业余HiFi系统设计(代友发布)

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代友发布HIFI系统设计
系统设计

本系统的设计思路是宽频，低失真。大多数烧友都有个误区，认为低音失真不明显，可以忽略。实际上这个概念是极其错误的，失真的低音声波和中高声波在空气中合成的效果，和在放大器里面合成并无二致。在超低频大功率时，低音的失真度甚至可达30~50%造成的直接后果，先不说对定位有多大的危害，就音质来说，很明显的会感觉中高音始终像蒙了层纱。在播放低音份量比较少的音乐时，表现尚不明显。
一、低音的设计
低音箱主流的设计思路是仅有喇叭可以动，其他的都不可以动，所以箱体必须是高刚性的，同时具备良好的阻尼性能。就材料来看，铝合金，玻纤都是性能不错的材料。本系统采用厚度达25mm的玻纤板拼接而成，接缝处均用硅酮胶密封，保证不漏气，箱体的尺寸是340*362*1025，中部有格框加强，净容积约76升。由于箱体采用高刚性，高阻尼的材料制造，其音染十分低，低到完全感觉不到的程度。
低音扬声器方面，采用的是飞乐出品的YD310-31舞台扬声器，按照理论计算，2个12寸扬声器的密闭箱容积应该在200L以上，采用负阻放大器来克服容积过小的问题。
型号    功率    阻抗    频率范围(谐振频率)    灵敏度    磁路尺寸
YD310-31    300    8    FO~3000(FO=50)    98    220*25
名词解释：
负阻放大器的准确名称应该是“反电势伺服放大器”，由名字可知它伺服的对象是喇叭的反电势，而喇叭的反电势=喇叭的振动速度。振动速度和频率-振幅的关系是：振动速度=频率*振幅。由此可得知，在输入等幅信号时，喇叭的振幅和频率成反比，因为反电势成了伺服的对象，所以和箱体及喇叭的参数已经没有关系了。但是，要输出相等的声压，振幅和频率之间的关系并不是线性的，而是和频率的平方成反比。举个例子，100Hz，100dB的声压，某喇叭的振幅是1mm，那么到了50Hz，就得要4mm的振幅才能保持输出声压不变。实际上等声压输出的条件是“加速度伺服”，而负阻放大器是速度伺服，必须对时间微分成加速度才能满足等压输出的要求。这个在电路里面实现起来很容易，一阶RC就可以了。
下面给出模拟图来具体说明，以惠威的D8.8为例。（不是说惠威好，是惠威的参数较齐全，便于LspCAD模拟）

这是一个D8.8装于闭箱内的SPL曲线和振幅曲线，可见低于Fo以后振幅不再增加，维持等幅输出，根据频率减半，振幅必须*4的关系可知它必然是以-12dB/oct的斜率下降，也就是2阶的下面看看模拟-95%内阻合成的结果，只需将Re改为0.35欧就行了

合成内阻接近零的时候，振幅和频率的关系变成了反比例，所以SPL曲线相应的变成了一阶，也就是-6dB/oct的特性，滚降速度已经大大减缓了
而且这个变化趋势和箱体容积已经没有什么关系了，请看1000L的结果

100L的曲线

1L的曲线！


由此看出，SPL曲线和箱体容积没什么关系了。当然了，容积越小，消耗的功率越大，所以还是要有个合适的容积.

下面我们用一阶RC来修正结果。

图中黑线是负阻系统的固有频响曲线，赭线是一阶RC低通特性，转折频率在40Hz，蓝线是修正完的频响，40Hz开始滚降，斜率是-6dB/oct，这意味着到了28Hz仅下跌3dB，20Hz不过就是-6dB
由此可见本系统的低音表现，和箱体，单元是无关的，所需要考虑的仅仅是单元的功率承载能力和最大的线性冲程极限。因此系统每边使用了2个YD310-31，使得在40Hz时可以输出109dB的声压，对于家用来说，已经是非常棒了。
然而负阻驱动带来的好处不止是拓宽频响，还有大大加快瞬态，极大的降低失真的有点，请看图

这是负阻不动作的脉冲响应曲线，可见回复速度是很慢的

这是负阻动作情况下的脉冲响应曲线，回复速度非常的迅速
另外，由于负阻放大器检测的是音圈的反电势，所以失真度就是磁路的失真。采用低失真的磁路的扬声器，可以大大的降低非线性失真，在200Hz以下的频段，由于折环和弹波带来的失真可以被抵消，发出的低音素质非常高。
从整体结果来看，由于展宽了低音的低端响应，大大的提高了瞬态响应和大大的降低了失真，最终的结果是可以媲美3000块等级耳机的低音素质。由于低音的素质很高，由此大大的改善了中高的重放。

[ 本帖最后由 wishwatch 于 2010-3-11 21:13 编辑 ]

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二、中高音的设计

系统的中高喇叭是Fountek的FR89EX，每边4个来提高灵敏度，使得可以和Fountek的CD3.0铝带相匹配而无需做衰减处理。FR89EX和CD3.0都是低失真单元，所以本系统的综合素质很高，真正的做到了宽频低失真。

FOUNTEK FR89EX:





Fountek 铝带式扬声器/喇叭 NEOCD3.0
型号    NeoCD3.0黑圆铝面板
灵敏度    97 dB/1M/1W
输入功率    17W，最大40W
频率响应    1,400-40,000Hz
额定阻抗    7ohm
铝带尺寸    8mm*60mm*0.015mm
有效面积    480 mm2
铝带重量    18毫克
磁通量    0.60特斯拉
间隙高度    3毫米
建议分频频率     2,500Hz以上3阶
净重    650克

Fountek的FR89EX和CD3.0还有个突出的优点，就是阻抗曲线非常平滑，变化率非常小。这使得分频器的设计大大简化。只要参照厂家给出的阻抗曲线就可以用ETOOL轻松计算LC的参数

经由LMS系统实测，证明分频点过渡非常准确和平滑。
系统的中高箱体为了彻底的消灭有害振动，不惜工本采用了航空铝合金AL7075，表面硬质氧化处理成深墨绿色。为了消灭面板共振，面板最厚处厚达40mm!整个箱子尺寸是330*360*280，每个重达26Kg！

[ 本帖最后由 wishwatch 于 2010-3-9 21:47 编辑 ]

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三、功放和第二分频点分频电路设计
    本系统的分频采用混合式分频设计，第一分频点是200Hz，4阶，第二分频点是5000Hz，4阶。
LC分频器是2分频，4阶，分频点是5000Hz。采用铁氧体磁芯来制作电感，每个电感均由阻抗分析仪扫描校正，线圈均使用0.07mm*315股的利兹线绕制，其损耗十分的低。电容采用聚苯乙烯铝箔式精密无感电容，这是有机薄膜里面最接近理想状态的电容，性能十分优秀。损耗值比聚丙烯电容低得多。其容量误差在额定温区仅0.5%。这也是制作精密分频器的必要前提。




为何不用空心电感？——本作使用的是铁氧体电感，而不是常见的空心电感。这是因为，单芯铜线绕制的电感，在不同的频率下，电感量和交流损耗有很大的误差。这是因为空心电感的磁场发散，使得每一匝线圈均成为感应加热的负载。而吸收度则是线越粗，吸收度就越好。最终的结果就是分频器频率漂移，低通的频率会升高，高通的频率会降低，在交接点会隆起一大块来。而铁氧体的电感就没有这个缺点，从100Hz—700KHz都稳定不变，误差仅1%。
系统另一特色就是采用电子分频将低音独立出来做了，低音200Hz，4阶的LC分频器，其价格十分昂贵。因此采用电子分频，将输入的信号切成200Hz以上和以下的两部分。由各自的功放单独处理。这样对功放的要求也低得多了。
电子分频采用LM4562制作的2分频，4阶，贝塞尔特性。低音功放和中高音功放均采用国半的高压推动IC，LM4702，驱动场效应管。其中低音功放供电电压是正负75V，采用三对IRF240/9240直接输出；中高音功放是采用正负38V供电，一对IRL540/2SJ221输出。功率分别是2*400W4R和2*50W8R
请看图：电子分频板

功放板和电分全家福



内部结构


元件表可根据自己的要求自行编制




负阻放大器原理图

本系统的优势相当明显，如果说缺点，那就是低音喇叭的利用率较低，效率不及倒相箱。但是在音质取胜的指导思想下，用大口径单元可以弥补这一缺陷。现在舞台扬声器价格并不贵。例如丝语电子的SY12，价格仅298一个，那可是直径220的磁铁，100mm直径音圈的巨磁扬声器，加上风琴边，损坏的可能性是非常小的。

功放的PCB图，有必要更正下对功放的误解。功放并不是昂贵原料的堆积，而是合适的原材料和合理的结构（布局，走线）。所以DIYER者经常发生昂贵原料堆出来一堆垃圾的事情
功放是模拟电路，和数字电路不同，要满足布局和走线规则才行。几个基本的原则就是：让大电流（高变化率电流）远离弱电流。大电流围成的包络面积力求小。接地点的选取原则。接地点要以滤波电容中心作为基准点，所有地线均在此处会合。大电流路径尽量短。

图中白线就是地线路径。

正负电源供电的路径短，围成的面积很小。这样辐射干扰就小。尽管采用的是低价的LM4702，但是依然将指标做的极好。尤其是信噪比，在输入开路的情况下，输出仅0.16mV，接上高音喇叭，耳朵贴上去也听不到任何丝丝声。信噪比是功放指标的第一要素。这意味着不该有的信号就绝对没有。设计不好的功放，信噪比是不会很高的。
在功放布局不良的时候，常常会发生静态指标极好，而大功率听感差的问题。实际上多数就是地线未布置好。在低音大振幅信号和高音信号进入时，会同时满足幅度条件和相位条件而产生轻微自激。造成大声放音乐的时候吵人，不耐听。而本功放未使用任何“发烧”元器件，使用的全部都是普通的元件，然而其音色不错，听感也是不错的。当然其静态指标也是过得去的，粗略的测量表明满功率输出的时候，失真度是0.04%（200Hz~20KHz）。之所以不能达到LM4702PDF所达到的0.001%的理论指标，是因为作者偷懒，未采用BJT-FET复合结构输出，使用了单一的FET输出，在跨越FET的起始平方率输出特性区的时候造成了一些偶次谐波失真。使得失真度指标下降到了0.04%，不过这对于扬声器0.4%的失真来说，算是无所谓的了。
低音扬声器选择的诀窍：
建议选用舞台扬声器。因为舞台扬声器的加速系数（BL/Mms）很大。尽管高加速系数的喇叭在Fo以上的灵敏度很高，相等声压下需要的功率较小，体现不出高加速系数的优势，但是在Fo以下，灵敏度急速降低，降低的速率是-12dB/oct（闭箱）。这样频率越低，灵敏度越低。而低灵敏度高加速系数的喇叭具有更好的瞬态响应。另外舞台扬声器功率大，寿命长，算起来性价比是很高的。
负阻放大器的一些有趣现象。
负阻放大器对喇叭是全控制，喇叭必须按照给定的信号来振动。所以在没有信号输入时，喇叭是不应该动的。此时用手推喇叭的纸盆，是很难推动的，感觉上纸盆像是浸在阻尼油里面。另外用手指弹击纸盆时，会发出“当当”的声音，犹如弹在石头上一样。证明系统阻尼之大，瞬态之好。

[ 本帖最后由 wishwatch 于 2010-3-9 21:55 编辑 ]

clk

高。

wishwatch

四、系统测试数据公布

测试用的标准的LMS系统因为低音是有源的无法测量，环境也无法保证精度，这是单独测量中高的频响曲线（扫频检测，400点精度，真实曲线，未做平滑处理，包含房间响应）

快测的轴向-离轴特性

轴向，100点扫描


离轴15度，100点扫描


30度离轴，100点扫描


45度离轴，100点扫描


[ 本帖最后由 wishwatch 于 2010-3-9 21:49 编辑 ]

李齐车

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[s:20] 能文字说明吗

northwood8888

挺有意思的
请继续

天涯若比邻

理论与实际结合的DIY高手。

南海6496

顶技术贴

今夜星光

听过此系统，印象极其深刻，一般的系统，即使是高价的进口系统在某些方面也赶不上这个土炮系。[s:20] [s:20] [s:20] ，由于空间的限制，200-550HZ偏低了，估计在较好的听音环境下不会有这个问题。另外，本系统的DIY者打算提升200-550HZ，来弥补空间缺陷，期盼看见进一步的结果。

今夜星光

本帖的题目改成这样比较妥帖：非常专业的“业余”HIFI系统设计

Philharmonic

低音箱那个黑园是反射孔？介绍介绍

lyticast

那个黑圆是报废的高音喇叭，用来当塞子塞倒相孔的。[s:30]

lyticast

刚才将中高功放改成了“局部主动伺服”形式，专门对付200Hz~600Hz这段，然后将高音衰减掉2dB，立刻改观。

赵晖

自己玩得高兴就可以了
可千万不能和进口成品音箱PK[s:14]