2009/06/26 18:08
說到要講原理, 可能一大堆人準備打呵欠了! 但別慌, 我也是很容易打呵欠的, 所以我盡量在原理方面長話短說擷取重點, 以期能用最簡單的敘述來表達清楚什麼是動態回授.
在一套音響器材中, 喇叭和放大器可以說是相依共存的, 缺了其中一樣就無法發聲. 不過在一般系統中, 喇叭是獨立的系統, 放大器也是獨立的系統, 它們之間只是以喇叭線連接起來用以傳輸信號並完成重播的功能. 我們知道, 放大器無論是何種電路架構都一定會有回授, 其目的是用來控制增益並且穩定電路動作和降低失真. 但在獨立的放大器系統中, 回授電路只能控制到放大器的輸出端, 所以放大器只能保證自己送出去的信號是對的, 之後喇叭在接受到信號後所產生的動作如何只能靠喇叭自己的性能了. 由於喇叭是機械性動作的元件, 它是否能隨著電力訊號而做完美的機械運動並發出原音, 我想大家都很容易理解, 那是不可能的事, 至少光紙盆的慣性就很難讓零失真發生. 所以動態回授的構想就是希望藉著將回授點由放大器的輸出端推移到喇叭端, 把偵測到的紙盆運動狀態回授到放大器並且加以補償及修正喇叭所產生的各種失真及頻率響應的平坦和延伸. 不過回授並不是萬靈丹, 往往過多或複雜的回授反而讓聲音變的更難聽, 因此這裡所談的動態回授只針對低頻部分, 這個頻段是人耳對音質較不敏感但對量感及延伸卻很敏感的部分, 因為它會影響整個音頻段的平衡與舒適感.
一個揚聲系統包含了許多特性, 其中最常看到的一項就是 “阻抗” , 一般都會說這是8歐姆或4歐姆的喇叭. 不過這只是 “標稱阻抗”, 事實上喇叭的阻抗是非常複雜的, 它不僅有直流電阻還有電感抗, 若紙盆處於運動之中更包含了像空氣質量, 柔順度, 輻射耗散等等複雜的因素. 這裡, 我們將喇叭的阻抗簡單分類為 “靜態阻抗” Zs 及 “動態阻抗” Zd 兩種, 所謂“靜態阻抗” 就是紙盆靜止時的直流電阻 Rs 加上交流的電感抗 ZL, 而紙盆運動時所產生的各種複雜的阻抗因素就通通歸為“動態阻抗”.
所以, 喇叭的阻抗特性可以畫成如下等效電路:
上圖中 Zo 是放大器的輸出阻抗, 喇叭則是 Zs + Zd // Rr , Zd 旁還並了一個 Rr, 這是因為紙盆運動時會發出聲音, Rr 就是聲能輻射電阻, 是空氣對聲音的影響力, 在500Hz以下時 Rr 和頻率的平方成正比, 500Hz以上因為影響的因素太多太複雜, 且超出了低音範圍在此就不去談它. Rr 的關係式是:
Ps = V^2 * Rr,
Ps 是聲能, V是紙盆速度, 前面說 Rr 在500Hz以下時 Rr 和頻率的平方成正比, 所以從這個式子知道, Ps 也將和 Rr 一樣, 和頻率的平方成正比. 頻率越低 Rr 越小, 聲能 Ps 自然越不足, 所以就需要用更大的功率來推動.
回上圖, 從這個等效電路中, 我們可以看到放大器的輸出信號是加在這一連串的串並聯阻抗之上, 而真正能有效發出聲音的信號卻是 Rr 兩端的電壓 Vzd, 它已經被好幾道分壓過了, 途中被 Zo, Zs 損耗掉不少能量, 難怪喇叭會產生失真, 因為 Vzd 並不等於放大器的輸出.
所以要解決放大器的能量不能 100% 送到揚聲器的聲能輻射 Rr 上的問題, 就是要使 Zo, Zs = 0 (或Zo + Zs = 0). 方法是想辦法在單體上設置紙盆運動的感應裝置, 利用偵測喇叭的運動狀態將信號送回放大器, 與原始訊號比較後, 使放大器的輸出能夠補償掉損失於 Zo 及 Zs 上的電壓, 而讓 Vzd = Vin*A (輸入乘以放大器的增益 A), 也就是最原始的放大信號直接加之於 Rr 上.
像Genesis這種廠製品, 他們偵測喇叭的狀態是利用裝在單體上的一個壓電元件來檢知紙盆運動, 不過這種特殊單體對於DIYer應該是取不到. 但可以用一個聰明且簡單的方法來取代單體上的壓電元件, 就是在單體上串一個小阻值電阻 R, 利用偵測流過單體的電流即可得知單體的運動狀態. 如下圖:
主放大器A1負責推動喇叭, 而另一個放大器A2則專門偵測流經喇叭的電流, 利用電流流經 R 產生的壓降經 A2 放大後成為 Vf 送回去和原信號 Vin 相加後變成 Vi, 再由 A1 放大成信號 Vo, 在某種條件下, Vo 恰可補償掉損失於 Zo 及 Zs 上的電壓, 什麼樣的條件呢? 這裡不去列推導式子, 只列出結果, 即:
當 R = Zs / (A1A2 – 1) 時, 其回授量洽可使 Vo 補償掉損失於Zo及Zs上的電壓,
即當上述條件成立時 Vzd = Vin*A. 其中A1, A2 代表兩個放大器 A1, A2 的增益.
例: Zs = 8 ohm, A = 20倍, B = 1倍, 則
R = 8/ (20*1-1) = 0.42 ohm
但是 Zs 很難抓出精確值, 所以我們直接取 R = 0.5 ohm, 然後在 R 與 A2 之間加一個可變電阻作為回授量微調即可. 而調整方法為: 回授量由最小逐漸調大, 當喇叭開始狂鳴之時, 再調回去一點使之不會狂鳴時即為正確調整點.
最後, 還有一個問題要解決, 前面說過 Rr 和頻率的平方成正比, 也就是說頻率越低聲能輻射效率越差, 所以必須在 Vin 前端加上一個等化網路, 基本上是一個 6db / oct 的低通濾器, 其轉折頻率 fb 即為此超低音的低頻衰減點, 例如: 20Hz. 不過請注意, 如果是小音箱假設本身只能到 50Hz, 卻想用動態回授硬將低頻擠出15Hz, 則需要更大功率的放大器, 同時也要考量單體是否能承受的了, 天下沒有白吃的午餐。
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