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S2000声音调整试验

作者:zdj 日期:2009-04-24 人气:1691 来源:广播论坛 添加:5BCL.com 
 和大家一样,我也很喜欢收音机。同时,自己也有一个小公司,生产一些台式收音机,并得到了本坛不少朋友的支持和好评。但是,我们生产收音机的时间不长、资历很浅,因此经常混迹于本坛,以期望从坛中高手们身上偷师学艺来提高技艺。与多数坛友们一样,经常都泡在坛子上,关心坛中大事、小事。当有二手机上贴出来时,忍不住要去看一看,有不错的机子时尽管已经超出计划,也忍不住喊出“我要了”的标准语。每当国内的德生、德劲等大牌收音机厂家推出不错的新品都去关心、去追逐。当然我与多数坛友略有不同的是,追逐这些新产品更多的是想站在设计的角度去欣赏这些厂家新的设计、新的思路、新的技术。这次购买的S2000,除了上述原因外,还因为这是近几年来唯一推出的一款高端BCL收音机。
在多次花数千元购买了不少二手的德机、日机后,终于收到了期待已久花了一千多元购买的S2000。全新产品、接收效果优秀、质感良好、整体不错的感觉。对此,坛子中已有不少评价,这里我就不在详细分析了,只是谈谈与大家一些不同的感受和想法。
把收到的S2000与坛子中有良好口碑的根德S700、S500、S400、E1等中型便携机对比后感觉S2000的接收性能可与这些机平分秋色,并且在音质、性价比上还有一定的优势(S2000的体积也明显的占优)。但是,在与早年的根德、ITT等口碑良好的德国大便携机对比后,S2000除了接收性能占一定优势外(毕竟这些德机都是多年前的产品了),其音质处于劣势,这使我感到有点遗憾(因为早期优秀德机基本都是用高电压供电和大口径纸盆喇叭)。于是,一种“让S2000音质也不差于大便携德机”的“摩机”冲动在我血液中流动。
看着S2000上贴着完整的激光保修标贴,几次想动手都最终手软了。一天,某种冲动让我下决心“破处”,终于打开了后盖,这才真实的看到了S2000内部完整结构。这虽然已经是半年前的事情了。
S2000推出后,看到网上有不少坛友都有着与我相同的梦想,有换喇叭的、有加“补品”元件的、有改动功放的、有改音调电路的。对于这些改进,开始我也是按照这个思路进行的,希望不要大动就能获得一个理想的结果。这样类似的改进工作,陆陆续续经历了大约三个月的时间,首先是换了不少喇叭,再是在原来功放电路基础上修改高低音提升电路,再就是改功放(换功率更大的IC),…。由于当时没有想到要把这个过程放上坛子,因此没有留下什么照片资料(以下称为第一阶段)。这一过程中我的结论是,在现在的这样的结构和设计思路下,S2000已经在电路、电声等方面做得很好了,基本没有什么改进余地了!试验中发现,这些改进往往是解决了一个方面问题,但是马上带来了其他方面的问题。发现这样问题后,我很快就放弃了这样的改进而换了思路(在此之后为第二阶段)。

第一阶段的更改和测试结果:
    本阶段的改进有两个方案,第一方案是改无源音调电路,第二方案的改有源音调电路、改功放IC、改喇叭。
第一方案:改进描述:改进音调电路
图改进后的PCB(正面)


改进后的PCB(反面)

(这个电路与某些坛友改进的电路相似)

改进后音调电路测试的频响曲线:

可以看出这个音调电路改进后音调提升和衰减还是有效果的。只是音调的调整与放大器的增益是有点相关的。

改进后的音调提升和输出功率的关系:

中间这条粉红曲线是S2000正常灵敏度(250mV)的曲线。从图中可以看出,音调提升和衰减作用明显了,但是输出功率小了,在主要频段上的平均功率约1.2W(最低只有500mW),相比于下图(S2000功放正常状态)其输出功率显得小了不少,因此不失真时的音量小了许多。另外,该电路没有把100Hz以下进行切除(以下SJ2038、TDA7056B等电路都有类似功用的设计),这部分无谓的耗电较大,同时有可能带来喇叭的大幅震动,带来失真。这个改进是以输出功率为代价换来音调提升的改善,这样的改进听感并未因此明显变好(虽然高低音调整变得明显,但是整机的响度明显不够了),也就是说当音调提升后,为保证不失真,其有效输出功率减小了。我也尝试过7.4V的供电电压,其结果仍是不太理想(但是有些改善,也许改为12V供电时会改善更多)。因此,我认为这个改善音调电路的方法虽然有可取的,但不是最理想的。


由此图可以看出S2000在有效频段内输出功率基本上都在1.7W以上(粉色曲线),虽然音调作用有限,但是保证了最基本的声压级,。(如果100Hz能进行切除处理,整机的失真和耗电都还会减小)

第二方案改进
改进描述:将无源音调电路改为有源音调电路。S2000的原音调电路和以上的改进,其音调电路都是无源的,我们本次改进是加大输出功率并将无源音调电路改为有源电路。为了在5V供电下,输出功率能够提高,我改用了SJ2038功放IC,这个IC在喇叭为4欧时可以输出2х2W,为了提高功放的效率,我设计了专用双音圈的喇叭,以获得较大的输出功率,防止音调提升时,功放饱和。

将功放IC改为SJ2038的电路图:


改进后的功放


将喇叭改为双音圈,以增大推动喇叭的功率:

为配合SJ2038双功放而专门开发的“双音圈”喇叭

改进后音调电路的测试曲线:

这个音调电路与增益基本没有关系了。提升和衰减效果很明显。

改进后的音调提升后的输出功率

由图可以看出:这个改进单一声道最大功率提高到了1.9W(两个声道是3.8W)(绿色曲线),最小功率一个声道是0.55W,两个声道合并是1.1W,同时对80Hz以下频率有进行切除。因此该方案比前一方案改进不少。即便如此,听感并未比S2000原机有明显改善。

改进过程中采用AP测试仪对S2000放大器的测试:

键盘下是AP的主机,前面透明盒子是负载箱,右边是电源,上面是电脑(图中看不到),中心是被测试的S2000功放板。

改进过程中采用LMS在消声室对S2000原机喇叭的测试:


S2000原装喇叭的曲线:

从以上曲线看出,S2000喇叭是一只不错的全频喇叭,有效范围80Hz-16KHz,低频不错应该有潜力,如果在1.1K处这个低谷能平一点会更好。

结果分析
    从以上测试结果可以看出,采用SJ2028的输出功率有较大的提升,音调电路有较大的改进,这是向前迈进了一大步。但是由于喇叭与箱体、功放的配合不理想,因此没有达到所期待的结果。在试听中没有感到改进后的机子与原机比在音质上有太大的优势。因此感到,这种改进效果有限。反而感到S2000原机设计各方面配合不错,已经达到了较好的结果,这个方向的改进很难有质的改变。

以上是第一阶段改进的情况,可以看出以上改进的结果不是我希望的,我是希望其音质有大幅提升。因此在中后期我改变了思路,决定“大动”一下,否则无法达到我改进的初衷。这样就进入了以下第二阶段的改进工作。

我们知道,S2000采用的是传统收音机的电声结构,即“半开箱”结构。这种结构是收音机的主流,早年的德机、日机、美机和国产机都是这样的结构。这种结构对箱体的要求是容积尽量大一些,同时喇叭的口径也是越大越好(最好供电电压也是要高一些为好,比如ITT104供电电压是12V)。S2000采用的就是这种半开箱结构,而由于体积大小的原因,使得箱体容积比较有限,S2000的现设计通过上述的前一阶段工作已经证明很难有再多的改进了。对于S2000目前这样的结构,其中音、高音相对容易实现,而我们期望的“蓬蓬声”这样的低频质感则比较难达到。因此,我只好祭出更改的第三招:改箱体!当然,这是万不得已的办法。我们知道对低频的提升,喇叭有作用,功放有作用,箱体也一样有作用。在更改喇叭和功放在低频上都没有达到预期的效果后,就只好改箱体了。Grundig中后期有两款机子S600、S650采用的就是不同于半开箱结构的独立“闭箱结构”,这种结构对喇叭、对功放的要求完全不同于半开箱结构。把S2000要改成类似这样的结构,是一个不小的动作,除了要重新设计箱体外,还有改功放、改喇叭,同时还要破坏该机的现有结构(而且从此该机也失去了保修的资格了)。

S2000原有喇叭的空间和容积非常有限,实用容积大约0.3升多一点,这么小的容积要把低频做好实在也是一个挑战(S600、650的箱体容积接近2升)。因此,对这么小的容积箱体选用什么样的喇叭、用什么样的结构,这在以前没用太多的设计依据和资料可查阅,现在更多的是根据经验设计再去试验调整,不断反复直到基本达到要求。这一过程用了不少时间,做了不少试验。

S2000原来的电声结构:

S2000原结构的空间和容积非常有限,可用容积只有0.3升多一点,这么小的容积要把低频做好实在也是一个挑战。

由于箱体容积太小,用闭箱或倒相箱比较难以达到想要的效果,因此一开始我就决定放弃这两种结构,而采用在收音机上没有被采用过的声学结构—带有一阶被动辐射器提升低频的结构。这种结构的有点是容易在小容积箱体中获得较好的低频效果,缺点是比较难以调整而获得最佳参数。特别是对喇叭、对功放、对音调电路提升的频点、对被动辐射器的面积和重量、对箱体结构等等都有很细致的配合要求,这些要求往往都是相互关联,牵一发而动全身的。

确定了指导思想后,第二阶段的改进就开始行动了。一方面根据箱体内部的结构,设计适合于该结构的“保型音箱”,另一方面撤除或移动箱体内部原来的一些结构件(如拆掉变压器、移动外接电源PCBA等),其目的是获得最大的音箱箱体容积,使低频得到保证。同时设计功率适当的功放电路,通过前面的分析,我们知道,音调电路的提升是需要一定功率储备才能得到有效保障的。因此,所设计的新功放一定要比原来8脚的2822功率大,原来功放的最大功率不到1.9W(BTL 6V时),因此必须设计大于2W的功放,最好是大大于2W。初期采用了16脚的2822,这种IC的特点是,性价比高、性能稳定、工作电压范围宽(3-15V),输出功率不小(9V BTL时可达3W),静态电流小(9V时 6mA),但是这款IC感觉功率还是差一点,另外这款IC市场已经停产了,之后放弃了;在试验过程中,也试验了一种功率更大的、在收音机圈中有良好口碑的BA5415a,它输出功率较大(在12V BTL时最大可达近10W),但是这款IC的静态电流大、耗电大,只是作为一个试验过度方案。最后选定的IC是TDA7056B,这款IC除了价格较高以外,是一款很好的收音机用的功放IC,其音质好、输出功率大(在12V BTL时最大可达8W,9V时可达4.5W /4欧姆时)、适应电压范围宽(4.5-18V)、静态电流小(9V时 8mA)。喇叭的选用就更为复杂,鉴于篇幅,这里就不赘叙了。

TDA7056B功放
电路图:


PCBA:

(未加散热器时)


BA5415功放图片

这个功放输出功率强劲、音质不错,但静态电流(45mA)和最大动态电流(1.5A)都过大,我放弃了。

16脚2822功放图片(插好元件的PCBA找不着了)

这个功放由于16脚的2822已经停产和输出功率偏小,我也放弃了。如果是有货源,用于量产机,是一个不错的选择。相信在低电压(4-6V)供电和高电压供电(12V)都会有不错的综合表现。


采用TDA7056B的功放的参数指标如下:
输出功率: 4.5W(在9V、4欧姆、BTL、THD=10% 时)
工作电压范围:4.5-12V
静态电流: 8mA(在9V供电时)
最大工作电流:约900mA(在9V时)
输入灵敏度:250mV
信噪比:75dB(不计权)
功放的频响曲线:

由于没有找到线性电位器而采用了指数式的,因此在曲线平直时(没有提升和衰减)是处在电位器3/4位置的。
说明:采用该放大器时,S2000的静态电流增加很少(几毫安),如果低频没有提升时(低频提升电位器位置小于3点钟),正常音量时,整机的耗电也没有明显的上升。

IC参数:


音箱的参数:
谐振频率:60Hz
阻抗:4欧姆
频响曲线:

阻抗曲线:

由于箱体设计得当,箱体的Fb已经达到80Hz!

音箱在消声室测量时照片:




在以上的过程中,箱体的大结构,做了两种,小结构改了十几次;功放的基本电路做了5种,细节修改、调整做了几十次,其PCB布板就做了6款。功放IC选用过:TDA2822(16脚)、SJ2038、BA5415a、HA1392、TDA7056B这5款;喇叭试用了4寸、3.5寸、3寸、2.75寸、2.5寸、2.25寸、2寸等几十种不同尺寸、不同性能规格的,最终选用是3寸+1寸的。在经过两个多月的时间和许多次的试验,换了许多种结构、喇叭、材料、功放、元器件以及反复调整之后,基本获得了所期望的效果。

以下是部分箱体的一些照片

图中可以看出,有一个主动喇叭,一个被动喇叭。


这是其中一个独立箱体的结构。其中EVA胶贴是希望利用调节出气孔的多少来调节音质


装在后部的3.5寸被动辐射器


为了获得最佳效果,设计了适用多种箱体结构和喇叭的结构,从2寸到4寸。图中这个箱体结构原是一个二阶被动辐射器结构设计,上部那个后盖还安装有一个2.5寸被动辐射器(图中还没有安装,该结构试验后没有采用)。


最终采用的喇叭和结构。是由一个3寸的中低音喇叭和一个1寸的高音喇叭组成的“同轴”结构。


更改后装在S2000内的独立箱体、功放(后期的不少手工改进把箱体弄得像“狗啃”样的)。

最终选用的是一个3寸主动喇叭、一个1寸高音喇叭和一个3寸被动喇叭的结构。由于体积有限,1寸喇叭只好架在3寸喇叭的上面,这样做好处是解决了小体积全频的问题,但是也带来了两个喇叭频响衔接不很好的问题。上图喇叭频响曲线中在2K一个凹谷就是这个问题带来的。这个箱体的谐振频率已经低至60Hz,对于有效表现“蓬蓬”声立下汗马功劳。这个结构在收音机上是首次被采用,为此我申请了专利。

在以上试验取得阶段性成果后,开始着手解决电源问题。好的声音需要有好的电源配合(早年德机都是如此)。由于改动了结构,拿掉了S2000机内的交流供电变压器,因此只好重新配置外置交流适配器。同时为了适应摩机后的S2000使用电池工作,因此又配置了放电电流大的镍氢充电电池和锂电池。目前这台机子的工作电压虽然是4.5V至12V,但是还是在7V以上供电时其音质才能发挥优势(使用两节锂电池或八节镍氢电池或八节碱性电池或用适配器供电均可),在使用9V供电时声音已经非常好了,基本达到了改进的初衷。此时其音质已经可与根德卫星系列的S3400媲美了(或是各有千秋吧)。


在9V供电时,当低频动态很大时,该方案整机最大工作瞬间工作电流超过900mA(图中是690mA时)。因此,如果是要保证音质,该机不能用普通电池了,用普通电池6V供电时如果提升低音,将有明显的失真(这是也本次改进所失去的东西, S2000原机在6V供电时音质基本是有保证的)。


采用镍氢充电电池是一个不错的选择,内阻低、放电电流大。采用S2000原配5号转1号的电池转换器,放在3V档,8节电池串联最高电压9.6V(此时音质非常好)。


为好电池配一个好充电器,当然更好。该设备在本坛坛友“深圳胖胖龙”处购买


以上用镍氢电池成本较高,可以找一个废弃的笔记本电脑用锂电池,也可以在市场上购买拆机的(大约5元一个)。


拆出来,选出可用的,一节3.7V。锂电内阻低、放电电流大,用在这里非常合适。


在市场或淘宝上花二十几元钱买一个专用锂电充电器,这样使用成本大幅降低。也可在淘宝上买全新2600mAH三洋的(30元一个)。


把S2000原机带的电池转换器改成直通,再放进两节锂电池正合适。标称电压7.4V(新电池有8.3V),音质很好。(外接电源的插孔也移动了位置)


当然,也可以选用专用锂电池组供电,市场上有8V和12V两种,最好选8V的。由于该机在12V下也可以工作,选12V的也可(此时输出功率强劲,但是注意此时不要连续工作超过1个小时(最好半小时内),因为机内的4V供电IC功耗过大,容易损坏)。


如果放置在家里使用,可以选用外接电源,注意供电电流要大于1A,市场买回来后的电源要专门做滤波电路改造,否则中、短波的干扰会很大。


我找专业厂家打了一个样板,供电电流可以达到2A。注意S2000电源极性与常规不同,是“内负外正”!


当采用高于6V供电时,在关机状态时同时按下左右下角的两个键,使机内可以在高电压状态下工作(此时将显示30的字样)


我在改机时,正好碰上坛友feyue来访,他拍下了我的“工作照”。


改进后的S2000与根德S3400声音对比时的合影。S2000在音乐的低频“蓬蓬声”方面已经超过前些天在本坛超过6000大元成交的二手S3400了(图上这台S3400的状态不错,是我花了6000多元从德国买回的)。

经过半年的努力(以上的更改基本上是我本人利用空余时间,较少动用手下资源而慢慢设计、制作、调试而成,因此,拉的时间比较长),终于劳有所获,基本达到了“让S2000音质也不差于大便携德机”改进的初衷,改进后的S2000接收性能好、音质好,让我“爱不释手”,这台机收听调频和中波音质非常棒,已经成为我最常用的机子之一。我们看到,任何改进都是有得有失的。这里将S2000的音质改善了,但是整机的功耗增加了。现在回过头来看,在收音机整机性能的平衡设计上,S2000还是拿捏得非常好的,这反映了德生作为收音机的第一品牌的功夫。当然,前面我的改进还有不尽理想的,比如目前的两个喇叭叠加在2K处出现一个大凹谷,影响了人声的质感(如果设计一个好的喇叭就可以代替两个喇叭);又比如整机工作时耗电偏大,对电源要求提高等等。如果有机会,我还会再调整、再改进,我相信肯定还有再改进的空间。
S2000的上市,使坛子上不少朋友对德生能在如此浮躁的环境下设计如此的产品报以敬意的(包括我们的X版主都是如此的认同)。至此,我发自内心地表示:向S2000致敬!同时,我们期待德生、得劲等收音机厂家有更多、更好的新产品上市。
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