自制新型扬声器

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扬声器(又称喇叭)是一种将音频电流转换成声音的电声转换器件。扬声器的种类很多,有电磁式、动圈式(电动式)、压电式、热离子式、气动式,其中动圈扬声器以其优良的电声转换性能及性能价格比,半个多世纪以来一直是国内外使用最普遍的一种扬声器。目前的收音机、录音机、扩音机、电视机等音响设备几乎都是采用动圈扬声器,但是普通动圈扬声器在实际使用时还存在下面一些问题。

我们知道,要使扬声器正常工作,就必须有推动它的功放电路。归纳起来,目前常用动圈扬声器的功放电路有四种,即变压器耦合输出式(图2a),OTL式(图3a),BTL式(图4a)和OCL式(图5a)功放电路。变压器耦合输出式因体积大,成本高,效率低,频响差,现已基本不用;OTL式功放电路因其输出是通过电容与扬声器耦合的,故低频响应受输出耦合电容的限制,加之输出两只互补管轮流导通,电源利用率低,在理想的情况下只有50%,输出功率小,约等于电源电压的平方除以扬声器阻抗的1/8;如果动圈扬声器用BTL功放电路则功放输出至少需要4只功放管,每半波上下两管串联导通,管压降为两管压降之和,故其效率低,电路复杂,使用元件多,成本高。事实上,采用BTL电路的主要目的是为了提高输出功率,所以,BTL功放电路末级多采用复合管输出,功放管至少8只,这样一来,电路管压降更大,效率更低,电路更加复杂,其成本也更高。BTL集成电路亦是如此。如果动圈扬声器采用OCL功放电路,则需要双电源供电,电源利用率在理想的情况下只有50%,且电源电路复杂,需要较大的滤波电容,因此用OCL功放电路时,存在体积大,成本高,电路复杂的问题。此外,由于普通动圈扬声器的音圈只有一组线圈两个输入端,只要有一个输入端在扬声器的纸盆根部断线(此为动圈扬声器的常见故障之一),则该扬声器一般即告报废。再有,这种扬声器阻抗是固定的,故其寿命短,通用性差。

变阻抗自互补动圈扬声器(以下简称新型扬声器)采用自互补式音圈结构及变阻抗输入方式,不仅有效地解决了上述问题,还增加了新的功能(后面将介绍数例),并获国家专利。

新型扬声器有三端输入式和四端输入式两种,其原理示意图如图1所示。由图1可知,新型扬声器与普通动圈扬声器的主要区别在于音圈不同。普通扬声器的音圈只有一组线圈,新型扬声器的音圈由两组线圈构成,并且采用三端式或四端式作为扬声器的输入端。下面将新型扬声器与普通动圈扬声器在常用的4种功放电路上的应用做一比较。

图1
图1 🔍原图 (639×215)

1.与变压器耦合输出式比较(见图2)

图2
图2 🔍原图 (555×235)

图2a是使用普通扬声器常见的变压器耦合输出式功放电路,图2b是使用新型扬声器的功放电路。显然,图2b省去了输出变压器,故展宽了频响,进而提高了保真度。原因是变压器对高频和低频响应较差,特别是低频响应更差。因此使用新型扬声器具有电路简单,成本低,效率高,体积小,重量轻,保真度高等特点。

2.与OTL电路比较(见图3)

图3
图3 🔍原图 (548×245)

图3a为使用普通扬声器常见的OTL电路,图3b是使用新型扬声器的电路之一。图3b比图3a少用了一只输出耦合电容,而且在电源电压相等时,图3b的输出功率是图3a的四倍以上。由于输出耦合电容基本上都是铝电解电容,其构造使之具有不可忽略的电感,所以省去输出耦合电容不但可以减小功放体积,减轻重量,降低成本,而且还可以展宽频响,增加高低音输出,使频率响应更加平坦。另外,图3a中的VT1管,只有在信号的正半周才导通,负半周VT1管不导通,而图3b在信号的正负半周VT1、VT2两管分别轮流导通。所以图3b的电源利用率高,是图3a的两倍。图3a的VT1、VT2需要两只NPN和PNP管进行互补,而图3b中的VT1、VT2可用同极性的管子,即NPN或PNP均可(使用PNP管时电源极性调换即可),从这个意义上讲,新型扬声器具有自互补功能。

3.与BTL电路比较(见图4)

图4
图4 🔍原图 (639×326)

图4b比图4a功放管减少了一半,而图4a功放电路每半波上下两交叉管串联导通,它的管压降为两管压降之和,为图4b管压降的二倍,所以使用新型扬声器具有使用元件少、电路简单、成本低、效率高等特点。

4.与OCL电路比较(见图5)

图5
图5 🔍原图 (585×274)

图5b比图5a节省了一套直流电源。OCL功放电路的直流电源一般多是由市电经交直流变换而得到的,节省一套直流电源,也就节省了一套直流电源相应的交直流变换元件,因此使用新型扬声器仍具有电路简单、使用元件少、成本低、效率高的特点。

新型扬声器的特殊功能及应用:

新型扬声器除具有普通动圈扬声器的功能之外,它还具有普通动圈扬声器所没有的一些功能,下面介绍4例:

1.变阻抗功能(图9—12)

图6
图6 🔍原图 (227×171)
图7
图7 🔍原图 (167×186)
图8
图8 🔍原图 (160×172)
图9
图9 🔍原图 (151×200)

由图9可知,三端式新型扬声器有两种阻抗;由图10—12可知四端扬声器有三种阻抗,因此通用性强。另外,由于新型扬声器有三或四个输入端,所以即使在扬声器音盆的根部断一、二根线而又无法修复时,还可做普通动圈扬声器用。从这个意义上讲,新型扬声器的寿命是普通动圈扬声器的二、三倍,具有寿命长、阻抗可变的优点。

2.自互补功能(图3)

新型扬声器即变阻抗自互补动圈扬声器,就是根据1、2两种功能命名的。

3.对外输出电信号的功能(图6)

图10
图10 🔍原图 (417×191)

新型扬声器对外输出电信号的功能,有一些有趣而又实用的应用。如图6中的A、B、C、D可对外输出电信号或隔离电信号(图6中的C、D),该信号可作为其它音响设备的输入信号。更有实用价值的是,该信号来自扬声器本身,用它作为放大器的反馈信号能更有效地减少扬声器对不同频率的音频信号响应不均的不良影响,其结果提高了保真度。

4.混响功能(图7、图8)

图11
图11 🔍原图 (198×252)
图12
图12 🔍原图 (208×255)

混响功能如图7、图8所示,两个放大器同时向一只扬声器输入音频电流以便可得到混响效果,这是普通动圈扬声器很难办到的。(崔景和)