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技術(shù)分享|限幅器:基本概念以及設置方法

1介紹

這篇文章的主旨是幫助廣大用戶(hù)更好的理解如何使用Powersoft功放DSP當中不同種類(lèi)的限幅器。這篇文章所描述的內容適用于Powersoft以下產(chǎn)品型號:X系列,T系列,Otto/Quattro/Due Canali DSP+D系列,Mezzo系列以及Loto DSP。

選擇合適的限幅器不是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情,這需要考慮到許多方面的因素;例如,可能遇到的一個(gè)難題是,如何決定啟動(dòng)閾值和時(shí)間常量的數值來(lái)使得揚聲器既得到了應有的保護而又依然保持著(zhù)該有的音質(zhì)表現,因此對限幅器做的每一個(gè)調整都需要基于你對所保護的揚聲器組件有更加廣泛的了解,在這個(gè)基礎之上才有可能正確使用限幅器。

限幅處理也會(huì )被認為是某種“藝術(shù)”處理手段,對此很多人都會(huì )有自己的觀(guān)點(diǎn)和理論。出于以上原因,本文只是為用戶(hù)提供關(guān)于限幅器參數設置方面的指南,以及在Powersoft的設備當中如何恰當的使用它們。

注:Powersoft不對因誤用本文所包含的信息或者因不正確的限幅器設置而導致?lián)P聲器或造成其他損壞的后果承擔任何責任。本文作為一個(gè)通用指南,其在實(shí)際中的具體應用取決于具體環(huán)境。

2限幅,音箱的損壞以及功率壓縮

在擴聲系統當中,限幅處理這一手段是用來(lái)保護揚聲器免受意外情況帶來(lái)的內部元件損壞;因此,限幅器起到的的作用是對抗那些過(guò)度的信號峰值以及過(guò)度的長(cháng)期平均功率。

需要注意的是。對揚聲器來(lái)說(shuō),限幅的手段不僅是預防突發(fā)情況帶來(lái)的損壞,它的首要功能是保證揚聲器的壽命得以延長(cháng)。

揚聲器限幅器的設計人員通常不會(huì )考慮限幅器如何施加聲染色,而是更關(guān)心是否能保護揚聲器。下面列舉了幾個(gè)限幅器在音頻鏈路中典型的應用:

控制信號的能量

控制信號的峰值電平

減小信號的動(dòng)態(tài)范圍

要知道,在擴聲系統中我們處理的是功率信號(也就意味著(zhù)高電壓以及強電流),那么我們設置限幅器的主要目標就是防止揚聲器的驅動(dòng)單元受到來(lái)自?xún)煞矫娴膿p壞:

過(guò)度拉伸:一個(gè)送入揚聲器的脈沖信號之所以能夠對揚聲器造成損壞是因為音圈過(guò)度拉伸的運動(dòng)軌跡造成的,音圈的振動(dòng)幅度已經(jīng)超出了物理的限制范圍。這種情況下,與音圈相連的振膜會(huì )發(fā)生形變或破損。


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圖1:?jiǎn)卧茡p

過(guò)熱:向揚聲器長(cháng)時(shí)間傳遞高功率信號有可能會(huì )引起揚聲器內部部件(比如銅線(xiàn)繞制的音圈、線(xiàn)圈架、磁鐵、懸掛部件以及紙盆)溫度過(guò)高。由此帶來(lái)的另一個(gè)影響則是功率壓縮,這在低頻揚聲器當中尤為明顯。功率壓縮是由于音圈內部阻值升高所導致的功率下降,進(jìn)而導致感知響度的下降。


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圖2:線(xiàn)圈過(guò)熱

3限幅器的種類(lèi):RMS、Peak和Clip

使用兩種類(lèi)型的限幅器可以避免機械及溫度上的變化給揚聲器所帶來(lái)的損壞:

RMS限幅器:RMS限幅器的作用是當過(guò)大的功率被長(cháng)時(shí)間持續的施加在揚聲器上時(shí),保護揚聲器免受高溫導致的損壞。溫度的升高會(huì )導致?lián)P聲器內部過(guò)熱,甚至燃燒起來(lái)。設計者應該知曉揚聲器在安全范圍內能夠承受的最大長(cháng)期功率(AES額定功率)。一個(gè)使用RMS限幅的有趣方法是通過(guò)揚聲器線(xiàn)圈溫度來(lái)觀(guān)察揚聲器工作溫度升高時(shí)阻抗曲線(xiàn)的峰值如何發(fā)生變化。

在圖3中我們能夠看到阻抗曲線(xiàn)與溫度之間的關(guān)系:綠色的曲線(xiàn)為揚聲器內部溫度處在26℃時(shí)測得的,意味著(zhù)揚聲器內部組件處于“涼爽”的狀態(tài)。橘黃色的曲線(xiàn)為揚聲器內部溫度處在38℃時(shí)所測得的。我們能夠看到,當揚聲器內部溫度開(kāi)始升高時(shí),峰值阻抗數值會(huì )變得比之前更高且在頻率上會(huì )有少許偏移。因此,實(shí)時(shí)監控阻抗的變化可以在一定程度上判斷揚聲器內部溫度是否上升,這可以幫助我們對揚聲器實(shí)施保護。

對揚聲器驅動(dòng)單元極限的全面了解可以使我們將揚聲器的工作溫度保持在一個(gè)安全的數值范圍內,這樣不僅可以避免不必要的設備損壞,而且也能將揚聲器維持在一個(gè)“線(xiàn)性的”工作區當中,不會(huì )出現功率壓縮的情況。


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圖3:實(shí)時(shí)阻抗曲線(xiàn)

峰值限幅器:保護揚聲器免受機械損壞。

設計者對該限幅器的各項參數設置應同時(shí)考慮揚聲器振膜的最大位移和最大可承受電壓。

注釋?zhuān)簝H依靠峰值限幅器來(lái)保護揚聲器,仍會(huì )導致長(cháng)期平均功率過(guò)高,造成揚聲器相應的損害。

4 限幅器的參數

4.1 閾值

當輸入信號超過(guò)閾值,限幅器開(kāi)始降低輸入增益。增益衰減數值等于輸入信號超出閾值的部份。閾值以電壓值來(lái)表示,這是因為它取決于揚聲器的功率和阻抗。

4.2 啟動(dòng)時(shí)間

啟動(dòng)時(shí)間為輸入信號超過(guò)閾值后,從限幅器開(kāi)始工作到完成70%衰減量所需要的時(shí)間。在保護揚聲器不受損壞的應用場(chǎng)合中,啟動(dòng)時(shí)間設置得越長(cháng),設備損壞的風(fēng)險也就越高。然而,如果啟動(dòng)時(shí)間設置得過(guò)快,那么在限幅器進(jìn)行工作時(shí),信號是會(huì )產(chǎn)生失真或者是嚴重的畸變的,尤其是一些大動(dòng)態(tài)的打擊信號(比如打擊樂(lè )),從而使得聲音質(zhì)量大打折扣。

一般來(lái)說(shuō),一個(gè)比較折中的方案是,啟動(dòng)時(shí)間不要長(cháng)于需要保護的最低頻率的周期(例如分頻點(diǎn)為1kHz的高音單元,啟動(dòng)時(shí)間應小于1ms)。


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圖4:限幅器工作圖示

4.3 釋放時(shí)間

釋放時(shí)間為限幅器從最大衰減狀態(tài)恢復30%衰減量所需要的時(shí)間?偟膩(lái)說(shuō),釋放時(shí)間必須設定得當以避免“喘吸”效應。釋放時(shí)間可以被設置成啟動(dòng)時(shí)間的1至32倍。

4.4 軟拐點(diǎn)

軟拐點(diǎn)可以讓壓縮比隨著(zhù)輸入信號電平提升而緩慢增加,這樣一來(lái),聲音從未被壓縮直到被壓縮的這一過(guò)程的變化不會(huì )過(guò)于明顯。這一參數在Powersoft的限幅器當中以dB表示,位于閾值下方。

5Powersoft功放的限幅器怎樣工作

5.1 RMS限幅器

RMS限幅在保證揚聲器發(fā)揮其最高性能的同時(shí)保護其驅動(dòng)單元不會(huì )因過(guò)熱而燒壞。限幅器的設定不應該使得系統的正常信號大小觸發(fā)其工作,因為一般的音樂(lè )信號通常具有很高的峰值電平,而平均電平比較小。

5.2 峰值限幅器

峰值限幅器的設計目的在于避免揚聲器紙盆可能出現的極端位移運動(dòng)(這里的“極端位移”是相對于單元所允許的行程來(lái)說(shuō)的),它的工作模式只基于被送入此通道信號的量的大小。峰值限幅器、RMS限幅器和削波限幅器的設置與并聯(lián)揚聲器的數量無(wú)關(guān):你既可以參考單只揚聲器的阻抗和功率對其進(jìn)行設置,也可以參考整個(gè)并聯(lián)揚聲器網(wǎng)絡(luò )的阻抗和功率來(lái)進(jìn)行設置,兩者得到的結果是相同的。

使用峰值限幅器能夠降低峰值因數,從而將原本信號的動(dòng)態(tài)“壓扁”。對于大多數情況,建議的增益衰減量是3—9dB。

5.3 削波限幅器

Powersoft所提供的的削波限幅器是一個(gè)“磚墻”限幅器,它被用于遏制驅動(dòng)信號,不允許信號超過(guò)所設定的閾值。這種限幅器有著(zhù)0.3ms的固定啟動(dòng)時(shí)間——同時(shí)也有0.3ms的預測時(shí)間,這使得在過(guò)大的信號到來(lái)之前限幅器就能有所準備,這樣的好處是降低硬削波所帶來(lái)的信號失真。削波限幅器的響應速度非?,它也是保護揚聲器免受損壞的最后一道防線(xiàn)。為了獲得最佳的品質(zhì)和性能表現,一般建議削波限幅器的增益衰減量為0-3dB,同時(shí)啟用Peak和RMS限幅器。


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圖5:ArmoníaPlus里的基礎限幅器

6怎樣計算限幅器的各項數值

為了給ArmoniaPlus所提供的三種限幅器計算電壓閾值,啟動(dòng)與釋放時(shí)間這幾個(gè)參數的合適數值,Powersoft提供了一款被稱(chēng)為功率共享的計算工具。在這個(gè)工具當中,專(zhuān)門(mén)有一個(gè)部分叫做“限幅器建議閾值”,可以給大家提供一個(gè)安全的數值作為初始設置。只需輸入揚聲器的AES功率以及標稱(chēng)阻抗,選擇揚聲器類(lèi)型(低頻揚聲器元,中頻揚聲器單元,高頻揚聲器單元,全頻揚聲器單元)或分頻情況。數據輸入完畢之后,工具會(huì )進(jìn)行計算,提供一個(gè)合理的限幅器配置供使用者參考與選擇。此工具同時(shí)可以用于Low-Z揚聲器與Hi-Z揚聲器(100V、70V和25V)。

要注意的是,工具所計算出來(lái)的數值僅僅是一個(gè)初始參考,特別是對一些分頻驅動(dòng)的揚聲器進(jìn)行限幅器配置的時(shí)候,建議使用音樂(lè )信號或者與音樂(lè )信號具有相同特征的音頻信號對各個(gè)分頻單元的性能進(jìn)行一定的分析與了解。通過(guò)這種方式,才能夠避免不同限幅器對不同分頻單元所做的不同增益衰減所導致的音色不平衡的問(wèn)題。


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圖6:功率共享工具當中限幅器部分

7結論

在對Powersoft的限幅器做基本分析后,我們可以聚焦在兩個(gè)方面:一是,Powersoft的限幅器的設計完全是為了保護揚聲器,所以應該總是將其激活,讓揚聲器得到適當的保護;二是音質(zhì)與一個(gè)好的系統設計之間的關(guān)系,就像前面提到的那樣,當整個(gè)系統在音質(zhì)上有著(zhù)最佳表現時(shí),RMS限幅器承擔著(zhù)最重的限幅工作,峰值限幅器控制瞬態(tài)信號,而削波限幅器則作為保護揚聲器的最后一道防線(xiàn)。

遵循這些簡(jiǎn)易的工作流程,在獲得良好音質(zhì)表現的同時(shí),也能夠延長(cháng)系統的使用壽命。


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