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O UMZCH deve ter uma baixa impedância de saída? Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Amplificadores de potência a transistor

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Sobre a redução da distorção de intermodulação e sobretons em alto-falantes

A diferença no som dos alto-falantes ao trabalhar com diferentes UMZCHs é, em primeiro lugar, notada comparando amplificadores valvulados e transistorizados: o espectro de sua distorção harmônica geralmente é significativamente diferente. Às vezes, há diferenças perceptíveis entre amplificadores do mesmo grupo. Por exemplo, em uma das revistas de áudio, as classificações dadas por UMZCHs de tubo de 12 e 50 W tendiam a favor de um menos potente. Ou a avaliação foi tendenciosa?

Parece-nos que o autor do artigo explica de forma convincente uma das razões místicas para a ocorrência de distorções transitórias e de intermodulação nos alto-falantes, que criam uma diferença notável no som ao trabalhar com vários UMZCH. Ele também oferece métodos acessíveis para reduzir significativamente a distorção dos alto-falantes, que são implementados de maneira simples usando uma base de elementos moderna.

Atualmente, é geralmente aceito que um dos requisitos para um amplificador de potência é garantir que sua tensão de saída permaneça inalterada quando a resistência da carga mudar. Em outras palavras, a resistência de saída do UMZCH deve ser pequena em relação à carga, não ultrapassando 1/10,,,1/1000 do módulo de resistência (impedância) da carga |Zн|. Essa visão é refletida em inúmeras normas e recomendações, bem como na literatura. Especialmente introduzido mesmo um parâmetro como o coeficiente de amortecimento - Kd (ou fator de amortecimento) igual à razão da resistência de carga nominal para a impedância de saída do amplificador RO MENTE. Assim, com uma resistência de carga nominal de 4 ohms e uma impedância de saída do amplificador de 0,05 ohms Kd seria 80. Os padrões atuais de alta fidelidade exigem que amplificadores de alta qualidade tenham um fator de amortecimento de pelo menos 20 (e pelo menos 100 é recomendado). Para a maioria dos amplificadores transistorizados no mercado, Kd ultrapassa 200.

Razões para R pequenoO UM (e correspondentemente alto Kd) são bem conhecidos: isso é para garantir a intercambialidade de amplificadores e alto-falantes, para obter amortecimento eficaz e previsível da ressonância principal (baixa frequência) do alto-falante, bem como a conveniência de medir e comparar as características dos amplificadores. No entanto, apesar da legitimidade e validade das considerações acima, a conclusão sobre a necessidade de tal proporção, segundo o autor, é fundamentalmente errônea!

O fato é que essa conclusão é feita sem levar em consideração a física do trabalho das cabeças de alto-falante eletrodinâmicas (GG). A grande maioria dos projetistas de amplificadores acredita sinceramente que tudo o que é exigido deles é fornecer a tensão necessária a uma determinada resistência de carga com o mínimo de distorção possível. Os projetistas de alto-falantes, por sua vez, parecem supor que seus produtos serão alimentados por amplificadores com impedância de saída insignificante. Parece que tudo é simples e claro - que perguntas podem haver?

No entanto, há perguntas, e muito sérias. A principal delas é a questão da magnitude da distorção de intermodulação introduzida pelo GG quando é operado a partir de um amplificador com resistência interna desprezível (fonte de tensão ou fonte EMF).

"O que a impedância de saída do amplificador tem a ver com isso? Não me engane!" o leitor dirá. - E ele está errado. Tem, e o mais direto, apesar do fato de que o fato dessa dependência é mencionado muito raramente. De qualquer forma, não foram encontrados trabalhos modernos que considerem esse efeito em todos os parâmetros do caminho eletroacústico de ponta a ponta - desde a tensão na entrada do amplificador até as vibrações sonoras. Por alguma razão, ao considerar este tópico, estávamos anteriormente limitados a analisar o comportamento do GG perto da ressonância principal em baixas frequências, enquanto coisas não menos interessantes acontecem em frequências visivelmente mais altas - algumas oitavas acima da frequência ressonante.

Este artigo pretende preencher esta lacuna. Deve-se dizer que, para aumentar a acessibilidade, a apresentação é muito simplificada e esquematizada, de modo que várias questões "sutis" permaneceram desconsideradas. Portanto, para entender como a impedância de saída do UMZCH afeta a distorção de intermodulação em alto-falantes, devemos lembrar qual é a física da radiação sonora de um cone GG.

Abaixo da frequência de ressonância fundamental, quando uma tensão de sinal senoidal é aplicada ao enrolamento da bobina de voz GG, a amplitude de deslocamento de seu difusor é determinada pela resistência elástica da suspensão (ou ar comprimido em caixa fechada) e é quase independente da frequência do sinal. A operação do GG neste modo é caracterizada por grandes distorções e um retorno muito baixo de um sinal acústico útil (eficiência muito baixa).

Na frequência de ressonância fundamental, a massa do difusor, juntamente com a massa oscilante de ar e a elasticidade da suspensão, formam um sistema oscilatório semelhante a um peso sobre uma mola. A eficiência da radiação nesta faixa de frequência é próxima do máximo para este HG.

Acima da frequência de ressonância principal, as forças inerciais do difusor, juntamente com a massa de ar oscilante, acabam sendo maiores que as forças elásticas da suspensão, de modo que o deslocamento do difusor é inversamente proporcional ao quadrado da frequência. No entanto, a aceleração do cone neste caso não depende teoricamente da frequência, o que garante a uniformidade da resposta de frequência em termos de pressão sonora. Portanto, para garantir a uniformidade da resposta de frequência do HG em frequências acima da frequência de ressonância principal, uma força de amplitude constante deve ser aplicada ao difusor do lado da bobina de voz, conforme segue a segunda lei de Newton (F = m *uma).

A força que atua no cone da bobina de voz é proporcional à corrente nele. Quando o GG está conectado a uma fonte de tensão U, a corrente I na bobina de voz em cada frequência é determinada pela lei de Ohm I (f) \uXNUMXd U / Zг(f), onde Zг(f) é a impedância complexa dependente da frequência da bobina de voz. É determinado principalmente por três quantidades: a resistência ativa da bobina de voz Rг (medido com um ohmímetro), indutância LSenhor A corrente também é afetada pelo back-emf que ocorre quando a bobina de voz se move em um campo magnético e é proporcional à velocidade do movimento.

Em frequências muito mais altas que a ressonância principal, o valor de back-EMF pode ser desprezado, pois o cone com a bobina de voz simplesmente não tem tempo para acelerar na metade do período da frequência do sinal. Portanto, a dependência Zг(f) acima da frequência de ressonância fundamental é determinada principalmente pelos valores de Rг e euг

Portanto, nem a resistência Rg, nem indutância Lг não são particularmente estáveis. A resistência da bobina de voz é altamente dependente da temperatura (cobre TCR aprox. +0,35%/оC), e a temperatura da bobina de voz do GG de média frequência de pequeno porte durante a operação normal muda em 30 ... 50 оCom e rapidamente - em dezenas de milissegundos ou menos. Consequentemente, a resistência da bobina de voz e, portanto, a corrente através dela e a pressão sonora em uma tensão aplicada constante mudam em 10 ... 15%, criando distorção de intermodulação do valor correspondente compressão do sinal térmico).

As mudanças de indutância são ainda mais complexas. A amplitude e a fase da corrente através da bobina de voz em frequências visivelmente mais altas que a ressonante são amplamente determinadas pelo valor da indutância. E isso depende muito da posição da bobina de voz no intervalo: com uma amplitude de deslocamento normal para frequências que são apenas um pouco mais altas que a frequência de ressonância fundamental, a indutância muda em 15 ... 40% para vários GGs. Assim, na potência nominal fornecida ao alto-falante, a distorção de intermodulação pode atingir 10 ... 25%.

O acima é ilustrado por uma fotografia de oscilogramas de pressão sonora tiradas em um dos melhores GG domésticos de frequência média - 5GDSH-5-4. O diagrama de blocos da configuração de medição é mostrado na figura.

O UMZCH deve ter uma impedância de saída baixa?

Como fonte de um sinal de dois tons, foi utilizado um par de geradores e dois amplificadores, entre as saídas das quais foi conectado o teste GG, instalado em uma tela acústica com área de cerca de 1 m2 . Dois amplificadores separados com uma grande margem de potência (400 W) são usados ​​para evitar a formação de distorção de intermodulação durante a passagem de um sinal de dois tons pelo caminho de amplificação. A pressão sonora desenvolvida pela cabeça foi percebida por um microfone eletrodinâmico de fita, cuja distorção não linear é inferior a -66 dB a um nível de pressão sonora de 130 dB. A pressão sonora de tal alto-falante neste experimento foi de aproximadamente 96 dB, de modo que a distorção do microfone nessas condições poderia ser desprezada.

O UMZCH deve ter uma impedância de saída baixa?

Como pode ser visto nos oscilogramas na tela do osciloscópio superior (superior - sem filtragem, inferior - após filtragem HPF), a modulação de um sinal com frequência de 4 kHz sob a influência de outro com frequência de 300 Hz ( com uma potência de cabeça de 2,5 W) excede 20%. Isso corresponde a uma distorção de intermodulação de cerca de 15%. Parece que não há necessidade de lembrar que o limiar de perceptibilidade dos produtos de distorção de intermodulação é muito inferior a um por cento, chegando a centésimos de um por cento em alguns casos. É claro que as distorções do UMZCH, se apenas forem de natureza "suave" e não excederem alguns centésimos de um por cento, são simplesmente indistinguíveis no contexto de distorções no alto-falante causadas por sua operação a partir de uma tensão fonte. Os produtos de distorção de intermodulação destroem a transparência e os detalhes do som - um "mingau" é obtido no qual instrumentos e vozes individuais são ouvidos apenas ocasionalmente. Esse tipo de som provavelmente é bem conhecido dos leitores (um bom teste de distorção pode ser um fonograma de um coral infantil).

No entanto, existe uma maneira de reduzir drasticamente a distorção descrita acima, causada pela variabilidade da impedância da cabeça do alto-falante. Para fazer isso, o amplificador que aciona o alto-falante deve ter uma impedância de saída muito maior que os componentes da impedância Rg e Xг (2p fLg) GG. Então suas mudanças praticamente não terão efeito sobre a corrente na bobina de voz e, consequentemente, as distorções causadas por essas mudanças também desaparecerão. Para demonstrar a eficácia deste método de redução de distorções, a configuração de medição foi complementada com um resistor de 47 Ohm (ou seja, uma ordem de grandeza maior que o módulo de impedância do GG estudado), conectado em série com o GG. Para manter o mesmo nível de pressão sonora, os níveis de sinal nas saídas dos amplificadores foram aumentados de forma correspondente. O efeito de mudar para o modo atual é óbvio a partir da comparação dos oscilogramas correspondentes: a modulação parasita do sinal de alta frequência na tela do osciloscópio inferior é muito menor e pouco visível, seu valor não excede 2 ... 3% - há uma diminuição acentuada na distorção HG.

Os conhecedores podem argumentar que existem muitas maneiras de reduzir a variabilidade da impedância da bobina de voz: preenchendo a lacuna com fluido de resfriamento magnético, instalando tampas de cobre nos núcleos do sistema magnético e selecionando cuidadosamente o perfil do núcleo e a densidade do enrolamento da bobina e muito mais. No entanto, todos esses métodos, em primeiro lugar, não resolvem o problema em princípio e, em segundo lugar, levam à complicação e ao aumento do custo de produção de HGs, pelo que não são totalmente utilizados, mesmo em alto-falantes de estúdio. É por isso que a maioria dos GGs de média e baixa frequência não têm tampas de cobre nem fluido magnético (em tais GGs, ao operar em potência máxima, o líquido é frequentemente ejetado do intervalo).

Portanto, alimentar o GG a partir de uma fonte de sinal de alta impedância (no limite - de uma fonte de corrente) é uma maneira útil e conveniente de reduzir sua distorção de intermodulação, especialmente ao construir sistemas acústicos ativos multibanda. Neste caso, o amortecimento da ressonância principal deve ser realizado puramente acusticamente, uma vez que o fator de qualidade acústica intrínseca dos GGs de frequência média, como regra, excede significativamente um, chegando a 4...8.

É curioso que seja precisamente este modo de alimentação "corrente" do GG que ocorre na lâmpada UMZCH com uma saída de pentodo ou tetrodo com um FOS raso (menos de 10 dB), especialmente se houver um FOS local para corrente na forma de resistência no circuito catódico.

No processo de configuração de tal amplificador, suas distorções sem um OOS geral geralmente ficam dentro de 2,..5% e são perceptíveis de ouvido com confiança quando incluídas na quebra do caminho de controle (método de comparação com o arame"). No entanto, depois de conectar um amplificador a um alto-falante, verifica-se que, à medida que a profundidade do feedback aumenta, o som primeiro melhora e, em seguida, há perda de detalhes e transparência. Isso é especialmente perceptível em um amplificador multibanda, cujos estágios de saída conduzem diretamente para as cabeças de alto-falante correspondentes sem nenhum filtro.

A razão para isso, à primeira vista, um fenômeno paradoxal é que, com um aumento na profundidade OOS na tensão, a impedância de saída do amplificador diminui drasticamente. As consequências negativas de alimentar o GG a partir de um UMZCH com baixa impedância de saída são discutidas acima. Em um amplificador triodo, a impedância de saída, como regra, é muito menor do que em um pentodo ou tetrodo, e a linearidade antes da introdução do feedback é maior, então a introdução do feedback na tensão melhora o desempenho de um único amplificador, mas ao mesmo tempo, piora o desempenho da cabeça do alto-falante. Como resultado, como resultado da introdução de um feedback de tensão de saída em um amplificador triodo, o som pode realmente piorar, apesar da melhoria nas características do próprio amplificador! Este fato empiricamente estabelecido serve como alimento inesgotável para especulações sobre o tema do dano do uso de feedback em amplificadores de potência de áudio, bem como argumentos sobre a transparência especial e natural do som. No entanto, dos fatos acima, segue-se claramente que o ponto não está na presença (ou ausência) do próprio OOS, mas na impedância de saída resultante do amplificador. É aí que o "cachorro está enterrado"!

Vale a pena dizer algumas palavras sobre o uso de resistência de saída negativa UMZCH. Sim, o feedback positivo de corrente (POF) ajuda a amortecer o GG na frequência de ressonância fundamental e reduzir a potência dissipada na bobina de voz. No entanto, deve-se pagar pela simplicidade e eficiência do amortecimento aumentando a influência da indutância GG em suas características, mesmo em comparação com o modo de operação de uma fonte de tensão. Isso ocorre porque a constante de tempo Lг/Rr é substituído por um maior, igual a Lг/[Rг+(-Rsaída PA)]. Assim, a frequência diminui, a partir do qual a reatância indutiva começa a dominar na soma das impedâncias do sistema "GG + UMZCH". Da mesma forma, a influência das mudanças térmicas na resistência ativa da bobina de voz aumenta: a soma da resistência variável da bobina de voz e a resistência de saída negativa inalterada do amplificador muda mais em termos percentuais.

Claro, se RFora.PA em valor absoluto não excede 1/3 ... 1/5 da resistência ativa do enrolamento da bobina de voz, a perda da introdução do POS é pequena. Portanto, um POS de corrente fraca para um pequeno amortecimento adicional ou para ajuste fino do fator de qualidade na banda de baixa frequência pode ser usado. Além disso, o POS atual e o modo de fonte atual no UMZCH não são compatíveis entre si, como resultado, o fornecimento de corrente do GG na banda de baixa frequência, infelizmente, nem sempre é aplicável.

Com a distorção de intermodulação, aparentemente descobrimos. Agora resta considerar a segunda questão - a magnitude e a duração dos harmônicos que surgem no difusor do GG ao reproduzir sinais de natureza impulsiva. Esta questão é muito mais complicada e "mais fina".

Como se sabe, os difusores de GH podem ser considerados infinitamente rígidos apenas em uma aproximação muito grosseira. Na verdade, quando eles vibram, eles se dobram significativamente e de uma maneira muito bizarra. Isso se deve à presença de um grande número de frequências ressonantes parasitas do difusor e do sistema móvel do HG como um todo. Após a passagem do sinal pulsado, as oscilações livres em cada uma das frequências ressonantes não se extinguem imediatamente, gerando sobretons, colorindo o som e ocultando clareza e detalhes, piorando o efeito estéreo.

Existem teoricamente duas possibilidades para eliminar esses sobretons. A primeira é deslocar todas as frequências ressonantes além da faixa de frequência operacional, para a região do ultra-som distante (50...100 kHz). Este método é usado no desenvolvimento de GG de alta frequência de baixa potência e alguns microfones de medição. Com relação ao GG, este é um método de difusor "duro".

A segunda possibilidade é reduzir o fator de qualidade das ressonâncias parasitas para que as oscilações desapareçam tão rapidamente que não possam ser ouvidas. Isso requer o uso de difusores "soft", cujas perdas de flexão são tão grandes que o fator de qualidade das ressonâncias parasitas é próximo da unidade. No entanto, as distorções não lineares e a pressão sonora máxima de um GG com um difusor "soft" acabam sendo um pouco piores do que a de um GG com um cone "duro". Por outro lado, GG com cones "soft", como regra, ganham significativamente em termos de clareza, descoloração e transparência do som.

Assim, uma terceira opção também é possível - o uso de um GG com um difusor relativamente "duro" e a introdução de seu amortecimento acústico. Nesse caso, é possível combinar, até certo ponto, as vantagens de ambas as abordagens. É assim que os alto-falantes de controle de estúdio (monitores grandes) são construídos com mais frequência. Naturalmente, quando o HG amortecido é alimentado por uma fonte de tensão, a resposta de frequência é significativamente distorcida devido a uma queda acentuada no fator de qualidade total da ressonância principal. A fonte de corrente neste caso também é preferível, pois ajuda a equalizar a resposta de frequência simultaneamente com a exclusão do efeito da compressão térmica.

Quanto aos harmônicos decorrentes das vibrações livres dos difusores do GG, então, como as frequências de ressonância parasitas geralmente estão localizadas muito mais altas que a frequência da ressonância principal, o modo de operação do GG - com fonte de corrente ou tensão - praticamente não tem efeito sobre eles. A única maneira direta de lidar com ressonâncias parasitas é o amortecimento acústico. No entanto, a probabilidade de sua excitação quando o GG é alimentado por uma fonte de corrente é menor, uma vez que essas ressonâncias se tornam mais perceptíveis quando são excitadas por produtos de distorção. Ambas as amplitudes absoluta e relativa desses produtos de distorção para este modo de operação do GG são significativamente menores.

Resumindo o exposto, podemos tirar as seguintes conclusões práticas:

1. O modo de operação do cabeçote do alto-falante a partir de uma fonte de corrente (em oposição a uma fonte de tensão) proporciona uma redução significativa na distorção de intermodulação introduzida pelo próprio cabeçote.

2. A opção de projeto mais adequada para um alto-falante com baixa distorção de intermodulação é um multibanda ativo, com filtro crossover e amplificadores separados para cada banda. No entanto, esta conclusão é verdadeira independentemente da dieta GG.

3. O funcionamento das cabeças a partir de fontes de corrente provoca a necessidade de amortecimento acústico da sua ressonância principal, pelo que se consegue também algum amortecimento das ressonâncias parasitas do sistema em movimento. Isso melhora a resposta ao impulso do alto-falante e ajuda a eliminar a coloração adicional do som.

4. Para obter uma alta impedância de saída do amplificador e manter uma pequena quantidade de sua distorção, OOS deve ser usado não em termos de tensão, mas em termos de corrente.

Claro, o autor entende que o método proposto para reduzir a distorção não é uma panacéia. Além disso, no caso de usar um alto-falante multibanda pronto, o fornecimento de corrente de seus GGs individuais sem alteração é impossível. Uma tentativa de conectar um alto-falante multibanda como um todo a um amplificador com impedância de saída aumentada levará não tanto a uma diminuição na distorção, mas a uma distorção acentuada da resposta de frequência e, consequentemente, a uma falha no equilíbrio tonal. No entanto, a redução das distorções de intermodulação do GG em quase uma ordem de grandeza, e por um método tão acessível, claramente merece atenção digna.

O autor agradece aos membros da equipe do NIKFI A.P. Syritso. para ajuda com as medições e Shraibman A.E. para discutir os resultados.

Autor: S. Ageev, Moscou; Publicação: cxem.net

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