三分頻揚聲器系統(tǒng)分頻器電感的精確設(shè)計,Coil design

關(guān)鍵字：分頻器電感設(shè)計，音響分頻器設(shè)計

三分頻揚聲器系統(tǒng)分頻器電感的精確設(shè)計

1 引言
揚聲器系統(tǒng)的分頻器分為前級分頻和功率分頻2類。前級分頻是前級電路中由電子元件產(chǎn)生的分頻，再由各自的功放分別驅(qū)動高﹑中﹑低音揚聲器系統(tǒng)，如圖（1a）所示，屬于小信號有源分頻。而功率分頻則是由電感、電容、電阻元件構(gòu)成的位于功放與揚聲器之間的無源分頻電路，如圖（1b）所示。
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采用功率分頻的揚聲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且又能獲得很高的放音質(zhì)量，因而在現(xiàn)代高保真放音系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍。其性能的好壞與揚聲器的各項指標(biāo)以及分頻電路、電感元件的性能、精度有密不可分的關(guān)系，精確計算電感參數(shù)便是成功的關(guān)鍵。

2 對分頻器電路、元件的要求
（1）電路中電感元件直流電阻、電感值誤差越小越好。而且為使頻響曲線平坦最好使用空心電感。
（2）電路中電容元件損耗盡可能小。最好使用音頻專用金屬化聚丙烯電容。
（3）使各揚聲器單元分配到較平坦的信號功率，且起到保護(hù)高頻揚聲器的作用。
（4）各頻道分頻組合傳輸功率特性應(yīng)滿足圖2所示特性曲線的要求（P0為最大值，P1為對應(yīng)分頻點f1、f2的值）。分頻點處的功率與功率最大值之間幅度應(yīng)滿足P1（=0.3～0.5）P0的范圍。
（5）整個頻段內(nèi)損耗平坦，基本不出現(xiàn)“高峰”和“深谷”。
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3 分頻電感電容參數(shù)值的計算
下面以三分頻分頻器為例說明其參數(shù)的計算，如圖3所示。
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（1）計算分頻電感L1，L2，L3，L4和分頻電容C1，C2，C3，C4。
為了得到理想的頻譜特性曲線，理論計算時可?。篊1=C4，C3=C2，L1=L3，L4=L2，分頻點頻率為f1，（f2見圖2），則分頻點ω1=2πf0，ω2=2πf2。并設(shè)想高、中、低揚聲器阻抗均相同為RL。每倍頻程衰減12 dB。
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（2）實驗修正C1，C2，C3，C4，L1，L2，L3，L4的值
為精確起見，可用實驗方法稍微調(diào)整C1，C2，C3，C4，L1，L2，L3，L4的值，以滿足設(shè)計曲線﹙見圖2﹚的要求。即通過實驗描繪頻響曲線，從而得到C1，C2，C3，C4，L1，L2，L3，L4的最佳值。如果沒有實驗條件，這一步也可不做。求出電容電感的值后就可計算電感值了。

4 最佳結(jié)構(gòu)電感的作用
4.1最佳結(jié)構(gòu)電感的提出
空心分頻電感（簡稱電感）的基本參數(shù)是電感量和直流電阻。一般來說，電感量不準(zhǔn)會導(dǎo)致分頻點偏離設(shè)計要求并可能影響揚聲器系統(tǒng)的頻響，大家都比較重視。然而其直流電阻不宜過大，否則會對音質(zhì)產(chǎn)生影響。通常人們對此電阻在電路中的影響及其定量要求不甚了解，因此未引起足夠重視，對此特作以下簡要分析。
以圖3的分頻網(wǎng)絡(luò)為例，由于低音單元的分頻電感L2與負(fù)載R（L低音單元額定阻抗）相串聯(lián)，因此若L2的阻抗過大，功放輸出功率在其上的損耗將增大。同時，功放內(nèi)阻對低音單元的阻尼作用也將大大減弱。前者影響功放的有效輸出功率，后者對音質(zhì)的影響卻無可挽回。由于分頻網(wǎng)絡(luò)中L2的電感量最大，且隨分頻點的降低而增大，所以L2的直流電阻的影響相當(dāng)突出。
至于高音單元的分頻電感L1，因它未與負(fù)載串聯(lián)，就不存在L2那樣的功耗和阻尼問題。但是仍希望其阻抗盡可能小些。因為它與負(fù)載并聯(lián)，起著旁路來自C1的殘余低音頻成分的作用。若阻值過大，就會影響高音分頻網(wǎng)絡(luò)對低音頻的衰減陡度。
綜上所述，電感直流電阻的數(shù)值在理論上是越小越好，實際應(yīng)用中對電感直流電阻數(shù)值的要求，應(yīng)從減小它對電路的影響方面去考慮。具體說又分2種情形，對與負(fù)載串聯(lián)的電感（如L2），應(yīng)從允許的功率損耗和有足夠的阻尼兩方面去考慮；對與負(fù)載并聯(lián)的電感（如L1），則主要從具有足夠的旁路作用去考慮。
對L2電阻影響功率損耗和L1電阻影響旁路作用的處理原則相同，即應(yīng)使L1和L2的阻抗R遠(yuǎn)小于揚聲器的額定阻抗R（L即R< 綜上所述，可得出這樣的結(jié)論：對與負(fù)載串聯(lián)的電感，一般按阻尼要求R≤RL/20確定其電阻值。例如，對8Ω負(fù)載，L2的電阻不應(yīng)高于0.4Ω；對4Ω負(fù)載則不應(yīng)高于0.2Ω。對與負(fù)載并聯(lián)的電感按R≤RL/10確定其阻抗值。例如對8Ω負(fù)載，L1的電阻不應(yīng)高于0.8Ω；對4Ω負(fù)載，則不應(yīng)高于0.4Ω。按這樣的要求可能許多著名的揚聲器系統(tǒng)都達(dá)不到指標(biāo)。
對同一電感量，其繞組結(jié)構(gòu)可任意多。因此空心電感線圈必然存在一個最佳結(jié)構(gòu)尺寸，它應(yīng)使電感量L對其電阻R之比L/R達(dá)到最大值。即可找出一套合理繞制空心電感線圈的經(jīng)驗計算公式，與其它方法得出的結(jié)構(gòu)尺寸相比，相同的電感值具有最小的阻抗值。
其實電感結(jié)構(gòu)是否最佳很容易從其外形判別。如果繞組截面大致呈正方形，且繞組內(nèi)徑為繞組寬度（即繞組高度）的4倍，那么基本上屬于最佳結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)最佳的電感線圈應(yīng)該用料省、體積小，并可使電感量和電阻同時滿足預(yù)先給定的數(shù)值。
由于對每一電感值和電阻值均有一個最佳結(jié)構(gòu)尺寸，因此應(yīng)舍棄傳統(tǒng)的計算方法求取、制作電感。因為傳統(tǒng)方法不經(jīng)測試修正難以滿足最佳要求。
下面介紹改用經(jīng)驗公式的計算方法，此方法能滿足最佳要求。而且它對一些特殊結(jié)構(gòu)尺寸的電感計算精確度也很高。

4.2最佳結(jié)構(gòu)電感的計算
設(shè)所需電感量為L（μH），其阻抗值為R（Ω），先求出繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)
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參數(shù)b是繞組的高度（寬度），決定了繞組的內(nèi)徑和外徑。所以求得b后即可按圖4制作繞組骨架，其中骨架外徑適當(dāng)加大10%左右，然后求取
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其中，N為繞組匝數(shù)，d為導(dǎo)線銅芯直徑，i為導(dǎo)線總長度，w為導(dǎo)線總重量。
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根據(jù)銅芯直徑d從線規(guī)表中選取對應(yīng)的標(biāo)稱直徑，由導(dǎo)線總重量可選購足夠用量的高強度漆包線。
采用該計算方法繞制的電感經(jīng)與實驗對比，誤差一般小于5%，繞制后是否測量已無關(guān)緊要了，基本上能滿足直接應(yīng)用的要求。
由于以上繞制方法中，實際使用導(dǎo)線銅芯直徑D總是選得比計算直徑d大一些，從而造成繞制后的電感量總比計算值低些，顯然，加長繞制導(dǎo)線長度，即多繞幾匝就可使實際電感量更接近計算值。實際繞制導(dǎo)線的總長度可由
k=0.4[(D/d)-i] （6）
I（=i+k）i （7）
求出。其中k為實際導(dǎo)線的加長系數(shù)，I為實際繞制導(dǎo)線總長度，把長度I全部繞入骨架即可。D為實際導(dǎo)線直徑。
如計算1 mH、電阻值為0.8Ω的空心電感線圈的最佳結(jié)構(gòu)尺寸及繞制參數(shù)。將數(shù)值代入式（1）～式（5）得
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骨架的中心軸外徑取2b=24 mm，骨架兩夾板間距為b=12 mm，骨架夾板外徑取4b=48 mm，(實際制作時可加大10%）。計算結(jié)果如下
b=12 mm；2b=24 mm；N=181.5匝；d=0.75 mm；i=20.52 m；w=81 g。
如果采用導(dǎo)線直徑實際為D，則用k=0.4（[D/d）-i]，I（=i+k）i進(jìn)行修正。采用該方法計算出L1，L2，L3，L4的值，照圖裝配即可。
作為計算驗證，筆者按Hi-Vi S8 plus揚聲器系統(tǒng)分頻器的參數(shù)制作了一個家用揚聲器系統(tǒng)。其中2只0.55 mH和0.18 mH的電感按上述結(jié)果計算制作，實測電感值為0.565 mH和0.187 mH。誤差不超過5%。說明此法繞制的電感量準(zhǔn)確。通常該計算法即使沒有電感表測量，電感誤差也不超過5%。
將該計算法與以往的圖表法比較，還可體會出該方法的優(yōu)點：用料省、體積小、不需繪制圖表、誤差小。