功率放大器原理

第五章功率放大器与扬声器4课时教学重点与难点•1、功放的配接原理及技术参数•2、音箱的工作原理及技术参数第一节：功率放大器•功率放大器（简称“功放”）是音响系统的一个重要单元。它要将从调音台输出的音频信号经过压限器，均衡器、激励器进行加工处理，最后将这个音频信号的能量进行放大后来推动音箱，把声音送入声场。一：功率放大器的分类•1、按照功放与音箱的配接方式来分：定压式功放、定阻式功放。•A、定压式功放：为了进行远距离传输音频信号，减少在传输线的能量损耗，以较高的电压形式传送功率信号。一般有75V、120V、240V等不同的电压输出端子提供使用者选择。使用定压式功放要求在功放和扬声器之间加装线间变压器以进行阻抗的匹配，使用多只扬声器时，其功率总和不得超过功放的额定功率，且传输线直径不能过小。•B、定阻式功放：即功放以固定阻抗形式输出音频信号，要求音箱必须按规定的阻抗进行匹配，才能得到额定功率的分配。•2、按功放使用的元件来分：电子管式、晶体管式、集成电路式。•A、电子管功放：以电子管作为功率放大的主件。（70年代前使用）。•优点：音色柔和，富有弹性，空间感强。•缺点：体积大、笨重、功率小，耗能多，工作时需预热和散热。•B、晶体管功放：体积小，功率大，耗能低，技术指标高，具有良好的瞬间特性。•C、集成电路功放：噪声小，动态范围大，无需保护。二、功放的性能指标•1、输出功率：是功放送给扬声器的电功率，它包括：•A、额定功率：指在不失真的前提下，功放的最大输出功率。•B、最大输出功率：不考虑失真的大小，将功放音量开到最大，此时它所提供的电功率。•C、音乐输出功率：在输出不失真的情况下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。•D、峰值音乐输出功率：不考虑失真的大小，功放所能提供的最大音乐功率。•2、频率响应：指在指定频带内各频率成分的增益特性，即不允许产生高（低）频音的增益不平均的情况，高质量的功放的频率响应在20――20KHz内，不平均度应保持在（正负）0.5dB以内。•3、非线性失真：包括总谐波失真和互调失真，专业功放的总谐波失真要在0.1%以下，互调失真在0.02%以下。•4、噪声与信噪比：噪声指功放输入端不加任何信号时，作为负载的扬声器所发出的声音（来自内部电路），信噪比指功放输出的有用信号与噪声之比，专业功放的信噪比值应大于100dB。•5、阻尼系数：指扬声器阻抗与功放输出阻抗的比值，该系数的大小会影响重放音质，通常阻尼系数大，表明功放的输出内阻很低。•6、动态特性：指瞬态响应。如打击乐器、弹奏乐器等发出猝发声脉冲信号时，若功放的瞬态响应性差就跟不上这些瞬态信号的变化，从而产生失真。三、功放的匹配与选择•1、功放与音箱的匹配•A、音箱功率等于功放的额定功率（即等功率匹配）在电子管功放常用。•B、音箱功率大于功放功率，俗称“小马拉大车”，仅限家庭用。•C、功放功率大于音响功率，在专业音响系统中常用。因为功放有一定的功率储备，减少了机器的本底固有噪声和失真度，使声音质量得到提高，因为大功率易烧坏音箱的高音单元，所以必须有专业人士进行操作，常规情况下，专业功放的功率比音箱功率大2/3既可。2、如何选择功率放大器•A、根据厅堂的性质，环境和用途来选择不同类型的功放•·舞厅、DISCO厅选择大功率功放•·专业使用选择频率响应范围宽，失真度小，信噪比大，音色优美的功放。•·KTV选用小功率，多功能的功放。•B、根据音频信号传输距离来选择•·多功能厅的会议系统采用远距离分散式扬声器系统，需要选用定压式功放。•·歌舞厅、剧院主音箱系统选择定阻式功放。•C、根据音箱功率选择功放，功放功率大于音箱功率2/3。四、功放的使用•1、专业功放一般只有开关、旋钮和指示灯三部分。•·开关使用时应注意开机时应是整个扩声系统最后一个开启；关机时，应最先关闭。•·衰减器旋钮（也叫音量钮）：旋至最左边时，进入功放的输入信号为零，变压器无输出。旋至最右边时，进入功放的输入信号最大，变压器输出也最大。•·指示灯一般分为峰值灯和过载削波灯。•2、功放在长时间工作后，搬运及安放时注意免受振动和撞击，与音箱连接时注意极性正确接驳。•3、在固定系统中，功放输出音量一经确定，一般不需要随意调整。第二节：扬声器（音箱）•扬声器俗称喇叭，它作为高保真放声系统的最后一个环节，其任务是把功率放大器输出的信号能量不失真地转变为空气振动的声能。通常把扬声器，箱体和分频器三者的组合称为“扬声器系统”。一、扬声器的种类结构•1、按声波辐射方向分：直射式（纸盆扬声器）、反射式（号筒扬声器）。•2、按换能原理来分：电动式、电容式、电压式、电磁式。•1、按频率特性来分：低音、中音、高音和全音域扬声器。•A、高音扬声器：仅为重放音频中高频成分而设计的扬声器单元。通常采用口径较小的扬声器。•B、中音扬声器：适用频域在500Hz－5KHz中频音发音的号筒型或锥型扬声器。•C、低音扬声器：专为重放500Hz以下低音信号而设计的扬声器单元。低音通常分为中低音频段（100－500Hz）；低音频段（40－150Hz）；超低音频段（20－50Hz）。•D、全音域扬声器：指一个扬声器单元能重放全音域的声音，此类扬声器一般频率范围控制在中低音至高音范围，低音频的下限大于100Hz，常使用在电视机，录音机等民用产品中。•4、按用途来分：•A、监听扬声器：供调音人员来评价音色质量的扬声器。•要求：频响宽、失真低，指向性好，功率大，动态范围大，抗过载。•B、主声扬声器：面对观众，辐射全场。•C、补声扬声器：侧后方，弥补主声不足。•D、巡回演出扬声器：大功率，移动方便。•E、影院扬声器：适应数码技术，语言清晰，穿透力强。•5、按外形来分：圆锥形、球顶形、号角形。二、扬声器的工作原理（以电动式纸盆扬声器为例）：•1、纸盆扬声器的结构（如图）：•由锥形纸盆、音圈、定心支片组成。纸盆由盆架与定心片支撑，音圈直接连在纸盆上。•2、工作原理：•当功率放大器输出的音频电流通过音圈时，由于磁场与音圈的相互作用，音圈就会产生高变运动，音圈被固定在纸盆上，音圈随信号振动，通过振动系统实现电声转换。•纸盆面积越大越有利于声辐射，通常低音纸盆口径为20－30cm，高音纸盆口径在10cm以下。纸盆扬声器具有结构简单、音质柔和，频率范围宽、低音好的特点。三、音箱的种类和结构•一只扬声器不带任何附件而单独使用时，称之为扬声器单元。•音箱又称为扬声器箱，一般由单只或多只扬声器、分频器、衰减器、箱体等组成。•常见的音箱有敞开式、密闭式、倒相式、声阻尼式。•1、敞开式：由障板与共鸣腔组合而成，盖面上有许多孔眼，如家用收录机，电视机等。•2、声阻尼式：在音箱的开口孔道内，装有许多玻璃石等声阻材料以此来降低箱内的共振频率，改善音箱的低频特性。•3、密闭式：把音箱封闭起来，在面板上只留喇叭口，减少声反射。使扬声器前后的墀不会产生干涉，改善低频特性，同时丰富中、高音，体积小，讯息工期方便。4、倒相式：在扬声器面板上开一个口或插入一根倒相管，使箱内的弹性空气和管内空气发生共振，使之产生180度倒相，当纸盆振动时，前后声波相叠加，增加低频辐射。•6、声柱：是一种特殊音箱，常用于大型剧场，用金属板材或木料制成一个长方形的柱状体，在柱体内以直线排列一定数量的扬声器，形成同轴辐射声的扬声器系统（如图）。四、扬声器的性能指标•扬声器的技术性能决定音箱质量的高低，会场用扬声器要考虑其指向性，以保证会场有均匀的声压级；语言用扬声器，其频率范围不太宽，低音也不要太丰富，以免影响语言的清晰；高保真重放系统则频响要宽，动态范围要大，瞬间特性要好。•1、扬声器的口径尺寸：指声波辐射口的最大几何尺寸。对于低音扬声器而言，口径尺寸越大，放音频率越低；对于高音扬声器而言，口径尺寸越大，指向性越强。•2、标称功率：分为额定功率和最大功率。•A、额定功率：指扬声器在允许的失真范围内，所允许的最大输入功率（一般由厂家给出）。•B、最大功率：指扬声器在某一瞬间所能承受的最大峰值功率，通常是额定功率的2－4倍。•3、有效频率范围：当给扬声器一个恒压信号时，并使该信号由低频到高频改变频率时，扬声器产生的电压也随之变化，比变化曲线越宽说明放声特性越好。•4、灵敏度：指给扬声器输入1W的电功率，在离扬声器轴向正面1米处所测得的声压值、灵敏度越高，说明扬声器效率越高。•5、失真：•A、谐波失真：由扬声器磁场不均匀及振动系统失衡引起，一般在低频重放时易产生，该指标不应超过3%。•根据有关资料和实际听音的经验，谐波失真在1％以下时，就有良好的主观听感；谐波失真在3％就容易被人们所察觉；谐波失真达到5％时，主观听感就令人烦躁；如果谐波失真超过10％，主观听感就令人难以忍受。同时，人们对奇次谐波失真更为敏感。通常三次谐波失真应远小于二次谐波失真（在不同的数量级上）才会有良好的主观听感。•B、互调失真：•因两种不同频率信号同时加入扬声器时，互相调制而引起。会造成音调失真，当该指标较大时会使合唱，合奏等节目音质变坏。C、瞬态失真：•因扬声器振动系统的惯性而造成。惯性使纸盆不能紧跟瞬息变化的信号，从而引起输入信号变形。D相位失真•电信号通过扬声器单元后，电相位与声相位发生了变化而形成的失真。声相位失真对主观听音评价的影响越来越被人们所重视，尤其是扬声器系统，声相位的失真对声场、定位等主观听音评价产生不容忽视的影响。有资料说明人们的听觉对高频部分的相位失真比低频部分要敏感得多。•6、指向性：指扬声器将声波辐射各个方向的能力。300Hz以下的低频指向性不明显，而高频则尖锐，口径大，指向性尖锐，口径小，指向性宽；纸盆深，高频指向性强，纸盆浅，低频指向性强。8英寸低音单元的指向特性频率响应曲线1英寸高音单元的指向特性频率响应曲线五、扬声器（音箱）的选用•1、专业扩声用扬声器•多用于各种类型的室内外演出，主要是向广大观众或听众播放音乐，歌曲等节目。要选用功率大、频带宽、失真小、灵敏度高的扬声器，高频单元一般选用号角式扬声器。中、低频单元多选用纸盆扬声器，大型剧场使用声柱。•2、监听用扬声器•A、供调控人员及演奏人员监听用：监控室监听由调控人员来监听节目信号，及时发现节目声音出现的问题并加以调整和处理，所以要求这类扬声器保真度要高，瞬态特性要好，能真实反映原声信号的质量。多选用扩散型组合音箱。•B、供演奏人员监听用的扬声器：一般称为返送扬声器，多使用小型扬声器，指向性要强，中高音特性要好，以保证返回的声音信号有较高的清晰度，并防止演奏现场声反馈思考题：•1、功率放大器的作用及使用方法。•2、扬声器（音箱）如何选用。小结