¿Debería el UMZCH tener una impedancia de salida baja? Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.

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Acerca de la reducción de la distorsión de intermodulación y los armónicos en los altavoces

La diferencia en el sonido de los altavoces cuando se trabaja con diferentes UMZCH se nota principalmente al comparar amplificadores de válvulas y transistores: el espectro de su distorsión armónica suele ser significativamente diferente. A veces hay diferencias notables entre amplificadores del mismo grupo. Por ejemplo, en una de las revistas de audio, las calificaciones dadas por la lámpara UMZCH de 12 y 50 W tendieron a favor de una menos potente. ¿O la evaluación fue sesgada?

Nos parece que el autor del artículo explica de manera convincente una de las razones místicas de la aparición de distorsiones transitorias y de intermodulación en los altavoces, que crean una diferencia notable en el sonido cuando se trabaja con varios UMZCH. También ofrece métodos asequibles para reducir significativamente la distorsión de los altavoces, que se implementan de forma muy sencilla utilizando una base de elementos moderna.

Ahora se acepta generalmente que uno de los requisitos para un amplificador de potencia es garantizar que su voltaje de salida permanezca sin cambios cuando cambia la resistencia de carga. En otras palabras, la impedancia de salida del UMZCH debe ser pequeña en comparación con la de la carga, no mayor a 1/10,,,1/1000 del módulo de resistencia (impedancia) de la carga |Z_н|. Este punto de vista se refleja en numerosos estándares y recomendaciones, así como en la literatura. Especialmente introducido incluso un parámetro como el coeficiente de amortiguamiento - K_d (o factor de amortiguamiento) igual a la relación entre la resistencia de carga nominal y la impedancia de salida del amplificador R_O MENTE. Entonces, con una resistencia de carga nominal de 4 ohmios y una impedancia de salida del amplificador de 0,05 ohmios K_d sería 80. Los estándares HiFi actuales requieren que los amplificadores de alta calidad tengan un factor de amortiguación de al menos 20 (y se recomienda al menos 100). Para la mayoría de los amplificadores de transistores del mercado, K_d supera los 200.

Razones para R pequeña_O UM (y correspondientemente alto K_d) son bien conocidos: esto es para asegurar la intercambiabilidad de amplificadores y altavoces, para obtener una amortiguación efectiva y predecible de la resonancia principal (baja frecuencia) del altavoz, así como la conveniencia de medir y comparar las características de los amplificadores. Sin embargo, a pesar de la legitimidad y validez de las consideraciones anteriores, la conclusión sobre la necesidad de tal proporción, según el autor, ¡es fundamentalmente errónea!

Lo que pasa es que esta conclusión se hace sin tener en cuenta la física del trabajo de los cabezales electrodinámicos de los altavoces (GG). La gran mayoría de los diseñadores de amplificadores creen sinceramente que todo lo que se requiere de ellos es entregar el voltaje requerido a una resistencia de carga determinada con la menor distorsión posible. Los diseñadores de altavoces, por su parte, parecen suponer que sus productos estarán alimentados por amplificadores con una impedancia de salida insignificante. Parecería que todo es simple y claro: ¿qué preguntas puede haber?

Sin embargo, hay preguntas, y muy serias. La principal es la cuestión de la magnitud de la distorsión de intermodulación introducida por el GG cuando se opera desde un amplificador con resistencia interna despreciable (fuente de voltaje o fuente EMF).

"¿Qué tiene que ver la impedancia de salida del amplificador con esto? ¡No me engañes!" dirá el lector. - Y está equivocado. Lo ha hecho, y lo más directo, a pesar de que el hecho de esta dependencia se menciona muy raramente. En cualquier caso, no se han encontrado trabajos modernos que consideren este efecto en todos los parámetros de la ruta electroacústica de extremo a extremo, desde el voltaje en la entrada del amplificador hasta las vibraciones del sonido. Por alguna razón, al considerar este tema, anteriormente nos limitábamos a analizar el comportamiento del GG cerca de la resonancia principal a bajas frecuencias, mientras que cosas no menos interesantes suceden a frecuencias notablemente más altas, un par de octavas por encima de la frecuencia resonante.

Este artículo pretende llenar este vacío. Hay que decir que para aumentar la accesibilidad, la presentación está muy simplificada y esquematizada, por lo que una serie de cuestiones "sutiles" quedaron sin considerar. Entonces, para comprender cómo la impedancia de salida del UMZCH afecta la distorsión de intermodulación en los altavoces, debemos recordar cuál es la física de la radiación de sonido de un difusor GG.

Por debajo de la frecuencia de resonancia principal, cuando se aplica un voltaje de señal sinusoidal al devanado de la bobina móvil del GG, la amplitud de desplazamiento de su difusor está determinada por la resistencia elástica de la suspensión (o aire comprimido en una caja cerrada) y es casi independiente de la frecuencia de la señal. El funcionamiento del GG en este modo se caracteriza por grandes distorsiones y una salida muy baja de una señal acústica útil (muy baja eficiencia).

A la frecuencia de resonancia fundamental, la masa del difusor, junto con la masa de aire oscilante y la elasticidad de la suspensión, forman un sistema oscilatorio similar a un peso sobre un resorte. La eficiencia de la radiación en este rango de frecuencia está cerca del máximo para este HG.

Por encima de la frecuencia de resonancia principal, las fuerzas de inercia del difusor, junto con la masa de aire oscilante, resultan ser mayores que las fuerzas elásticas de la suspensión, por lo que el desplazamiento del difusor es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia. Sin embargo, la aceleración del cono en este caso no depende teóricamente de la frecuencia, lo que asegura la uniformidad de la respuesta de frecuencia en términos de presión sonora. Por lo tanto, para garantizar la uniformidad de la respuesta de frecuencia del HG a frecuencias superiores a la frecuencia de resonancia principal, se debe aplicar una fuerza de amplitud constante al difusor desde el lado de la bobina móvil, como se desprende de la segunda ley de Newton (F=m *a).

La fuerza que actúa sobre el cono de la bobina móvil es proporcional a la corriente en él. Cuando el GG está conectado a una fuente de voltaje U, la corriente I en la bobina móvil en cada frecuencia se determina a partir de la ley de Ohm I (f) \uXNUMXd U / Z_г(f), donde Z_г(f) es la impedancia compleja dependiente de la frecuencia de la bobina móvil. Está determinado principalmente por tres cantidades: la resistencia activa de la bobina móvil R_г (medida con un óhmetro), inductancia L_Sr. La corriente también se ve afectada por la fuerza contraelectromotriz que se produce cuando la bobina móvil se mueve en un campo magnético y es proporcional a la velocidad de movimiento.

A frecuencias mucho más altas que la resonancia principal, el valor de EMF posterior puede despreciarse, ya que el cono con la bobina móvil simplemente no tiene tiempo para acelerar en la mitad del período de la frecuencia de la señal. Por lo tanto, la dependencia Z_г(f) por encima de la frecuencia de resonancia fundamental está determinada principalmente por los valores de R_г y L_г

Entonces, ni la resistencia R_g ni inductancia L_г no difieren en la constancia especial. La resistencia de la bobina móvil depende en gran medida de la temperatura (cobre TCR aprox. +0,35 %/^оC), y la temperatura de la bobina de voz de los GG de frecuencia media de tamaño pequeño durante el funcionamiento normal cambia en 30 ... 50 ^оC y muy rápidamente, en decenas de milisegundos o menos. En consecuencia, la resistencia de la bobina móvil, y por lo tanto la corriente a través de ella, y la presión del sonido con un voltaje aplicado constante cambian entre un 10...15%, creando una distorsión de intermodulación de la magnitud correspondiente (en los GG de baja frecuencia, la temperatura cuya inercia es alta, el calentamiento de la bobina móvil provoca el efecto de compresión térmica de la señal).

Los cambios de inductancia son aún más complejos. La amplitud y la fase de la corriente a través de la bobina móvil a frecuencias notablemente más altas que la resonante están determinadas en gran medida por el valor de la inductancia. Y depende mucho de la posición de la bobina móvil en el espacio: con una amplitud de desplazamiento normal para frecuencias que son solo un poco más altas que la frecuencia de resonancia fundamental, la inductancia cambia en un 15 ... 40% para diferentes GG. En consecuencia, a la potencia nominal suministrada al altavoz, la distorsión de intermodulación puede alcanzar el 10 ... 25%.

Lo anterior se ilustra con una fotografía de oscilogramas de presión de sonido tomada en uno de los mejores GG domésticos de frecuencia media: 5GDSH-5-4. El diagrama de bloques de la configuración de medición se muestra en la figura.

Como fuente de una señal de dos tonos, se utilizaron un par de generadores y dos amplificadores, entre cuyas salidas se conectó el GG de prueba, instalado en una pantalla acústica con un área de aproximadamente 1 m² . Se utilizan dos amplificadores independientes con un gran margen de potencia (400 W) para evitar la formación de distorsión de intermodulación al pasar una señal de dos tonos a través de la ruta de amplificación. La presión sonora desarrollada por la cabeza fue percibida por un micrófono electrodinámico de cinta, cuya distorsión no lineal es inferior a -66 dB a un nivel de presión sonora de 130 dB. La presión de sonido de un altavoz de este tipo en este experimento fue de aproximadamente 96 dB, por lo que la distorsión del micrófono en estas condiciones podría despreciarse.

Como se puede ver en los oscilogramas en la pantalla del osciloscopio superior (superior - sin filtrar, inferior - después del filtrado HPF), la modulación de una señal con una frecuencia de 4 kHz bajo la influencia de otra con una frecuencia de 300 Hz ( con una potencia de cabeza de 2,5 W) supera el 20%. Esto corresponde a una distorsión de intermodulación de alrededor del 15%. Parece que no hace falta recordar que el umbral de perceptibilidad de los productos de distorsión de intermodulación es muy inferior al uno por ciento, llegando en algunos casos a centésimas por ciento. Está claro que las distorsiones del UMZCH, si solo son de naturaleza "suave", y no superan unas pocas centésimas de porcentaje, son simplemente indistinguibles en el contexto de las distorsiones en el altavoz causadas por su funcionamiento desde un voltaje. fuente. Los productos de distorsión de intermodulación destruyen la transparencia y el detalle del sonido: se obtiene un "desorden" en el que los instrumentos y las voces individuales se escuchan solo ocasionalmente. Este tipo de sonido probablemente sea bien conocido por los lectores (una buena prueba de distorsión puede ser un fonograma de un coro de niños).

Sin embargo, existe una manera de reducir drásticamente la distorsión descrita anteriormente, causada por la variabilidad de la impedancia del cabezal. Para ello, el amplificador que alimenta el altavoz debe tener una impedancia de salida mucho mayor que las componentes de la impedancia R_{g y} X_г (2p flg) GG. Entonces, sus cambios prácticamente no tendrán ningún efecto sobre la corriente en la bobina móvil y, en consecuencia, las distorsiones causadas por estos cambios también desaparecerán. Para demostrar la efectividad de este método de reducción de distorsiones, la configuración de medición se complementó con una resistencia de 47 ohmios (es decir, un orden de magnitud mayor que el módulo de impedancia del GG estudiado), conectada en serie con el GG. Para mantener el mismo nivel de presión sonora, los niveles de señal en las salidas de los amplificadores se incrementaron correspondientemente. El efecto de cambiar al modo actual es obvio al comparar los oscilogramas correspondientes: la modulación parásita de la señal de alta frecuencia en la pantalla del osciloscopio inferior es mucho más pequeña y apenas visible, su valor no excede 2 ... 3%: hay una fuerte disminución en la distorsión HG.

Los conocedores pueden objetar que hay muchas formas de reducir la variabilidad de la impedancia de la bobina de voz: llenar el espacio con un fluido magnético refrigerante e instalar tapas de cobre en los núcleos del sistema magnético y seleccionar cuidadosamente el perfil del núcleo. y densidad de devanado de bobina, y mucho más. Sin embargo, todos estos métodos, en primer lugar, no resuelven el problema en principio y, en segundo lugar, complican y elevan el costo de producción de los HG, por lo que no se utilizan por completo ni siquiera en los altavoces de estudio. Es por eso que la mayoría de los GG de frecuencia media y baja no tienen tapas de cobre ni fluido magnético (en tales GG, cuando funcionan a plena potencia, el líquido a menudo se expulsa por el espacio).

Por lo tanto, alimentar el GG desde una fuente de señal de alta impedancia (en el límite, desde una fuente de corriente) es una forma útil y conveniente de reducir su distorsión de intermodulación, especialmente cuando se construyen sistemas acústicos activos multibanda. La amortiguación de la resonancia principal en este caso debe realizarse de forma puramente acústica, ya que el factor de calidad acústica intrínseco de los GG de frecuencia media, por regla general, excede significativamente uno, alcanzando 4...8.

Es curioso que sea precisamente este modo de suministro de energía "actual" del GG el que se produce en la lámpara UMZCH con una salida de pentodo o tetrodo con un FOS poco profundo (menos de 10 dB), especialmente si hay un FOS local para corriente en forma de resistencia en el circuito del cátodo.

En el proceso de configuración de un amplificador de este tipo, sus distorsiones sin un OOS general generalmente resultan estar dentro del 2, 5% y se notan con confianza al oído cuando se incluyen en la interrupción de la ruta de control (método de comparación con el "directo"). cable"). Sin embargo, después de conectar un amplificador a un altavoz, se descubre que a medida que aumenta la profundidad de la retroalimentación, primero mejora el sonido y luego hay una pérdida de detalle y transparencia. Esto es especialmente notable en un amplificador multibanda, cuyas etapas de salida conducen directamente a los cabezales de los altavoces correspondientes sin ningún filtro.

La razón de esto, a primera vista, un fenómeno paradójico es que con un aumento en la profundidad de voltaje OOS, la impedancia de salida del amplificador disminuye drásticamente. Las consecuencias negativas de alimentar el GG desde el UMZCH con una baja impedancia de salida se analizan anteriormente. En un amplificador de triodo, la impedancia de salida, por regla general, es mucho menor que en un pentodo o tetrodo, y la linealidad antes de la introducción de la retroalimentación es mayor, por lo que la introducción de la retroalimentación en el voltaje mejora el rendimiento de un solo amplificador, pero al mismo tiempo empeora el rendimiento de la cabeza del altavoz. Como resultado, al introducir una retroalimentación de voltaje de salida en un amplificador de triodo, el sonido puede empeorar, ¡a pesar de la mejora en las características del propio amplificador! Este hecho establecido empíricamente sirve como alimento inagotable para la especulación sobre el tema del daño por el uso de retroalimentación en los amplificadores de potencia de audio, así como argumentos sobre la transparencia especial, similar a un tubo, y la naturalidad del sonido. Sin embargo, de los hechos anteriores, se deduce claramente que el punto no está en la presencia (o ausencia) del OOS en sí, sino en la impedancia de salida resultante del amplificador. ¡Ahí es donde el "perro está enterrado"!

Vale la pena decir algunas palabras sobre el uso de la resistencia de salida negativa UMZCH. Sí, la retroalimentación de corriente positiva (POF) ayuda a amortiguar el GG en la frecuencia de resonancia fundamental y reduce la potencia disipada en la bobina móvil. Sin embargo, hay que pagar por la simplicidad y eficiencia de la amortiguación aumentando la influencia de la inductancia GG en sus características, incluso en comparación con el modo de operación desde una fuente de voltaje. Esto se debe a que la constante de tiempo L_г/R_{r se reemplaza por uno mayor, igual a} L_г/[R_г+(-R_{PA de salida})]. En consecuencia, la frecuencia disminuye, a partir de lo cual la reactancia inductiva comienza a dominar en la suma de las impedancias del sistema "GG + UMZCH". De manera similar, la influencia de los cambios térmicos en la resistencia activa de la bobina móvil aumenta: la suma de la resistencia cambiante de la bobina móvil y la resistencia de salida negativa sin cambios del amplificador cambia más en términos porcentuales.

Por supuesto, si R_afuera.PA en valor absoluto no excede 1/3 ... 1/5 de la resistencia activa del devanado de la bobina móvil, la pérdida por la introducción del POS es pequeña. Por lo tanto, se puede utilizar un POS de corriente débil para una pequeña amortiguación adicional o para un ajuste fino del factor de calidad en la banda de baja frecuencia. Además, el PIC actual y el modo de fuente actual en el UMZCH no son compatibles entre sí, por lo que, lamentablemente, el suministro actual del GG en la banda de baja frecuencia no siempre es aplicable.

Con la distorsión de intermodulación, aparentemente lo descubrimos. Ahora queda por considerar la segunda pregunta: la magnitud y la duración de los armónicos que surgen en el difusor del GG al reproducir señales de naturaleza impulsiva. Esta pregunta es mucho más complicada y "más delgada".

Como es sabido, los difusores GH pueden considerarse infinitamente rígidos solo en una aproximación muy aproximada. De hecho, cuando vibran, se doblan significativamente y de una manera muy extraña. Esto se debe a la presencia de un gran número de frecuencias resonantes parásitas del difusor y del sistema de movimiento del HG en su conjunto. Después del paso de la señal pulsada, las oscilaciones libres en cada una de las frecuencias resonantes no se extinguen inmediatamente, generando sobretonos, coloreando el sonido y ocultando la claridad y el detalle, empeorando el efecto estéreo.

En teoría, existen dos posibilidades para eliminar estos armónicos. El primero es desplazar todas las frecuencias resonantes más allá del rango de frecuencia de operación, hacia la región del ultrasonido lejano (50...100 kHz). Este método se utiliza en el desarrollo de GG de baja potencia y alta frecuencia y algunos micrófonos de medición. Con respecto al GG, este es un método de un difusor "duro".

La segunda posibilidad es reducir el factor de calidad de las resonancias parásitas para que las oscilaciones desaparezcan tan rápidamente que no se puedan escuchar. Esto requiere el uso de difusores "suaves", cuyas pérdidas por flexión son tan grandes que el factor de calidad de las resonancias parásitas es cercano a la unidad. Sin embargo, las distorsiones no lineales y la presión sonora máxima de un GG con difusor "blando" resultan algo peores que las de un GG con cono "duro". Por otro lado, GG con conos "suaves", por regla general, gana significativamente en términos de claridad, falta de color y transparencia del sonido.

Por lo tanto, también es posible una tercera opción: el uso de un GG con un difusor relativamente "duro" y la introducción de su amortiguación acústica. En este caso, es posible combinar las ventajas de ambos enfoques hasta cierto punto. Así es como se construyen con mayor frecuencia los altavoces de control de estudio (monitores grandes). Naturalmente, cuando el HG amortiguado se alimenta de una fuente de voltaje, la respuesta de frecuencia se distorsiona significativamente debido a una fuerte caída en el factor de calidad total de la resonancia principal. La fuente de corriente en este caso también resulta ser preferible, ya que ayuda a igualar la respuesta de frecuencia simultáneamente con la exclusión del efecto de la compresión térmica.

En cuanto a los sobretonos que surgen de las oscilaciones libres de los difusores del GG, entonces, dado que las frecuencias de resonancia parásitas generalmente se ubican mucho más altas que la frecuencia de la resonancia principal, el modo de funcionamiento del GG - con una fuente de corriente o voltaje - tiene prácticamente ningún efecto sobre ellos. La única forma directa de lidiar con las resonancias parásitas es la amortiguación acústica. Sin embargo, la probabilidad de su excitación cuando el GG es alimentado por una fuente de corriente resulta ser menor, ya que estas resonancias se vuelven más notorias cuando son excitadas por productos de distorsión. Tanto las amplitudes absolutas como relativas de estos productos de distorsión para este modo de funcionamiento del GG resultan ser significativamente menores.

Resumiendo lo anterior, podemos sacar las siguientes conclusiones prácticas:

1. El modo de funcionamiento del cabezal del altavoz desde una fuente de corriente (a diferencia de una fuente de voltaje) proporciona una reducción significativa en la distorsión de intermodulación introducida por el propio cabezal.

2. La opción de diseño más adecuada para un altavoz con baja distorsión de intermodulación es un multibanda activo, con un filtro de cruce y amplificadores independientes para cada banda. Sin embargo, esta conclusión es cierta independientemente de la dieta GG.

3. El funcionamiento de los cabezales a partir de fuentes de corriente provoca la necesidad de una amortiguación acústica de su resonancia principal, como resultado de lo cual también se logra una cierta amortiguación de las resonancias parásitas del sistema en movimiento. Esto mejora la respuesta de impulso del altavoz y ayuda a eliminar la coloración adicional del sonido.

4. Para obtener una alta impedancia de salida del amplificador y mantener una pequeña cantidad de su distorsión, OOS debe usarse no en términos de voltaje, sino en términos de corriente.

Por supuesto, el autor entiende que el método propuesto para reducir la distorsión no es una panacea. Además, en el caso de utilizar un altavoz multibanda prefabricado, es imposible el suministro de corriente de sus GG individuales sin alteración. Un intento de conectar un altavoz multibanda como un todo a un amplificador con una mayor impedancia de salida conducirá no tanto a una disminución de la distorsión, sino a una fuerte distorsión de la respuesta de frecuencia y, en consecuencia, a una falla del balance tonal. Sin embargo, la reducción de las distorsiones de intermodulación del GG en casi un orden de magnitud, y por un método tan accesible, claramente merece una atención digna.

El autor agradece a los miembros del personal de NIKFI A.P. Syritso. para obtener ayuda con las medidas y Shraibman A.E. para discutir los resultados.

Autor: S. Ageev, Moscú; Publicación: cxem.net

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