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带有4kHz 低通滤波器的矿石收音机音箱,搭配HGA使用。

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发表于 2024-6-11 22:57:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 暖风轻音 于 2024-6-11 22:59 编辑

制作动机

说来也算偶然,前些日子突发脑子抽抽,想着搞个三寸的喇叭改个舌簧玩玩。改的话总不能选铁架子吧,不然时间长了靠不住,那就搞个塑胶架子的。

于是淘宝花了数块大洋搞了一个3寸 16Ω 2W 喇叭。

拿回来一看,发现情况不简单。

首先这个喇叭居然是涂胶布边的,能用上这个工艺,这个喇叭的音质一定是独具特色了。

喇叭正面

喇叭正面


然后他的音圈连接线居然还有盆上铆钉固定,能用上这个工艺,也是很好了。

喇叭侧面

喇叭侧面


最后连接线居然是用连接器连接之后焊接的,那么这一定是用于高振动环境的,再加上塑胶背面的卡扣结构,推断为这是一个汽车喇叭。

好吧,其实根本原因还是在于它的音质。这几块钱的东西音质居然异常的还行,把它改成三寸舌簧实在是暴殄天物,那么基于此,正好我手头也没有一个合适的针对于上一期HGA放大器使用的专用小音箱,不如就搓一个。

上一期放大器的相关信息

1:音箱的定性要求

1-1:要比较美观,要四平八稳,正面不要是铁
平板一块 ,要有罩布,搞点骚包的层次感。

1-2:要比较结实,不能受到外力胁迫而伤害喇叭。

1-3:要能防灰,涂胶布边喇叭涂的是不干胶,粘性很重,如果不防灰,那么到后期会显著让这个喇叭变成一个无法清理的垃圾堆。

1-4:音质要基本能过关。

1-5:要加入一个低通滤波器,为什么要加入低通滤波器呢?

2:语音滤波器的作用和设计

2-1:作用

依据GB 2017-1980规定,中波广播发射音频带宽允许宽度为4.5kHz(标准)和直至9kHz(宽带),不论如何,有一件事是很清楚的:

9kHz-20kHz,中波的任何电台,都不能发射对应的音频信息。
并且绝大部分弱电台,4.5-20kHz都是没有音频信息的

但是矿石机有一个重要的电阻Rd,也就是检波器电阻,这个电阻会发出热噪声。而热噪声是白噪声,也就是热噪声在任何频率的功率谱密度都是一样的。

那么很明显,当接收者要接受极弱电台的时候,如果使用放大器的话,把9-20kHz的白噪声放进来会降低弱电台信号质量,信噪比变差。应该设计一种滤波器,其在4~4.5kHz就应该开始截止,这样有利于发挥出最高的小信号接收效率。

2-2:设计

实际设计使用的是二阶切比雪夫滤波器,因为矩形系数比较不错(3950Hz开始截止,6kHz衰减已经超过20dB),通带内的波动也能控制到较好水平。那么可能有朋友要问了:更高阶的效果不是更好吗?

是的,确实效果更好,但是有一个问题是:那些电感数值也是非常刁钻和古怪的,这要花费高昂的成本。

而二阶切比雪夫的一种构成形式里面只需要两个一模一样的电感,而我只需要通过合理设置指标。就可以把这两个电感尽量接近成现在所生产的工业标准品,从而尽力降低各类成本。

最终设置的滤波器如下图,输入输出标准负载16欧姆(因为喇叭就是16欧姆,但是最终实际输入选择为3.33欧姆,因为我10欧姆的电阻很多,三个并联,不论是功率还是电阻压降声音损耗都能在可接受的范围内,而滤波器的性能并不恶化太严重)

滤波器电路

滤波器电路


可以发现电感遵循了E12,而电容则遵循了E24,都可以很轻松的买到标准品。

3:制作和装配

3-1:综合障板

为了满足提出的几条定性指标,装配采用障板装配,障板采用3240环氧板,加工完之后喷漆。

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喇叭采用热熔胶固定在障板上,因为这个喇叭天生不带固定孔,打热熔胶要边推边挤,热熔胶的热度要够,就可以打出不错的效果。

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音箱网布购买的是很便宜的淘宝通用品,五六块钱一大张,只需裁一小张,剩下来的可以修收音机。这一小张使用少量的手工白胶和障板贴合牢固,用火焰锁边,灼热的铁丝掏出通过螺丝的孔洞。

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至此综合体完成,这样的结构可以接受随意的正面磕磕碰碰指指点点也不会被戳坏和损伤到里面的喇叭(乐

3-2:箱体加工

箱体采用的是抽拉板松木盒,松木性质较软,加工容易,不易翘曲变形,抽拉板利用自然重力关闭。

开出对应孔洞,有些孔洞如果受力较大的,可以使用502胶水将板材浸润之后干燥打磨,可获得更高强度。

注意松木的纹理和硬度是不一样的,孔洞很容易跑偏,要提前留够余量。

然后上漆,这里我购买的是很便宜的水性环氧漆。

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3-3:滤波器

电容的话选用的是聚酯和聚丙烯电容,一方面是因为这些电容的容量较精确稳定,另一方面是因为他们足够便宜--一两块钱一只,还可以少量的购买。

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开关是KN32,这类开关有一些问题,以后再谈。

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铆钉和环氧板还剩下一些边角料,恰好足以加工电路板。电感和电容都是便宜的通用品,注意电感的饱和电流要够。饱和电流太小,在高功率时电感饱和,滤波器作用会出现错误。另外就是开式电感(也就是主要工作的磁回路有一部分或者全部是通过空气中的)应当两个电感尽量远离降低互相磁干扰。

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3-4:总装配

按照顺序处理好所有孔洞,上漆的时候被漆盖住的应该重新用钻头掏一下,然后安装提手,垫脚,接线柱,滤波器选择切换开关等组件。

随后在滤波器板上安装各条导线,此时应该预留好捆扎的量,

然后将滤波器板安装到箱体里面,按照方向和逻辑连接各条导线,作出规定的折弯等动作,所有线材焊接完成之后进行试验通电,没有问题之后进行捆扎,这里采用的是线捆扎,线材使用的是铁氟龙线,较为美观和清洁。

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4:性能指标和实地测试

4-1:性能指标:

最大额定功率:2.4W

输入阻抗:19.3Ω(NO LPF)
19.3Ω~3.4Ω(USE LPF)

HGA最大输出功率:456mW

LPF:   4kHz,3.6W Max Power,16Ω Load

4-2:实地测试

在端午去了原先探查的风水宝地测试矿石机,等于是先踩个点。

噪声和干扰的测试

风水宝地的各种噪声低,干扰低不可闻,就算非常敏感的输入信号屏蔽线材插头在外面裸露,放大器也只有沙沙的本底电阻热噪声。最大的干扰是我的手机自带的各种干扰,视频中出现的干扰就是LTE干扰。

扬声器的接收测试

效果较好,测试较为满意,各组件发挥了对应功能。并且很容易就接收到了国外的电台,当然这也不稀奇,毕竟MF和HF接收不能完全以距离衡量成绩。

欢迎各位好汉交流拍砖。

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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
本来是想看你改舌簧喇叭的,结果没舍得,,,,,,
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发表于 7 天前 | 显示全部楼层
依据GB 2017-1980规定,中波广播发射音频带宽允许宽度为4.5kHz(标准)和直至9kHz

?????????????????????????????

记错了吧?人声在270---2700HZ,那9KHZ减去宽度4,5KHZ,那4.5KHZ以下还...........

您的DIY件也不是允许4.5直至9KHZ.
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 楼主| 发表于 7 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 暖风轻音 于 2024-6-12 11:28 编辑
shiuyipyuen 发表于 2024-6-12 02:45
依据GB 2017-1980规定,中波广播发射音频带宽允许宽度为4.5kHz(标准)和直至9kHz

???????????????????? ...


音频带宽4.5kHz,针对于上下边带各4.5kHz,电台间隔9kHz,没有任何问题。

修正一个错误:  国标2017-1980规定最宽音频带宽是10kHz,不是9kHz。

根据GB 2017-1980规定,可根据条件适度选择宽带宽调幅发射,以期获得更好的音质,高的带宽上下边带各9kHz,音频带宽9kHz,还是没有任何问题(实际国标允许10kHz音频带宽,但是目前来说比较少见,至于为什么选择10kHz,这是一个历史遗留问题,这个10kHz宽带标准最早是美国基于收听者主观评价指标形成的,但是美国那边电台间隔是10kHz,后来不管是日本还是中国搬过来的也都是10kHz)

而这些宽带宽调频发射有的时候是会互相重叠的,这些电台从理论上是无法通过LC完全选择干净的。只能说在选择性和音质上,这需要一个决策者的权衡。

Screenshot_20240612_110405.jpg

例如900kHz发射宽带9kHz音频,那么此电台发射有效功率实际覆盖的范围为891~909kHz,显然原本的891电台的上边带和909电台的下边带会受影响,如果891和909还同样是宽带9kHz发射的话,那么就更头疼,理论上无法通过LC选择干净。

但是如果900kHz的两侧的这两个电台很弱,通过问卷等方法收集收听者意见认为没有收听价值的话,那么是可以设置900kHz宽带,但是如果你不在问卷涵盖区域的话,你就有可能两个电台同时覆盖,并且选不干净(乐

我的滤波器选择带宽为4kHz,因为矩形系数在那里,选择4k可以获得接近于4.5k非常良好矩形系数滤波器的噪声过滤效果。

另外一个选择4k的原因就是在喇叭的16欧姆负载下,可以发现经过可以忍受的指标调整之后电感恰好是1mH,这是E6/E12近似指数分布里面的标准数值。也就是可以直接买到工业标准品,而无需高昂的定制费。

两个电容也是2.7μF和4.7μF,这是E12/E24里面的标准数值,电容也可以买到块儿8毛的精确工业品也无需定制。让滤波器的费用变得低廉。

还有一个问题是很多电台在宽带调幅采用的策略是4.5kHz以下是不做保留衰减的,而在4.5kHz以上则渐趋衰减,如果要接收远方弱信号电台,那么很明显信号随着传播渐趋衰减,宽带的部分会更快的进入噪声中,4.5kHz带宽是实际期望能接收到的部分。不应当为了更好的弱信号音质而提供更大的带宽和更大的噪声,4kHz~4.5kHz已经足以收听和分辨。

另外一个类似的器件就是8寸舌簧喇叭,8寸舌簧喇叭Q高M大,天生高频不足,天生可以起到低通滤波器作用。

低通滤波器是为了降噪设计的,针对的就是弱信号的痛点。

如果信号足够强,可以压制本底热噪声的时候,可以通过选择开关打到无滤波器档位,享受更好的音质。
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发表于 5 天前 | 显示全部楼层
暖风轻音 发表于 2024-6-12 11:05
音频带宽4.5kHz,针对于上下边带各4.5kHz,电台间隔9kHz,没有任何问题。

修正一个错误:  国标2017- ...

仁兄;+-4.5,并非4.5!
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发表于 5 天前 | 显示全部楼层

这看着全都不是电子科班。
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 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 暖风轻音 于 2024-6-14 13:31 编辑

希望仔细阅读。

音频带宽,不是射频带宽。特地为了防止错误理解前面加上音频二字。

不管是原帖还是回复帖,音频二字都没有少,还是无法理解的话就没有办法了。
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 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 暖风轻音 于 2024-6-14 14:13 编辑
Jambalaya 发表于 2024-6-14 12:48
这看着全都不是电子科班。


想要科班相关可以自行参考GB 2017-1980标准,以及宽带宽调制经过屡次修改后通用的的美国标准NRSC-G100(各个调制音频的幅度处理,带宽积分功率,宽带的基于普通收听者的指标测试评价,宽带之间利用窄带滤波器(最窄可以达到1000赫兹左右)去容忍宽带发射带来的同频带干扰,以及基于偏调策略+远高于接收电平的本地BFO去进行相对接收。

Image_1718345548401.jpg

诚然我套一坨公式看起来可能很专业,但是谁能读得懂?无非是不明所以直呼厉害,然后呢?

想要专业可以自行参考相关专业资料,图一乐的帖子懒得做得太专业。

至于音频带宽两个大字摆在前面还是视而不见,那就没办法了。

我只能说如果你连这个还没有理解的话,你有可能很难理解我这个滤波器到底是为了隔绝哪个噪声的。
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发表于 5 天前 | 显示全部楼层
暖风轻音 发表于 2024-6-14 14:01
想要科班相关可以自行参考GB 2017-1980标准,以及宽带宽调制最早的美国标准(各个调制音频的幅度处理, ...

学过信号与系统的应该都知道。
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 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 暖风轻音 于 2024-6-14 14:58 编辑

给出实例:1026kHz和1035kHz为两个宽带发射台,但是可以发现其明显的频谱特征是在0~4.5kHz音频普遍有较强的电平水平。

Image_1718346116476.jpg

显然这是为了保证在传输到较远状态时,仍然能保证基础的0~4.5k音频可以在S/N可以忍受的指标以上。而这样的远距离弱信号电台正是滤波器使用的地方。

显然第1点:当两个都是强电台时,单纯依靠矿石机的LC几乎不可能分隔。当然你可以采取偏调策略,比如使用带宽更窄的矿石机,并且偏调到刚好接收1026下边带一部分,从而达到更强的隔离效果,缺点就是飞速上升的失真度,当然基于热载流子和统计学的小信号检波过程平方律反而会抵消这一失真。

而当1026较弱,1035较强时,想要纯LC分离电台接收1026几乎是不可能的。此时需要搭配指向性天线。如果很不幸,两个是同向,或者天线波瓣是对称的而两个是反向,那就只能自认倒霉了。

这就是宽带发射的问题:从理论上LC不可能分割清楚,总有串台或者干扰,根据滤波器的形式不同而定。但是这会获得更好的音质能播放更为真实的乐曲。

而第2点:在4.5kHz以下得以几乎无衰减的保留,能够保证我接收远程小信号时几乎只能接收到4.5kHz以下,显然在信噪比相当不怎么样的环境下去接收信噪比更低的高频是个不明智的选择。故而滤波器设置为4k,目的是为了获得和4.5k,但是矩形系数极好的滤波器类似的噪声过滤效果。

HGA前级输出电阻在0dB是2.55k低噪声精密金属膜电阻,并且由于不经过直流也没有跟随电流算术增长的电流噪声,所以主要贡献来源于热噪声。

电阻选用2.55kΩ的原因是经过精密测量的3DQ电阻为2.528kΩ,在小信号下实际总噪声电阻大约为1.27k,而信号电压则是减半的,显然对于弱信号这不是什么好策略。但是要考虑到强信号下开关状态Rd影响渐渐变小的时候匹配问题,以及考虑到放大器的稳定性,故而选用该数值电阻。

如果电台信号非常强,强到可以噪声压得很低,那么显然这个时候把主谐振回路LC的Q进行拉低,增大可接收带宽,并且关闭滤波器可以获得更好的音质。
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发表于 5 天前 | 显示全部楼层
主贴配的电路仿真,低通滤波器部分3个电感两个电容,算是5阶低通了。切比雪夫声明一型或二型。
在功放输出端做滤波器代价大了点。
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 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 暖风轻音 于 2024-6-14 15:08 编辑
Jambalaya 发表于 2024-6-14 14:48
主贴配的电路仿真,低通滤波器部分3个电感两个电容,算是5阶低通了。切比雪夫声明一型或二型。
在功放输出 ...


两个电感,三个电容,确实是5阶,基本上会这么说。

但是从结构上这更像两个连续的结构,所以本帖才称为是二阶。

至于代价并不大,电感两块钱,电容3块9,打铆钉板费用和其他杂件就算把电感电容一块儿通通加起来也不过8块钱。

这不是什么高贵东西。
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发表于 4 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 shiuyipyuen 于 2024-6-15 05:37 编辑
暖风轻音 发表于 2024-6-14 13:29
希望仔细阅读。

音频带宽,不是射频带宽。特地为了防止错误理解前面加上音频二字。


就是说;+-是射.4.5是音

早前有个想法;用十个高频线圈和十个空气电容,分离中波上下边带,正物色零件.

你这个音频的几块钱完事.而我那个要多些花费
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发表于 4 天前 | 显示全部楼层
shiuyipyuen 发表于 2024-6-15 05:30
就是说;+-是射.4.5是音

早前有个想法;用十个高频线圈和十个空气电容,分离中波上下边带,正物色零件.
...

解调后加音频低通并不解决选择性,还是要搞LC选频和陷波。先从数学上搞清楚解调干了啥,尤其是强邻频被干了啥。
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 楼主| 发表于 4 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 暖风轻音 于 2024-6-15 14:13 编辑
shiuyipyuen 发表于 2024-6-15 05:30
就是说;+-是射.4.5是音

早前有个想法;用十个高频线圈和十个空气电容,分离中波上下边带,正物色零件.
...


首先这个的目的并不能解决选择性。

它是矿石收音机使用的,最重要的目的是限制检波器电阻的本底热噪声功率谱,增强信噪比。

换言之该混台还是会混台,你要想不混台,还是应该在射频LC上做功夫。

用音频限制,并且做到不混台,那你应该考虑其他检波手段,比如DCR(直接一次变频接收机),是一个典型的乘法结构,比较简单的乘法结构,也许就是同步检波了(乐

DCR是可以用音频滤波器获得更好选择性效果的(当然你不用也不影响选择性,就是吵得慌)当然他会有更多的其他问题,需要您自行了解了。
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