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有源音箱中超重低音的设计
作者：吴红奎 吴红静
一般超重低音是指120Hz以下的音频，重低音是指220Hz～100Hz的音频。无论是通俗音乐还是经典音乐，无论是自然音乐还是自然界里的声音，重低音和超重低音都是少之又少的，但就像味精一样，又是必不可少的，少了它，音乐就会缺少临场感。
超重低音的力度感很强。方向性却不明显，所以超重低音系统。
一般是单声道的。除最新的数字录音系统中的超重低音是作为一个独立的声道录制外，我们目前听到的超重低音都是从全频带的声音信号中分离出来的。所以一般2.1有源音箱的电路大致包含电源、前置放大器、分频电路、功率放大器、音箱（喇叭）几部分，如图1所示。
1.超重低音声道的功率
不管是一阶还是多阶分频。分频点后频率曲线都是斜的而不是陡降的直角，阶数越高，斜率越大。
为了获得平直的频率响应。每路喇叭之间的频率覆盖有一定的重叠。
同时，锥盆喇叭的阻抗曲线也是非线性的，在谐振频点处最大，100～500Hz处最低，随频率的上升，阻抗随之升高。这就意味着对不同频率的信号，即使输入到喇叭的功率一样，喇叭发出的声音强度也不一样。要使各路喇叭产生的声压让人耳听起来与原始音乐信号大致相同，推动各路喇叭的功率放大器的输出功率也就不能相等，要有一定的比例关系。
比如，一个100W的三分频系统，分频点为400Hz和3kHz。那么低音声道需要50W，中音为35W.
高音为15W，必须以这个比例关系来统筹设计，并通过调整RC滤波器的插入损耗和放大器的增益来获得整个系统的均衡。对于重低音系统，重低音声道的功率要比主声道大1O倍左右，所以重低音声道的放大器要求有很大的功率裕量。
2.分频网络
2.1有源音箱的分频电路可以采用有源RC分频，也可以采用无源RC分频，还可以采用有源功率分频。
（1）无源RC分频
无源RC电子分频的电路简单，具有最平直的幅频特性和相位特性，相位失真和瞬态失真都很小，缺点是带外衰减特性不好。只有6dB/oct，这就要求喇叭在频率转折点外仍然具有很好的线性。也就是要求超重低音喇叭在120Hz以上、中低音喇叭在120Hz以下仍然具有良好的线性。2.1音箱采用的都是小口径的喇叭，刚好能够最大限度地弥补这个缺点。
图2是一阶RC滤波器龟路。
分频点选在120Hz，主通道加入了10dB的衰减以平衡主通道和超重低音通道。实践中可以对分频点和衰减量进行调整。要求RC分频网络的输入阻抗远大于信号源的输出阻抗，RC分频网络的输出阻抗远大于功率放大器的输入阻抗。
信号源的输出阻抗一般小于1kΩ，功率放大器的输入阻抗一般为47kΩ，RC分频网络的输入、输出阻抗等于网络电阻R。在图2中，R1-1与R1-2之和等于网络电阻R，R2-1与R2-2并联后的阻值也等于R，为10kΩ。
分频点的计算公式是：
f0=1/(2πRC)= 160/（RC）
公式中的网络电容C等于C1-1与C1-2之和R1-1与R1-2既是分频网络中的网络电阻。又是衰减网络中的衰减电阻，与右声道中的R3-1和R3-2相同，调整衰减量的时候要保持二者之和不变。
如果R1-2调整到比较小的数值时还不能满足需要，可以同时调整功率放大器的增益来满足需要。
如果想获得更陡的带外衰减特性，最好采用有源RC分频网络。
（2）有源RC分频
有源RC分频电路多采用二阶巴特沃兹滤波器，具备12dB/oct的带外衰减特性。如果想获得更陡降的特性，可以用两级串联的方式获得24dB/oct的带外衰减特性。巴特沃兹滤波器在音频应用中要求其品质因数（Q）为0.707,RC网络中的C值不大于0.1μF较好。图3是增益（A0）不等于1的典型电路，图4是增益（Ao）等于1的典型电路。为了说明问题，图中元件是按转折频率（f0）为120Hz取值。
对于增益（Ao）不等于1的典型电路，业余条件下为计算方便，可让R1=R2，C1=C2；对于增益（A0）等于1的典型电路，可让R1=R2，C1=2C2。这样电路的Q值将与R1和C2的取值无关，电路的计算和调整就较方便。在主通道中也可以采用带通滤波器以滤除超音频信号的影响。
图5就是这样的二阶带通滤波的电路。
图6是带输人隔离的2.1音箱分频电路，用了6块双运算放大器NE5532来完成输入缓冲隔离、重低音信号的分离、主声道信号与超重低音信号的分离、输出缓冲等。
性能完善，不过这个电路比较复杂，如果不严谨制作，会适得其反。
在图6中，IC1 B、IC2B将左、右声道的信号隔离缓冲后合成一路送入由IC3B组成的二阶低通滤波器完成超重低音信号的分离。
IC1A、IC2A将左、右声道信号隔离缓冲后分别送入IC4A、IC5A组成的带通滤波器。滤除超音频信号。
同时起到延时作用，以保证和超重低音通道有精确同步的相位，这是本电路的一大特点。然后信号分别送人由IC4B、IC5B组成的反相器，最后送入IC6A、IC6B组成的减法器，分别与分离出来的超重低音信号相加。反相的全频信号和重低音信号相加便得到了不含超重低音信号的左、右声道信号，干净纯正。
这是本电路的另一大特点。这种分频方法基本上不存在相位干涉现象，分频曲线不会产生在分频点各自下跌后再相交的现象，也就不会造成合成后的曲线出现峰谷或者峰鼓现象。
图6电路还有另外两个特点，一是加入了由IC3A和SW1组成的相位转换电路。IC3A是一个反桐器。SW1向上时，得到反桐信号；SW1向下时，得到同相信号。这样可以与主音箱更好的配合。二是加入了由SW2控制的低频信号上限频率截止点选择功能。即控制由IC3B组成的二阶巴特沃兹低通滤波器的截止频率的转折点：100Hz、125Hz、150Hz三个频点。这种方法提商了电路对音箱喇叭的适也性。同时也是调节乐感的方式。对于近来出现的独立功收而言，应该是一个不锵的选择。
（3）有源功率分频  这是将功率放大和有源分频结合起来的高效分频方法。这种方法不需婴运放作分步分的有源器件。理论上，只要功率放大IC具备相位相反的两个输入端、增益可调就可行。例如我们常见的TDA2030A、LM1875等。对于像TDA1517、TD7370、TDA8946等固定增益的功放IC则不适合。图7是其典型电路。这种方法实际上是把功放IC当做大功率运放用了。按照图中元件数值。 频率转折点为900Hz，带外衰减特性为18dB/oct。要注意做有源功率分频时，R6的阻值不能太大。
图8是一个采用有源功率分频的2.1电路。按照图中参数，超重低音通道可以提供约56W的功率。主声道可以提供每声道约20W的功率，总谐波失真（THD+N）小于0.05％。分频点选在了220Hz，可以根据音箱的实际情况来调整。分频阻容网络的元件选用误差小于1％的品种。
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型号 |
功率/W |
失真/％ |
工作电压/V |
引脚数量 |
|
LM1875 |
20×1(8Ω) |
0.07 |
±25 |
5 |
|
LM1876 |
15×2(8Ω) |
0.08 |
±22 |
11 |
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LM4766 |
30×2(8Ω) |
0.06 |
±30 |
15 |
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LM3886 |
38×1(8Ω) |
0.03 |
±28 |
11 |
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TDA2030 |
9×1(8Ω) |
0.5 |
±14 |
5 |
|
TDA2030A |
12×1(8Ω) |
0.08 |
±16 |
5 |
|
TDA8946 |
15×2(8Ω) |
0.07 |
18 |
17 |
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TDA8947 |
18×2(4Ω) |
0.05 |
24 |
17 |
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TDA1517ATW |
6.6×1(8Ω) |
1 |
12 |
20 |
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TA8231 |
17×2(4Ω) |
1 |
13.2 |
17 |
3.功率放大电路  常见的2.1音箱中采用的功率放大电路多半是集成功率放大器，主要性能指标见表1。表中的工作电压指的是典型工作电压，输出功率一栏中按“每声道功率×声道数（接入负载阻抗）”表示，失舆度（THD+N）是指功率…·栏标称的数值下计算的，而不是1W状态下的数值。表中数据都是来自厂商公开发表的数据文件。一般双电源工作的集成电路都可以工作于单电源状态，双声道的集成电路一般都可以接成BT1的形式来获得更大的功率。 笔者认为尽管数字放大器的音质还不能完全和模拟放大器媲美，但至少用于超重低音通道是比较合适的。
表2足报道比较多的数字放大器。
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型号 |
功率/W |
失真度/％ |
工作电压/V |
效率/％ |
引脚数量 |
独立散热器 |
输出1C滤波器 |
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LM4651+LM4652 |
125x1(4Ω) |
1 |
±20 |
85 |
28/15 |
必须 |
必须 |
|
TPA3100D2 |
20x2(8Ω) |
1 |
18 |
92 |
48 |
非必须 |
必须 |
|
TPA3001D1 |
15×1(8Ω) |
1 |
18 |
86 |
24 |
非必须 |
非必须 |
|
TASS012+TAS5112 |
40x2(8Ω) |
0.2 |
29.5 |
90 |
48/56 |
非必须 |
必须 |
|
MAX9708 |
20x2(8Ω) |
10 |
18 |
87 |
56/64 |
非必须 |
非必须 |
|
MAX9709 |
25x2(8Ω) |
10 |
20 |
87 |
56/64 |
非必须 |
非必须 |
|
MAX9741 |
12x2(8Ω) |
1 |
18 |
78 |
56 |
非必须 |
非必须 |
|
TDA8920 |
50x2(4Ω) |
|
±25 |
90 |
17 |
必须 |
必须 |
|
TA2022 |
100x2(4Ω) |
1 |
±28 |
87 |
32 |
必须 |
必须 |
|
STA304+STA500 |
25x2(8Ω) |
1 |
25 |
B2 |
44/36 |
非必须 |
必须 |
|
TDA7482 |
18x1(8Ω) |
1 |
21 |
87 |
15 |
必须 |
必须 |
|
YDA143 |
12x2(8Ω) |
0.1 |
12 |
87 |
52 |
非必须 |
必须 |
|
AD1991 |
20*2 |
0.1 |
14.4 |
85 |
52 |
非必须 |
必须 |
关于输出LC滤波器，部分产品由于|采用了特殊的技术，可以不用线圈式电感和瓷片电容，靠一个磁珠即可。
4.音箱  2.1系统有源音箱中一般超重低音音箱采用5英寸左右的长冲程喇叭，箱体相对较大，电源和电路部分都安装在箱内，立体声采用小口径全频带喇叭的居多。也有少量采用两分频的品种。 音箱从结构上说有敞开式、封闭式、倒相式、号筒式以及在各类的基础上变形的形式等。笔者认为采用倒相和迷宫结合的形式、喇叭采用推挽形式可以达到体积和性能兼顾的效果。倒桐方式提高了低音的效率，迷宫式延长了声音的道路，等于变相增大了音箱的体积，两只喇叭丁作于推挽的方式无疑提高了低音的能量。图9是这种音箱的设想图。这种方式也被称为双驱动方式。三菱公司曾把它成功用于电视机的超重低音系统。音箱中使用两只一模一样的喇叭。反桐连接。阻抗为单只喇叭的一半，共振频率和单只喇叭相同。这种方式理论上要重放同样频率的低频。只需要采Hj单喇叭音箱体积的一半。而儿还可以抵消齐次非线性失真，缺点是设计和调较非常复杂，所以采用性能一致性非常好的塑料材质比较容易实现批量生广。
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