諧波失真

科學知識 9547 1737 2014-11-24

諧波失真(THD)就是一種波形失真,在耳機指標中有標示,失真越小,音質也就越好。

諧波失真指原有頻率的各種倍頻的有害干擾。放大1kHZ的頻率信號時會產生2kHZ的2次諧波和3kHZ及許多更高次的諧波,理論上此數值越小,失真度越低。由於放大器不夠理想,輸出的信號除了包含放大了的輸入成分之外,還新添了一些原信號的2倍、3倍、4倍……甚至更高倍的頻率成分(諧波),致使輸出波形走樣。這種因諧波引起的失真叫做諧波失真。

總諧波失真指音頻信號源通過功率放大器時,由於非線性元件所引起的輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分。諧波失真是由於系統不是完全線性造成的,我們用新增加總諧波成份的均方根與原來信號有效值的百分比來表示。例如,一個放大器在輸出10V的1000Hz時又加上Lv的2000Hz,這時就有10%的二次諧波失真。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說來,1000Hz頻率處的總諧波失真最小,因此不少產品均以該頻率的失真作為它的指標。但總諧波失真與頻率有關,因此美國聯邦貿易委員會於1974年規定,總諧波失真必須在20~20000Hz的全音頻範圍內測出,而且放大器的最大功率必須在負載為8歐揚聲器、總諧波失真小於1%條件下測定。國際電工委員會規定的總諧波失真的最低要求為:前級放大器為0.5%,合併放大器小於等於0.7%,但實際上都可做到0.1%以下:FM立體聲調諧器小於等於1.5%,實際上可做到0.5%以下;激光唱機更可做到0.01%以下。由於測量失真度的現行方法是單一的正弦波,不能反映出放大器的全貌。實際的音樂信號是各種速率不同的復合波,其中包括速率轉換、瞬態響應等動態指標。

故高質量的放大器有時還註明互調失真、瞬態失真、瞬態互調失真等參數。

(l)互調失真(IMD):將互調失真儀輸出的125Hz與lkHz的簡諧信號合成波,按4:1的幅值輸入到被測量的放大器中,從額定負載上測出互調失真係數。

(2)瞬態失真(TIM):將方波信號輸入到放大器後,其輸出波形包絡的保持能力來表達。如放大器的轉換速率不夠,則方波信號即會產生變形,而產生瞬態失真。主要反映在快速的音樂突變信號中,如打擊樂器、鋼琴、木琴等,如瞬態失真大,則清脆的樂音將變得含混不清。

(3)瞬態互調失真:將3.15kHz的方波信號與15kHz的正弦波信號按峰值振幅比4:1混合,經放大器後,新增加全部互調失真的產物有效值與原來正弦振幅的百分比。如放大器採用深度大迴環負反饋,瞬態互調失真一般較大,具體反映出聲音呆滯、生硬、無臨場感;反之,則聲音圓滑、細膩、自然。

減少諧波失真的PCB設計方法

實際上印刷線路板(PCB)是由電氣線性材料構成的,也即其阻抗應是恆定的。那麼,PCB為什麼會將非線性引入信號內呢?答案在於:相對於電流流過的地方來說,PCB佈局是「空間非線性」的。

放大器是從這個電源還是從另外一個電源獲取電流,取決於加負載上的信號瞬間極性。電流從電源流出,經過旁路電容,通過放大器進入負載。然後,電流從負載接地端(或PCB輸出連接器的屏蔽)回到地平面,經過旁路電容,回到最初提供該電流的電源。

電流流過阻抗最小路徑的概念是不正確的。電流在全部不同阻抗路徑的多少與其電導率成比例。在一個地平面,常常有不止一個大比例地電流流經的低阻抗路徑:一個路徑直接連至旁路電容;另一個在達到旁路電容前,對輸入電阻形成激勵。圖1示意了這兩個路徑。地回流電流才是真正引發問題的原因。

早在三十年代,F.H.Brittain的揚聲器評價十一項測試項目中就有諧波失真,五十年代L.L.Brenek提出的揚聲器最重要的特性八項中有它,而今各電聲測試系統。從幾十萬人民幣的B&K系統到幾千元人民幣的國產測試系統都把它做為重要的測量對象。可見諧波失真對電聲界一直是個非常重要的參數。

諧波失真:當把基頻為f的正弦信號輸入揚聲器時,揚聲器輸出除f以外,由揚聲器的非線性失真而產生了,同f成整數倍的各次諧波成分:2f.3f……nf,我們稱之為諧波失真。諧波失真分為三類,而我們常用到的為THD(TOTALHARMONICDISTORTION)總諧波失真和幾次諧波失真(HARMONICDISTORTION)及特性總諧波失真(在實際測量中還會細分為偶次諧波失真,奇次諧波失真和SUB-HARMONICS),它們分別的特性規定為:由失真產生的總諧波聲壓有效值與總輸出聲壓有效值Pt之比;由失真產生的第幾次諧波聲壓有效值與總輸出聲壓有效值Pt之比;由失真產生的總諧波聲壓的有效值與平均特性聲壓Pm之比。在失真的分類中把它劃歸揚聲器的非線性失真。

對待諧波失真我們可以用法國著名哲學大師的薩特的存在主義來看待它!諧波失真客觀存在!現我們以錐型揚聲器為例:在揚聲器低頻時或在大振幅運動時揚聲器的折環及彈波(定心支片)組成的支撐系統不再符合線性的胡克定律(或稱為虎克定律)如在對揚聲器進行純音檢聽時折環邊產生的「啪啪」聲,俗稱「打邊」這是非線性的一個極端表現;在讓布邊折環的揚聲器做大振幅(fo附近,並非所有的揚聲器振動的最大振幅都在fo處)的運動時,我們可以很明顯的看到布邊的扭曲變形。在布邊折環上常會「打」上阻尼膠,阻尼膠又分「油性」和「水性」,在PA喇叭上多用的是「油性」,但在高檔的廠品上我們常可看在橡膠折環上「打」有透明發亮的水性阻尼膠,一般「打」膠不超過折環的1/2、但這種打膠方式和膠量很難控制;在橡膠折環(現大多用NBR?nitrile-butadienerubber丁腈橡膠)改善上,常對折環的形狀處理,但在這個方面的處理方法,國內做的不夠,國內在對喇叭單體設計時常重視折環的質量和順性而忽略折環的另一個量及橡膠的阻尼,雖然在分析錐型揚聲器時多用集中參數系統來分析,那是特指在低頻時,但是我們是否都把錐型揚聲器做超低音和低音呢?此時諧波失真與西勒-斯莫爾參數(Thille-SmallDepartments)中的Qm(力學品質因數)有著很微妙的聯繫。

華司(上導極板)與T鐵的鐵拄間的磁感應密度沿軸向(音圈振動方向)的不均勻性,是產生諧波失真的另一原因。現在國內普遍運用的方法的用對稱磁路來改善它(如圖所示),在低.音單元上,知其然者乘少,未曾看到幾許,細想其原因都是「金錢惹的禍」!丹麥的PELESS是的單體內側加一個鋁環來改善它!(如圖所示)當然這種做法最易令人發現的做法。

從頻率用是BL(磁力係數)的增加。的角度來看,中高頻的諧波失真,與低頻時的諧波失真是由兩類不同的量起決定性作用的,在錐型揚聲器中諧波失真客觀存在,你只能改善,不能消除。要解決錐型揚聲器的諧波失真,除非採用另類的發聲原理,但這對整個行業來說是任重而道遠,失真就跟測量誤差一樣,看人家外國廠品的廣告「HALCRO------世界上失真最低的放大器」,但在國內看到某日本品牌中國公司的廠品廣告上:「徹底解決音箱互調失真1我倒,我笑,這是對國人的誤導和愚弄,更顯現出該公司的不負責任和無知!

諧波失真客觀存在「有理」。客觀測試的結果與主觀感覺往環一致,從人耳的聽覺機理分析人耳只能區分最初的六個~七個諧音(諧波),對六次以上的諧音很難在感覺上將它們彼此分開,因為到六階以後的諧音,相鄰的兩個諧音落在人耳的基底膜上的兩個對應區域已相互靠近,並覆蓋在一個臨界帶以內,很難在感覺上將它們彼此分開。但高次諧波對音質的影響不可忽視,通過實驗發現異常噪音,來自高次諧波。根據諧波失真的「階次」,可以分為「軟失真」和「硬失真」。但對揚聲器來說「偶次」諧波失真和「奇次」諧波失真對音質的改善,更具有指導意義,特別是聽感上。膽機在聽感上大受發燒友的歡迎就它的「功勞」。從音樂聲學看,樂器的基頻相對於各次諧音聽起來並非都是諧和的,如在樂音中諧和的諧音成分愈多,則音色豐富,純淨好聽,不諧和的諧音多,則音樂色粗糲,刺耳難聽,七階以上的奇次諧波會使聲音變得粗糲變得粗糲刺耳。

HALCRO------世界上失真最低的放大器

揚聲器在中交頻段的失真.主要是磁路(鐵心)的非線性所致,為了消除鐵心所引起的非線性失真,目前常採用一種叫做「線性磁路」的結構,這種磁路結構的特點,是在鐵心的頂部中失做成凹陷的形狀,使其和導磁板相對的部分由於鐵心截面積的減小而接近磁飽和狀態,此時,音圈就相當於一個空心線圈,從而避免了鐵心影響,減小非線性失真。

音圈的作大長沖程運動時。音圈上的音圈線跳出了氣隙半磁場的均勻區,以致機電轉換係數BT不能保持恆定電動力效應F=BTI的線性關係受到破壞,從而造成非線性失真。

改善由於這種原因所引起的失真,一般採用兩種方法:一是採用短音圈,二是採用長音圈.所謂短音圈,即音圈的長度做得比導磁板的厚度小,如圖所了使音圈在振動過程中不致於跳出磁場的均勻區,從而避免了非線性失真。這種方式造成成本提交,不常用,所謂長音圈,則指的是音圈的長度,做得比華司厚度長,使音圈在振動過程中與所有的磁通相耦合,(包括均勻區和非均勻區)從而使平均磁感應密度B總體上保持恆定,以避免非線性失真,但這種方法必定造成揚聲器在相同直流阻下,必定要使更粗的音圈線靈敏度下降,因你使音圈的轉幅增大,音圈的質量振大,BT,你的磁間隙,因音圈線的變粗而變大,B變小,而B2T2MD。



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