L'UMZCH dovrebbe avere una bassa impedenza di uscita? Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Informazioni sulla riduzione della distorsione di intermodulazione e degli armonici negli altoparlanti

La differenza nel suono degli altoparlanti quando si lavora con diversi UMZCH si nota principalmente confrontando amplificatori a valvole e transistor: lo spettro della loro distorsione armonica è spesso significativamente diverso. A volte ci sono differenze evidenti tra gli amplificatori dello stesso gruppo. Ad esempio, in una delle riviste audio, le valutazioni date dagli UMZCH a valvole da 12 e 50 W tendevano a favore di uno meno potente. O la valutazione era di parte?

Ci sembra che l'autore dell'articolo spieghi in modo convincente uno dei motivi mistici del verificarsi di distorsioni transitorie e di intermodulazione negli altoparlanti, che creano una notevole differenza nel suono quando si lavora con vari UMZCH. Offre anche metodi convenienti per ridurre significativamente la distorsione degli altoparlanti, che sono implementati semplicemente utilizzando la moderna base di elementi.

È ormai generalmente accettato che uno dei requisiti per un amplificatore di potenza sia quello di garantire che la sua tensione di uscita rimanga invariata al variare della resistenza di carico. In altre parole, la resistenza di uscita dell'UMZCH dovrebbe essere piccola rispetto a quella del carico, non superiore a 1/10,,,1/1000 del modulo di resistenza (impedenza) del carico |Z_н|. Questo punto di vista si riflette in numerosi standard e raccomandazioni, nonché nella letteratura. Appositamente introdotto anche un parametro come il coefficiente di smorzamento - K_d (o fattore di smorzamento) pari al rapporto tra la resistenza di carico nominale e l'impedenza di uscita dell'amplificatore R_O MENTE. Quindi, con una resistenza di carico nominale di 4 ohm e un'impedenza di uscita dell'amplificatore di 0,05 ohm K_d sarebbe 80. Gli attuali standard HiFi richiedono che gli amplificatori di alta qualità abbiano un fattore di smorzamento di almeno 20 (e almeno 100 è consigliato). Per la maggior parte degli amplificatori a transistor sul mercato, K_d supera 200.

Motivi del piccolo R_O UM (e corrispondentemente alto K_d) sono ben noti: ciò per garantire l'intercambiabilità di amplificatori e altoparlanti, per ottenere uno smorzamento efficace e prevedibile della risonanza principale (bassa frequenza) dell'altoparlante, nonché la comodità di misurare e confrontare le caratteristiche degli amplificatori. Tuttavia, nonostante la legittimità e la validità delle considerazioni di cui sopra, la conclusione sulla necessità di un tale rapporto, secondo l'autore, è fondamentalmente errata!

Il fatto è che questa conclusione viene fatta senza tener conto della fisica del lavoro delle testine elettrodinamiche (GG). La stragrande maggioranza dei progettisti di amplificatori crede sinceramente che tutto ciò che è loro richiesto è fornire la tensione richiesta a una determinata resistenza di carico con la minima distorsione possibile. I progettisti di altoparlanti, da parte loro, sembrano presumere che i loro prodotti saranno alimentati da amplificatori con impedenza di uscita trascurabile. Sembrerebbe che tutto sia semplice e chiaro: quali domande possono esserci?

Tuttavia, ci sono domande, e molto serie. La principale è la questione dell'entità della distorsione di intermodulazione introdotta dal GG quando viene azionato da un amplificatore con resistenza interna trascurabile (sorgente di tensione o sorgente EMF).

"Cosa c'entra l'impedenza di uscita dell'amplificatore con questo? Non prendermi in giro!" dirà il lettore. - E ha torto. Ha, e il più diretto, nonostante il fatto di questa dipendenza sia menzionato molto raramente. In ogni caso, non sono state trovate opere moderne che tengano in considerazione questo effetto su tutti i parametri del percorso elettroacustico end-to-end, dalla tensione all'ingresso dell'amplificatore alle vibrazioni sonore. Per qualche ragione, quando abbiamo considerato questo argomento, in precedenza ci siamo limitati ad analizzare il comportamento del GG vicino alla risonanza principale alle basse frequenze, mentre cose non meno interessanti accadono a frequenze notevolmente più alte - un paio di ottave sopra la frequenza di risonanza.

Questo articolo ha lo scopo di colmare questa lacuna. Va detto che per aumentare l'accessibilità, la presentazione è molto semplificata e schematizzata, per cui una serie di questioni "sottili" sono rimaste sconsiderate. Quindi, per capire come l'impedenza di uscita dell'UMZCH influenzi la distorsione di intermodulazione negli altoparlanti, dobbiamo ricordare qual è la fisica della radiazione sonora da un cono GG.

Al di sotto della frequenza di risonanza principale, quando viene applicata una tensione di segnale sinusoidale all'avvolgimento della bobina mobile del GG, l'ampiezza di spostamento del suo diffusore è determinata dalla resistenza elastica della sospensione (o aria compressa in scatola chiusa) ed è pressoché indipendente della frequenza del segnale. Il funzionamento del GG in questa modalità è caratterizzato da grandi distorsioni e da un'uscita molto bassa di un segnale acustico utile (efficienza molto bassa).

Alla frequenza di risonanza fondamentale, la massa del diffusore, insieme alla massa oscillante dell'aria e all'elasticità della sospensione, formano un sistema oscillatorio simile ad un peso su una molla. L'efficienza della radiazione in questa gamma di frequenze è vicina al massimo per questo HG.

Al di sopra della frequenza di risonanza principale, le forze d'inerzia del diffusore, insieme alla massa d'aria oscillante, risultano essere maggiori delle forze elastiche della sospensione, per cui lo spostamento del diffusore risulta essere inversamente proporzionale al quadrato della frequenza. Tuttavia, l'accelerazione del cono in questo caso non dipende teoricamente dalla frequenza, che garantisce l'uniformità della risposta in frequenza in termini di pressione sonora. Pertanto, per garantire l'uniformità della risposta in frequenza dell'HG a frequenze superiori alla frequenza della risonanza principale, è necessario applicare al diffusore una forza di ampiezza costante dal lato della bobina mobile, come segue dalla seconda legge di Newton (F =m*a).

La forza che agisce sul cono dalla bobina mobile è proporzionale alla corrente in esso contenuta. Quando il GG è collegato a una sorgente di tensione U, la corrente I nella bobina mobile a ciascuna frequenza è determinata dalla legge di Ohm I (f) \uXNUMXd U / Z_г(f), dove Z_г(f) è l'impedenza complessa dipendente dalla frequenza della bobina mobile. È determinato principalmente da tre grandezze: la resistenza attiva della bobina mobile R_г (misurata con un ohmmetro), induttanza L_Mr. La corrente è influenzata anche dal back-emf che si verifica quando la bobina mobile si muove in un campo magnetico ed è proporzionale alla velocità del movimento.

A frequenze molto superiori alla risonanza principale, il valore di back-EMF può essere trascurato, poiché il cono con la bobina mobile semplicemente non ha il tempo di accelerare nella metà del periodo della frequenza del segnale. Pertanto, la dipendenza Z_г(f) al di sopra della frequenza di risonanza fondamentale è determinata principalmente dai valori di R_г e L_г

Quindi, nessuna resistenza R_g, né induttanza L_г non sono particolarmente stabili. La resistenza della bobina mobile dipende fortemente dalla temperatura (rame TCR circa +0,35%/^оC) e la temperatura della bobina mobile di GG a media frequenza di piccole dimensioni durante il normale funzionamento cambia di 30 ... 50 ^оCon e piuttosto rapidamente - in decine di millisecondi o meno. Di conseguenza, la resistenza della bobina mobile, e quindi la corrente che la attraversa, e la pressione sonora con una tensione applicata costante cambiano del 10 ... 15%, creando una distorsione di intermodulazione del corrispondente valore di compressione del segnale termico).

I cambiamenti di induttanza sono ancora più complessi. L'ampiezza e la fase della corrente attraverso la bobina mobile a frequenze notevolmente superiori a quella di risonanza sono in gran parte determinate dal valore dell'induttanza. E dipende molto dalla posizione della bobina mobile nello spazio vuoto: con un'ampiezza di spostamento normale per frequenze che sono solo leggermente superiori alla frequenza di risonanza fondamentale, l'induttanza cambia del 15 ... 40% per GG diversi. Di conseguenza, alla potenza nominale fornita all'altoparlante, la distorsione di intermodulazione può raggiungere il 10 ... 25%.

Quanto sopra è illustrato da una fotografia di oscillogrammi di pressione sonora scattata su uno dei migliori GG domestici a media frequenza - 5GDSH-5-4. Lo schema a blocchi del setup di misura è mostrato in figura.

Come sorgente di un segnale bicolore sono stati utilizzati una coppia di generatori e due amplificatori, tra le cui uscite era collegato il test GG, installati su uno schermo acustico con un'area di circa 1 m² . Vengono utilizzati due amplificatori separati con un ampio margine di potenza (400 W) per evitare la formazione di distorsione di intermodulazione durante il passaggio di un segnale bicolore attraverso il percorso di amplificazione. La pressione sonora sviluppata dalla testa è stata percepita da un microfono elettrodinamico a nastro, la cui distorsione non lineare è inferiore a -66 dB ad un livello di pressione sonora di 130 dB. La pressione sonora di un tale altoparlante in questo esperimento era di circa 96 dB, in modo che la distorsione del microfono in queste condizioni potesse essere trascurata.

Come si può vedere sugli oscillogrammi sullo schermo dell'oscilloscopio superiore (superiore - senza filtraggio, inferiore - dopo il filtraggio HPF), la modulazione di un segnale con una frequenza di 4 kHz sotto l'influenza di un altro con una frequenza di 300 Hz ( con una potenza di testa di 2,5 W) supera il 20%. Ciò corrisponde a una distorsione di intermodulazione di circa il 15%. Sembra che non sia necessario ricordare che la soglia di percettibilità dei prodotti di distorsione di intermodulazione è molto inferiore all'uno per cento, raggiungendo in alcuni casi i centesimi di per cento. È chiaro che le distorsioni dell'UMZCH, se solo sono di natura "morbida" e non superano alcuni centesimi di percento, sono semplicemente indistinguibili sullo sfondo delle distorsioni nell'altoparlante causate dal suo funzionamento da una tensione fonte. I prodotti della distorsione di intermodulazione distruggono la trasparenza e i dettagli del suono: si ottiene un "pasticcio" in cui i singoli strumenti e le voci vengono ascoltati solo occasionalmente. Questo tipo di suono è probabilmente ben noto ai lettori (un buon test per la distorsione può essere un fonogramma di un coro di bambini).

Tuttavia, esiste un modo per ridurre drasticamente la distorsione sopra descritta, causata dalla variabilità dell'impedenza della testina. Per fare ciò, l'amplificatore che pilota l'altoparlante deve avere un'impedenza di uscita molto maggiore delle componenti dell'impedenza R_{g e} X_г (2p fLg) GG. Quindi le loro modifiche non avranno praticamente alcun effetto sulla corrente nella bobina mobile e, di conseguenza, spariranno anche le distorsioni causate da queste modifiche. Per dimostrare l'efficacia di questo metodo di riduzione delle distorsioni, l'impostazione di misura è stata integrata con un resistore da 47 Ohm (cioè un ordine di grandezza maggiore del modulo di impedenza del GG studiato), collegato in serie con il GG. Per mantenere lo stesso livello di pressione sonora, i livelli di segnale alle uscite degli amplificatori sono stati aumentati di conseguenza. L'effetto del passaggio alla modalità corrente è evidente da un confronto degli oscillogrammi corrispondenti: la modulazione parassita del segnale ad alta frequenza sullo schermo dell'oscilloscopio inferiore è molto più piccola e appena visibile, il suo valore non supera 2 ... 3% - c'è una forte diminuzione della distorsione HG.

Gli intenditori potrebbero obiettare che ci sono molti modi per ridurre la variabilità dell'impedenza della bobina vocale: riempire il vuoto con fluido di raffreddamento magnetico, installare cappucci di rame sui nuclei del sistema magnetico e selezionare attentamente il profilo del nucleo e la densità dell'avvolgimento della bobina e molto altro. Tuttavia, tutti questi metodi, in primo luogo, non risolvono il problema in linea di principio e, in secondo luogo, portano alla complicazione e all'aumento dei costi di produzione degli HG, per cui non vengono completamente utilizzati anche negli altoparlanti da studio. Ecco perché la maggior parte dei GG a media e bassa frequenza non hanno né cappucci in rame né fluido magnetico (in tali GG, quando funzionano a piena potenza, il liquido viene spesso espulso dallo spazio vuoto).

Pertanto, alimentare il GG da una sorgente di segnale ad alta impedenza (nel limite - da una sorgente di corrente) è un modo utile e conveniente per ridurre la loro distorsione di intermodulazione, soprattutto quando si costruiscono sistemi acustici attivi multibanda. In questo caso, lo smorzamento della risonanza principale deve essere eseguito esclusivamente acusticamente, poiché il fattore di qualità acustica intrinseca dei GG di media frequenza, di norma, supera significativamente uno, raggiungendo 4...8.

È curioso che sia proprio questa modalità di alimentazione "corrente" del GG che si verifica nelle lampade UMZCH con uscita a pentodo o tetrodo con un FOS superficiale (inferiore a 10 dB), soprattutto se esiste un FOS locale per la corrente sotto forma di resistenza nel circuito catodico.

Nel processo di configurazione di un tale amplificatore, le sue distorsioni senza un OOS generale di solito risultano essere entro il 2,..5% e sono chiaramente visibili a orecchio quando sono incluse nell'interruzione del percorso di controllo (metodo di confronto con il "diretto filo"). Tuttavia, dopo aver collegato un amplificatore a un altoparlante, si scopre che all'aumentare della profondità del feedback, il suono prima migliora e quindi si verifica una perdita di dettaglio e trasparenza. Ciò è particolarmente evidente in un amplificatore multibanda, i cui stadi di uscita si collegano direttamente alle testine degli altoparlanti corrispondenti senza alcun filtro.

La ragione di ciò, a prima vista, un fenomeno paradossale è che con un aumento della profondità di tensione OOS, l'impedenza di uscita dell'amplificatore diminuisce drasticamente. Le conseguenze negative dell'alimentazione del GG da un UMZCH con una bassa impedenza di uscita sono discusse sopra. In un amplificatore a triodo, l'impedenza di uscita, di regola, è molto inferiore rispetto a un pentodo o a un tetrodo e la linearità prima dell'introduzione del feedback è maggiore, quindi l'introduzione del feedback sulla tensione migliora le prestazioni di un singolo amplificatore, ma allo stesso tempo peggiora le prestazioni della testata dell'altoparlante. Di conseguenza, a seguito dell'introduzione di un feedback di tensione di uscita in un amplificatore a triodo, il suono può effettivamente peggiorare, nonostante il miglioramento delle caratteristiche dell'amplificatore stesso! Questo fatto stabilito empiricamente serve come cibo inesauribile per speculazioni sul tema del danno derivante dall'uso del feedback negli amplificatori di potenza audio, nonché argomenti sulla speciale trasparenza e naturalezza del suono simile a un tubo. Tuttavia, dai fatti di cui sopra, segue chiaramente che il punto non è nella presenza (o assenza) dell'OOS stesso, ma nell'impedenza di uscita risultante dell'amplificatore. È lì che è sepolto il "cane"!

Vale la pena dire alcune parole sull'uso della resistenza di uscita negativa UMZCH. Sì, il feedback di corrente positivo (POF) aiuta a smorzare il GG alla frequenza di risonanza fondamentale e ridurre la potenza dissipata nella bobina mobile. Tuttavia, la semplicità e l'efficienza dello smorzamento si devono pagare aumentando l'influenza dell'induttanza GG sulle sue caratteristiche, anche rispetto alla modalità di funzionamento da una sorgente di tensione. Questo perché la costante di tempo L_г/R_{r è sostituito da uno più grande, uguale a} L_г/[R_г+(-R_{uscita PA})]. Di conseguenza, la frequenza diminuisce, a partire dalla quale la reattanza induttiva inizia a dominare nella somma delle impedenze del sistema "GG + UMZCH". Allo stesso modo, aumenta l'influenza delle variazioni termiche sulla resistenza attiva della bobina mobile: la somma della resistenza variabile della bobina mobile e la resistenza di uscita negativa invariata dell'amplificatore cambia maggiormente in termini percentuali.

Naturalmente, se R_fuori.PA in valore assoluto non supera 1/3 ... 1/5 della resistenza attiva dell'avvolgimento della bobina mobile, la perdita dall'introduzione del POS è piccola. Pertanto, è possibile utilizzare un POS di corrente debole per un piccolo smorzamento aggiuntivo o per la regolazione fine del fattore di qualità nella banda delle basse frequenze. Inoltre, l'attuale POS e l'attuale modalità sorgente nell'UMZCH non sono compatibili tra loro, per cui l'alimentazione di corrente del GG nella banda delle basse frequenze, purtroppo, non è sempre applicabile.

Con la distorsione di intermodulazione, apparentemente l'abbiamo capito. Ora resta da considerare la seconda domanda: l'entità e la durata degli armonici che sorgono nel diffusore del GG durante la riproduzione di segnali di natura impulsiva. Questa domanda è molto più complicata e "più sottile".

Come è noto, i diffusori GH possono essere considerati infinitamente rigidi solo in modo molto approssimativo. Infatti, quando vibrano, si piegano notevolmente, e in un modo molto bizzarro. Ciò è dovuto alla presenza di un gran numero di frequenze risonanti parassite del diffusore e del sistema mobile dell'HG nel suo insieme. Dopo il passaggio del segnale pulsato, le oscillazioni libere a ciascuna delle frequenze risonanti non si estingono immediatamente, generando sfumature, colorando il suono e nascondendo chiarezza e dettaglio, peggiorando l'effetto stereo.

Ci sono teoricamente due possibilità per eliminare queste sfumature. Il primo è spostare tutte le frequenze di risonanza oltre la gamma di frequenza operativa, nella regione degli ultrasuoni lontani (50...100 kHz). Questo metodo viene utilizzato nello sviluppo di GG ad alta frequenza a bassa potenza e in alcuni microfoni di misurazione. Per quanto riguarda il GG, questo è un metodo di diffusore "duro".

La seconda possibilità è ridurre il fattore di qualità delle risonanze parassite in modo che le oscillazioni si estinguano così rapidamente da non poter essere udite. Ciò richiede l'uso di diffusori "morbidi", le cui perdite per flessione sono così grandi che il fattore di qualità delle risonanze parassite è vicino all'unità. Tuttavia, le distorsioni non lineari e la pressione sonora massima di un GG con diffusore "morbido" risultano essere leggermente peggiori di quelle di un GG con cono "duro". D'altra parte, i GG con coni "morbidi", di regola, vincono in modo significativo in termini di chiarezza, incolore e trasparenza del suono.

Quindi, è anche possibile una terza opzione: l'uso di un GG con un diffusore relativamente "duro" e l'introduzione del suo smorzamento acustico. In questo caso, è possibile combinare in una certa misura i vantaggi di entrambi gli approcci. Questo è il modo in cui vengono spesso costruiti gli altoparlanti di controllo da studio (monitor di grandi dimensioni). Naturalmente, quando l'HG smorzato è alimentato da una sorgente di tensione, la risposta in frequenza è notevolmente distorta a causa di un forte calo del fattore di qualità totale della risonanza principale. Anche in questo caso risulta essere preferibile la sorgente di corrente, poiché aiuta ad equalizzare la risposta in frequenza contemporaneamente escludendo l'effetto della compressione termica.

Per quanto riguarda gli armonici derivanti dalle oscillazioni libere dei diffusori del GG, poi, poiché le frequenze risonanti parassite si trovano solitamente molto più alte della frequenza della risonanza principale, il modo di funzionamento del GG - con sorgente di corrente o di tensione - ha praticamente nessun effetto su di loro. L'unico modo diretto per affrontare le risonanze parassitarie è lo smorzamento acustico. Tuttavia, la probabilità della loro eccitazione quando il GG è alimentato da una sorgente di corrente è inferiore, poiché queste risonanze diventano più evidenti quando sono eccitate da prodotti di distorsione. Sia l'ampiezza assoluta che quella relativa di questi prodotti di distorsione per questa modalità operativa del GG risultano essere significativamente inferiori.

Riassumendo quanto sopra, possiamo trarre le seguenti conclusioni pratiche:

1. La modalità di funzionamento della testa dell'altoparlante da una sorgente di corrente (anziché da una sorgente di tensione) fornisce una significativa riduzione della distorsione di intermodulazione introdotta dalla testa stessa.

2. L'opzione di progettazione più appropriata per un altoparlante con bassa distorsione di intermodulazione è un multibanda attivo, con un filtro crossover e amplificatori separati per ciascuna banda. Tuttavia, questa conclusione è vera indipendentemente dalla dieta GG.

3. L'azionamento delle testine da sorgenti di corrente comporta la necessità di uno smorzamento acustico della loro risonanza principale, per cui lungo il percorso si ottiene anche uno smorzamento delle risonanze parassite del sistema in movimento. Ciò migliora la risposta all'impulso dell'altoparlante e aiuta ad eliminare la colorazione aggiuntiva del suono.

4. Per ottenere un'elevata impedenza di uscita dell'amplificatore e mantenere una piccola quantità della sua distorsione, l'OOS dovrebbe essere utilizzato non in termini di tensione, ma in termini di corrente.

Naturalmente, l'autore comprende che il metodo proposto per ridurre la distorsione non è una panacea. Inoltre, nel caso di utilizzo di un altoparlante multibanda già pronto, l'alimentazione di corrente dei suoi singoli GG senza alterazioni è impossibile. Un tentativo di collegare un altoparlante multibanda nel suo insieme a un amplificatore con una maggiore impedenza di uscita comporterà non tanto una diminuzione della distorsione, ma una forte distorsione della risposta in frequenza e, di conseguenza, un fallimento del bilanciamento tonale. Tuttavia, la riduzione delle distorsioni di intermodulazione del GG di quasi un ordine di grandezza, e con un metodo così accessibile, merita chiaramente una degna attenzione.

L'autore ringrazia i membri dello staff di NIKFI A.P. Syritso. per assistenza con le misurazioni e Shraibman A.E. per discutere i risultati.

Autore: S. Ageev, Mosca; Pubblicazione: cxem.net

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