CN1980489B - 提升音响系统输出声音质量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及音响装置，为解决现有音响系统所输出的声音质量都未能达到理想状态的问题，本发明中采用输出阻抗大于24欧姆的末级功率放大器，并控制该末级功率放大器工作于高电压低电流模式，以提升与所述末级功率放大器连接的扬声器所输出的声音质量；在末级功率放大器的输出端与扬声器之间还串接有输出变压器，该输出变压器是多频变压器而非普通音频变压器。本发明的美声电路功率放大器所输出的声音的质感非常好，声音的透明度也非常好，音色丰富，声域宽广，表现力强，且音乐层次分明，对于各种音乐器材发出的细微声音都分辩得非常清楚。

Description

提升音响系统输出声音质量方法及系统

技术领域

本发明涉及音响装置，更具体地说，涉及一种提升音响系统输出声音质量方法及采用这种方法的音响系统。

背景技术

长期以来，为追求优美的声音效果，音响发烧友中一直存在着胆机与石机之争。其中，胆机以电子管为主要工作器件，其工作电压范围大，从几伏到几百伏甚至上千伏，而工作电流却很少，从几毫安至几十毫安，属于高压低电流工作的放大器，可输出舒展、有弹性又富于浑厚的声音效果，有一种充实淳和的感觉。对比之下，石机则以晶体管为主要工作器件，属于大电流低电压工作的放大器，其输出的声音效果清脆悦耳，但略有坚硬的感觉。

由于胆机具有成本高、体积大、承受振动的能力较差等缺点；另一方面，石机已得到了飞速的发展，不论在稳定性和音质上都可以与胆机一比高低，在技术指标上，晶体管机的失真远低于胆机，而且，由于晶体管的生产成本低、产量高，所以在价格上远低于电子管，因此，石机更适合工业化的批量生产，目前，不论在专业上还是民用领域，石机已迅速地占领了胆机的市场。

然而，无论是现有的胆机还是石机，其输出的声音质量都未达到理想状态，仍然存在声音质感很差、声音模糊不清、声音背景有雾状、没有音乐层次、而且声域集中拉不开等问题。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决现有音响系统所输出的声音质量都未能达到理想状态的问题，以提升音响系统所输出的声音质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种提升音响系统输出声音质量方法，其特征在于，其中采用输出阻抗大于24欧姆的末级功率放大器，并控制该末级功率放大器工作于高电压低电流模式，以提升与所述末级功率放大器连接的扬声器所输出的声音质量。

在本发明所述的方法中，在所述末级功率放大器的输出端与所述扬声器之间最好还串接有输出变压器。所述输出变压器最好为多频变压器。

此外，本发明还提供一种具有美声电路性能的音响系统，包括末级功率放大器，其特征在于，所述末级功率放大器的输出阻抗大于24欧姆，并工作于高电压低电流模式。

在本发明的具有美声电路性能的音响系统中，最好还包括扬声器，所述扬声器与所述末级功率放大器的输出端连接。

在本发明的具有美声电路性能的音响系统中，在所述末级功率放大器的输出端最好还接有输出变压器，它串接于所述末级功率放大器的输出端与所述扬声器之间。其中，所述输出变压器最好为多频变压器。

由上述方案可知，本发明美声电路的重点在于采用高输出阻抗(大于24欧姆)，并控制功率放大器工作于高电压小电流模式，以达到超动态的工作环境。其功率放大器与扬声器之间通过多频输出变压器相隔离。本发明的美声电路功率放大器所输出的声音的质感非常好，声音的透明度也非常好，音色丰富，声域宽广，表现力强，且音乐层次分明，对于各种音乐器材发出的细微声音都分辩得非常清楚。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1和图2是现有技术中功率放大器直接与扬声器连接的示意图；

图3和图4是本发明美声电路的原理示意图；

图5、图6和图7是在传统功率放大器的输出端增设输出变压器来获得美声输出效果的示意图。

具体实施方式

由前述内容可知，本发明的美声电路有四个显著的特点：一是高输出阻抗(通常大于24Ω)；二是高电压、小电流、超动态的工作环境；三是功率放大器与扬声器之间采用输出变压器相隔离；四是输出变压器采用多频变压器，而不是传统的音频变压器。

本专利所说的美声电路，是指推动扬声器发声的一种未级输出电路。它追求的是优美的声音输出，使之更适于人们的听觉习惯，从而让人们获得美的音乐享受。但是，声音的美与否很难用一定的量作为评判尺度。由于美声电路的各种电气参数直接影响了声音的质量，因此可以用电路的各种电气参数来评介电路的声音质量。关于声音质量，可通过以下几个方面来评价。

1、质感，是指声音的清晰度、分析度、解析力、层次感、声音强弱的力度感等，同时，用质感作为评判声音质量的电气参数。

2、空感，是指声音的透明度、通透明亮、混浊感、声音的背景是否干净、是否雾状、是否存在细微朦胧的噪声等。同样，也用空感作为评判声音质量的电气参数。

3、柔和，是指声音的软硬感。

4、宽阔，是指感觉到的声音的声场宽度，而不是声音的频率，它与质感有关。

5、风格，是指声音的还原在某些方面的逼真程度，例如在语音、歌声、弦乐、交响乐、或者重金属乐等某一方面有特别的表现力。

一、未级功放的高阻输出是提高声音表现力的关键因素

根据欧姆定律，I＝V/R，其中I为电流、V为电压、R为电阻。可见，在相同电压下，电流与电阻成反比，电阻越大，则电流越小；反之，电阻越小，则电流越大。因此，高阻输出是在小电流状态下工作的。

由公式I＝V/R可得出V＝IR，可见，电压与电阻成正比，电阻越大，则电压越大；反之，电阻越小，则电压越小。因此，高阻输出需在高电压状态下工作。

由上述公式及W＝V*I，可得出I²＝W/R，其中W为功率，再结合焦耳定律Q＝I²*R*t，其中Q为热量，t为时间，可见，电流越大，发热量越大，功耗越大，同时热噪声和电流声也会越大。因此，让电路在微电流状态下工作是十分有益的。本专利中引出一个空感概念，该空感等于输出功率与输出电阻之比，也就是电流的平方，也就是有：K＝W/R＝I²，并定义其单位为k，并将空感定义为评价声音质量的电气指标。

举例说明，当最大输出功率W＝10瓦时：

如果输出电阻R＝8Ω，则空感K＝W/R＝10/8＝1.25k；

输出电阻R＝1kΩ，则空感K＝10/1000＝0.01k，此时其噪声减小了125倍；

输出电阻R＝100kΩ，则空感K＝0.0001k，其噪声减小了12500倍。

对于一般的CD随身听，其输出电阻R＝24Ω，输出功率W≈100mw，所以其空感K≈0.005k。从这里可以看出为什么随身听的音色远比8Ω的音响来得通透、明亮、清澈。

根据公式W＝V²/R，本专利的附表中推导了一系列数据，即电压每增加1mv时，针对各种不同输出阻电的输出功率的变化情况。请看附表中一组计算机模拟公式推导数据的分析：

1、从第二行数据可以看出，当ΔV＝1mv的情况如：

输出电阻：(Ω)   1Ω  10Ω  100Ω   1kΩ    10kΩ     100kΩ

输出功率：(μw)  1    0.1   0.01    0.001   0.0001    0.00001

可见，在相同的电压变化条件下，输出电阻越大，输出功率越小；输出电阻越小，则输出功率越大。如果把输出功率的波形面积作为质点来看，那么输出电阻越大，则输出功率越小质点越小；输出电阻越小，则输出功率越大质点越大。

2、从全部数据来看，为了使输出功率达到1μw，按电压每次增加量ΔV＝1mv计算，不同输出电阻所需的增加次数，即质点的变化数，也就是对应于表中的行数为：

输出电阻：(Ω)   1Ω  10Ω  100Ω  1kΩ  10kΩ  100kΩ

1mv变化数：(行)  1    3     10     31    100    316

可见，输出电阻越小，数据表中的行数越少，表示其质点数越少；输出电阻越大，数据表中的行数越多，表示其质点数越多。它的变化率Z≈输出电阻的开平方。由此，本专利中引入一个质感的概念，且质感等于输出电阻的开平方，即 $Z=\sqrt{R}$ ，并定义其单位为z。质感反映了输出电阻对输出功率影响的变化率，也反映了在1个单位功率变化中质点的密度，它是评价声音质量的电气指标。

3、根据表中的最后一行数据，当电压变化都达到1v时：

输出电阻：(Ω)  1Ω  10Ω  100Ω  1kΩ   10kΩ   100kΩ

输出功率：(W)   1    0.1   0.01   0.001  0.0001  0.00001

可见，输出电阻越大，输出功率越小；输出电阻越小，则输出功率越大，也就越容易饱和。

4、根据W＝V²/R，当输出功率到10W变化时所需的电压如下表所示：

输出电阻：(Ω)  1Ω   10Ω  100Ω  1kΩ  10kΩ  100kΩ

动态电压：(V)   3.16  10    31.6   100   316    1000

可见，输出电阻越大，所需的动态工作电压越高，对工作电路和元件器材的要求越高，工作难度也就越大。

5、从下表的数据变化中不难看出，同样是针对10W功率输出，输出电阻的变化对工作特点的影响：

输出电阻： (Ω)   1Ω    10Ω   100Ω   1kΩ    10kΩ    100kΩ

动态电压： (V)    3.16v  10v    31.6v   100v    316v     1000v

1mv变化数：(个)   3162   1.0万  3.16万  10万    31.6万   100万

质点大小 ：(μw)  1      0.1    0.01    0.001   0.0001   0.00001

质感：     (质z)  1      3.16   10      31.6    100      316

空感：     (空k)  10     1      0.1     0.01    0.001    0.0001

通过上述分析，可得出以下结论。

(1)质点的变化数

当输出电阻R＝100kΩ时，1mv变化数为100万个，质点大小为0.00001μw。这里所说的质点大小，既不是平均分割的质点大小，也不是最小的质点大小。而是指电压变化在1mv时的输出功率为0.00001μw，当电压变化在2mv时的输出功率为0.00004μw，电压变化在3mv时的输出功率为0.00009μw……电压变化在1000v时的输出功率为10w，这时的质点大小从0.00001μw，0.00004μw，0.00009μw……10w，质点的变化数为100万个。

而当输出电阻R＝10Ω，电压变化在1mv、2mv、3mv…、10v时的输出功率，也就是动态变化的质点大小为0.1μw、0.4μw、0.9μw…、10w。质点的变化数为1万个。

可见，由于电阻大小不同，输出功率的质点变化数相差了100倍。

(2)声波的合成

声音是由不断变化的多种频率且不同功率的声波所合成的。是否能够表现声音在不同频率、不同功率的瞬息变化，就体现为声音重放的质量。从示波器上可以看出，声音的瞬间变化有无数束波形变化。当输出电阻R＝100kΩ时，可以达到从0.00001、0.00004、0.00009…、10、100万种波形变化，也就是含100万种声波合成。而当输出电阻R＝10Ω时，只达到从0.1、0.4、0.9…、10，共1万个波形变化，也就是含有1万种声波合成。可见，输出电阻R＝100kΩ比输出电阻R＝10Ω时的声波合成提高了100倍。

(3)声音的瞬间变化

当输出电阻R＝100kΩ时，如果动态电压从1mv到100mv变化，则质点大小将从0.00001μw、0.00004μw…到0.1μw，质点的变化数为100个，也就是含100种声波合成。当电压变化到2mv时，质点大小从0.00001、0.00004…、0.1…、0.10201、0.10404…、0.4，质点的变化数为200个，也就是含200种声波合成。而当输出电阻R＝10Ω时，动态电压从1mv到100mv再到2mv的电压变化，都只有0.1μw和0.4μw的2个质点变化，也就是只含2种声波合成。可见，在输出电阻R＝100k Ω和输出电阻R＝10Ω这两种工作状态中，高阻输出的每个瞬间变化都提高了100倍。

(4)一个声波的还原

通过傅立叶级数展开，一个声波是由一个主正弦波和无数的谐波所组成。如果一个电路能够输出的谐波越丰富，则该电路的声音还原就越清晰和真实；反之，一个电路能够输出的谐波量越少，则该电路的声音还原就越模糊不清。谐波的域也就是谐波的质点，其变化规律也如前述。输出电阻越大谐波越丰富，输出电阻R＝100kΩ电路的谐波量是输出电阻R＝10Ω电路的谐波量的100倍。

可见，输出电阻的大小直接影响了声音重放的质量，输出电阻越大，描写的质点越细、越密、越多，声音的清晰度也就越高、越真实而更显优美。

例如：目前流行的音响都是低阻输出的高保真电路，其输出电阻R＝8Ω，质感只有Z＝2.8z，空感高达K＝1.25k。而对于输出电阻R＝24Ω的随身听，虽然质感Z＝4.9z，不到低阻输出的2倍，但空感可达到K≈0.005k。我们已经非常明显地感受到随身听的音色远比8Ω的音响好很多了。

对于高阻输出的美声电路，当输出电阻R＝1kΩ时，其质感Z＝31.6z，与现有普通音响相比音色提高10倍多。如果输出电阻R＝100kΩ，则Z＝316z，音色将提高100多倍。这个时候，美声电路的音色就可以同胆机的音色相媲美了。使用美声电路功率放大器时，声音的质感非常好，声音的透明度也非常好，音色丰富，声域宽广，表现力强，且音乐层次分明，对于各种音乐器材发出的细微声音都分辩得非常清楚。反观传统的电气指标非常优秀的高保真电路，声音质感很差，声音模糊不清，声音背景有雾状，没有音乐层次，而且声域集中拉不开；就算采用环绕立体声的功率放大器，尽管声音从四面八方传来，还是令人感到声音是拥挤的。

二、未级功放与扬声器之间采用输出变压器相隔离

将未级功放与扬声器之间采用输出变压器相隔离，是提高声音质量的重要因素。由于输出变压器的电感作用，扬声器与未级功放之间有输出变压器相隔离。同时，本发明的美声电路采用的是高电压小电流的工作方式，更使得美声电路的音色清澈明亮，通透干净，谐波丰富，圆润柔和，听不到细微的噪声干扰。反观低阻输出的高保真电路，这种电路本身的空感数就大(1.25k)，产生的各种噪声也较大，其扬声器又是直接联接到功率放大器的输出端，直接通过扬声器发声；所以其在声音的背景上总是存在着朦胧的噪声。此类机器不管是豪华型的还是普及型的，不管是价格昂贵的还是价格低廉的，都存在声音尖锐、刺耳、发硬等感觉。本发明美声电路中的隔离变压器已经不单是传统意义上的阻抗变换，有了隔离变压器，会更显音色甜美、柔和、圆润。

三、采用多频变压器

采用多频变压器，是本发明美声电路的输出频率获得改善并展示自己音乐风格的重要手段。由于输出变压器的感抗作用和挠制变压器造成的分布电容作用，会导致放大器的频率变窄，高频损耗很大，因此最好采用高频变压器作为频率高端的补偿。尽管传统高保真电路的输出频率宽，输出频率从20Hz到20kHz都是一条平坦的频率曲线，具有非常优良的电气指标，但是这条优良、平坦、频带很宽的频率曲线并不是人类耳朵听觉上的频率响应曲线，人类的欣赏曲线是非常复杂而又千变万化的。人们的性别、年龄、体质、性格、情绪、环境、嗜好，以及声源的类型、功率、距离、方位等，都不是一条平坦的曲线能够解决的。对此，本发明的美声电路在不同风格的机器中，可选用不同频率的变压器，从而产生非常好的滤波作用。高频变压器的磁芯材料效率很高，整个高频变压器的体积可以做到比普通的音频变压器的体积小很多，频率高端的补偿也好很多。而重低音的美声电路配则以普通的音频变压器，以保证其振撼和力度。这时候的多频变压器已经不止传统意义上的音频变压器，而是追求音乐风格的一种手段。

四、高输出阻抗和高动态电压的追求。

由于半导体器件的性能远远优于发热量和耗电量都很大的电子管，已经做到了接近于理想放大器的水平。比较容易实现输出阻抗达到1kΩ的美声音响，使其音色效果达到胆机水平。对于输出阻抗为10MΩ，输出功率为10W的美声功放，其动态电压高达万伏，1mv的变化数达到1000万个，质点大小为0.0000001μw，质感Z＝1000z，空感K＝0.000001k。

目前，高保真音响占据了音响市场的主导地位，对于输出阻抗只有8Ω的高保真音响，其输出功率同为10W时，动态电压为9伏，1mv的变化数8944为个，质点大小为0.125μw，质感Z＝2.8z，空感K＝1.25k。对比可知，本发明美声电路的各种参数都明显优于传统高保真音响，高输出阻抗的追求，将会给音响界带来一场革命。

五、关于美声电路和胆石之争。

由上述分析可知，早期的半导体收音机电路也不能算是美声电路。因为二十世纪六十年代的半导体收音机不会去追求高阻输出和高压工作。相反是有意地追求低电压条件下的工作稳定，例如半导体袖珍收音机。早期的半导体三极管是性能很差的电流型放大器件，它耐压低，漏电流大，使用输出变压器只是为了完成阻抗变换的作用，所以高频衰减很大。

现有的胆机电路也不能算是美声电路。可以说，胆机是本发明美声电路之母，美声电路是在胆机电路的基础上发展起来的，但是它绝对不是胆机的重复。自从半个世纪以前美国的胆机经典作品问世，就再也没有什么大的发展了。青出于蓝而胜于蓝。今天石的发展日新月异，高保真电路的问世，使得音响的电气指标，已经接近理想放大器的水平。今后美声音响的发展，一定是石的发展。

在胆石双方优良特性基础上发展的美声音响将给胆石之争画上一个完满的句号。美声电路是一种与传统的经典的高保真电路完全相反的功率放大未级输出电路。美声电路为了追求声音的美，而在电路上刻意去追求高阻高压，变压器相隔离的多频变压器技术。美声的真谛在于高阻输出。美声电路追求的不是放大器的电气指标，而是声音的美。

在传统高保真电路上进行修改，就可以将其改为美声电路。

如图1和图2所示，传统电路中，功率放大器是直接推动扬声器发声的。如图3和图4所示，本发明中，为了实现美声效果，在功率放大器与扬声器之间增设了输出变压器，以提升输出阻抗和工作电压。

如图5、图6和图7所示，如果功率放大器的输出电压足够高，则可在其输出端直接接一个输出变压器，从图中可以看出，输出变压器的初级接功率放大器的输出端，次级则推动扬声器发音。

针对现在普通功放，为增强美声效果，可用一个小高频磁芯，在电路端(变压器初级)用1.0的线绕1200圈，在喇叭端(变压器的次级)用2.0的线绕100圈，将其接在功放输出与喇叭之间，则电路输出阻抗为100Ω左右。此时，音色会有所改善，但输出功率会小很多。

为了实现本发明所美声电路效果，还有待于以下几方面的改进：

1、功率放大器整体电路的进一步优化，使得其工作稳定、漂移小、失真小、电压放大好、动态范围大、且输出阻抗高。

2、能研制成具有耐高压、大电压小电流的工作特性、大动态的电压范围、电压型放大、高输出阻抗等特性的半导体新器件。

3、更有不同材质，工艺，适于各种美声电路不同风格需求的多频变压器。

等等以上新的实现和新的追求，都对美声电路的质量，优美声音的重放，展现独特的音乐风格，有很大的影响。

下表是根据公式W＝V²/R，针对电阻分别为1Ω、10Ω、100Ω、1000Ω、10000Ω、100000Ω的情况，电压每次增加0.001V时所对应的功率(单位为μW)。其中只列出了输出功率逐渐增加直到1μW的所有数据，以及电压为1V时的数据。为表中可以看出，为使输出功率达到1μW，针对1Ω输出电阻，只产生1行数据；针对10Ω输出电阻，会产生4行数据；针对100Ω输出电阻，会产生10行数据；针对1kΩ输出电阻，会产生32行数据；针对10kΩ输出电阻，会产生100行数据；针对100kΩ输出电阻，会产生316行数据。

电压(V)	1Ω	10Ω	100Ω	1000Ω	10000Ω	100000Ω
							0.001	1.0	0.1	0.01	0.001	0.0001	0.00001
0.002		0.4	0.04	0.004	0.0004	0.00004
							0.003		0.9	0.09	0.009	0.0009	0.00009
0.004		1.6	0.16	0.016	0.0016	0.00016
							0.005			0.25	0.025	0.0025	0.00025
0.006			0.36	0.036	0.0036	0.00036
							0.007			0.49	0.049	0.0049	0.00049
0.008			0.64	0.064	0.0064	0.00064
							0.009			0.81	0.081	0.0081	0.00081
0.010			1.00	0.100	0.0100	0.00100
							0.011				0.121	0.0121	0.00121
0.012				0.144	0.0144	0.00144
							0.013				0.169	0.0169	0.00169
0.014				0.196	0.0196	0.00196
							0.015				0.225	0.0225	0.00225
0.016				0.256	0.0256	0.00256
							0.017				0.289	0.0289	0.00289
0.018				0.324	0.0324	0.00324
							0.019				0.361	0.0361	0.00361

Claims (4)

1.一种提升音响系统输出声音质量方法，其特征在于，其中采用输出阻抗大于24欧姆的末级功率放大器，并控制该末级功率放大器工作于高电压低电流模式，在所述末级功率放大器的输出端与扬声器之间串接有输出变压器，所述输出变压器为高频变压器，以提升与所述末级功率放大器连接的所述扬声器所输出的声音质量。

2.根据权利要求1所述的提升音响系统输出声音质量方法，其特征在于，所述输出变压器为多频变压器。

3.一种具有美声电路性能的音响系统，包括末级功率放大器和扬声器，其特征在于，所述末级功率放大器的输出阻抗大于24欧姆，并工作于高电压低电流模式；在所述末级功率放大器的输出端和所述扬声器之间还串接有输出变压器，所述输出变压器为高频变压器。

4.根据权利要求3所述的具有美声电路性能的音响系统，其特征在于，所述输出变压器为多频变压器。

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