谐波失真

张炜明 · 发表于 2008-5-31 15:07:26

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什么叫谐波失真
由于放大器的非线性会使其输出信号中产生许多新的谐波分量。这些谐波分量的均方根之和即为总谐波失真的量。谐波失真是用总谐波失真量和输出信号百分比描述的。谐波失真也称谐波畸变。谐波失真是音频设备性能的另一个重要技术指标。当音乐或语言节目经过有谐波畸变的放大器后，节目就会失真。当谐波畸变严重时，声音听起来会有“发毛”的感觉，由于放大器的非线性而产生的谐波成分，使信号波形产生了较大的失真。当然新产生的谐波分量还会有三次以至更高次的谐波。一般说来，谐波阶次愈高，其幅度愈小，对听感影响也愈小。
另外，谐波失真还与信号的频率有关。也就是说，谐波失真是信号频率的函数。图2所示为某双声道放大器的谐波失真与信号频率的关系曲线。
虽然各声道谐波失真量不同，但人体规律是相同的。而且在1000Hz附近谐波失真量最小：高于或低于1000Hz时，谐波失真都可能增大，且在1000Hz以上时，谐波失真随频率的增高急剧增大，失真量是1000Hz时的3倍～4倍。因此，欲正确表达放大器的谐波失真指标，必须标出频率范围。美国联邦贸易委员会（FTC）在1974年规定，总谐波失真应在20Hz～20000Hz的全音频范围内测量。
再者，谐波失真还与输出功率有关，图3所示为每声道最大输出功率100W的某放大器谐波失真与输出功率的关系曲线。
由图可见，当放大器接近于额定最大输出功率时，谐波失真将急剧增大，因此放音时应让实际输出功率远小于最大输出功率。

谐波失真

　　谐波失真（THD）指原有频率的各种倍频的有害干扰，是由于系统不是完全线性造成的，它通常用百分数来表示。放大1kHZ的频率信号时会产生2kHZ的2次谐波和3kHZ及许多更高次的谐波，理论上此数值越小，失真度越低。由于放大器不够理想，输出的信号除了包含放大了的输入成分之外，还新添了一些原信号的2倍、3倍、4倍……甚至更高倍的频率成分（谐波），致使输出波形走样。这种因谐波引起的失真叫做谐波失真。

谐波失真简介/谐波失真
　　谐波失真（THD）指原有频率的各种倍频的有害干扰。放大1kHZ的频率信号时会产生2kHZ的2次谐波和3kHZ及许多更高次的谐波，理论上此数值越小，失真度越低。
　　由于放大器不够理想，输出的信号除了包含放大了的输入成分之外，还新添了一些原信号的2倍、3倍、4倍……甚至更高倍的频率成分（谐波），致使输出波形走样。这种因谐波引起的失真叫做谐波失真。

谐波失真解析/谐波失真
　　总谐波失真指音频信号源通过功率放大器时，由于非线性元件所引起的输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，我们用新增加总谐波成份的均方根与原来信号有效值的百分比来表示。例如，一个放大器在输出10V的1000Hz时又加上Lv的2000Hz，这时就有10％的二次谐波失真。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。但总谐波失真与频率有关，因此美国联邦贸易委员会于1974年规定，总谐波失真必须在20～20000Hz的全音频范围内测出，而且放大器的最大功率必须在负载为8欧扬声器、总谐波失真小于1％条件下测定。国际电工委员会规定的总谐波失真的最低要求为：前级放大器为0.5％，合并放大器小于等于0.7％，但实际上都可做到0.1％以下：FM立体声调谐器小于等于1.5％，实际上可做到0.5％以下；激光唱机更可做到0.01％以下。
1、电力领域
   在电力领域，各次谐波的方均根值与基波方均根值的比例称为该次谐波的谐波含量。所有谐波的方均根值的方和根与基波方均根值的比例称为总谐波失真。通常说的谐波失真等同于总谐波失真。
2、音频领域
   总谐波失真指音频信号源通过功率放大器时，由于非线性元件所引起的输出信号比输入信号多出的额外谐波成份。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，我们用新增加总谐波成份的均方根与原来信号有效值的百分比来表示。例如，一个放大器在输出10V的1000Hz时又加上1v的2000Hz，这时就有10%的二次谐波失真。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。
   一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。但总谐波失真与频率有关，因此美国联邦贸易委员会于1974年规定，总谐波失真必须在20～20000Hz的全音频范围内测出，而且放大器的最大功率必须在负载为8欧扬声器、总谐波失真小于1%条件下测定。国际电工委员会规定的总谐波失真的最低要求为：前级放大器为0.5%，合并放大器小于等于0.7%，但实际上都可做到0.1%以下：FM立体声调谐器小于等于1.5%，实际上可做到0.5%以下；激光唱机更可做到0.01%以下。
　　由于测量失真度的现行方法是单一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。实际的音乐信号是各种速率不同的复合波，其中包括速率转换、瞬态响应等动态指标。故高质量的放大器有时还注明互调失真、瞬态失真、瞬态互调失真等参数。
　　(l)互调失真(IMD)：将互调失真仪输出的125Hz与lkHz的简谐信号合成波，按4：1的幅值输入到被测量的放大器中，从额定负载上测出互调失真系数。
　　(2)瞬态失真(TIM)：将方波信号输入到放大器后，其输出波形包络的保持能力来表达。如放大器的转换速率不够，则方波信号即会产生变形，而产生瞬态失真。主要反映在快速的音乐突变信号中，如打击乐器、钢琴、木琴等，如瞬态失真大，则清脆的乐音将变得含混不清。
　　(3)瞬态互调失真：将3.15kHz的方波信号与15kHz的正弦波信号按峰值振幅比4：1混合，经放大器后，新增加全部互调失真的产物有效值与原来正弦振幅的百分比。如放大器采用深度大回环负反馈，瞬态互调失真一般较大，具体反映出声音呆滞、生硬、无临场感；反之，则声音圆滑、细腻、自然。

张炜明 · 发表于 2017-9-29 17:18:35

谐波失真控制/谐波失真
　　在一个水处理工厂里，将失真的设备连接到备用发电机会产生干扰电流。可以先采取临时处理方案，然后使用有源谐波滤波器。
　　变频驱动器VFD（variablefrequencydrive）在关键电机的调速和优化功率消耗方面具有许多优点，但是也很容易造成相邻配电系统的谐波失真。配电系统能够吸收部分失真，但是当VFD直接连接在发电机驱动的电路上时，产生的干扰也可能会影响操作的可靠性。
　　通常，水处理厂配备有VFD、臭氧发生器以及其它可以造成谐波失真的负载。多数的工厂里也配置了紧急备用发电机，以备外部电源停止或非正常时为重要设备供电。这样的反渗透淡化厂始终关注着谐波的长期影响效果，以及他们的938kVA备用发电机在大型变频泵造成谐波失真时运行是否可靠。
　　而工厂的操作人员一直担心，在应急操作时间延长的情况下，发电机可能发生故障。为了确定故障的程度，操作人员谐波测量结果，比较正常使用和使用备用发电机时的失真程度，并根据测得的数据通过工程分析来评估谐波抑制技术。
　　施耐德电气在工厂的配电盘进线端检测谐波的失真情况。测试设备为一个能够测量200多个电源系统参数的便携式电路监控器。谐波失真的测量采用每个周期512点的采样率进行取样，保证第250次谐波的准确性。
　　负载测试表明：在当时的情况下，工厂备用发电机的负载量接近其53%的额定负载。测试期间的负载峰值为403kW和431kVA。测试中的平均RMS电流表明了不同机器运行的影响。
　　测试过程中，当使用发电机供电时电压略有降低，但无论是正常使用还是发电机供电都能够维持在可被接受的稳态电压范围里——480V的100%~103%。电压失衡程度也在小于1%，在可接受的范围内。
　　负载测试表明负载最少时功率因数最低，所有设备同时运行时功率因数最高。由于谐波固有的功率因数改进特征，使得常规的谐波滤波器很难削弱此电路上的谐波。
　　负载测试也表明480V总线上的电压失真幅度在正常使用时最高峰值可达大约6.5%，在使用备用发电机时可达大约10%（如谐波失真图所示）。当60hp设备与250hp设备一起工作时，由于ΔY变压器和线性反应器结合产生的消除效应，电流失真会减少。电流总需量畸变系数TDD（totaldemanddistortion）是由80%的发电机额定电流除以谐波电流得出的，或直接取900amps。
　　IEEE519-1992标准《电力系统谐波控制推荐规程和要求》提供了一些关于“多大程度的谐波失真可以接受”的指导方针。最初，该标准作为推荐规程供电力使用单位及其客户参考；现在，该标准已被广大工厂企业作为测定现有设备谐波电流的指南性文件加以普及和使用。
　　对淡化厂的正常电力使用和备用发电机供电所进行的测试表明，主要的电力系统参数，包括电压校准和失衡以及电流失衡，都在可接受的范围内。尽管谐波失真的程度没有严重到对工厂的正常生产运行有明显的影响，进一步减弱谐波仍然是不可忽略的工作。操作员关心谐波带来的长期影响，而由于使用备用发电机时的谐波常常超过IEEE519-1992标准所规定的谐波范围，他们更担心应急操作时间延长的情况下发电机能否稳定可靠地继续工作。此外，谐波减弱技术也能延长设备使用寿命，增强系统的可靠性。
　　谐波限值表显示了与通常用于电力发生设备的IEEE519-1992标准谐波限值比较的测试结果。和演示的一样，在线测量的数据超过了这个限值。除此以外，施耐德电气还进行了不同抑波技术的计算机仿真。
　　施耐德电气通过谐波仿真可以估算不同的情况下谐波电流的减少量。如前面所提到的，在250hp设备和60hp设备同时工作就已经获得了第5次和7次谐波电流的谐波消除效果。系统分别要求5次谐波的电流减少27%，7次谐波的电流减少16%，尽管如此造成了总RMS电流增加了19%。最坏的情况也就是最高谐波峰值，在只有250hp设备工作时才会出现。总体来说，有4种解决方式：
　　1、绕过一个ΔY绝缘变压器——每个250hp设备有ΔY绝缘变压器。绕过其中一个ΔY绝缘变压器就能获得不错的效果，即减少了谐波电流失真的数量。再加上上面提到的250hp和60hp设备同时使用的方法，减弱了第5次和7次的谐波电流。而旁通回路的第5次和7次谐波电流保持不变，一旦再运行一到两个250hp设备，就会产生额外的消除作用。然而，这项技术仅适用于没有更有效的解决办法的情况下的临时改造。
　　2、替换一个ΔY绝缘变压器——一种更为有效的谐波减弱技术就是用ΔY交错绕组变压器取代其中一个ΔY绝缘变压器，而非绕过它。因为谐波电流不是通过ΔY交错绕组变压器周相移动，所以这样的改进也增强了第5次和7次电流的消除效应。这种方法同时也保留了谐波衰减的正面影响。
　　3、无源谐波滤波器——可以在480V主电路安装一个5次无源谐波滤波器，但是由于无源谐波滤波器也会增加基础功率因数，所以这种方法并不实际。由于设备的功率因数已经很高（全负载时可达94%），在工厂没有达到最先进的功率因数的情况下，系统无法容忍更多的负荷。
　　4、有源谐波滤波器——该厂最佳的解决方案是通过在480V主电路上安装有源滤波器来减弱谐波电流。有源滤波器能够测算出负载所需的谐波电流量，并且使电流产生180°的相位移。该方法可以很大程度上减弱谐波失真的程度，通常被用在必须严格遵守谐波限值的场合。此外，施耐德电气推荐安装现场功率监控设备，从而可以跟踪谐波失真中的设备性能、电压质量、干扰和费用的情况。
过渡性的和永久的解决方案
　　通过临时设置旁路绕过绝缘变压器，从而增加谐波消除，工厂降低了谐波的失真程度。这一非常规的手段帮助工厂度过了整个夏季运行高峰。之后，工作人员在主配电盘上安装了有源谐波滤波器。该设备最终消除了谐波失真的影响。安装有源滤波器后的测量结果显示电流失真低于8%，电压失真低于2%。
浅谈谐波失真/谐波失真
　　早在三十年代，F.H.Brittain的扬声器评价十一项测试项目中就有谐波失真，五十年代L.L.Brenek提出的扬声器最重要的特性八项中有它，而今各电声测试系统。从几十万人民币的B&K系统到几千元人民币的国产测试系统都把它做为重要的测量对象。可见谐波失真对电声界一直是个非常重要的参数。
　　谐波失真：当把基频为f的正弦信号输入扬声器时,扬声器输出除f以外，由扬声器的非线性失真而产生了，同f成整数倍的各次谐波成分：2f.3f……nf，我们称之为谐波失真。谐波失真分为三类,而我们常用到的为THD(TOTALHARMONICDISTORTION)总谐波失真和几次谐波失真（HARMONICDISTORTION）及特性总谐波失真(在实际测量中还会细分为偶次谐波失真，奇次谐波失真和SUB-harmonics)，它们分别的特性规定为：由失真产生的总谐波声压有效值与总输出声压有效值Pt之比；由失真产生的第几次谐波声压有效值与总输出声压有效值Pt之比；由失真产生的总谐波声压的有效值与平均特性声压Pm之比。在失真的分类中把它划归扬声器的非线性失真。
　　对待谐波失真我们可以用法国著名哲学大师的萨特的存在主义来看待它!谐波失真客观存在！现我们以锥型扬声器为例：在扬声器低频时或在大振幅运动时扬声器的折环及弹波(定心支片)组成的支撑系统不再符合线性的胡克定律(或称为虎克定律)如在对扬声器进行纯音检听时折环边产生的“啪啪”声，俗称“打边”这是非线性的一个极端表现；在让布边折环的扬声器做大振幅（fo附近,并非所有的扬声器振动的最大振幅都在fo处）的运动时,我们可以很明显的看到布边的扭曲变形。在布边折环上常会“打”上阻尼胶，阻尼胶又分“油性”和“水性”，在PA喇叭上多用的是“油性”，但在高档的厂品上我们常可看在橡胶折环上“打”有透明发亮的水性阻尼胶，一般“打”胶不超过折环的1/2，但这种打胶方式和胶量很难控制；在橡胶折环（现大多用NBR?nitrile-butadienerubber丁腈橡胶）改善上，常对折环的形状处理，但在这个方面的处理方法，国内做的不够，国内在对喇叭单体设计时常重视折环的质量和顺性而忽略折环的另一个量及橡胶的阻尼，虽然在分析锥型扬声器时多用集中参数系统来分析，那是特指在低频时，但是我们是否都把锥型扬声器做超低音和低音呢？此时谐波失真与西勒-斯莫尔参数（Thille-SmallDepartments）中的Qm(力学品质因数)有着很微妙的联系。
　　华司(上导极板)与T铁的铁拄间的磁感应密度沿轴向（音圈振动方向）的不均匀性，是产生谐波失真的另一原因。现在国内普遍运用的方法的用对称磁路来改善它（如图所示）,在低.音单元上,知其然者乘少,未曾看到几许,细想其原因都是“金钱惹的祸”！丹麦的PELESS是的单体内侧加一个铝环来改善它!（如图所示）当然这种做法最易令人发现的做法。
　　从频率用是BL（磁力系数）的增加。的角度来看,中高频的谐波失真,与低频时的谐波失真是由两类不同的量起决定性作用的,在锥型扬声器中谐波失真客观存在，你只能改善，不能消除。要解决锥型扬声器的谐波失真，除非采用另类的发声原理，但这对整个行业来说是任重而道远，失真就跟测量误差一样，看人家外国厂品的广告“HALCRO------世界上失真最低的放大器”，但在国内看到某日本品牌中国公司的厂品广告上：“彻底解决音箱互调失真！”我倒，我笑，这是对国人的误导和愚弄，更显现出该公司的不负责任和无知！
　　谐波失真客观存在“有理”。客观测试的结果与主观感觉往环一致，从人耳的听觉机理分析人耳只能区分最初的六个~七个谐音(谐波)，对六次以上的谐音很难在感觉上将它们彼此分开，因为到六阶以后的谐音,相邻的两个谐音落在人耳的基底膜上的两个对应区域已相互靠近,并覆盖在一个临界带以内，很难在感觉上将它们彼此分开。但高次谐波对音质的影响不可忽视,通过实验发现异常噪音,来自高次谐波。根据谐波失真的“阶次”，可以分为“软失真”和“硬失真”。但对扬声器来说“偶次”谐波失真和“奇次”谐波失真对音质的改善，更具有指导意义，特别是听感上。胆机在听感上大受发烧友的欢迎就它的“功劳”。从音乐声学看，乐器的基频相对于各次谐音听起来并非都是谐和的，如在乐音中谐和的谐音成分愈多，则音色丰富，纯净好听，不谐和的谐音多，则音乐色粗粝，刺耳难听，七阶以上的奇次谐波会使声音变得粗粝变得粗粝刺耳。
　　HALCRO------世界上失真最低的放大器
　　扬声器在中交频段的失真.主要是磁路(铁心)的非线性所致，为了消除铁心所引起的非线性失真，目前常采用一种叫做“线性磁路”的结构，这种磁路结构的特点,是在铁心的顶部中失做成凹陷的形状，使其和导磁板相对的部分由于铁心截面积的减小而接近磁饱和状态，此时，音圈就相当于一个空心线圈,从而避免了铁心影响，减小非线性失真。
　　音圈的作大长冲程运动时。音圈上的音圈线跳出了气隙半磁场的均匀区，以致机电转换系数BT不能保持恒定电动力效应F=BTI的线性关系受到破坏，从而造成非线性失真。
　　改善由于这种原因所引起的失真，一般采用两种方法:一是采用短音圈，二是采用长音圈.所谓短音圈，即音圈的长度做得比导磁板的厚度小，如图所了使音圈在振动过程中不致于跳出磁场的均匀区，从而避免了非线性失真。这种方式造成成本提交，不常用，所谓长音圈，则指的是音圈的长度，做得比华司厚度长，使音圈在振动过程中与所有的磁通相耦合，(包括均匀区和非均匀区)从而使平均磁感应密度B总体上保持恒定，以避免非线性失真，但这种方法必定造成扬声器在相同直流阻下，必定要使更粗的音圈线灵敏度下降，因你使音圈的转幅增大，音圈的质量振大，BT，你的磁间隙,因音圈线的变粗而变大，B变小，而B2T2MD。

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[数字功放] 谐波失真

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