除了保护音箱，限幅器的另一妙用

潇雨 · 发表于 2004-5-4 17:07:00

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使用限幅器保护音箱，这种做法早就不是新鲜事了。很多系统里都在功放之前设置了限幅器，来防止功放出现削波。不过除此之外，限幅器还有一种用途，我们可以通过它，在确保音箱安全的前提下，再“压榨”出少许低频性提升空间。

绝大部分喇叭，其冲程都是有限的。造成冲程有限的原因，主要是因为随着行程增大，电磁力会减小，当电磁力过小，或（以及）悬挂结构（折环、定心支片）拉伸到最大时，就达到了最大的行程。这种有限的冲程我们称之为Xmax。
如果对某只扬声器的Xmax参数以及该扬声器在某个箱体内的位移响应参数有所了解的话，就有可能通过限幅器来防止扬声器振动部分的过冲。

绝大部分低频扬声器，都采用位移随着频率降低而增大的设计方式。这种设计方式可以使扬声器的声压级在其截止频率以上保持相对平直的输出。不过对低于截止频率的信号，虽然扬声器输出声压级逐渐降低，位移却仍然会继续增大。
图1所示的，是一个安装在倒相箱体中的15寸扬声器位移相应。这个图是通过一台加速度计、一台 LinearX 的 LP201 前置放大/信号调节器以及EASERA软件平台测量得出的。Y轴的单位虽然标着mPa（毫帕），实际上应当是mm（毫米）。
由于 EASERA 通常显示的都是信号的RMS值，所以这里把数据都乘以1.414，从而得到音圈的峰值位移关于频率的函数。这个测量过程中采用的输入信号大小为4.0Vrms（5.66V峰值）。曲线中54Hz处的凹陷是音箱的倒相箱体造成的。扬声器的位移在倒相孔调谐范围内逐渐减小，并在共振频率点上达到最小值。

对于一个线性系统而言，位移响应与输入电压成正比。也就是说图像中的位移曲线，会随着输入电压的增减，而相应地在 Y 轴上下移动。例如，图中100Hz处的位移是 0.28mm，输入电压是 5.66Vpeak。那么如果输入电压增大到11.31Vpeak，位移值也会相应地增大至 0.56mm。电压加倍，位移也加倍。
当电压增大到一定程度后，由于（音圈发热引起的）功率压缩以及电磁力和悬挂部分的限制，这种线性关系就不复存在。前者仅与输入信号的 RMS 电压的热效应有关；而后者取决于输入信号的峰值电压。

扬声器系统在正常工作时，其节目输入信号的峰值因数相当高，峰值电压和RMS 电压通常至少相差 4 倍（12dB）。而这里测量时使用的是扫频正弦波，其峰值因数为 1.414（3dB）。因此，要将测试信号的电压控制在合理的大小范围内，以便减小因位移增大造成的位移压缩效应。同时，在测量前，需要预先对音圈进行升温处理，从而模拟出更高输入电压时的热功率压缩效应。
图中的扬声器，其厂家标称 Xmax 值为 5.0mm。通常，实际的最大位移值可以比这个额定值再大出 15-20%，而不至于引起明显可闻的失真。这里我们仍然以厂家标定值为准。如果我们把这个4.0Vrms（5.66Vpeak）的测量信号放大 5 倍，则在21Hz左右会达到最大位移限制，此时的峰值输入电压约为 28.3Vpeak。假设一个节目信号峰值电压就是28.3Vpeak，信号峰值因数是12dB，也就是 RMS 值 7.1Vrms。这个峰值信号恰巧是一台 50W 的功放的削波电压（对应 8 欧姆负载时）。但是，由于节目信号存在12dB的峰值因数，因而功放提供给 8 欧姆负载的功率只有 6.25W。
因此，重点在于我们必须限制扬声器在低频部分的行程，才能供给扬声器更高的电压，从而获得更高的输出声压级。这也就是为什么我们通常会给功放设置一个高通滤波器的原因。图1中的蓝色曲线，是加入一个 40Hz 的二阶（12dB/OCT）巴特沃斯高通滤波器后的位移曲线。此时，扬声器输入电压 5.66Vpeak 对应在36Hz 处的最大位移变成了 0.45mm。此时，36Hz 处需要 62.9Vpeak 的最大输入电压才会达到 5.0mm 的最大位移限制值。相当于一台 250W 的功放的削波电压。这时候同样 12dB 峰值因数的节目信号可以达到 15.7V的RMS值（8 欧姆负载下30.9W）。这个数字仍然不尽人意。
为了让箱体谐振频率以下的位移减小到不高于谐振频率之上的最大位移（约70Hz 处），需要将二阶滤波器设置在 50Hz 左右。但这么做会导致音箱的有用低频减少。而且因为这个音箱是倒相式设计，本身就具有四阶高通响应特性。增加滤波器会进一步增加音箱输出信号的相移（以及群延迟）。

现在，回过头来再看看限幅器。本文的核心就是它。对于上述扬声器位移问题，使用限制器可以大大降低滤波点的频率要求，甚至不用滤波器都可以很好地防止位移问题产生。但是要实现这一点，限幅器不能仅工作在某个固定的限幅电平值上。它必须能够随着频率的降低而逐步降低限幅电平值。理想情况下，限幅器应当仅在某个频率以下起作用，比如 45Hz 以下，这样就能在低频部分得到一条平直的位移响应曲线。为此，我们需要改变限幅器边链输入端的输入信号。
顺便解释下边链。边链（side chain）是限幅器的组成部分之一，它可以计算出限幅器对没有超过阈值的信号的增益衰减量。图2是边链系统的示意图。通常边链采用与限幅器的输入信号相同的输入信号。不过，如果限幅器具有独立的边链输入端口，那么也可以给边链输入一个其它的信号。这个信号也叫做控制输入（key input）。

那么我们应当如何进行设置呢？假设我们用的是一台（8 欧姆）1000W 的功放来驱动音箱。对12dB的峰值因数的节目信号，这台功放最大可以输出22.4Vrms（89.4Vpeak）的电压。同时，假设使功放满功率输出的正弦波输入灵敏度是2.0Vrms（2.83Vpeak）。为了避免功放削波，我们需要将限幅器的峰值阈值设为+9.0dBV。这个数值相当于功放的输入灵敏度对应的峰值电压。
倘若扬声器本身没有位移响应限制，那么当功放输出 89.4Vpeak 电压时，扬声器的位移响应应当如图3所示。图中我们可以看出，在低于 49Hz 的部分，以及 62-88Hz 的部分，扬声器的位移值均超过了 5.0mm。

从图中可以看出，我们需要增加这些频率范围内的边链输入信号电平，使限幅器内的增益计算电路接收到这部分频率的信号的电平大于其它频率。这样一来，当这些频率范围内的信号达到一定电平时，限幅器就会动作，降低信号的电平。而在其它时候，信号则不受影响。

我们把位移响应的单位改成了dBV（对应于 LP201 加速计前置放大器的 RMS 输出电压）。这里采用 RMS 值取代峰值，是为了便于将这条曲线与后面加入滤波器后的曲线相比较。因为在 EASERA 软件测量系统中，默认的测量结果均以 RMS 值的形式显示。由于我们的测量信号是正弦波，所以不会影响到测量结果。
很巧的是，图4中-10dBV 基本上对应着图3中的 5mm 峰值位移。因此，对于任何超过-10dBV 的部分都要限幅到-10dBV，以确保位移不会超过 5.0mm。图4中还给出了加入的几个滤波器的整体传输函数。信号经过这些滤波器后，再送给限幅器的边链输入端。信号流程如图 5 所示。这里共采用了一个二阶曲柄滤波器（图中的低通和混音部分）、一个一阶曲柄滤波器以及一个 3 段参量均衡器。这些滤波器会针对前面提到的需要限幅的频率范围进行提升，从而控制低音单元的位移。

剩下的事情就是设置一下限幅器的阈值，然后使用新的限幅处理方式重新进行测量。由于笔者这里只想给出限幅器的效果，不希望掺杂其它悬挂部分或电动部分对低音单元位移造成的非线性衰减。所以笔者没有采用 89.4Vpeak 的测量电压。笔者采用 4.0Vrms（5.66Vpeak）的测试信号，并将测试结果按比例放大得出高电压下的位移值。对此，笔者仅需要调整限幅器的阈值，使限幅值位于 5.66Vpeak。进行此项调整时，需要将边链滤波器旁通，或使用不受滤波器影响的较高频率的信号即可。
由于现在使用了限幅器，因此待测系统不再是线性时不变系统（LTI）。因此，不能使用像EASERA以及其它采用FFT测量技术的测试系统对待测系统进行测量。所以这里采用的是固定频率的稳态正弦波信号。将结果进行记录在 EXCEL 表格中并生成图形。各频率的测量点相距 1/12 倍频程。测量结果如图 6 所示。
图中可以看出，当限幅器旁通时，位移基本上跟图 3 一致。这不出所料。当限幅器启用后，除了 80Hz 附近一小部分区域外，其它所有的位移值都没有超出5.0mm。80Hz 处的超限是由于限幅器边链滤波器的响应曲线无法精确贴合位移曲线所导致的。这一点在图 4 中也可以看出来。

这种低频位移限制方法相对于使用高通滤波器的另外一个优点是，可以在必要的时候对低频进行提升均衡。当信号电平较低时，这种均衡能够改善某些音箱的主观听感。而当信号电平大到引起削波或喇叭位移过冲时，限幅器又会降低这种均衡的提升。
从根本上看，限幅器会在输入信号非常高、低频能量非常大的时候停止这种均衡，并在当信号峰值降低到阈值之下时重新启用这种均衡。如果设置得当，效果会有十分明显的改善。

zghifi · 发表于 2017-8-22 08:30:43

分享，谢谢楼主发布，我收藏了啊

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