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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE L'UMZCH doit-il avoir une faible impédance de sortie ? Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Amplificateurs de puissance à transistors À propos de la réduction de la distorsion d'intermodulation et des harmoniques dans les haut-parleurs La différence de son des haut-parleurs lorsque vous travaillez avec différents UMZCH est principalement remarquée en comparant les amplificateurs à tube et à transistor : le spectre de leur distorsion harmonique est souvent très différent. Parfois, il existe des différences notables entre les amplificateurs du même groupe. Par exemple, dans l'un des magazines audio, les notes données par les UMZCH à tubes de 12 et 50 W tendaient en faveur d'un moins puissant. Ou l'évaluation était-elle biaisée ? Il nous semble que l'auteur de l'article explique de manière convaincante l'une des raisons mystiques de l'apparition de distorsions transitoires et d'intermodulation dans les haut-parleurs, qui créent une différence notable de son lorsque vous travaillez avec divers UMZCH. Il propose également des méthodes abordables pour réduire considérablement la distorsion des haut-parleurs, qui sont tout simplement mises en œuvre à l'aide d'éléments de base modernes. Il est maintenant généralement admis que l'une des exigences pour un amplificateur de puissance est de s'assurer que sa tension de sortie reste inchangée lorsque la résistance de charge change. En d'autres termes, la résistance de sortie de l'UMZCH doit être petite par rapport à celle de la charge, ne dépassant pas 1/10,,,1/1000 du module de résistance (impédance) de la charge |Zн|. Ce point de vue se reflète dans de nombreuses normes et recommandations, ainsi que dans la littérature. Spécialement introduit même un paramètre tel que le coefficient d'amortissement - Kd (ou facteur d'amortissement) égal au rapport de la résistance de charge nominale à l'impédance de sortie de l'amplificateur RO DÉRANGE. Ainsi, avec une résistance de charge nominale de 4 ohms et une impédance de sortie de l'amplificateur de 0,05 ohms Kd serait de 80. Les normes HiFi actuelles exigent que les amplificateurs de haute qualité aient un facteur d'amortissement d'au moins 20 (et au moins 100 est recommandé). Pour la plupart des amplificateurs à transistors du marché, Kd dépasse 200. Raisons du petit RO UM (et par conséquent élevé Kd) sont bien connus : il s'agit d'assurer l'interchangeabilité des amplificateurs et des haut-parleurs, d'obtenir un amortissement efficace et prévisible de la résonance principale (basse fréquence) du haut-parleur, ainsi que la commodité de mesurer et de comparer les caractéristiques des amplificateurs. Cependant, malgré la légitimité et la validité des considérations ci-dessus, la conclusion sur la nécessité d'un tel ratio, selon l'auteur, est fondamentalement erronée ! Le fait est que cette conclusion est faite sans tenir compte de la physique du travail des têtes de haut-parleurs électrodynamiques (GG). La grande majorité des concepteurs d'amplificateurs croient sincèrement que tout ce qui leur est demandé est de fournir la tension requise à une résistance de charge donnée avec le moins de distorsion possible. Les concepteurs d'enceintes, pour leur part, semblent supposer que leurs produits seront alimentés par des amplificateurs à impédance de sortie négligeable. Il semblerait que tout soit simple et clair - quelles questions peut-il y avoir? Néanmoins, il y a des questions, et très sérieuses. La principale est la question de l'ampleur de la distorsion d'intermodulation introduite par le GG lorsqu'il est exploité à partir d'un amplificateur à résistance interne négligeable (source de tension ou source EMF). « Qu'est-ce que l'impédance de sortie de l'amplificateur a à voir avec cela ? Ne me trompez pas ! dira le lecteur. - Et il a tort. C'est le cas, et le plus direct, malgré le fait que le fait de cette dépendance est mentionné extrêmement rarement. Dans tous les cas, aucun travail moderne n'a été trouvé qui considère cet effet sur tous les paramètres du chemin électroacoustique de bout en bout - de la tension à l'entrée de l'amplificateur aux vibrations sonores. Pour une raison quelconque, lors de l'examen de ce sujet, nous étions auparavant limités à l'analyse du comportement du GG près de la résonance principale aux basses fréquences, alors que des choses non moins intéressantes se produisent à des fréquences sensiblement plus élevées - quelques octaves au-dessus de la fréquence de résonance. Cet article est destiné à combler cette lacune. Il faut dire que, pour augmenter l'accessibilité, la présentation est très simplifiée et schématisée, de sorte qu'un certain nombre de questions "subtiles" sont restées sans considération. Ainsi, afin de comprendre comment l'impédance de sortie de l'UMZCH affecte la distorsion d'intermodulation dans les haut-parleurs, nous devons nous rappeler quelle est la physique du rayonnement sonore d'un diffuseur GG. En dessous de la fréquence de résonance principale, lorsqu'une tension de signal sinusoïdale est appliquée à l'enroulement de la bobine acoustique du GG, l'amplitude de déplacement de son diffuseur est déterminée par la résistance élastique de la suspension (ou de l'air comprimé dans une boîte fermée) et est presque indépendante de la fréquence du signal. Le fonctionnement du GG dans ce mode se caractérise par de fortes distorsions et un très faible retour d'un signal acoustique utile (très faible rendement). A la fréquence de résonance fondamentale, la masse du diffuseur, avec la masse d'air oscillante et l'élasticité de la suspension, forment un système oscillatoire semblable à un poids sur un ressort. L'efficacité du rayonnement dans cette gamme de fréquences est proche du maximum pour ce HG. Au-dessus de la fréquence de résonance principale, les forces d'inertie du diffuseur, ainsi que la masse d'air oscillante, s'avèrent supérieures aux forces élastiques de la suspension, de sorte que le déplacement du diffuseur s'avère inversement proportionnel au carré de la fréquence. Cependant, l'accélération du cône dans ce cas ne dépend théoriquement pas de la fréquence, ce qui assure l'uniformité de la réponse en fréquence en termes de pression acoustique. Par conséquent, pour assurer l'uniformité de la réponse en fréquence du HG aux fréquences supérieures à la fréquence de la résonance principale, une force d'amplitude constante doit être appliquée au diffuseur du côté de la bobine acoustique, comme il ressort de la deuxième loi de Newton (F =m*a). La force agissant sur le cône de la bobine mobile est proportionnelle au courant qu'elle contient. Lorsque le GG est connecté à une source de tension U, le courant I dans la bobine mobile à chaque fréquence est déterminé à partir de la loi d'Ohm I (f) \uXNUMXd U / Zг(f), où Zг(f) est l'impédance complexe dépendant de la fréquence de la bobine mobile. Elle est déterminée principalement par trois grandeurs : la résistance active de la bobine mobile Rг (mesuré avec un ohmmètre), inductance LM. Le courant est également affecté par la force contre-électromotrice qui se produit lorsque la bobine acoustique se déplace dans un champ magnétique et est proportionnelle à la vitesse de déplacement. À des fréquences beaucoup plus élevées que la résonance principale, la valeur de contre-EMF peut être négligée, car le cône avec la bobine mobile n'a tout simplement pas le temps d'accélérer dans la moitié de la période de la fréquence du signal. Par conséquent, la dépendance Zг(f) au-dessus de la fréquence de résonance fondamentale est déterminée principalement par les valeurs de Rг et Lг Donc, ni la résistance Rg ni inductance Lг ne sont pas particulièrement stables. La résistance de la bobine mobile dépend fortement de la température (TCR cuivre env. +0,35%/оC), et la température de la bobine mobile des GG moyenne fréquence de petite taille pendant le fonctionnement normal change de 30 ... 50 оAvec et assez rapidement - en dizaines de millisecondes ou moins. En conséquence, la résistance de la bobine acoustique, et donc le courant qui la traverse, et la pression acoustique à une tension appliquée constante changent de 10 ... 15 %, créant une distorsion d'intermodulation de la valeur correspondante compression du signal thermique). Les changements d'inductance sont encore plus complexes. L'amplitude et la phase du courant à travers la bobine mobile à des fréquences nettement supérieures à celle de résonance sont largement déterminées par la valeur de l'inductance. Et cela dépend beaucoup de la position de la bobine mobile dans l'entrefer: avec une amplitude de déplacement normale pour des fréquences légèrement supérieures à la fréquence de résonance fondamentale, l'inductance change de 15 ... 40% pour différents GG. En conséquence, à la puissance nominale fournie au haut-parleur, la distorsion d'intermodulation peut atteindre 10 ... 25%. Ce qui précède est illustré par une photographie d'oscillogrammes de pression acoustique prise sur l'un des meilleurs GG domestiques à moyenne fréquence - 5GDSH-5-4. Le schéma fonctionnel de la configuration de mesure est représenté sur la figure.
En tant que source d'un signal à deux tons, une paire de générateurs et deux amplificateurs ont été utilisés, entre les sorties desquels le test GG était connecté, installés sur un écran acoustique d'une superficie d'environ 1 m2 . Deux amplificateurs séparés avec une grande marge de puissance (400 W) sont utilisés pour éviter la formation de distorsion d'intermodulation lors du passage d'un signal à deux tons à travers le chemin d'amplification. La pression acoustique développée par la tête était perçue par un microphone électrodynamique à ruban dont la distorsion non linéaire est inférieure à -66 dB à un niveau de pression acoustique de 130 dB. La pression acoustique d'un tel haut-parleur dans cette expérience était d'environ 96 dB, de sorte que la distorsion du microphone dans ces conditions pouvait être négligée.
Comme on peut le voir sur les oscillogrammes sur l'écran de l'oscilloscope supérieur (supérieur - sans filtrage, inférieur - après filtrage HPF), la modulation d'un signal avec une fréquence de 4 kHz sous l'influence d'un autre avec une fréquence de 300 Hz ( avec une puissance de tête de 2,5 W) dépasse 20 %. Cela correspond à une distorsion d'intermodulation d'environ 15 %. Il semble qu'il n'y ait pas lieu de rappeler que le seuil de perceptibilité des produits de distorsion d'intermodulation est très inférieur à un pour cent, atteignant des centièmes de pour cent dans certains cas. Il est clair que les distorsions de l'UMZCH, si seulement elles sont de nature "douce", et ne dépassent pas quelques centièmes de pour cent, sont tout simplement indiscernables sur fond de distorsions du haut-parleur causées par son fonctionnement à partir d'une tension la source. Les produits de distorsion d'intermodulation détruisent la transparence et les détails du son - un "désordre" est obtenu, dans lequel les instruments et les voix individuels ne sont entendus qu'occasionnellement. Ce type de son est probablement bien connu des lecteurs (un bon test de distorsion peut être un phonogramme d'une chorale d'enfants). Cependant, il existe un moyen de réduire considérablement la distorsion décrite ci-dessus, causée par la variabilité de l'impédance de la tête. Pour cela, l'amplificateur pilotant le haut-parleur doit avoir une impédance de sortie bien supérieure aux composantes de l'impédance Rg et Xг (2p flg) GG. Ensuite, leurs changements n'auront pratiquement aucun effet sur le courant dans la bobine mobile et, par conséquent, les distorsions causées par ces changements disparaîtront également. Afin de démontrer l'efficacité de cette méthode de réduction des distorsions, le dispositif de mesure a été complété par une résistance de 47 Ohm (c'est-à-dire un ordre de grandeur supérieur au module d'impédance du GG étudié), connectée en série avec le GG. Pour maintenir le même niveau de pression acoustique, les niveaux de signal aux sorties des amplificateurs ont été augmentés en conséquence. L'effet du passage au mode courant est évident à partir d'une comparaison des oscillogrammes correspondants: la modulation parasite du signal haute fréquence sur l'écran de l'oscilloscope inférieur est beaucoup plus petite et à peine visible, sa valeur ne dépasse pas 2 ... 3% - il y a une forte diminution de la distorsion HG. Les connaisseurs peuvent objecter qu'il existe de nombreuses façons de réduire la variabilité de l'impédance de la bobine acoustique : il s'agit de combler l'écart avec un fluide magnétique de refroidissement, d'installer des capuchons en cuivre sur les noyaux du système magnétique et de sélectionner avec soin le profil du noyau. et densité d'enroulement de bobine, et bien plus encore. Cependant, toutes ces méthodes, premièrement, ne résolvent pas le problème en principe, et deuxièmement, elles entraînent une complication et une augmentation du coût de production des HG, de sorte qu'elles ne sont pas pleinement utilisées même dans les haut-parleurs de studio. C'est pourquoi la plupart des GG à moyenne et basse fréquence n'ont ni capuchons en cuivre ni fluide magnétique (dans ces GG, lorsqu'ils fonctionnent à pleine puissance, le liquide est souvent éjecté de l'entrefer). Par conséquent, alimenter le GG à partir d'une source de signal à haute impédance (à la limite - à partir d'une source de courant) est un moyen utile et rapide de réduire leur distorsion d'intermodulation, en particulier lors de la construction de systèmes acoustiques actifs multibandes. L'amortissement de la résonance principale dans ce cas doit être effectué de manière purement acoustique, car le facteur de qualité acoustique intrinsèque des GG à moyenne fréquence, en règle générale, dépasse largement un, atteignant 4...8. Il est curieux que ce soit précisément ce mode d'alimentation "courant" du GG qui a lieu dans les UMZCH à lampe avec une sortie pentode ou tétrode avec un FOS peu profond (moins de 10 dB), surtout s'il existe un FOS local pour le courant sous forme de résistance dans le circuit cathodique. Lors de la configuration d'un tel amplificateur, ses distorsions sans OOS général s'avèrent généralement inférieures à 2,..5% et sont perceptibles à l'oreille en toute confiance lorsqu'elles sont incluses dans la rupture du chemin de contrôle (méthode de comparaison avec le "droit fil"). Cependant, après avoir connecté un amplificateur à un haut-parleur, on constate qu'à mesure que la profondeur de la rétroaction augmente, le son s'améliore d'abord, puis il y a une perte de détails et de transparence. Ceci est particulièrement visible dans un amplificateur multibande, dont les étages de sortie sont directement dirigés vers les têtes de haut-parleur correspondantes sans aucun filtre. La raison de cela, à première vue, un phénomène paradoxal est qu'avec une augmentation de la profondeur OOS de la tension, l'impédance de sortie de l'amplificateur diminue fortement. Les conséquences négatives de l'alimentation du GG à partir de l'UMZCH avec une faible impédance de sortie sont discutées ci-dessus. Dans un amplificateur à triode, l'impédance de sortie, en règle générale, est bien inférieure à celle d'une pentode ou d'une tétrode, et la linéarité avant l'introduction de la rétroaction est plus élevée, de sorte que l'introduction de la rétroaction sur la tension améliore les performances d'un seul amplificateur, mais aggrave en même temps les performances de la tête de haut-parleur. En conséquence, à la suite de l'introduction d'une rétroaction de tension de sortie dans un amplificateur à triode, le son peut en fait s'aggraver, malgré l'amélioration des caractéristiques de l'amplificateur lui-même ! Ce fait empiriquement établi sert de nourriture inépuisable pour la spéculation sur le sujet des dommages causés par l'utilisation de la rétroaction dans les amplificateurs de puissance audio, ainsi que des arguments sur la transparence et le naturel particuliers du son. Cependant, à partir des faits ci-dessus, il s'ensuit clairement que le point n'est pas dans la présence (ou l'absence) de l'OOS lui-même, mais dans l'impédance de sortie résultante de l'amplificateur. C'est là que le "chien est enterré" ! Il convient de dire quelques mots sur l'utilisation de la résistance de sortie négative UMZCH. Oui, la rétroaction de courant positive (POF) aide à amortir le GG à la fréquence de résonance fondamentale et à réduire la puissance dissipée dans la bobine acoustique. Cependant, il faut payer la simplicité et l'efficacité de l'amortissement en augmentant l'influence de l'inductance GG sur ses caractéristiques, même en comparaison avec le mode de fonctionnement à partir d'une source de tension. En effet, la constante de temps Lг/Rr est remplacé par un plus grand, égal à Lг/[Rг+(-Rsortie PA)]. En conséquence, la fréquence diminue, à partir de laquelle la réactance inductive commence à dominer dans la somme des impédances du système « GG + UMZCH ». De même, l'influence des changements thermiques sur la résistance active de la bobine mobile augmente : la somme de la résistance changeante de la bobine mobile et de la résistance de sortie négative constante de l'amplificateur change davantage en pourcentage. Bien sûr, si Rdehors.PA en valeur absolue ne dépasse pas 1/3 ... 1/5 de la résistance active de l'enroulement de la bobine mobile, la perte due à l'introduction du POS est faible. Par conséquent, un faible courant POS pour un petit amortissement supplémentaire ou pour un réglage fin du facteur de qualité dans la bande basse fréquence peut être utilisé. De plus, le POS actuel et le mode source actuel dans l'UMZCH ne sont pas compatibles l'un avec l'autre, de sorte que l'alimentation actuelle du GG dans la bande basse fréquence n'est malheureusement pas toujours applicable. Avec la distorsion d'intermodulation, nous l'avons apparemment compris. Il reste maintenant à considérer la deuxième question - l'ampleur et la durée des harmoniques qui apparaissent dans le diffuseur du GG lors de la reproduction de signaux de nature impulsionnelle. Cette question est beaucoup plus compliquée et "plus fine". Comme on le sait, les diffuseurs GH ne peuvent être considérés comme infiniment rigides que dans une approximation très grossière. En fait, lorsqu'ils vibrent, ils se plient de manière importante, et de façon très bizarre. Ceci est dû à la présence d'un grand nombre de fréquences de résonance parasites du diffuseur et du système mobile du HG dans son ensemble. Après le passage du signal pulsé, les oscillations libres à chacune des fréquences de résonance ne s'éteignent pas immédiatement, générant des harmoniques, colorant le son et masquant la clarté et les détails, aggravant l'effet stéréo. Il existe théoriquement deux possibilités pour éliminer ces harmoniques. La première consiste à déplacer toutes les fréquences de résonance au-delà de la plage de fréquences de fonctionnement, dans la région des ultrasons lointains (50...100 kHz). Cette méthode est utilisée dans le développement de GG haute fréquence à faible puissance et de certains microphones de mesure. En ce qui concerne le GG, il s'agit d'une méthode de diffuseur "dur". La deuxième possibilité est de réduire le facteur de qualité des résonances parasites afin que les oscillations s'éteignent si rapidement qu'elles ne soient plus audibles. Cela nécessite l'utilisation de diffuseurs « doux », dont les pertes par courbure sont si importantes que le facteur de qualité des résonances parasites est proche de l'unité. Cependant, les distorsions non linéaires et la pression acoustique maximale d'un GG avec un diffuseur "doux" s'avèrent un peu moins bonnes que celles d'un GG avec un cône "dur". D'autre part, GG avec des cônes "mous", en règle générale, gagne de manière significative en termes de clarté, d'incoloration et de transparence du son. Ainsi, une troisième option est également possible - l'utilisation d'un GG avec un diffuseur relativement "dur" et l'introduction de son amortissement acoustique. Dans ce cas, il est possible de combiner dans une certaine mesure les avantages des deux approches. C'est ainsi que les haut-parleurs de contrôle de studio (grands moniteurs) sont le plus souvent construits. Naturellement, lorsque le HG amorti est alimenté à partir d'une source de tension, la réponse en fréquence est considérablement déformée en raison d'une forte baisse du facteur de qualité total de la résonance principale. La source de courant dans ce cas s'avère également préférable, car elle permet d'égaliser la réponse en fréquence simultanément à l'exclusion de l'effet de compression thermique. En ce qui concerne les harmoniques résultant des vibrations libres des diffuseurs du GG, alors, puisque les fréquences de résonance parasites sont généralement situées beaucoup plus haut que la fréquence de la résonance principale, le mode de fonctionnement du GG - avec une source de courant ou de tension - n'a pratiquement aucun effet sur eux. Le seul moyen direct de traiter les résonances parasites est l'amortissement acoustique. Cependant, la probabilité de leur excitation lorsque le GG est alimenté par une source de courant est moindre, car ces résonances deviennent plus perceptibles lorsqu'elles sont excitées par des produits de distorsion. Les amplitudes absolues et relatives de ces produits de distorsion pour ce mode de fonctionnement du GG s'avèrent nettement plus faibles. En résumant ce qui précède, nous pouvons tirer les conclusions pratiques suivantes : 1. Le mode de fonctionnement de la tête de haut-parleur à partir d'une source de courant (par opposition à une source de tension) permet une réduction significative de la distorsion d'intermodulation introduite par la tête elle-même. 2. L'option de conception la plus appropriée pour un haut-parleur à faible distorsion d'intermodulation est une multibande active, avec un filtre croisé et des amplificateurs séparés pour chaque bande. Cependant, cette conclusion est vraie quel que soit le régime GG. 3. Le fonctionnement des têtes à partir de sources de courant entraîne la nécessité d'un amortissement acoustique de leur résonance principale, à la suite de quoi un certain amortissement des résonances parasites du système en mouvement est également obtenu en cours de route. Cela améliore la réponse impulsionnelle du haut-parleur et aide à éliminer la coloration sonore supplémentaire. 4. Afin d'obtenir une impédance de sortie élevée de l'amplificateur et de maintenir une petite quantité de sa distorsion, OOS doit être utilisé non pas en termes de tension, mais en termes de courant. Bien sûr, l'auteur comprend que la méthode proposée pour réduire la distorsion n'est pas une panacée. De plus, dans le cas de l'utilisation d'un haut-parleur multibande prêt à l'emploi, l'alimentation en courant de ses GG individuels sans altération est impossible. Une tentative de connexion d'un haut-parleur multibande dans son ensemble à un amplificateur avec une impédance de sortie accrue entraînera non pas tant une diminution de la distorsion, mais une forte distorsion de la réponse en fréquence et, par conséquent, une défaillance de l'équilibre tonal. Néanmoins, la réduction des distorsions d'intermodulation du GG de près d'un ordre de grandeur, et par une méthode aussi accessible, mérite clairement une attention digne. L'auteur remercie les membres du personnel de NIKFI A.P. Syritso. pour obtenir de l'aide avec les mesures et Shraibman A.E. pour discuter des résultats. Auteur : S. Ageev, Moscou ; Publication : cxem.net
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