机 SACD机 数字调谐器 MD机 MP3 数字磁带录 放 音机 耳机 遥控单元超声频红外线 压缩 限幅器 均衡器 扩张器 延时 混响器 数字信息公共广播工程构建手册 家用与专业音响系统的区别1 家用功率放大器和音箱功率一般30 200W 低音扬声器口径 6 10in 专业音响常见有150W 250W 300W 500W 大 中型有多台功率放大器和多只低音大口径 12 18in 扬声器 总功率达1000W以上2 家用音响用途主要是欣赏 音乐 节目 以放大器为中心 专业音响用于各种演出场合 以调音台为中心 有多路话筒和多种信号源 配有房间均衡器 压缩器 扩展器 激励器等3 家用音响主要用于面积小 听从少 环境安静的场合进行各种节目的欣赏 他的设计思想非常重视重放音乐的层次感 亲切感 对音乐的解析力及声像的定位准确 瞬态响应良好等 总之是侧重 细腻 的表现力 而专业音响主要工作在面积大 人多且嘈杂的环境 首先要求高声压极 重点是低音的震撼力 中高音的冲击力 穿透力 强调乐音的 气势 和 力度 因此难以兼顾 精雕细刻 传声器图片 传声器 Microphones MIC 北方 麦克风 南方 咪头 或 咪 音响系统中 对音质影响最大的是扬声器 含音箱 影响比重达50 60 传声器20 30 放大器10 20 应正确选用 第一节传声器的分类和选用 按结构分 流行 动圈式 Dynamic 和电容式 Condenser 2 1音频节目源设备传声器 能源分类第一种分类法 无源换能器 应用它的势能 有源换能器 要求外加电源 电动传声器 磁式传声器 声频电容传声器 晶体传声器 炭粒传声器 射频电容传声器 传声器类型 电压与振膜速度成正比 电压与振膜的位移幅度成正比 动圈式 带式 按换能器原理分类第二种分类法 按声场驱动力形成的方式分类第三种分类法 压差换能器 压强换能器 有指向性 主要无指向性 目前最流行的是动圈式和电容式两大类动圈式 结构可靠 性能稳定和使用简便 无需另加电源 广泛应用于家庭和歌舞厅 既适合人声演唱 又适合大多数的乐器扩音或录音 价格几十 几千元电容式 高档有极优良的频率特性和瞬态特性 高频响应达20KHz工作时还要调音台供给一路48V的幻相电源 使振膜极化 不够方便 价格几千 万元以上 主要用于专业录音棚 音乐厅等场合作人声和乐器 特别适用提琴类和钗等打击乐 的录音和扩音 极少用在一般歌舞厅和家庭 中低挡的驻极体电容式 可省48V电源 价廉 几元 百元 体积小 用途广 如录音机内的话筒 电话筒 一般歌舞厅话筒等 顶极品牌 德国的纽曼 Neumann U87 U89和丹麦的B K400b 4007等 万元以上 用于电台 音像厂 电影录音等中高档有美国的思雅 Shure 电声 EV 奥地利AKG和日本Sony 国产有台湾精格 SEKAKU 嘉友 CHIAYO 等 1 灵敏度灵敏度表示传声器的声 电转换效率 它的定义为 在自由声场中 当向传声器施加一个声压为0 1Pa的声信号时 传声器的开路输出电压 以毫伏为单位 即为该传声器的灵敏度 电动传声器1 5 4mV Pa 电容式传声器加有放大器约为20mV Pa 2 源阻抗及推荐的负荷阻抗源阻抗简称阻抗 系指传声器的交流内阻 以欧姆为单位 通常用1kHz信号测得 对低阻抗传声器 专业 多数为200 左右 对中阻抗传声器 一般在500 5k 之间 对高阻抗传声器 则在25k 150k 之间 为了系统的频响 推荐传声器后的输入阻抗为5 10倍 推荐的负荷阻抗 一般200 5 1k 3 频率范围 带宽 此项技术指标是指传声器正常工作的频带宽度 通常以带宽的下限和上限频率来表示 例如一只优质电动传声器的频率范围为30Hz 17Hz 图3 4 传声器的频率特性曲线 传声器的技术指标 4 信号噪声比 S N 例如 电动传声器的灵敏度为10mV Pa 当在1m距离讲话时 到达振膜的声压约为1 Pa 此时 传声器输出电信号为0 1mV 而传声器的内在噪声电压约为0 5 V 则信噪比为一般优质电容传声器的S N值 为55 57dB 5 最大容许声压级通常 以传声器产生0 5 谐波畸变时的声级 作为最大容许声级 高质量传声器的最大容许声压级最高已达135dBSPL 例如C460B型在声频全频带可达到125dBSPL 对中频段可达150dBSPL 6 隔振能力包括传声器与其支架间的隔振能力 以及传声器外壳内芯件与壳体间隔振能力 7 瞬态响应就是传声器对脉冲型声波的跟随能力 通常电容传声器要好于动圈传声器一 传声器的指向特性传声器的指向特性 又称传声器的方向性 它是表征传声器对不同入射方向的声信号检拾的灵敏度 是传声器十分重要的电声指标 1 压强式传声器 无方向指向特性压强式传声器只有它的振膜的前表面暴露在声场中 振膜后面是密封的 声波无法入射 所以 压强传声器具有无方向指向特性 也可以说是球形指向特性 如图3 5 图3 52 压差式传声器 8字形指向特性压差式传声器的振膜后面不密闭 因此振膜的振动取决于前面和后面的瞬间声压差 即对声压梯度产生响应 如图3 6 3 多种指向图形的组合把一个8字形图形和一个无方向图形迭加起来 就会得到一个心形指向图形 特性是一种单方向指向特性 它介于压强换能器与压差换能器的指向特性之间 最适用手持式人声演唱话筒和许多乐器用话筒 在心形传声器的基础上 只要改变无方向指向特性与8字形指向特性的合成成分 即可演变出多种指向图形来 图3 7与3 8表示 第一节概述 1982年10月由PHILIPS和SONY联手推出 一 CD发展概况CD唱机集光 电 机于一体 利用激光 LASER 技术进行信息的刻录 采用数字技术加工处理音频模拟信号使性能大幅度提高 CD唱片 COMPACTDISC 数字音频唱片 缺点 不如密纹唱片柔和 优美 存在 数码声 声音发硬 表9 1CD唱片与密纹唱片主要性能的比较 激光唱机 CD机 与激光唱片 二 CD信号数字化的方法1 录制过程 2 放唱过程 线路放大器 线路放大器 低通滤波器 低通滤波器 低通滤波器 低通滤波器 采样 量化 编码 A D转换 采样 量化 编码 A D转换 CIRC纠错编码 检错纠错补偿电路 EFM调制 EFM解调制 线路放大器 线路放大器 D A转换 D A转换 DISC光盘 图9 1CD系统录制 放唱过程框图 1 录制过程 来自话筒的左右模拟音频信号进入线路放大器 进行幅度和阻抗的变换 并在该部分电路中进行高频分量的强化 预加重 用以提高信号中高频分量的信噪比 低通滤波器用来滤除音频上限20kHz以上的干扰信号 防止信号数字化的过程中的频率重叠 所谓模拟信号的数字化 就是对模拟信号进行采样 量化和编码 CD系统中通常使用PCM PulseCodeModulation 脉冲编码调制 方式 该过程也就是通常所说的模拟 数字转换 A D转换 采样就是每隔一定时间间隔 CD系统中采样频率是44 1kHz 检出输入模拟信号的振幅值使连续变化的模拟信号在时间上离散化 量化和编码是将每一采样点对应的模拟量的振幅值分级取整并以16位二进制数来表征 这样 时间上离散的模拟信号振幅值 就可以变换成种数字信号 经过上述PCM编码后 获得了数字音频信号 实现了模拟 数字转换 CD系统中并不是将A D转换后获得的数字信号原封不动的录制在CD唱片上 而是还要经过CIRC CrossInterleaveRead SolomonCode 交叉交织里德 索罗门码 纠错编码 以便在放唱时能把错误码检查出来 对之加以纠正或补偿 CD唱片在录制或使用中 由于某种原因会使唱片表面产生划痕或出现脏物 这样 放唱时就不可避免地产生错误码和信号失落 因此纠错是提高激光唱机质量的一个必不可少的过程 经过CIRC纠错编码后的数字信号还要经过EFM调制 EighttoFourteenModulation 8 14位调制 每个16位数据被分成两个8位数据 而每8位数据又被扩展为14位 采用EFM调制的主要优点是 信号的频带宽度减少 激光唱机内部解码电路中的压控振荡器的工作稳定 唱片表面的轨迹能保持连续等 经过上述一系列的加工处理 数字音频信号将录制在CD唱片上 2 放唱过程放唱过程是录制过程的逆过程 在CD唱机中通过光学非接触的方式读出CD唱片上录制的数字信号 EFM解调是将从CD唱片上拾取到的数字信号 以与录制过程中EFM调制相反的规律对数字信号解调 把经过了调制的信号恢复为调制前的状态 即将每一个14位数字重新转换回原来的8位数据 而两个8位数据又可组成原始的16位数据检错 纠错 补偿电路是将由于信号失落及其他原因而产生的误码检验出来加以纠错 不能纠错的则是根据其前后相邻信号推测出它的值来加以补偿 D A转换电路是将经过解调 纠错后的数字信号还原成模拟音频信号 为了获得高品质的音频信号 这里还加入了低通滤波器 用以滤除有用信号外的高频成分 线路放大器的作用是把输出电平于输出阻抗调整到规定值 以便于外部设备相连接 于录制过程相对应 该部分电路包括去加重电路还原预加重 一 CD唱片的构造P147图9 2 结构参数 光盘直径12Cm光盘厚度1 2mm中心孔径15mm记录部分46 116mm旋转方向 逆时针读取点线速度1 2 1 4m s转速500 200r m坑深0 11 m光道间距1 67 m凸凹坑长度0 87 3 3 m材料 折射率1 5的材料 第二节CD唱片 背面 径向20000根音轨 全长约5KM 岛 和凹坑的长度及时间间隔是根据音频信息内容而变化的 二 CD唱片的制作1 母版磁带的制作 信号源 用音响专业编辑机对音乐素材 模拟磁带信号要转换成数字磁带信号 编辑在母版磁带上 根据对信号源的处理方式不同 将CD唱片分为DDD ADD AAD三种 第一字母代表录音 第二字母代表编辑合成 第三字母代表唱片的制作 3D由于采用全数字化处理方式 具有平滑 自然 音场特别宽阔 动态范围大的特点 价较贵 但有珍藏价值 是发烧友的首选 2 主盘的制作 玻璃盘 见图9 3有了母版磁带 就可以开始制作CD主盘了 主盘的材料是经过严格光学研磨 抛光和清洁后制成的玻璃盘 在玻璃盘上均匀地涂有一层厚度大致相当于信号坑的深度 约为0 1 m左右的感光胶 便得到作主盘用的原盘 接下来用录存在母版磁带上的经过技术加工处理后的数字信息去控制射向原盘的高功率的激光 使感光胶感光 从而将信息以坑点的形式写入感光层 这样做出来的CD主盘还要进行显影处理 把受到激光照射的那部分溶解掉 即得到凹陷的 坑点结构 最后对主盘进行电镀 镀上一层银 到此 一张含有坑点结构的CD唱片的主盘就算完成了 3 压模的制作有了CD唱片的主盘即可开始制作压制CD制唱片的 模具 压模了 它将通过多次镀镍来完成 首先将主盘放入电镀槽中 使其表面镀上一定厚度的金属镍 将此镍层与主盘分离 得到一张负坑的金属负片 或称为父盘 经表面氧化处理后 再用此父盘以上述相同的电镀方法 复制出一张正坑迹的镍盘 称为母盘 该母盘又可以上述相同的方法再次复制出多张负坑迹的子盘 即压模 在CD唱片的制作过程中 金属父盘是可直接作为模具压制CD唱片的 但因为每个压模只能压制几千至几万张CD唱片 因此用父盘作模具仅使用于小批量CD唱片的生产 4 CD唱片的压制用压模制造唱片的方法有 热压成形法 注射成形法和光致聚合法等多种 目前多采用注射成形法 该种方法是以很高的压力把熔化了的塑料注射到用压模构成的模具中去 再使之固化 制成的 透明塑料唱片半成品有与主盘相同的数字音频信息 为保护CD唱片的信息坑和使激光束能被反射 还要给有信号坑的一面加上反射用的金属铝膜 其作法是将塑料唱片半成品放在抽成真空的空间里并对金属进行加热 使之蒸发而把金属沉积在信号坑面上 之后再在此铝膜的一侧用硬树脂形成较厚的透明保护层 最后还要进行中心孔与外形的处理 使得CD唱片的偏心度保持在允许偏差范围内 CD唱片的制作就完成了 在CD唱片背面贴上印有录制内容等信息的标签 一张完整的CD唱片即可出厂了 三 CD唱片的使用和维护P1491 6 1 取放2 商标保护3 平放4 不重叠5 防高温等6 搽拭 一 模 数 A D 转换1 模拟 数字信号 1 模拟信号的特点 模拟信号是在时间轴上连续的信号 可以用它的某些参数去模拟其数值的大小 如用电信号的频率模拟音调的高低 电信号的幅度模拟音量的高低 所以模拟信号比较直观 形象 但是 模拟信号精度低 表示的范围小 容易受干扰 在播放时容易受噪声和失真的影响 2 数字信号的特点 以电平 或说脉冲 有与无两个状态 称为1 0 的多位组合来描述信号 所以有很强的抗干扰能力 可靠性高 另一特点 可以方便地进行 存储 和 计算 例如 用晶体管导通和截止分别代表 0或1 维持这状态2分钟就等于信息存储了2分钟 这就是 存储器 总之 数字信号具有高可靠性 表示范围宽 高精度 容易存储等优点 而这恰好是模拟信号不具备的 第三节CD信号的记录 2 音频信号的A D和D A转换目前 绝大多数信号源如话筒 声像设备送来的信号均为模拟信号 空间接受的也是模拟信号 把模拟信号转换成数字信号的过程称为模拟数字转换 即A D转换信号处理后要经放大后从扬声器输出 或送显象管显示 器件的最终输出往往是模拟信号 把数字信号转换成模拟信号的过程称为数字模拟转换 即D A转换 3 脉冲编码调制 PCM 是CD唱片信息处理中所采用的方法 它的作用是将模拟信号转换成二进制数字信号 经过脉冲编码调制后得到的信号就可记录和重放处理使用了 但必须经过 1 取样 对连续的模拟信号进行数字化的过程中 在时间轴方向进行离散化 就是说 对模拟信号每隔一定时间间隔进行瞬时取值 用离散点来表示模拟信号的波形 这些离散点的值称为取样值 为了真实反映原来的模拟信号 取样时间间隔应尽量地短 否则会漏掉一些信息 重放时就不能反映原来的波形了 根据傅立叶分析 奈奎斯特 NyQuist 提出的取样定理 如果取样频率大于模拟信号频率上限的两倍 就不会在取样过程中丢失 即fs 2fBfs为取样频率 fB为模拟信号频率上限 可闻声频率上限20kHz 则CD VCD唱机中选fs 44100Hz 即每22 76 s就要在模拟信号中取一个瞬时值 这样就使取样过程中不会丢失信号了 DVD取样频率有32kHz 44 1kHz 48kHz 96kHz等 符合奈奎斯特定理 2 量化 是指对取样后的信号在幅度上按分层单位进行四舍五入取整数的过程 显然 量化层次越多 量化误差越小 实际上把这种误差叫 量化噪声 故在PCM调制中 编码采用二进制码 量化层次共有2n个 这里n是二进制码的位数 或叫比特数 例如 用8位二进制数码10101101表示 8比特 8位二进制数码至多有28 256个状态 即把模拟信号幅度划分为256层次 若样本用16位表示 就有216 65536个状态 16比特 即把模拟信号幅度划分为65536层次 精度高多了 比特 字节 比特率 在数字电路中 讨论数字信号传输时常用比特 bit 单位 二进制数码的每一位称为1个比特 1bit 电路通过数码信号称为比特流 某点每秒通过的比特数称为比特率 或码率 数据传输率 记为b s或为bps 在数字电路中 存储媒体的容量习惯用另一个单位 字节数 Byte 表示 简称为B 字节数和比特的关系1B 8bit字节的进位是 1kB 210B 1024B 1MB 1024KB 1GB 1024MB 量化噪声与量化位数 级数 有密切关系 可用下式表示信噪比S N 6n 1 8 dB 式中n为二进制的位数由上式可知 n越大 信噪比越高 n每增大一位 信噪比提高6dB在激光系统中 信噪比应为 S N 6 16 1 8 98 dB 考虑其他因素影响 实际取值90 dB 这个数据也是激光影碟系统的动态范围 3 编码 把一个量化的值转换为二进制的数表示 如t1时刻的幅度值已经转换为8位二进制的数10101101 A D转换过程 D A转换过程是将二进制编码还原为量化信号的过程 CD音频信号的量化采用16bit 数据传输率 量化位数 采样频率一个声道即有 16bit 44100Hz 705 6kbit s 数据按样本交替排列 所以数据传输率应为单声道的2倍 即1 4112Mbit s 无损压缩 计算机在二进制信号的压缩和解压缩时 不能有一比特的错误 必须和原来的信号一样 有损压缩 由于人耳对某些音频信号失真不灵敏 所以 压缩的潜力大 但是以牺牲音质为代价的 见表9 9 二 数字音频信号的压缩 1 人耳的频率特性人耳可听频率范围20Hz 20KHz 但在不同频段中灵敏度不同 在20 30Hz的灵敏度比1000Hz时低60dB 而在2000 5000Hz的灵敏度最高 在1000Hz时 灵敏度又逐步降低达20dB以上 因此 我们可利用这个特性来进行压缩 为此 把输入的音频信号在频率上分成32个小频段 子带 输入的音频最高频率为20000Hz 所以每个子带的宽度为625Hz 因为人耳对每一个频段的灵敏度不同 因此 在不同频段可采用不同的量化分层 例如 在低频端可采用10bit 而用不着16bit 就达到的压缩的目的 2 人耳的遮蔽效应人耳的另一个效应称为遮蔽效应 表现在强信号遮蔽邻近频率的弱信号 如一个1000Hz的强信号 在其边上有一个低18dB的1100Hz的弱信号 那么这个弱信号就会被遮蔽掉 但若频率为2000Hz低18dB的弱信号 就能被听见 必须降到 45dB以下 才会被遮蔽掉 因此 我们可以提高在一个强信号的附近的噪声电 三 MP3压缩方法 采用MPEG 1的第三层的音频压缩方法 平 提高噪声电平就是减少量化的值数 从而达到压缩的目的 但是 由于强信号是随机出现的 所以减少强信号附近的量化位数必须是自适应地进行 3 人耳的前退蔽和后退蔽效应 非同时退蔽效应 指在一个强信号之前 2 5ms 或之后 100ms 的弱信号 也会被遮蔽掉 这是因为人脑需要时间来处理声音信号 所以 只要降低弱信号之前和之后的分辩率就可以了 4 减小低频时的带宽 人耳在低频的灵敏度在700Hz以后急剧降低 如果将频段均匀划分 每个频段625Hz宽 在低频端就只有一个频段 就无法充分利用这一特性 因此 在MPEG第二层和第三层中就采用不均匀的滤波器 即在低频端采用较窄的子带 而在高频端采用较宽的子带 5 人耳的空间效应 人耳在某些频率上 并不能分辩其声源方向 因此就可以利用一种所谓的联合立体声的方法来降低码率 所谓联合立体声就是在某些频率上采用单声道 这样也能达到降低码率的效果 此外 在MPEG 1的音频压缩中 还采用其他措施 以降低码率并保证质量 1 采用冗余字节以作为缓冲用 因为有些音乐小节无法将其限定的码率来编码而又不损失音质 为了保证质量就需要用较高的码率 在MP3的码流中就增加了一些冗余字节 以便在需要的时候就可以在短时间内提供较高的码率 这就是所谓的可变码率 VBR 系统 2 在MPEG 1的第三层压缩中 还采用了Huffman编码进行无损压缩 进一步降低了码率 节约20 提高了压缩比 表9 10MP3在不同采样频率时的压缩效果P191一般 128kB s的MP3的质量就达到了CD质量 所以说MP3的容量大CD容量10倍以上的原因 表9 10MP3在不同采样频率时的压缩效果 四 用PC实现MP3编解码只要有一个播放软件就可以用PC来对这些用MP3压缩了的音乐和歌曲进行解压缩和播放 但体积大 不便携带 MP3随身听 有的有录音功能 内置有非易失性闪烁存储器 FASHROM 可以从PC下载MP3音乐或歌曲 包括均衡 RIAA 节目源选择电路 音调控制 响度控制 音量控制 通道平衡控制及输入放大电路等 有时还加入低通 滤除节目源来的高频噪声 高通滤波器 抑制唱片弯曲所引起的低频 隆隆 声 等 选择开关 输入放大 音调控制 平衡控制 响度 音量控制 均衡 2 3音频放大及控制电路第一节前置放大器的构成 第二节对前置放大器的技术要求一 信噪比高 90dB以上 提高信噪比的关键 外部的抗干扰及减小放大器自身的噪声 二 谐波失真小 0 1 以下 由放大器的非线性所引起 瞬态互调失真 0 05 以下 三 输入阻抗高 输出阻抗低表10 1各种节目源的输出电平及负载阻抗四 具有一定的电压增益五 动态范围大六 左右通道分离度高七 工作稳定可靠 音频放大器 一 按输出级与扬声器的连接方式分类 OTL OCL BTL1 OTL功率放大器 OutputTransLess无输出变压器 的互补推挽功率放大器 输出与扬声器采用电容偶合 特点 失真小 频率响应好 效率高等 应用范围广 图12 1a 双电源b 单电源供电 最大输出功率为 功率放大器第一节分类 2 OCL功率放大器 OUTPUTCAPACITORLESS 无输出电容 在OTL基础上发展 输出级与扬声器不用电容而直接偶合 使电路工作稳定性提高 低频响应和失真度有所改进 在高保真音频设备中得到广泛应用 最大输出功率 3 BTL功率放大器 BTL是英文BALANCEDTRANSFORMERLESS 无平衡变压器 在OTL和OCL电路基础上发展起来的 其输出级与扬声器之间以电桥方式连接 该电路由两组互补推挽电路构成 图中加入两个大小相等 相位相反的输入信号Vi1 Vi2 则VT1 VT4与VT2 VT3轮流导通 负载 扬声器 RL上可获得完整的正弦波信号 且负载上获得的输出电流比OTL或OCL电路大一倍为 其有效值为 则BTL电路最大输出功率为 二 按功率管的工作状态分类1 甲类功率放大器 特点 在整个信号周期内 功率管都处于道通状态 电路失真小 但效率低 理论效率50 实际25 35 原因是无信号输入时 有很大的集电极电流被管子白白消耗 因此 耗电大 2 乙类功率放大器 两只管子组成推挽电路 轮流导通 即每只管子均在半个信号周期导通 另半个周期截止 该电路特点 输出功率大 效率高 理论效率78 实际60 但失真大 不易用在对失真要求高的场合 3 甲 乙类功率放大器工作时 管子导通时间大于半个周期 小于一个周期 有一段时间截止 为取得不失真信号输出 必须采用推挽电路形式 故OTL OCL BTL等都属甲乙类 特点 能较好克服放大器的 交越 失真 但奇次谐波仍然存在 对音质损害较为严重 会使声音变得生硬难听 4 超甲类功率放大器 由一个超低失真的驱动级和一个高效率无截止失真超甲类功率输出级组成 特点 有乙类效率高 又有甲类无截止失真的优点 是一种较为理想的功率放大器 其中 超低失真的驱动级利用电路技术克服了晶体管非线性失真 输出级是一种无开关失真和交越失真的高效放大器 电路效率与乙类电路接近 超低失真驱动级 超甲类功率输出级 前级电压28 3V 输出功率可达100W 三 按所用的放大器件分类 1 晶体管功率放大器 2 集成电路功率放大器 主流 3 电子管功率放大器 胆机 优点 动态范围明显优于晶体管功率放大器 其音色较为纯正优美 克服了晶体管的所谓的 晶体管声 或 金属声 使声音发硬等问题 音质柔和悦耳 深受发烧友青睐 缺点 功耗大 体积及重量大 效率低等 胆石之争 由来已久 主观与客观 技术指标与各人爱好 听何种音乐等有关 4 胆石混合功率放大器 即有胆机的大动态 清晰 定位准确和音质甜美又有石机失真小 低噪声 输出功率大的优点 第二节集成电路放大器 一 双音频功率放大器电路TA7240APP215表12 1图12 6 日本东芝产品 二 大功率集成电路功率放大器LM12 美国国家半导体公司 三 双声道音频功率放大电路STK4151 日本三洋 四 D 200W单声道功放模块P220 221图12 11 12 同步动态偏置 综合控制电路 电压放大 差分放大 乙类功率放大 电子管计算机 IT人物传记 电子管之父李 德弗雷斯特 温暖的电子管人声话筒 第三节电子管功率放大器 电子管功率放大器的音色甜美 音质柔和悦耳 外观赏心悦目 提供的动态范围大 尤其对信号过荷承受能力明显优于晶体管功放 输出大信号时 不产生削波现象 工作时只产生偶次谐波 而人耳对3次 奇次 谐波成份很敏感 听感不舒适 但工作电压高 消耗功率大 更重要的是输出阻抗高 必须通过输出变压器与扬声器配接 变压器是感性元件 其频率特性很难做得平直 尤其高频特性取决变压器线圈间的分布电容 为减小分布电容必须将变压器分层绕制 工艺繁杂 要100W以上功率 体积很大 用普通硅钢片 很难制成高保真的音频变压器 同时电源变压器也很大 原因是要高压供电 加之电子管本身体积就大 使得电子管功率放大器体积 重量 功耗指标相当可观 一 电子管结构及命名方法 1 结构 是一种阴极射线管 属电压控制器件 基本结构包括发射电子的阴极 收集电子的阳极 位于阴阳之间的控制电子束 数量 的栅极 电子管的阴极均为热阴极 即需要用灯丝来加热阴极发射电子 热阴极分直热式 灯丝本身就是阴极 直流供电多为1 2V 和旁热式 圆桶状 灯丝安置在中间 电压多为6 3V 两种 电子管功率放大器中主要使用三极管和五极管 在控制栅极外层加帘栅极 屏蔽级间电容的影响 再在帘栅极外层加抑制栅极 抑制栅极的作用是控制电子束发射时引起的二次电子 以使电子管能正常进行放大 使用时与阴极相连 2 电子管型号命名 常用的国产电子管的型号命名 由四部分组成第一部分 用一位阿拉伯数字表示灯丝电压的整数部分 例如6 3V的灯丝电压由 6 表示 第二部分 用一位英文字母表示电子管的结构 如A代表变频管 B代表二极管或五极管 以及二极 五极复合管 C代表三极管 D代表二极管 E代表调谐指示管 J代表锐截止式束射四极管 K代表截止式五极管 N代表双复合三极管 P代表输出束射四极管 S代表四极管 Z代表收信用小功率整流二极管 第三部分 用一位或两位阿拉伯数字表示同类型管的序号 第四部分 用一位英文字母表示电子管的外型 如 P表示普通玻璃管 无字母代号表示为小型玻璃管 例如 6N1 代表灯丝电压为6 3V的双三极复合管 第一种类型 小型玻璃管 3 中外电子管的代换 种类多 命名不同 二 介绍几种优质的电子管功率放大电路 1 QUAD 英国老牌名机 真正古典音色胆机的代表 其 胆声 已为音响发烧友共认的标准 中频厚实 声音细致 透亮 特点 电路简洁 但特性非常好 最大不失真功率为23W 16 在20Hz 50KHz的范围内有很平坦的特性 图12 142 电子管 晶体管混合功率放大器 P225图12 15电路 胆机的听感好 音质属暖色调 音色细腻甜美 石机音色普遍偏硬 有 晶体管声 即俗称 胆机主柔 石机主刚 将胆石混合 取长补短 也能制出高品质的电路 3 轻量级功率放大器 用 迷你盒电站 取代电源变压器 该电路 P226图12 16 17 以新一代高频开关电源为主体 体积只有肥皂盒大小 性能也较好 著名的2E22放大器 改用 迷你盒电站 后 又有新的活力 4 胆王300B组成的单管甲类功率放大器 三 电子管功率放大器的造型 外型 现代胆机的设计 讲究起伏变化 色彩对比 线条明快及材质的体现 一台精美的胆机 裸机 犹如一件艺术品 胆机工作后电子管被点亮 给人一种 温暖 的 人情味 四 使用注意事项 1 负载不开路和短路 2 电源电压 5 3 散热 4 液体不洒在电子管上 2 4音频重放设备耳机 第一节耳机的分类和性能要求 由莫尔斯电码的受话器发展而来 分类 按佩带方式分 头戴耳机和耳塞机按换能方式 电动式 静电式 电动 静电式 驻极体式 高分子压电式 等电动式等 常用电动式的特点 灵敏度高 高频特性较好 振膜位移大 可承受较大功率 输入阻抗较低 不需进行阻抗变换 但低频特性稍差 静电式耳机振膜极薄 质量轻 低频响应好 失真小 需进行阻抗变换 但高频特性稍差 电动 静电式 各取其优点等 相 电动式 具有静电式耳机特点 属电动式耳机类 对高保真耳机的性能要求 1 戴在人耳上时的输出声压频率特性应在较宽的范围内是平直的 必须有50 1 104Hz 3dB的特性2 最大输出声压级要高 110 115dB 谐波失真小 5 以内 3 瞬态特性要好 通常比扬声器的好4 左右耳机单元特性差 不可调 要小 在50 10000Hz内不一致性不超过2dB5 重量轻6 耳垫的压力适当 第二节耳机特点 结构 工作特性 一耳机的特点1 优点 1 声压小功率 0 1W 高声压 2 重放声音优良 3 不受干扰 4 音量选择自由 5 价廉2 缺点 1 声像异位双耳重放声像容易出现在后头部 不是自然的声像定位和具有前后感 现在已经有专门为耳机重放录制的唱片 仿真头型录音唱片 临场感更强 声像在左右耳的斜前方分布 还不能完全正面的声像 待改进 2 压迫感 为减小压迫感 新耳垫用氨基甲酸酯泡沫作成 由耳机和耳孔之间的气室适当泄露空气 并将后盖开孔 使振膜后面形成开放状态 以减小压迫感 这种耳机称开放式耳机 二 耳机结构和工作特性1 密闭式耳机结构和工作特性 共振频率一般很高 图13 1 22 开放式耳机结构和工作特性 口径30 50厚几十微米的聚酯振膜 振膜共振频率低到100 200Hz 输出声压频率特性 图13 4 低频及高频段呈现每倍频程下降6dB的特性3 耳垫 作用 由头环的压力将左右两个耳机单元与人耳相接触 防止低频声频率的下降 防止外部噪声侵入 对佩带感觉有非常重要的影响 与人耳皮肤接触 耳垫的耐油性必须良好 耳垫分 压在耳壳上使用的耳垫和将人耳包围起来的耳罩 按使用材料分 海绵橡胶等硬质材料 人造革包起的聚氨基甲酸酯泡沫的 封入液体的 最好 价贵 射击用 使用有连通气泡的泡沫聚氨基甲酸酯等 4 耳塞机微型机 随身听 的发展 出现与之配套的 耳筒机 采用高性能的钕铁系磁钢和极薄而轻有相当强度的振膜 使它有很好的频率特性 灵敏度和重放音质 通常还加几厘米的低频谐振导管 称 导管式耳机 因此具有很好的低频特性 市场上常见的有爱华 AIWA 索尼 SONY 如SONY的MDR E515型耳筒和AIWA的BRD系列导管式耳机 首款金属导管式耳塞OVC高端耳机测 5 新型的高保真立体声耳机 双音路系统 多功能无源振膜 斜契式耳罩等新结构 特殊的高分子振膜 生物纤维振膜 钕铁系磁钢及包铜铝音圈等新技术 1 双音路发声系统由奥地利AKG公司20世纪80年代开创 是由电动换能器 负责转换4KHz以上的高频信号 和静电换能器 负责转换4KHz以下的中低频信号 组成 2 多振膜系统由奥地利AKG公司发明并应用于K240 K340 3 振膜 音圈托架结构德国伯尔公司20世纪80年代首创DT880半开式耳机 低音特别好 90年代推出DT990重放特性特别好 称为开创主观音响听感的新纪元 AKGK240DF专业监听耳机 动圈式耳机DT880DT931DT990Pro DT880 DT990耳机振动系统的音圈托架结构图13 7P238将音圈 X 0 9mm高 固定在托架端面上 再伸入磁隙中 采用这种结构后 可大大减小音圈质量 仅为普通音圈的1 3质量 使耳机产生很高的气隙磁通 提高了振动系统的转换效率 耳机外形可做得很薄 三 耳机的选购与使用 配套耳机与放音系统配套 收音机 CD机 MP3等 根据实际需要 高档名牌每付上千元 万元 耳机与音响设备 如功放 配接时要注意阻抗匹配 耳机只能插入专用插孔 phones 听音时 音量从小到大逐渐增加 不可大音量长时间听音 否则容易使听力受损 严重的会使耳膜塌陷 S N S N 漫步者H260耳机 蓝牙耳机 Philips飞利浦HP250耳机 各种耳机图片 Murata全球首款 呼吸模态 超高音扬声器 JVC呼吸式扬声器 10寸天花板扬声器 国都 QUAD 静电喇叭 音箱系统第一节扬声器 一 电动式扬声器1 结构和工作原理 F BIL 左手定则2 分类 按结构分 锥盆 球顶 号筒和平板式等 1 锥盆扬声器其振膜为圆锥型 目前使用最广泛的是纸质价低 但性能不高 当纸盆面积加大振动频率升高 则纸盆将出现分割振动产生失真 在频响曲线上出现一系列峰 谷点 使频率特性变坏 而折环 扼环 与振膜震动相位有时相反使扬声器的频响曲线上会产生谷值 谷值发生在振膜作整体运动和出现分割震动的交叉点上 一般在中频段发生 称中频谷值 为改善中频谷值点的出现 使频响曲线尽可能平直 采取三项措施 NS S S 第一 用高强度的碳纤维 聚丙烯 防弹布等做锥盆 机械强度高 整体性能好 可改善扬声器频响和失真等性能 第二 改变折环材料 如用浸胶布基折环 橡胶折环 泡膜折环等 则称复合边扬声器 特点是折环顺性高 即弹性好 谐振频率低 瞬态特性好 失真小 中低频特性较平直 不足是工艺复杂 电声转换效率低 第三 在折环上涂特殊软性胶 保持折环柔软 改善中频谷值 2 球顶扬声器 中 高音用 半球型的振膜加宽辐射面 指向性加宽 按振膜材料分软球顶 丝绢 绸布类 放音音质细腻 柔和 但高音感不足 硬球顶 刚性好 重量轻的金属铍 钛 铝等 放音高音清脆 声音轮廓边缘清楚 音色透亮 球顶扬声器在中音 特性曲线平坦 但在高频段 振膜开始出现分割振动 指向性趋向尖锐 声能减弱 对分割振动进行阻尼可改善高频特性 如图14 4a 在振膜内粘贴发泡橡胶等阻尼材料 如图14 4b 在振膜和铁心之间填充与振膜接触的吸声材料 改善高频特性的另一方法是在球顶扬声器振膜上面装配一个均衡器如图14 5 3 号筒式扬声器 分抛物线 圆锥 指数 双曲线式号筒 由激励单元 高音头 和号筒组成 声波在号筒中是均匀扩散传播在垂直于号筒轴的同一截面上空气质点作同相振动 这时小振膜就变成大振膜 与空间的偶合处于较好的匹配状态 效率大大提高 比纸盆扬声器高7 10倍 且指向性很强常用在室外扩音机或在音箱中做中高音单元 音质不如球顶扬声器纤细 柔和 4 平板扬声器 振膜是峰窝状的平板 质轻 厚 刚性强的特点 振动辐射特性在使用频带内完全是活塞式振动 克服了分割振动 有宽而平坦的声压响应 具有失真小 频响宽而平坦的优良的性能 多用在低音 达30Hz 或中音单元 1 静电扬声器 电容扬声器 结构原理和电容话筒相似 由于静电场均匀分布在振膜上 而且振动方向一致 不出现分割振动 因此频响特性平坦 高频响应好 可超过20kHz 失真小 但低频响应差 价贵 只用在高音单元 2 压电 陶瓷 扬声器 利用压电材料的逆效应工作 如图14 6当音频电压加在压电片上时 压电片遵循 反压电效应 而产生机械变形 推动振膜作相应的振动 将声音向空中辐射 目前 压电材料广泛使用的是酒石酸纳 锆钛酸铅 铌镁酸铅等 随着压电材料的不断改进 一些氟塑料 聚乙烯塑料等高分之聚合物软材料也已经被应用在压电扬声器 压电扬声器的灵敏度决定于压电陶瓷片的机电转换系数 LCP值 频响一般为300 4000Hz 它是目前生产最方便 价格最便宜的一种扬声器 二 其他扬声器 三 扬声器的主要技术参数 1 频率响应 指在自由场 如消音室 中 馈给扬声器恒定的电压扬声器在参考轴上所产生的直达声压随频率变化的特性 频响曲线 它表明了扬声器对不同频率声波的辐射能力 2 额定阻抗和阻抗曲线 在计算馈给扬声器的电功率时 常用一个纯电阻代替扬声器作为测量信号源的负载 这个纯电阻就称为扬声器的额定阻抗 在正常工作条件下 用恒压法 或恒流法 测得的扬声器阻抗模值随频率变化的曲线即为扬声器的阻抗曲线如图14 7扬声器的阻抗特性由三部分组成 如图17 8 3 特性灵敏度 特性灵敏度级 特性灵敏度P表示在扬声器的额定频率范围内 给扬声器加上相当于额定阻抗上1W电功率的粉红噪声电压时 在参考轴上离参考点1m处产生的声压值 单位帕斯卡 Pa 特性灵敏度级 对P取对数 即为特性灵敏度级LP P P0 dB其中P0为参考声压P0 2 10 5Pa4 额定功率 标称功率 扬声器长时间工作 国际规定100h 时允许的输入功率5 非线性失真 扬声器在放音时出现了输入信号中没有的频率成分 包括谐波失真和互调失真 瞬态失真等 目前主要考虑谐波失真 对高保真箱要求谐波失真系数 1 6 指向性 指扬声器在不同方向上的声辐射特性 指向性的强弱可用指向性频率特性和指向性图形来表示 图14 9指在若干规定的的声波方向上所测得的一组扬 声器频响曲线族 通常测偏离扬声器参考轴15 30 45 60 等角度所对应的曲线 指向性图形 即用转台在不同频率上测出并用极座标表示的指向性图形 如图14 10 在低频时 扬声器辐射面的有效长度 直径 要比扬声器所辐射的声波的波长小得多 此时扬声器可看作是一个点声源 其辐射声波是无方向性的 但随频率升高 波长变短 当波长与辐射面的长度相当或小于辐射面的长度时 扬声器的辐射将表现出较强的方向性 扬声器的指向性还与其类型有关 如号筒指向性较强 对同一扬声器 输入信号频率不同 指向性不同 如输入100Hz时 指向性为一个圆 升高到3000Hz时 指向性已十分明显 7 扬声器的共振频率 扬声器阻抗特性曲线出现第一个峰值所对应的频率 GermanPhysiks20万元级 天朗 皇家西敏寺 80周年纪念版 70万元级DDD旗舰PQS402 JVC呼吸式扬声器 将扬声器放在音箱内 有利扩展音量 改善音质 利于保护扬声器 利用分频网络将不同频段的信号分配给具有不同频率响应的扬声器 使他们各自都有一个理想的工作频带 此时 扬声器放音一致 失真及噪声小 可消除干扰 适合高保真放音 35Hz 16KHz 1 声短路 如果让扬声器自由辐射 发声 由锥体正面产生的声波就会呈球形绕锥体周围传播 到达锥体背面 这时 在锥形振膜两面的空气压缩和稀释互相抵消 辐射阻抗为零 产生无功功率 2 敞开式障板 避免声短路最简单的方法就是把扬声器装在障板上 障板越大 声短路越向低频一方推移 低音就越丰富 扬声器装在无限大障板上 可听最低频率范围内的声音 如墙壁等 第二节音箱一 分类 封闭音箱 封闭音箱箱内空气劲度增大 音质有点深沉 但低音解析度好 倒相音箱 利用前障板上的倒相孔 将扬声器背后辐射的那部分声音经过声导管倒相后 从导管口辐射到前方 与扬声器前向声音叠加 增强了扬声器系统的低频特性 倒相音箱低音丰富 重放下限频率可比封闭音箱展宽60 容积只有封闭音箱60 空纸盆式音箱 无源辐射器音箱 空纸盆代替倒相音箱的声导管 空纸盆振动产生的辐射声与扬声器前向辐射声同相 与倒相音箱工作状态相同 曲径式 迷宫式 音箱 在扬声器背后设置有吸声材料的内壁做声学导管 导管长度等于重放时的低频半波长度 这样 导管开口声辐射正好与扬声器前向辐射声同相叠加 使总辐射声压得到加强 号筒式音响 利用号筒的声压放大作用 分前号筒和背向号筒型 取得低音的音响效果 主要用于剧场主扩音系统和效果扩音系统上 音柱 利用各扬声器发出声波的干涉现象 使指向性在音柱长轴所在平面内较尖锐 而在音柱垂直平面内较宽 声音传播更远 远近较均匀的声场 主要用于礼堂 剧场 厅堂 二 音箱工作原理 1 封闭式音箱 封闭音箱箱内空气劲度增大 像附加一种弹簧的作用 音箱的最低共振频率比扬声器的谐振频率高 因此若想获得很低频率的声特性 音箱容积必须足够大 阻尼大 效率低 失真低 音质有点深沉 但低音解析度好 音频特性由音箱容积和扬声器共同决定 2 倒相音箱 利用前障板上的倒相孔 将扬声器背后辐射的那部分声音经过声导管倒相后 从导管口辐射到前方 与扬声器前向声音叠加 增强了扬声器系统的低频特性 倒相音箱低音丰富 重放下限频率可比封闭音箱展宽60 容积只有封闭音箱60 三 音箱用材料 1 箱体材料 板面密度大 隔声性能好 扬氏模量大 刚性好 内部耗损大 有利于阻尼 变形小 长期使用不产生缝隙 易于加工 无机类 大理石 搪瓷 石膏 水泥等建材 有机类 原木 机制板 塑料 玻璃钢等 衡量音箱箱体好坏的重要指标就是透声率 除了搪瓷和大理石外 其它材料的音箱 声波会顺着材料分子或纤维中的缝隙向箱外透出 并在此过程中与材料分子摩擦转换成热能消耗掉 透声的比例与材料的密度及厚度成反比 降低透声率是考虑箱体质量的唯一标准 它与吸音材料一起作为调整箱体Q值的依据 1 原木材料 有较好的加工性能 内部损耗和刚性 较好原木有 油木 花梨木 椴木等 最难处理的是烘干 2 机制板板材料 普遍使用 刨花板 纤维板 多层板 中密度板及高密度板等 刨花板和纤维板因质地稀松 透气率大 箱体易变形等缺点 不用在高保真音箱中 多层板常见三合板 五合板在两层之间夹一层锯木或硬木 可降低透气率又有效地阻尼声波 是较为理想和经济的板材 如美国的EV 英国的BBCLS3 5等音箱采用 中密度板是现代高保真音箱中使用最广泛的板材 由呈颗粒状态的细木屑经过胶合 机压 烘干制成 颗粒排列紧密 均匀 有较强的刚性 易加工 成型后不易变形 特性稳定 高密度板 高密度 高刚性的机制板 是最理想的箱体材料 但加工较难 3 塑料和玻璃钢材料 易加工成性 可以设计成比较复杂的外型 如英国的猛牌 KEF 乐富豪等音箱及日本许多微型组合音响的音箱 均采用塑料 聚丙稀 制作 4 无机物材料 早期丹麦的 皇冠 加拿大 ORACLE 英国的 AE 曾经分别生产过水泥音响 大理石音箱和石膏音箱 难加工 成本高 对声波阻尼小 箱内易产生谐振峰 故目前厂家使用不多 5 其他板材 现在许多国家的高级音响厂家 开始使用高分子聚合材料代替传统板材 取得较好效果 另外在基本的机制板材在添加不同的黏合剂 可改善箱体的物理特性 2 板振动与箱体加固 音箱工作时 扬声器的激励使它产生振动而发出微弱的声音 实际听音时 板的振动 会产生发音不清晰 声音浑浊的现象 音箱产生的振动的原因有如下几点 1 由音箱形状所决定的内部驻波所引起的激励振动 2 由音箱背面向音箱内部辐射声音 使内部声压上升产生压力变化 从而产生振动 3 由音箱刚性和扬声器质量所构成的共振系统产生的振动 4 由扬声器本身及箱体加工 黏结不牢而产生的振动 减振的方法 加固 减振和吸声 首先应减小扬声器盆架的振动 使用压铸盆架 其次在箱面板和扬声器盆架之间加入减振材料 如橡胶垫圈 然后增加筋肋结构 横框来加固 再加固箱角等 3 吸声材料的使用 音箱内部的声压很高 如在容积VC 0 1m3 100L 的密闭音箱中的低音共振频率为60Hz的音箱系统 在距音箱正面轴线上1m处产生94dB声压时 音箱内部声压达119 4dB 因此在声压高的地方填充吸声材料 将声能吸收 可使声压级下降 实验表明可使低频下降3 4dB 在中频下降20 30dB声压级 对消除驻波的影响也有效 特别对低次驻波抑制最大