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技术分享 | 限幅器:基本概念以及设置方法
更新时间:2021-4-25 9:56:27 编辑:温情 Ezpro 调整文字大小:【

1介绍

这篇文章的(de)主旨是帮助广(guang)大用户(hu)更好的(de)理解(jie)如何使(shi)用Powersoft功放(fang)DSP当中不(bu)同种类的(de)限(xian)幅器(qi)。这篇文章所描述的(de)内容适(shi)用于Powersoft以(yi)下产品型号(hao):X系(xi)列,T系(xi)列,Otto/Quattro/Due Canali DSP+D系(xi)列,Mezzo系(xi)列以(yi)及(ji)Loto DSP。

选择合适的(de)(de)限幅(fu)器(qi)不是一个简单的(de)(de)事情(qing),这需要考虑(lv)到(dao)(dao)许多方面(mian)的(de)(de)因素;例如(ru),可(ke)能遇(yu)到(dao)(dao)的(de)(de)一个难题是,如(ru)何决定启(qi)动(dong)阈值和时间常量的(de)(de)数值来使得(de)扬声(sheng)器(qi)既得(de)到(dao)(dao)了应有(you)的(de)(de)保护而又依然保持着该有(you)的(de)(de)音质表(biao)现,因此对限幅(fu)器(qi)做的(de)(de)每一个调(diao)整(zheng)都需要基(ji)于你对所保护的(de)(de)扬声(sheng)器(qi)组件(jian)有(you)更加广泛的(de)(de)了解,在(zai)这个基(ji)础之上才有(you)可(ke)能正确使用(yong)限幅(fu)器(qi)。

限幅处(chu)(chu)理(li)(li)(li)也会被认(ren)为是某种“艺术(shu)”处(chu)(chu)理(li)(li)(li)手段,对(dui)此很(hen)多人都会有(you)自己(ji)的观点和理(li)(li)(li)论。出(chu)于(yu)以上原(yuan)因,本文只是为用户提供关于(yu)限幅器参数设置方面的指(zhi)南(nan),以及在Powersoft的设备当中如何恰当的使用它们。

注:Powersoft不对因误用(yong)(yong)本文所包含的(de)信(xin)息(xi)或者因不正确的(de)限幅器设置而导致扬声器或造成其(qi)他损坏的(de)后果承担任何责任。本文作为一个通用(yong)(yong)指南,其(qi)在实(shi)际中的(de)具体应用(yong)(yong)取决于具体环境。

2限幅,音箱的损坏以及功率压缩

在(zai)扩(kuo)声(sheng)系(xi)统(tong)当中,限幅(fu)处理这(zhei)一手(shou)段是用(yong)(yong)来保护(hu)扬声(sheng)器免(mian)受意外情况带来的内部元件损坏(huai);因此,限幅(fu)器起到(dao)的的作(zuo)用(yong)(yong)是对抗那些过(guo)度(du)的信号峰值(zhi)以及(ji)过(guo)度(du)的长期(qi)平均功率。

需要(yao)注意的是。对扬声(sheng)器(qi)来说(shuo),限幅的手(shou)段不仅是预防突发情况带来的损坏,它的首要(yao)功能是保(bao)证扬声(sheng)器(qi)的寿命(ming)得以(yi)延长。

扬声器限幅器的设计人员通常不会考虑限幅器如何施加声染色,而是更关心是否能保护扬声器。下面列举了几个限幅器在音频链路中典型的应用:
控制信号的能量
控制信号的峰值电平
减小信号的动态范围

要(yao)知道(dao),在扩声系统(tong)中我(wo)(wo)们处理(li)的是功率信号(也(ye)就意(yi)味着高电压以(yi)及强电流),那么(me)我(wo)(wo)们设(she)置限幅器的主(zhu)要(yao)目标(biao)就是防止扬声器的驱动单元受到来自两(liang)方面(mian)的损(sun)坏(huai):

过度拉伸:一个送入扬声器的脉冲信号之所以能够对扬声器造成损坏是因为音圈过度拉伸的运动轨迹造成的,音圈的振动幅度已经超出了物理的限制范围。这种情况下,与音圈相连的振膜会发生形变或破损。
 

图1:单元(yuan)破损

过热(re):向扬声器(qi)长时间传递高(gao)功率信号有可能会(hui)引起(qi)扬声器(qi)内(nei)部(bu)(bu)部(bu)(bu)件(比如铜(tong)线绕(rao)制的音圈、线圈架(jia)、磁(ci)铁、悬(xuan)挂部(bu)(bu)件以(yi)及纸盆)温度过高(gao)。由此带(dai)来的另一个影响则是(shi)功率压缩,这(zhei)在低频(pin)扬声器(qi)当中尤为明显(xian)。功率压缩是(shi)由于音圈内(nei)部(bu)(bu)阻值(zhi)升(sheng)高(gao)所(suo)导致的功率下降,进而导致感知响度的下降。

图2:线圈(quan)过热

3限幅器的种类:RMS、Peak和Clip

使用(yong)两(liang)种(zhong)类型的(de)限幅器可以避(bi)免机(ji)械及温度上的(de)变化(hua)给扬声器所(suo)带来(lai)的(de)损坏:

RMS限(xian)幅器(qi):RMS限(xian)幅器(qi)的(de)(de)(de)作用是当过大的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)被长时间持续的(de)(de)(de)施加在扬(yang)(yang)(yang)声(sheng)器(qi)上(shang)时,保护扬(yang)(yang)(yang)声(sheng)器(qi)免受高(gao)温(wen)(wen)导致的(de)(de)(de)损坏(huai)。温(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)升高(gao)会导致扬(yang)(yang)(yang)声(sheng)器(qi)内(nei)部过热(re),甚至燃烧起来。设计者应该知晓扬(yang)(yang)(yang)声(sheng)器(qi)在安全范围内(nei)能(neng)够承(cheng)受的(de)(de)(de)最大长期功(gong)率(lv)(AES额(e)定功(gong)率(lv))。一(yi)个使用RMS限(xian)幅的(de)(de)(de)有趣方法(fa)是通过扬(yang)(yang)(yang)声(sheng)器(qi)线(xian)圈温(wen)(wen)度(du)来观察扬(yang)(yang)(yang)声(sheng)器(qi)工作温(wen)(wen)度(du)升高(gao)时阻(zu)抗曲(qu)线(xian)的(de)(de)(de)峰值如何(he)发生变化。

在(zai)(zai)图3中我们(men)能(neng)够(gou)(gou)看到阻抗(kang)曲线(xian)(xian)与温度之间的(de)关系:绿(lv)色(se)的(de)曲线(xian)(xian)为(wei)扬(yang)声(sheng)器(qi)内部(bu)温度处(chu)在(zai)(zai)26℃时(shi)测得的(de),意(yi)味着扬(yang)声(sheng)器(qi)内部(bu)组件(jian)处(chu)于(yu)“凉爽”的(de)状态。橘黄(huang)色(se)的(de)曲线(xian)(xian)为(wei)扬(yang)声(sheng)器(qi)内部(bu)温度处(chu)在(zai)(zai)38℃时(shi)所测得的(de)。我们(men)能(neng)够(gou)(gou)看到,当(dang)扬(yang)声(sheng)器(qi)内部(bu)温度开始升高时(shi),峰值阻抗(kang)数值会变得比之前(qian)更高且在(zai)(zai)频率上会有少(shao)许偏移。因此,实(shi)时(shi)监控阻抗(kang)的(de)变化可以(yi)在(zai)(zai)一定程(cheng)度上判断(duan)扬(yang)声(sheng)器(qi)内部(bu)温度是否上升,这可以(yi)帮助我们(men)对(dui)扬(yang)声(sheng)器(qi)实(shi)施保护。

对扬声(sheng)器(qi)驱动单元极(ji)限的(de)(de)(de)(de)全面了解(jie)可以(yi)使我们将扬声(sheng)器(qi)的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)温度保(bao)持在一个安(an)全的(de)(de)(de)(de)数(shu)值(zhi)范围内,这样不(bu)(bu)仅可以(yi)避免不(bu)(bu)必要(yao)的(de)(de)(de)(de)设备损坏,而且也(ye)能(neng)将扬声(sheng)器(qi)维持在一个“线(xian)性的(de)(de)(de)(de)”工作(zuo)区(qu)当中,不(bu)(bu)会出现功率(lv)压缩的(de)(de)(de)(de)情况。

图3:实(shi)时阻抗曲线

峰值限幅器:保护扬声(sheng)器免(mian)受机械损坏。

设计者对该(gai)限幅(fu)器(qi)的各项(xiang)参数设置应同时考(kao)虑扬(yang)声器(qi)振膜的最(zui)大(da)(da)位移和(he)最(zui)大(da)(da)可承受电(dian)压。

注释(shi):仅依(yi)靠(kao)峰(feng)值限幅(fu)器来保护(hu)扬声(sheng)器,仍(reng)会(hui)导致长期平(ping)均功率过高,造成扬声(sheng)器相应的(de)损害(hai)。

4 限幅器的参数

4.1  阈值

当输(shu)(shu)入信号超(chao)过阈(yu)值,限幅器开始降低输(shu)(shu)入增(zeng)益。增(zeng)益衰减数(shu)值等(deng)于输(shu)(shu)入信号超(chao)出阈(yu)值的部份。阈(yu)值以(yi)电(dian)压值来表(biao)示,这是因为它取决于扬声(sheng)器的功(gong)率和阻抗。

4.2  启动时间

启(qi)(qi)动时(shi)间为(wei)输入信号(hao)超过阈值后,从限(xian)(xian)幅器开始(shi)工作到完成(cheng)70%衰减量(liang)所需要的(de)时(shi)间。在保(bao)护扬(yang)声(sheng)器不受(shou)损坏(huai)的(de)应用场合中(zhong),启(qi)(qi)动时(shi)间设(she)(she)置(zhi)得越长,设(she)(she)备损坏(huai)的(de)风险也就越高。然而,如(ru)果启(qi)(qi)动时(shi)间设(she)(she)置(zhi)得过快(kuai),那么在限(xian)(xian)幅器进行工作时(shi),信号(hao)是(shi)会产生失(shi)真或者是(shi)严重的(de)畸变的(de),尤其是(shi)一些大动态的(de)打击(ji)(ji)信号(hao)(比如(ru)打击(ji)(ji)乐),从而使得声(sheng)音(yin)质(zhi)量(liang)大打折扣。

一(yi)(yi)般(ban)来说,一(yi)(yi)个比较折中的(de)方案(an)是(shi),启(qi)动时间不要长于需要保护的(de)最(zui)低频率的(de)周期(qi)(例如分频点为1kHz的(de)高音单元,启(qi)动时间应小于1ms)。

图(tu)4:限幅器工作图(tu)示(shi)

4.3  释放时间

释放(fang)时(shi)间(jian)为限幅(fu)器(qi)从最大衰减状态恢复30%衰减量所(suo)需要的(de)时(shi)间(jian)。总(zong)的(de)来(lai)说,释放(fang)时(shi)间(jian)必须(xu)设(she)(she)定得当(dang)以避免“喘吸”效(xiao)应。释放(fang)时(shi)间(jian)可以被设(she)(she)置成启动时(shi)间(jian)的(de)1至(zhi)32倍(bei)。

4.4  软拐点

软拐点可以让压缩(suo)(suo)比随着输入信号电平(ping)提升而缓慢增加,这样一(yi)来,声(sheng)音从未(wei)被压缩(suo)(suo)直(zhi)到被压缩(suo)(suo)的这一(yi)过(guo)程(cheng)的变(bian)化不会过(guo)于明(ming)显。这一(yi)参数在Powersoft的限幅器当中以dB表(biao)示,位于阈值下(xia)方。

5Powersoft功放(fang)的限幅(fu)器怎样工作(zuo)

5.1  RMS限幅器

RMS限幅(fu)在(zai)保(bao)证扬声器(qi)发挥其最(zui)高性能的(de)同时保(bao)护其驱动单元不会因(yin)过热而烧坏。限幅(fu)器(qi)的(de)设定不应该使得系统的(de)正常信号大小触发其工作,因(yin)为(wei)一般的(de)音乐(le)信号通常具有很高的(de)峰(feng)值电平,而平均电平比较小。

5.2  峰值限幅器

峰值限(xian)幅(fu)器的(de)(de)(de)(de)(de)设(she)计目的(de)(de)(de)(de)(de)在于避免扬声(sheng)器纸盆(pen)可能出(chu)现的(de)(de)(de)(de)(de)极端位(wei)(wei)移运动(这里的(de)(de)(de)(de)(de)“极端位(wei)(wei)移”是相(xiang)对于单(dan)元所允许的(de)(de)(de)(de)(de)行程来说(shuo)的(de)(de)(de)(de)(de)),它的(de)(de)(de)(de)(de)工作模式只基于被送(song)入此通(tong)道信号(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)量的(de)(de)(de)(de)(de)大小。峰值限(xian)幅(fu)器、RMS限(xian)幅(fu)器和削波限(xian)幅(fu)器的(de)(de)(de)(de)(de)设(she)置(zhi)(zhi)与并联扬声(sheng)器的(de)(de)(de)(de)(de)数量无(wu)关:你既(ji)可以参(can)考(kao)单(dan)只扬声(sheng)器的(de)(de)(de)(de)(de)阻抗和功率对其(qi)进(jin)行设(she)置(zhi)(zhi),也可以参(can)考(kao)整(zheng)个(ge)并联扬声(sheng)器网络的(de)(de)(de)(de)(de)阻抗和功率来进(jin)行设(she)置(zhi)(zhi),两者得到的(de)(de)(de)(de)(de)结果(guo)是相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)(de)。

使用峰(feng)值限幅器(qi)能够降低峰(feng)值因数,从(cong)而将原本信号的动态“压扁”。对(dui)于大多(duo)数情况,建议的增益衰减量(liang)是3—9dB。

5.3  削波限幅器

Powersoft所(suo)提供的(de)(de)的(de)(de)削(xue)波(bo)限(xian)幅(fu)器(qi)(qi)(qi)是(shi)一个“砖墙”限(xian)幅(fu)器(qi)(qi)(qi),它(ta)被用(yong)于(yu)遏制驱动信(xin)号(hao),不允许信(xin)号(hao)超(chao)过所(suo)设定的(de)(de)阈(yu)值。这(zhei)种限(xian)幅(fu)器(qi)(qi)(qi)有(you)着0.3ms的(de)(de)固定启动时(shi)间——同(tong)时(shi)也有(you)0.3ms的(de)(de)预测时(shi)间,这(zhei)使(shi)得在过大的(de)(de)信(xin)号(hao)到来之前限(xian)幅(fu)器(qi)(qi)(qi)就能(neng)有(you)所(suo)准(zhun)备,这(zhei)样的(de)(de)好处是(shi)降低硬削(xue)波(bo)所(suo)带来的(de)(de)信(xin)号(hao)失真。削(xue)波(bo)限(xian)幅(fu)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)响应速(su)度非(fei)常快,它(ta)也是(shi)保护扬声器(qi)(qi)(qi)免受损(sun)坏的(de)(de)最后一道防线。为了获得最佳的(de)(de)品质和性能(neng)表现(xian),一般(ban)建议(yi)削(xue)波(bo)限(xian)幅(fu)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)增益衰减量为0-3dB,同(tong)时(shi)启用(yong)Peak和RMS限(xian)幅(fu)器(qi)(qi)(qi)。

图5:ArmoníaPlus里的基(ji)础限幅(fu)器

6怎样计算限幅器的各项数值

为了给(ji)ArmoniaPlus所提(ti)供(gong)的(de)(de)三种限(xian)幅器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)计算(suan)(suan)电压阈值(zhi),启动与释放时(shi)间这几个参数(shu)的(de)(de)合适(shi)数(shu)值(zhi),Powersoft提(ti)供(gong)了一款被称为功(gong)率共享(xiang)的(de)(de)计算(suan)(suan)工(gong)具(ju)。在这个工(gong)具(ju)当中,专门有一个部分叫做(zuo)“限(xian)幅器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)建议阈值(zhi)”,可以给(ji)大家提(ti)供(gong)一个安全(quan)的(de)(de)数(shu)值(zhi)作为初始(shi)设置(zhi)。只需输(shu)入扬(yang)(yang)声(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)AES功(gong)率以及标(biao)称阻抗,选择扬(yang)(yang)声(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)类(lei)型(低(di)频(pin)扬(yang)(yang)声(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)元,中频(pin)扬(yang)(yang)声(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)单(dan)元,高频(pin)扬(yang)(yang)声(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)单(dan)元,全(quan)频(pin)扬(yang)(yang)声(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)单(dan)元)或分频(pin)情况。数(shu)据输(shu)入完毕之(zhi)后,工(gong)具(ju)会(hui)进行计算(suan)(suan),提(ti)供(gong)一个合理的(de)(de)限(xian)幅器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)配置(zhi)供(gong)使用(yong)者(zhe)参考与选择。此工(gong)具(ju)同时(shi)可以用(yong)于Low-Z扬(yang)(yang)声(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)与Hi-Z扬(yang)(yang)声(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(100V、70V和(he)25V)。

要(yao)注意的(de)是(shi),工具(ju)所计算(suan)出来的(de)数值仅(jin)仅(jin)是(shi)一(yi)(yi)个初(chu)始参考,特别是(shi)对一(yi)(yi)些分(fen)(fen)频(pin)驱动的(de)扬声器进行限幅(fu)器配置的(de)时候,建议使用音(yin)(yin)乐信(xin)号或(huo)者与(yu)音(yin)(yin)乐信(xin)号具(ju)有相同特征(zheng)的(de)音(yin)(yin)频(pin)信(xin)号对各个分(fen)(fen)频(pin)单元的(de)性能进行一(yi)(yi)定的(de)分(fen)(fen)析与(yu)了解。通(tong)过(guo)这种方式,才能够避(bi)免不同限幅(fu)器对不同分(fen)(fen)频(pin)单元所做的(de)不同增益衰(shuai)减所导致的(de)音(yin)(yin)色不平衡的(de)问题。

图6:功率共享工具(ju)当中限幅器(qi)部分

7结论

在(zai)(zai)对Powersoft的(de)(de)限(xian)幅(fu)(fu)(fu)器做基本分析后,我们可(ke)以聚焦在(zai)(zai)两个(ge)方面(mian):一是(shi)(shi),Powersoft的(de)(de)限(xian)幅(fu)(fu)(fu)器的(de)(de)设(she)计(ji)完全是(shi)(shi)为了保护(hu)扬(yang)(yang)声器,所以应该总是(shi)(shi)将其激活,让(rang)扬(yang)(yang)声器得到(dao)适当的(de)(de)保护(hu);二是(shi)(shi)音质(zhi)与一个(ge)好(hao)的(de)(de)系(xi)统(tong)设(she)计(ji)之间(jian)的(de)(de)关系(xi),就像(xiang)前面(mian)提(ti)到(dao)的(de)(de)那(nei)样,当整(zheng)个(ge)系(xi)统(tong)在(zai)(zai)音质(zhi)上有着最(zui)(zui)佳表现时,RMS限(xian)幅(fu)(fu)(fu)器承担着最(zui)(zui)重的(de)(de)限(xian)幅(fu)(fu)(fu)工作,峰(feng)值限(xian)幅(fu)(fu)(fu)器控制瞬态信号(hao),而削波限(xian)幅(fu)(fu)(fu)器则(ze)作为保护(hu)扬(yang)(yang)声器的(de)(de)最(zui)(zui)后一道(dao)防线。

遵循(xun)这些简(jian)易的工作流程,在获得(de)良好音质表现(xian)的同(tong)时,也(ye)能够延长系统(tong)的使用寿(shou)命。


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