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功放仪器测试

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发表于 2016-9-30 00:12:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
测试音响最基本项目就是失真,这里所提的失真指的是”输入后所转化的讯号与输出后不相同”,已以功放为例,输入的讯号不单只被放大且电路会依原讯号更大的电压或电流来增益讯号来推动下一级的负载。在这个过程中由于电子零件间的特性不同以及电路设计者的设计因素,使得真正送到我们耳朵的讯号与原来的讯号会有所差异,这个差异点我们称为失真。

失真的原理
失真越大,代表我们所听到的声音与原本的讯号相差越多,不过失真有时候并非坏事,有时候会听起来会更好听,这与偶次失真以及人耳的听觉机制有关系。但是绝大多数的情况下,失真越大,器材所发出的声音会越难听。
而音响系统的作动原理,简单说就是将声音的波形转换成电器的波形,但由于转换过程中的物理效应会行成失真,而使原来的波形与产生出来的波形有所差异。因此如果要知道这两者之间的差异,也必须从实际产生的波形与与计算出来的数学的理论值来比较才有办法知道。目前测试失真的方法都是利用正弦波(Sine Wave)来测量,很多人不了解何谓正弦波,其实就是频率成分最为单一的一种信号,因这种信号的波形是数学上的正弦曲线而得名。任何复杂信号——例如音乐信号,都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波复合而成。

何谓正弦波测试
而正弦波的学理函数公式为V=Vp Sin(wt+∮),其中Vp为电压峰值,w为角频率(rad/sec)、w=2f,f是频率,t为时间,两者合一的wt就为角度(rad),∮则为相位角。很多人可能看不懂复杂的公式,笔者用另一个角度来解释,数学上正弦波的观念指的是某个点再做一个速率固定且相当稳定的圆周运动,每秒绕行圆周轨迹次数即为其所代表的”频率”。此圆周运动的圆心定义在x&y皆在0的位置上,而做圆周运动的点在x轴或y轴的做边变化投影在时间轴上画出的曲线即为正弦波曲线。描述起来复杂,但其实很单纯,如果看到图形读者应该很快就可以了解。
而量化的原理是藉由所谓的”傅立叶级数”(Fourier,法国17世纪之名数学家)的理论,其理论为假设有个函数,再一空间中的周期或是波长λ,则整个函数可被拆解为波长为λ整分数之一的简谐波总合。说的白话一点,就是说所有的波形变化是由各种的该波长不同倍数频率的正弦波所组成,也就是我们一般所说的谐波。换句话说真正的正弦波除了基频之外是没有任何的谐波的,利用数学上的特性我们可以测量正弦波与其谐波比例的方式来量化失真,让我们了解功放的好坏。
而AP的原理就是利用正弦波产生器产生一个超低失真的正弦波给测试器材,而后器材输出的波形在经过快速傅立叶的转换(FFT)计算其频谱且分析器材本身的失真率,最后再经过计算机再将复杂的计算快速完成变成数据而显现给我们。
之前谈了这们多观念,现在让我们进入实际数据的世界,首先从频谱图开始,频谱图的水平轴多数为频率,单位为赫兹(Hz,Hertz的缩写),就是每秒的周期数,而垂直轴多数为效率或电平,就是输出讯号的位准,单位多数是dB(分贝)、dBV(电压伏特)或是W(功率)。在测试时涂上的坐标无论是水平或垂直都采对数坐标,这样才能更加针对人耳听觉对于音量或频率变化幅度校正。

了解频谱图
在测试扩大机时我们多数都会使用1kHz(一千赫)的频率来测试,因为这个频段是人耳最敏感的范围,所以希望在测量失真分布时可以用这个敏感频段来仿造人耳听感。再来如以1kHz作为测试基频,谐波的分布也都是1k的整倍数,更易于观察图表上的差异。
完美的1kHz正弦波在频谱图上只会在1kHz的地方有上扬,左右两边都不会出现任何突起的谐波,不过这是理论值,这们完美的功放是不存在的,就算是拿来做测试用的超精密仪器所产生的正弦波都还是有极微小的失真。失真的情况有几种层面,首先是由讯号本生所产生的谐波干扰,这就是所谓的谐波失真,这种失真一定是由原讯号的频率讯号所组成。以1kHz为例,产生的2次谐波就为2kHz,3kHz就为三次谐波以此类推,理论上谐波的强度与次数应该是越少越好,而实际上人耳相当喜欢偶次数失真(如2、4、6次谐波)的声音,会使听觉上产生温暖柔软的感觉。相对来说奇数次失真听起来就会让人感觉会有坚硬刺耳音色,这些不同的谐波会产生不同的听感,也使设计者在设计实有更大的自主特色。
另外就是噪声的干扰,功放上的噪声不只是外界会干扰,在设计实如果设计不良也会产生噪声,如电路本身就会有底部噪讯(Noise Floor),会因整体所使用的组件及设计的电路架构而有所影响,在测试图上所呈现的底部噪讯当然是越低越好。另外功放本身的电源也会出现噪声,就算在电路中出现滤波或是稳压电路还是无法把电源噪声完全清除干净,且汽车电源为交流转直流,在过程中也会带有一些谐波,因此车用功放的电源滤波设计比家用还要讲究,此时也可以透过频谱图观察功放抗干扰的能力。

正弦波其实就是频率成分最为单一的一种信号,因这种信号的波形是数学上的正弦曲线而得名。
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在测试的时候我们必须要从正弦波产生器上面产生讯号送到功放内部来做测试。

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这张测试图可以让我们了解功放的谐波特性,先看Y轴部分标示1K的位置有送讯号而凸起,所以可以往右看到2、3、4……等1的倍数都有产生谐波也凸起,此时我们发现,2K位置的2次谐波比3K位置的3次谐波还要高
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这张图是所谓的频率响应图,最好的线路是犹如一条直线一样横贯,不过实际上我们可以看到有条绿线在X轴0db的位置,这代表是空载时基准点,Y轴则是代表频率,这条绿线的两端都下垂了表示功放无法到达理论值的最佳
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盛美歌的魏先生对于操作AP功放测试仪器相当熟析,连笔者都必须要跟他请教。
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发表于 2020-7-7 09:26:34 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享呀
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