Коэффициент демпфирования

В аудиосистеме определяется коэффициент демпфирования как отношение номинального сопротивления громкоговорителя (обычно принимаемого равным 8 Ом ) к полному сопротивлению источника усилителя мощности. ^[1]^[2]^[3]^[4]^[5]^[6] Первоначально оно было предложено в 1941 году. ^[7] Используется только величина импеданса громкоговорителя, а выходное сопротивление усилителя мощности предполагается полностью резистивным.

Сравнение коэффициентов демпфирования твердотельного усилителя (Luxman L-509u) и лампового усилителя (Rogue Atlas)

В типичных твердотельных и ламповых усилителях коэффициент затухания изменяется в зависимости от частоты. В твердотельных усилителях коэффициент затухания обычно имеет максимальное значение на низких частотах и постепенно снижается на более высоких частотах. На рисунке справа показан коэффициент демпфирования двух усилителей. Один из них — полупроводниковый усилитель ( Luxman L-509u), а другой — ламповый усилитель (Rogue Atlas). Эти результаты довольно типичны для этих двух типов усилителей и служат иллюстрацией того факта, что ламповые усилители обычно имеют гораздо более низкие коэффициенты демпфирования, чем современные твердотельные усилители, что является нежелательной характеристикой.

Расчет

Сопротивление источника (которое видит громкоговоритель) включает сопротивление соединительного кабеля. нагрузки Импеданс $Z_{\mathrm {L} }$ и сопротивление источника $Z_{\mathrm {S} }$ показаны на принципиальной схеме.

Определение коэффициента демпфирования $DF$ обычно для характеристики аудиоусилителей используется: ^[7] $DF={\frac {Z_{\mathrm {L} }}{Z_{\mathrm {S} }}}$

Однако в этой форме $DF$ на самом деле не пропорционально демпфированию электрической цепи. Нагрузка является источником демпфируемой энергии, и если $Z_{\mathrm {S} }$ = 0, сопротивление демпфирования последовательно с источником энергии не может упасть ниже $Z_{\mathrm {L} }$ себя (если только $Z_{\mathrm {S} }$ делается отрицательным, что обычно непрактично). Этот факт был признан и предложено улучшенное определение: ^[8] $DF={\frac {Z_{\mathrm {L} }+Z_{\mathrm {S} }}{Z_{\mathrm {L} }}}$ Но прежнее определение, тем не менее, стало стандартным.

Объяснение

Пирс ^[4] предпринял анализ влияния коэффициента демпфирования усилителя на время затухания и частотно-зависимые изменения отклика закрытой акустической системы с акустической подвеской. Результаты показали, что любой коэффициент демпфирования, превышающий 10, приведет к неслышимой разнице между ним и коэффициентом демпфирования, равным бесконечности. Однако было также установлено, что частотно-зависимое изменение отклика громкоговорителя из-за выходного сопротивления усилителя гораздо более существенно, чем влияние на демпфирование системы. Также важно не путать эти эффекты с эффектами затухания, поскольку они вызываются двумя совершенно разными механизмами. Расчеты показали, что коэффициент демпфирования, превышающий 50, не приведет к заметному улучшению звука при прочих равных условиях. ^[4]

Для звука мощности усилителей , использующих некоторую глобальную отрицательную обратную связь, это сопротивление источника $Z_{\mathrm {S} }$ обычно меньше 0,1 Ом , ^[6] что с точки зрения звуковой катушки драйвера является близким к короткому замыканию.

Номинальное сопротивление нагрузки громкоговорителя (входное сопротивление) $Z_{\mathrm {L} }$ обычно составляет от 4 до 8 Ом , хотя доступны динамики с другим сопротивлением, иногда падающее до 1 или 2 Ом . Однако номинальное сопротивление громкоговорителя — это просто число, которое указывает номинальный минимальный импеданс этого громкоговорителя в репрезентативной части его рабочего диапазона частот. Следует иметь в виду, что сопротивление большинства громкоговорителей значительно меняется в зависимости от частоты. ^[6]^[9] Для динамика динамического громкоговорителя пик импеданса присутствует на резонансной частоте динамика в свободном воздухе, которая может значительно превышать по величине номинальное номинальное сопротивление. Кроме того, электрические характеристики каждой звуковой катушки изменяются с температурой (высокие уровни мощности увеличивают температуру звуковой катушки и, следовательно, сопротивление), индуктивность обмоток звуковой катушки приводит к увеличению импеданса на высоких частотах, а пассивные кроссоверные сети (состоящие из относительно больших катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов) приводят к дальнейшим изменениям импеданса в многополосных акустических системах. Ссылаясь на уравнение для $DF$ Как было указано выше, это частотно-зависимое изменение импеданса нагрузки громкоговорителя приводит к тому, что значение коэффициента демпфирования усилителя меняется с частотой, когда он подключен к импедансной нагрузке громкоговорителя.

В акустических системах значение коэффициента демпфирования между конкретным громкоговорителем и конкретным усилителем описывает способность усилителя контролировать нежелательное движение диффузора динамика вблизи резонансной частоты акустической системы. ^[3] Обычно он используется в контексте поведения низкочастотного драйвера, особенно в случае электродинамических драйверов, которые используют магнитный двигатель для создания сил, перемещающих диафрагму . Иногда считается, что высокий коэффициент демпфирования в усилителе приводит к тому, что усилитель имеет больший контроль над движением диффузора динамика. ^[3] особенно в басовой области вблизи резонансной частоты механического резонанса динамика.

Диафрагмы динамиков имеют массу , а соответствующие им компоненты подвески обладают жесткостью . Вместе они образуют резонансную систему, и резонанс механического диффузора может возбуждаться электрическими сигналами (например, импульсами ) на звуковых частотах. Но драйвер со звуковой катушкой является еще и генератором тока, так как к диффузору и подвесу у него прикреплена катушка, и эта катушка погружена в магнитное поле. При каждом движении катушки генерируется ток, который будет восприниматься любым электрически подключенным оборудованием, например усилителем. Фактически выходная схема усилителя будет основной электрической нагрузкой на «генератор тока звуковой катушки». Если эта нагрузка имеет низкое сопротивление, ток будет больше, и звуковая катушка будет вынуждена замедляться сильнее. Высокий коэффициент демпфирования (который требует низкого выходного сопротивления на выходе усилителя) очень быстро гасит нежелательные движения диффузора, вызванные механическим резонансом динамика, действуя как эквивалент «тормоза» движения звуковой катушки (так же, как короткое замыкание). через клеммы роторного электрического генератора его будет очень трудно вращать). Обычно (хотя и не повсеместно) считается, что желателен более жесткий контроль над движением звуковой катушки, поскольку считается, что это способствует повышению качества звука. ^{[ нужна ссылка ]}

Схема демпфирования

Напряжение, генерируемое движущейся звуковой катушкой, пропускает ток через три сопротивления:

Сопротивление самой звуковой катушки
Сопротивление соединительного кабеля
Выходное сопротивление усилителя

Влияние сопротивления звуковой катушки

Это ключевой фактор в ограничении величины демпфирования, которого можно достичь электрическим способом, поскольку его значение больше (скажем, обычно от 4 до 8 Ом), чем любое другое сопротивление в выходной схеме усилителя, в котором не используется выходной трансформатор ( почти каждый твердотельный усилитель на массовом рынке).

Обратный ток громкоговорителя рассеивается не только через выходную цепь усилителя, но и через внутреннее сопротивление самого громкоговорителя. Следовательно, выбор разных громкоговорителей приведет к разным коэффициентам демпфирования при использовании одного и того же усилителя.

Влияние сопротивления кабеля

На коэффициент демпфирования в некоторой степени влияет сопротивление кабелей динамиков. ^[2]^[6] Чем выше сопротивление акустических кабелей, тем ниже коэффициент демпфирования.

Выходное сопротивление усилителя

Современные полупроводниковые усилители, которые используют относительно высокие уровни отрицательной обратной связи для контроля искажений, имеют очень низкие выходные импедансы (одно из многих последствий использования обратной связи), а небольшие изменения и без того низкого значения изменяют общий коэффициент демпфирования лишь на небольшую величину, и поэтому незначительная сумма.

Таким образом, высокие значения коэффициента демпфирования сами по себе мало что говорят о качестве системы; они есть в большинстве современных усилителей, но, тем не менее, они различаются по качеству.

Ламповые усилители обычно имеют гораздо меньшие коэффициенты обратной связи и в любом случае почти всегда имеют выходные трансформаторы, которые ограничивают уровень выходного импеданса. Их более низкие коэффициенты демпфирования являются одной из причин, по которой многие аудиофилы предпочитают ламповые усилители. Если пойти ещё дальше, некоторые ламповые усилители вообще не имеют отрицательной обратной связи.

На практике

Типичные современные полупроводниковые усилители с отрицательной обратной связью, как правило, имеют высокие коэффициенты демпфирования, обычно превышающие 50, а иногда и более 150. Высокие коэффициенты демпфирования имеют тенденцию уменьшать степень «звенения» громкоговорителя (испытывания нежелательных кратковременных колебаний после применяется импульс мощности), но степень, в которой в этом отношении помогают коэффициенты демпфирования выше примерно 20, легко переоценить; ^[2] будет значительное эффективное внутреннее сопротивление, а также некоторое сопротивление и реактивное сопротивление в кроссоверных цепях и акустических кабелях. ^[1] Старые усилители, а также современные триодные и даже полупроводниковые усилители с низкой отрицательной обратной связью, как правило, имеют коэффициенты затухания, близкие к единице или даже меньше 1. ^{[ нужна ссылка ]}

Влияние коэффициента демпфирования усилителя на частотную характеристику при подключении к моделируемой импедансной нагрузке, типичной для двухполосной закрытой акустической системы

Хотя чрезвычайно высокие значения коэффициента демпфирования в усилителе не обязательно улучшат звучание комбинации громкоговоритель-усилитель, ^[10] высокий коэффициент демпфирования может служить для уменьшения интенсивности дополнительных нежелательных изменений частотной характеристики. На рисунке справа показано влияние коэффициента демпфирования на частотную характеристику усилителя, когда этот усилитель подключен к моделируемой импедансной нагрузке громкоговорителя. Эта нагрузка умеренно требовательна, но вполне типична для высококачественных громкоговорителей, представленных на рынке, и основана на схеме, предложенной Аткинсоном. ^[11] Аудиожурналы Stereophile и Australian Hi-Fi признали важность коэффициента демпфирования усилителя и сделали использование моделируемой нагрузки громкоговорителей рутинной частью измерений своих усилителей. На частоте около 4 кГц реальная разница между усилителем с умеренным (100) коэффициентом демпфирования и усилителем с низким (20) коэффициентом демпфирования составляет около 0,37 дБ. Однако усилитель с низким коэффициентом демпфирования действует скорее как тонкий графический эквалайзер, чем усилитель с умеренным коэффициентом демпфирования, где пики и провалы частотной характеристики усилителя близко соответствуют пикам и провалам характеристики импеданса громкоговорителя. ^[9]

Из различных кривых частотной характеристики усилителя видно, что низкие значения коэффициента демпфирования приводят к значительным изменениям частотной характеристики усилителя в ряде частотных диапазонов. Это приведет к появлению широких уровней звуковой окраски, которые с высокой вероятностью будут слышны. Кроме того, изменения частотной характеристики будут зависеть от частотно-зависимого импеданса любого громкоговорителя, подключенного к усилителю. ^[9] Следовательно, в системах воспроизведения звука высокой точности усилители с коэффициентом демпфирования от умеренного до высокого являются предпочтительным вариантом, если требуется точное воспроизведение звука, когда эти усилители подключены к типичным многополосным акустическим импедансным нагрузкам.

Некоторые разработчики усилителей, такие как Nelson Pass , утверждают, что громкоговорители могут звучать лучше при меньшем электрическом демпфировании. ^[12] хотя это можно объяснить предпочтениями слушателя, а не техническими достоинствами. Более низкий коэффициент демпфирования помогает улучшить басовую характеристику громкоговорителя на несколько децибел (при этом импеданс громкоговорителя будет максимальным), что полезно, если для всего звукового диапазона используется только один громкоговоритель. Поэтому некоторые усилители, особенно винтажные усилители 1950-х, 1960-х и 1970-х годов, имеют элементы управления для изменения коэффициента демпфирования. Хотя такое «улучшение» басов может понравиться некоторым слушателям, тем не менее, оно представляет собой искажение входного сигнала. ^{[ нужна ссылка ]}

Одним из примеров винтажного усилителя с регулятором демпфирования является Accuphase E-202, который имеет трехпозиционный переключатель, описанный в следующем отрывке из руководства пользователя: ^[13]

Управление демпфированием динамиков улучшает характерные тональные качества динамиков. Коэффициент демпфирования твердотельных усилителей обычно очень велик и идеально подходит для демпфирования динамиков. Однако некоторым динамикам требуется усилитель с низким коэффициентом демпфирования для воспроизведения насыщенного и насыщенного звука. E-202 имеет систему управления демпфированием динамиков, которая позволяет выбрать один из трех коэффициентов демпфирования и обеспечивает максимальную потенциальную производительность любого динамика. Коэффициент демпфирования при нагрузке 8 Ом становится более 50, когда этот элемент управления установлен в положение НОРМАЛЬНОЕ. Аналогично, это 5 в положении MEDIUM и 1 в положении SOFT. Это позволяет выбрать звук динамика по своему усмотрению.

Демпфирование также является проблемой в гитарных усилителях (приложение, в котором желательны контролируемые искажения), и низкое демпфирование может быть лучше. Многие гитарные усилители имеют регуляторы демпфирования, и с 1990-х годов наблюдается тенденция к включению этой функции. Например, монтируемый в стойку стереоусилитель Marshall Valvestate 8008 имеет переключатель между режимами «линейный» и «Valvestate»: ^[14]

«Переключатель Linear/Vstate. Сдвиньте ползунок, чтобы выбрать линейное исполнение или исполнение Valvestate. Режим Valvestate дает дополнительные теплые гармоники и богатство тона, уникальное для силового каскада Valvestate. Линейный режим создает четко выраженный звук Hi-Fi, который дает полностью отличается характером звука и подходит для некоторых современных «металлических» стилей или приложений PA».

На самом деле это управление демпфированием, основанное на отрицательной обратной связи по току, что видно из схемы: ^[15] где тот же переключатель помечен как «Режим выходной мощности: ток/напряжение».

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Аугспургер, Джордж Л. (январь 1967 г.). Стоклин, Уильям А. (ред.). «Дебаты о демпфирующем факторе» . Мир электроники . Том. 77, нет. 1. Чикаго, Иллинойс: Зифф Дэвис . стр. 46–47.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Тул, Флойд Э. (февраль 1975 г.). Веллинг, Эрни (ред.). «Демпфирование, коэффициент демпфирования и чертова ерунда» . АудиоСцена Канада . Том. 12, нет. 2. Торонто, Онтарио: Маклин-Хантер. стр. 16–17.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Баллоу, Глен, изд. (1987). Справочник для звукорежиссеров: Новая аудиоциклопедия . Индиана, США: Говард В. Сэмс и компания.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Пирс, Дик (2002). «Фактор демпфирования: влияние на реакцию системы» (PDF) . КартЧанк . Проверено 12 июня 2021 г.
^ Синклер, Ян, изд. (2009). Аудиотехника: знай все . Великобритания: Ньюнес.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дункан, Бен (1997). Высокопроизводительные усилители мощности звука для исполнения и воспроизведения музыки . Великобритания: Ньюнес. ISBN 0-7506-2629-1 .
^ Jump up to: ^а ^б Лэнгфорд-Смит, Ф. (1941), Справочник конструктора радиотрона, 3-е изд., The Wireless Press, стр. 15
^ Лэнгфорд-Смит, Ф. (1955), Фактор демпфирования: новый подход. Wireless World, август, стр. 367.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Нортон, Томас Дж. (6 января 1994 г.). «Вопросы импедансного взаимодействия» . Ссылка. Стереофил . АВТех Медиа . Проверено 14 августа 2023 г.
^ Эллиотт, Род (20 января 2010 г.) [1999]. «Импеданс и как он влияет на аудиооборудование» . Эллиотт Саунд Продактс . Проверено 12 июня 2021 г.
^ Аткинсон, Джон (19 августа 1995 г.). «Реальные измерения» . Ссылка. Стереофил . АВТех Медиа . Проверено 12 июня 2021 г.
^ Пасс, Нельсон (2004). «Усилители с источником тока и чувствительные/полнодиапазонные драйверы» (PDF) . Первый Ватт . Проверено 12 июня 2021 г.
^ «Интегрированный стереоусилитель Accuphase E-202» (PDF) . Проверено 12 июня 2021 г.
^ «Справочник по усилителям мощности Marshall Valvestate» (PDF) . Проверено 1 сентября 2021 г.
^ «Схема клапана Marshall 8008» (PDF) . Проверено 22 августа 2011 г.

Дальнейшее чтение

Бернштейн, Джулиан Л. (1966). Аудиосистемы . Уайли. п. 364. ИСБН 978-0471071136 .
Смолл, Р.Х. (1972). «Анализ системы громкоговорителей с прямым излучателем» . Журнал Общества аудиоинженеров . 20 (июнь): 383–395.

Внешние ссылки

[Augspurger_1967-1] Jump up to: ^а ^б Аугспургер, Джордж Л. (январь 1967 г.). Стоклин, Уильям А. (ред.). «Дебаты о демпфирующем факторе» . Мир электроники . Том. 77, нет. 1. Чикаго, Иллинойс: Зифф Дэвис . стр. 46–47.

[Toole_1975-2] Jump up to: ^а ^б ^с Тул, Флойд Э. (февраль 1975 г.). Веллинг, Эрни (ред.). «Демпфирование, коэффициент демпфирования и чертова ерунда» . АудиоСцена Канада . Том. 12, нет. 2. Торонто, Онтарио: Маклин-Хантер. стр. 16–17.

[Ballou_1987-3] Jump up to: ^а ^б ^с Баллоу, Глен, изд. (1987). Справочник для звукорежиссеров: Новая аудиоциклопедия . Индиана, США: Говард В. Сэмс и компания.

[Pierce_2002-4] Jump up to: ^а ^б ^с Пирс, Дик (2002). «Фактор демпфирования: влияние на реакцию системы» (PDF) . КартЧанк . Проверено 12 июня 2021 г.

[Sinclair_2009-5] Синклер, Ян, изд. (2009). Аудиотехника: знай все . Великобритания: Ньюнес.

[Duncan_1997-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дункан, Бен (1997). Высокопроизводительные усилители мощности звука для исполнения и воспроизведения музыки . Великобритания: Ньюнес. ISBN 0-7506-2629-1 .

[Langford_1941-7] Jump up to: ^а ^б Лэнгфорд-Смит, Ф. (1941), Справочник конструктора радиотрона, 3-е изд., The Wireless Press, стр. 15

[8] Лэнгфорд-Смит, Ф. (1955), Фактор демпфирования: новый подход. Wireless World, август, стр. 367.

[Norton_1994-9] Jump up to: ^а ^б ^с Нортон, Томас Дж. (6 января 1994 г.). «Вопросы импедансного взаимодействия» . Ссылка. Стереофил . АВТех Медиа . Проверено 14 августа 2023 г.

[Elliot_2010-10] Эллиотт, Род (20 января 2010 г.) [1999]. «Импеданс и как он влияет на аудиооборудование» . Эллиотт Саунд Продактс . Проверено 12 июня 2021 г.

[Atkinson_1995-11] Аткинсон, Джон (19 августа 1995 г.). «Реальные измерения» . Ссылка. Стереофил . АВТех Медиа . Проверено 12 июня 2021 г.

[Nelson_CSASFRD-12] Пасс, Нельсон (2004). «Усилители с источником тока и чувствительные/полнодиапазонные драйверы» (PDF) . Первый Ватт . Проверено 12 июня 2021 г.

[Accuphase_E202_Brochure-13] «Интегрированный стереоусилитель Accuphase E-202» (PDF) . Проверено 12 июня 2021 г.

[Valvestate_Handbook-14] «Справочник по усилителям мощности Marshall Valvestate» (PDF) . Проверено 1 сентября 2021 г.

[Valvestate_Schematic-15] «Схема клапана Marshall 8008» (PDF) . Проверено 22 августа 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]