Melhorando a reprodução do som no sistema de alto-falante UMZCH. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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 Comentários do artigo

Ao ouvir, os especialistas geralmente dão preferência aos UMZCHs valvulados, apesar de os transistores terem formalmente parâmetros mais elevados. Qual é o problema? A hipótese dos autores do artigo sobre a ocorrência de distorções adicionais de intermodulação no UMZCH devido à resposta do alto-falante foi confirmada experimentalmente por eles no processo de busca de um método para avaliar objetivamente a qualidade dos amplificadores. O artigo faz uma análise crítica das soluções técnicas dos UMZCHs modernos e propõe medidas para eliminar a influência do alto-falante no amplificador. Os autores afirmam que o transistor UMZCH, resistente aos efeitos da resposta do alto-falante, proporciona reprodução sonora sem coloração específica.

Na estereofonia clássica de dois canais, a qualidade dos amplificadores de potência e dos alto-falantes tem um impacto significativo na realização do potencial de transmissão de som natural e imagem sonora espacial. Ouvintes atentos que visitam salas de concerto percebem imediatamente a diferença entre o som de instrumentos musicais reais e seu som na gravação reproduzida em alto-falantes.

As dificuldades em prever a qualidade da reprodução sonora estão associadas à imperfeição dos métodos utilizados para medições objetivas das características do caminho sonoro. Portanto, o principal critério na escolha do equipamento de áudio deve ser considerado a avaliação subjetiva da qualidade (SQA).

A maior influência nos resultados do RNS é exercida pelas propriedades dos elos finais do caminho de reprodução do som - o UMZCH e o alto-falante. Consideremos suas características e possibilidades para resolver problemas existentes.

Em primeiro lugar, vamos avaliar a relação entre os resultados do SOC e as características objetivas do UMZCH. focando especial atenção apenas nos parâmetros que, segundo os autores, têm maior impacto na qualidade da reprodução sonora. Aqui, de grande interesse é a análise dos resultados do SOC de UMZCHs valvulados e transistores (como componentes entre os quais existe a diferença mais dramática nas avaliações). Via de regra, nessas comparações, os parâmetros objetivos dos UMZCHs de tubo são significativamente inferiores aos de transistor, mas os resultados do SOC muitas vezes acabam sendo exatamente o oposto. Ao considerar, nos limitaremos a apenas alguns critérios básicos do SOC, utilizando as formulações mais utilizadas pelos especialistas.

A primeira característica do som é a coloração do timbre: leveza, suavidade, calor ou, consequentemente, peso, dureza, frieza (tonalidade metálica). A segunda é a reprodução do ataque (aumento do som): ativo, claro ou lento, solto. A terceira característica é a localização da fonte do sinal: panorama bom ou ruim. A quarta é a microdinâmica: bons detalhes de sinais de formas complexas com baixo nível ou detalhes pouco distinguíveis de sinais semelhantes. O resultado geral do SOC: um impacto emocional forte ou correspondentemente fraco.

As avaliações de especialistas dos UMZCHs comparados são tão diferentes que existem expressões de gíria - som de “tubo” e “transistor”. Explicações para as razões deste paradoxo foram dadas repetidamente na literatura, mas todas fornecem apenas respostas parciais. Tentemos mais uma vez estabelecer a relação entre os critérios SOC aqui considerados e os parâmetros objetivos dos UMZCHs comparados.

As peculiaridades da coloração do timbre no som de uma válvula UMZCH podem ser explicadas pelos seguintes motivos principais:

• espectro estreito de distorção não linear (NI), geralmente limitado ao segundo e terceiro harmônicos;
• baixa dependência do valor de NI com a frequência do sinal;
• uma diminuição acentuada na largura do espectro e na magnitude de NI com uma diminuição no nível do sinal;
• aumento suave em NI quando o estágio de saída está sobrecarregado.

As peculiaridades da coloração do timbre do som para o transistor UMZCH têm os seguintes motivos:

• faixa estendida de NI (até o 10º harmônico e acima);
• um aumento acentuado em NI com um aumento na frequência do sinal;
• uma ligeira diminuição na largura do espectro e na magnitude do NI com uma diminuição no nível do sinal;
• um aumento acentuado em NI quando o estágio de saída está sobrecarregado.

A reprodução de um ataque não distorcido de sinais sonoros é a condição mais importante para o reconhecimento preciso da imagem fonte. É óbvio que o aparecimento de distorções de ataque (prolongamento ou ênfase) na reprodução sonora de sinais reais afeta significativamente a sua percepção. Uma das razões para este tipo de distorção são as condições de correspondência do sistema UMZCH - alto-falante eletrodinâmico (EDG).

Como se sabe, quando um sinal de pulso atua sobre uma bobina de voz (VOC), surge uma força no EDC, tendendo a mudar sua posição no campo magnético, ou seja, a se mover. Porém, o back-EMF indutivo que surge neste caso, fechando na resistência de saída do UMZCH, cria uma corrente que impede uma mudança na posição do disjuntor e é direcionado para a corrente que causa essa mudança, ou seja, a saída corrente do UMZCH. O fluxo de “contracorrente”, por um lado, reduz o fator de qualidade da ressonância mecânica e aumenta o amortecimento [1], cuja eficácia depende da impedância de saída do UMZCH, e por outro lado, leva a um atraso no ataque reproduzido do sinal musical. Assim, este processo depende diretamente da magnitude da “contracorrente”, que, com um valor constante do back-EMF, é maior quanto menor for a resistência de saída do UMZCH. Qualquer mudança no valor da resistência de saída (por exemplo, devido à dependência da frequência da profundidade de feedback) leva a uma mudança na “contracorrente” e distorção do ataque. Distorções semelhantes surgem devido a mudanças na indutância do GC [1] em suas diversas posições dentro do sistema magnético e à excitação do EDF a partir de uma fonte de tensão. Comparar os valores de resistência de saída dos amplificadores valvulados (0,5...1,5 Ohm) e transistor (geralmente 0,1 Ohm ou menos) nos permite concluir que um valor de resistência mais alto é preferido.

Não se deve excluir a influência na precisão da reprodução de ataques e distorções pouco estudadas de processos termofísicos nos elementos ativos e passivos de UMZCH, EDC e cabos “acústicos”.

As próximas características importantes do RNS são legitimamente consideradas a localização de fontes de sinal e microdinâmica. Essas características, segundo os autores, são determinadas principalmente pela magnitude e espectro da distorção de intermodulação (ID) no sistema UMZCH-EDG.

Assim, numa primeira fase, podem tirar-se as seguintes conclusões:

1. Os resultados do SOC do sistema UMZCH-EDG são determinados pela totalidade das suas características técnicas e formalmente não dependem do tipo de elementos ativos utilizados no amplificador.

2. A maior influência na coloração do timbre é exercida pela magnitude e largura do espectro NI, bem como sua dependência da frequência e nível do sinal sonoro.

3. A precisão da reprodução do ataque de um sinal de áudio depende, em particular, da corrente causada pela indução de back-EMF do EDH e distorções de processos termofísicos nos elementos ativos e passivos de circuitos de alta corrente.

4. A localização das fontes de sinal e a microdinâmica são determinadas principalmente pela magnitude e espectro do sinal.

Agora vamos analisar as possibilidades de melhoria dos parâmetros UMZCH que têm maior impacto no RNS.

Vamos começar com métodos para reduzir a magnitude e o espectro do NI. Os estudos desses tipos de distorções estabeleceram duas razões principais para sua ocorrência - a não linearidade das características dos elementos ativos e o modo de operação do estágio de saída. Algumas vantagens na linearidade das características das válvulas eletrônicas, em comparação aos transistores, são amplamente conhecidas e bastante abordadas na literatura. Melhorar o transistor UMZCH neste parâmetro é mais eficaz ao usar modos de operação de transistores do estágio de saída sem corte de corrente de coletor, por exemplo: Super A, Nova classe A, Sem comutação [2, 3], etc. o espectro NI reduz significativamente (até o quarto ou quinto harmônicos) e seus valores, mas também sua diminuição acentuada à medida que o nível do sinal diminui. A independência de frequência de uma NI é geralmente alcançada através da escolha de circuitos e elementos apropriados. Um método de compensação conhecido como “correção de erros de feed forward” – correção de distorções usando comunicação direta – é altamente eficaz na redução de NI [4, 5]. Métodos bastante promissores para redução de NI incluem compensação com feedback para subtração de distorções - OCVI [6].

Ao projetar o transistor UMZCH, é necessário levar em consideração as características operacionais dos transistores do estágio de saída UMZCH ao operar em carga real. As razões para o aparecimento de várias distorções e métodos para reduzi-las são descritos em detalhes em [7-9], mas os métodos para controlar distorções ali propostos são extremamente complexos e requerem equipamentos de medição caros. A probabilidade de distorções pode ser significativamente reduzida usando recomendações, por exemplo, em [10]. Os melhores resultados na redução do NI no transistor UMZCH são alcançados usando o modo de operação do estágio de saída na classe A com uma profundidade mínima de feedback ambiental geral. Nesse caso, o NI pode ser bem menor do que nos amplificadores valvulados, devido à ausência de transformador de saída neles - fonte de distorção em baixas frequências.

Um aumento mais suave no NI quando o estágio de saída está sobrecarregado no transistor UMZCH é obtido reduzindo a profundidade do feedback negativo geral - quanto maior o efeito, menor será sua profundidade.

Consideremos a seguir possíveis métodos para aumentar a precisão da reprodução de um ataque de sinal de áudio, levando em consideração os motivos que o influenciam muito.

Assim como a distorção de intermodulação transitória, a distorção de ataque é reduzida de forma bastante eficaz quando a profundidade do feedback geral é reduzida. A redução do tempo de estabelecimento do sinal no UMZCH também é facilitada pela expansão da resposta de frequência do UMZCH sem proteção ambiental geral para 300...500 kHz.

No entanto, uma redução particularmente eficaz na distorção de ataque da corrente no circuito de carga, causada pelo back-EMF de indução, é alcançada no UMZCH com uma alta resistência de saída (RplL>> Rh). Os resultados da melhoria das características do caminho de áudio são descritos detalhadamente em [11 - 13]. Na Fig. As Figuras 1 e 2 mostram espectrogramas de distorções harmônicas (12) quando o EDC é excitado a partir de um UMZCH com baixa resistência de saída e de um UMZCH com alta resistência de saída. A distorção harmônica total para um sinal de 3 kHz é de cerca de 3% e 0,2%, respectivamente.

A análise da modelagem das distorções causadas por processos termofísicos ocorridos nos elementos ativos e passivos do caminho de áudio possibilitou a implementação prática de um dispositivo passivo que aumenta a precisão da reprodução do ataque [14].

Os métodos listados acima para melhorar a qualidade da reprodução do ataque mostram seu impacto no resultado final e explicam as razões das tentativas malsucedidas de conseguir isso apenas aumentando a taxa de aumento da tensão de saída do UMZCH.

A redução dos SI causa dificuldades perceptíveis devido à multiplicidade de causas de sua ocorrência e à complexidade de detecção [15-20]. Em grande medida, a solução do problema é dificultada pelos métodos de medição utilizados, que não permitem prever a avaliação pericial com precisão suficiente. Em [21], é proposto um método mais informativo para medir o coeficiente de intermodulação de ruído (NIF). No entanto, a análise dos resultados do SOC com este método de medição também não explica o motivo da acentuada diferença nas classificações: por exemplo, para um tubo UMZCH - 9 pontos, e para um transistor - 5. E isso é com menor diferenças no ISC - 0,8% e 0,9%, respectivamente. Portanto, este método também requer melhorias.

Uma tentativa de explicar avaliações subjetivas para este caso de medição levou os autores a um teste experimental da hipótese sobre a possível influência da resposta (reação de impulso) do EDH (1) no IS no UMZCH. Para tanto, foi utilizado o mesmo método de medição do CSR, mas em vez de uma carga resistiva do UMZCH, foi utilizado um EDC real. Especial atenção deve ser dada à necessidade de utilizar nessas medições o EDH real e não o seu equivalente, que não leva em consideração as não linearidades de conversão do sinal. Ao mesmo tempo, um aumento acentuado no NSR foi descoberto apenas para um transistor UMZCH com baixa resistência de saída: em vez de 0,9% passou para 9,7%, ou seja, houve um aumento de mais de 10 vezes. Para uma lâmpada UMZCH esses valores foram de 0,8% e 1,2%, respectivamente.

A principal diferença ao substituir a carga resistiva equivalente por um EDC real é que ela está no circuito OOS. Além da tensão de saída do sinal UMZCH e sua distorção, a resposta do EDC penetra adicionalmente. No loop OOS, eles são combinados e um sinal é formado para compensar a distorção do UMZCH e a resposta do EDC com a magnitude e fase correspondentes. O espectro de frequência do sinal de compensação pode ser 10-30 vezes maior que o limite superior do sinal de áudio.

Obviamente, o principal requisito para eliminar as distorções é a sua compensação exata, quase impossível de implementar. As limitações estão associadas à resposta de frequência real e resposta de fase do UMZCH, ao nível de distorção e ruído. Além disso, o modo de compensação é significativamente influenciado pela não linearidade das características do EDC, pelo que a compensação acaba por ser incompleta. A melhor compensação neste caso é alcançada apenas para componentes de frequência relativamente baixa do espectro de produtos de distorção do UMZCH e a resposta do EDC, e os componentes de alta frequência do espectro dessas oscilações entram novamente no circuito OOS, causando o aparecimento de novas pré-distorções no amplificador. Surge um círculo vicioso, gerando um aumento acentuado nos componentes de distorção de alta frequência. Aumentar a profundidade do feedback geral do amplificador só leva a uma maior expansão do espectro de distorção e, consequentemente, a uma deterioração ainda maior na qualidade da reprodução do som.

Além disso, criam-se condições sob as quais se torna possível que um condutor simples, como o cabo de conexão UMZCH-EDG, devido a diferenças em seus parâmetros distribuídos, seja capaz de influenciar os resultados do RNS, aumentando ou enfraquecendo determinados harmônicos de seus rica variedade. Ao mesmo tempo, surge outra hipótese, proposta pelos autores para explicar as misteriosas razões da influência dos cabos acústicos nos resultados do SOC: torna-se possível considerá-los como uma “válvula sonora” - um filtro passa-baixo, enfraquecendo a penetração da resposta do EDC para a saída do UMZCH.

Agora mostraremos os motivos da pequena influência na IA da resposta do EDC em UMZCHs valvulados, que, via de regra, possuem um transformador de saída correspondente e uma profundidade de feedback relativamente pequena. Se levarmos em conta que todos os problemas do sinal de resposta do EDC são causados ​​pela penetração de componentes de alta frequência do seu espectro, ou seja, interferência, então é óbvio que a indutância de fuga do transformador de saída pode desempenhar um papel útil como um filtro passa-baixa, enfraquecendo significativamente a quantidade de interferência de alta frequência que penetra no amplificador. Além disso, a pequena profundidade do OOS também ajuda a reduzir a influência da resposta do EDC. Parece aos autores que os processos aqui descritos no sistema UMZCH-EDG explicam em grande parte a diferença no RSO do tubo e do transistor UMZCHs obtidos no experimento [21].

Os resultados da análise indicam a possível ação de dois componentes da IA ​​no sistema UMZCH-EDG. Um deles é o próprio AI no UMZCH, que pode ser medido objetivamente (CSI) com uma carga resistiva equivalente. O segundo é a IA causada no UMZCH sob a influência da resposta do EDC.A detecção do segundo componente ocorre quando o UMZCH é carregado no EDC real por meio de medições repetidas do CSR.

Isso nos permite recomendar projetar o UMZCH de tal forma que o circuito forneça IA intrínseca mínima no UMZCH. Para analisar seu espectro, você pode usar uma técnica ligeiramente modificada para medir a frequência do ruído, analisando o ruído em bandas de um terço de oitava. Nesta fase, deve ser tida em conta a estreita relação entre IN e IA, utilizando métodos conhecidos para reduzi-las.

Como pode ser visto acima, o método mais eficaz para reduzir a influência da resposta do EDC no aumento de II no UMZCH é eliminar as condições para sua interação com outros sinais no loop OOS. Existem vários métodos para realizar esta tarefa. Por exemplo, um dispositivo de correspondência passiva denominado dissipador é altamente eficiente [14]. No entanto, há uma perda significativa de potência do sinal. Outro exemplo de implementação mais simples é um UMZCH baseado em transistores de efeito de campo usando um transformador de saída. Neste caso, o efeito alcançado é significativamente inferior ao do dissipador, mas ao mesmo tempo as perdas de potência de saída são reduzidas. O efeito máximo de redução da influência da resposta do EDG no NI é alcançado mantendo a alta eficiência e a ausência da influência dos cabos dos alto-falantes UMZCH-EDG apenas usando o UMZCH com alta impedância de saída (12, 13). a implementação prática do UMZCH - gerador de corrente, a influência dos processos termofísicos que ocorrem em seus elementos ativos e passivos, nas mudanças na faixa dinâmica e na intermodulação do sinal devido à compressão térmica.

Com esta solução, a precisão da reprodução do ataque é significativamente melhorada. As distorções que ocorrem no EDC também são significativamente reduzidas pelos seguintes motivos:

• a não linearidade de sua impedância devido ao deslocamento da bobina de voz e a mudança em sua resistência ativa devido à corrente em altos níveis de sinal;
• a natureza não linear da interação do campo magnético alternado ao redor da bobina de voz com um campo magnético constante no intervalo;
• a presença de forças de atração adicionais entre o circuito magnético e a bobina móvel quando ela é deslocada do núcleo.

Com base no exposto, é possível tirar as seguintes conclusões:

1. Os resultados das medições objetivas do CSR no UMZCH quando este é carregado em um EDC real permitem prever os resultados do SOC do sistema UMZCH - EDC.

2. A redução da magnitude e espectro de NI e IR, sua independência de frequência e aumento suave sob sobrecargas são condições necessárias para alcançar alta fidelidade na reprodução de som no sistema UMZCH-EDG. A sensibilidade do UMZCH à reação EDH deve ser mínima.

3. O maior efeito na melhoria da qualidade da reprodução do som pode ser alcançado ao usar um EDC com um UMZCH com alta impedância de saída.

Literatura

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Autores: A. Aleynov, Kharkov, A. Syritso, Moscou

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