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老树发新芽 EL34&KT88推挽胆机

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发表于 2013-5-14 09:05:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 linpei 于 2013-5-14 09:05 编辑

我在1994年DIY了一台300B推挽胆机,见在本坛发布的《15年前发烧制作的胆机》一文。我一直对将300B用于推挽机有点耿耿于怀,而当年从炼钢厂废钢堆捡来的英国GEC KT88、英国大盾EL34却没派上用场,更有点不太甘心。于是想用300B和2A3另作一台单端机,推挽机改用KT88和 EL34。改制推挽机时的主要工程量是:
(1)        局部修改线路:由于没有采用直热管,旁热管阴极中毒问题没有直热管那么突出,所以取消高压延时电路。前级音调的衰减和提升从±15db改为±6db,电位器改为B型(直线型)。倒相级的恒流源改回最初的五极电子管,采用EF89。设置功率管三极管接法和超线性接法转换开关,用于切换工作状态。电源滤波改为CLC,每声道的后级高压增加第一级C滤波,采用法国苏伦4.7uf MKP电容和德国ROE 1uf MKT电容并联成28uf,第二级10H电感滤波保持不变。每声道的前级高压增加第一级C滤波,采用德国西门子与松下合作的S+M电容(made in germany),并且增加第二级5H电感滤波。
(2)        局部修改用料:100K音量电位器改为250K 24档步进电位器,以求改善左右声道平衡度。前级SRPP电路放大管改用12AU7(ECC82)代替原来的6N11(ECC88),以达到在不改变前级稳压电流前提下使前级放大管的工作点处于A类的目的。仿照麦景图MC-275,阴随推动级的电子管改用与12AZ7等效的12AT7代替原来的5814A(ECC82)。
(3)        重新设计制作电源变压器。原因有四:原来的变压器左右声道电压稍有偏差,导致两边工作点不同,将影响立体声声场;原来只有一个负偏压绕组,两声道公用,在没有条件做去耦测试的情况下,将影响声道分离度;灯丝改全交流供电,增加灯丝绕组中心抽头;为改为用旁热式电子管整流做好准备——高压绕组抽头要精确,两组电压要一致,以便由两组桥式硅整流合并为一组全波电子管整流,并且预留整流管的5V灯丝绕组。
(一)设计制作电源变压器
  一、次级电流功率计算
(1)后级高压电流:KT88最大电流——固定偏压-59V,超线性,Va453V,2×140mA=280mA
                    实际:Va400V,三极管接法,固定偏压-40V,2×100mA=200mA
       后级高压功率:电感负载桥式最大1.1×370×0.28×2=228W,实际1.1×370×0.2×2=162.8W,
(2)前级高压电流:工作点电流2×12AU7_2×3.5mA,6E2_2×1mA,6SN7_2×5mA,稳压管电流2×6mA,EF89的帘栅极电流_2×3mA,12AT7_2×7.5mA,合计52mA ,最大不会超过64mA。
功率(电容负载桥式)最大1.56×340×0.064×2=67.89W=68W
(3)后级灯丝电流:1.6A×2=3.2A,功率6.3×3.2×2=40.32W
(4)前级灯丝电流:6.3V——6E2_0.3A,6SN7_0.6A, EF89_0.2A,合计1.1×2=2.2A ,功率6.3×2.2=13.9W。
12.6V——12AU7_0.15A ,12AT7 _0.15A,合计0.15×6=0.9A,功率12.6×0.9=11.3W
加上预留负栅压电子管整流EZ81的灯丝供电1.2A,共计32.44W。
(5)预留电子管整流灯丝电流:后级用5Z8P,5.75A;前级用5Z4P,2.2A,39.85W 。总计77.41W。
(6)负偏压电流:主要是12AT7的阴极电流15mA。改用12BH7时,阴极电流18mA。
功率(电容负载桥式)1.56×141×0.018×2=7.9W
合计:最大——228+68+40.3+77.41+7.9=421.6W 实际约250W
初级功率最大397.3/0.9=441W,电流2.0A。实际250/0.9=278W,电流1.27A
二、变压器制作
英国缺口铁芯,B=10000GS,133×110×70mm,舌宽44mm,截面30.8㎝2,N=1.5N/V,
窗口:66mm×22㎜,除去骨架占用的,实际61.7㎜×19.15㎜
变压器骨架.jpg
(1)        灯丝:为了使6.3V绕组的中心抽头准确,圈数改为10N,在第5匝处抽头,改匝比为N=1.5873N/V。电流3.2A,线径D=0.7×√3.2=1.25㎜,外径1.33㎜。2组6.3V——KT88×4灯丝,20N;2组6.3V——前级左右声道灯丝和EZ81×1(负栅压整流)灯丝,20N;1组12.6V——前级部分管子灯丝,20N;在第10匝处抽头;4组5V——为改电子管整流预留:5z8p×1+5z4p×1,4×8N=32N,合计92匝,1层46匝,2层正好可以绕下,厚度:2×1.33+0.05=2.71㎜,29米S=1.23㎜2,M=0.32㎏
(2)        前级高压1、2:340V×2,540N×2,电流0.127A(晶体管整流时实际0.06A,改电子管整流时两绕组合并,0.12A),线径D=0.7×√0.127=0.25㎜,外径0.275㎜,一层224N,2.41层(2.5)×2=5,厚度5×0.275+3×0.05=1.525㎜,342米,S=0.049㎜2,M=0.15㎏
(3)        后级高压1、2:370V×2  50V+20V+300V,300V+20V+50V,[头]80N→31N→476N[尾],[头]476N→31N→80N[尾], 587N×2,电流0.4A(晶体管整流时实际0.2A,改电子管整流时两绕组合并,0.4A)线径D=0.7×√0.4=0.44㎜,外径0.49㎜,一层126N,4.66层×2=9.32,10层,厚度10×0.49+8×0.05=5.3㎜,391米
       S=0.15㎜2,M=0.53㎏
(4)        负偏压1、2:140V×2,222N×2,0.08A,线径D=0.7×√0.08=0.19㎜,0.19㎜线外径0.21㎜,一层293N,1.5层,接着后级高压绕组绕,绕满后回头再绕,算1层厚度:0.21+0.05=0.26㎜,128米(实际值,用已有线)
(5)        初级:220V+10V=230V,349N+16N=365N,电流2A,线径D=0.7×√2=0.989㎜,外径1.07㎜,一层57N,6.4层,厚度7×1.07+4×0.05=7.69㎜,137米, S=0.785㎜2,M=0.96㎏
(6)        屏蔽层0.1+1.15+0.15=0.4㎜
(7)        绕组间绝缘:4×0.05=0.2㎜
导线重量计算公式:M=(1/4000)×ρπd2L
ρ:比重,铜:8.89g/cm3;铝:2.7g/cm3。 π:圆周率 d:线芯直径。单位:㎜
L:长度,单位:米。重量M=8.89×S×L
改好后的整机电路图如下。
放大电路图1.jpg
电源电路图.jpg
放大电路图中,电压数值前带有▲或▼标记的是此点对地电位值,没有此标记的是两端点之间的电压值。
(二)各级电子管工作点的选择
正确选择电子管的工作点是非常重要的。对于A类放大,正确的工作点应该是选在Vg—Ia特性曲线直线段的中点,这时失真最小,声音听感也最好。有的电路将工作点选在Vg—Ia特性曲线弯曲段,靠近屏流的截止区,电子管工作在小电流状态,实际上是处于AB类放大状态,信号振幅大时,甚至产生了栅流,这时或许听感也不错,但那是一种失真的“好听”,设备已经不是工作于高保真状态了。电子管手册上给出特性曲线全面反映了管子合适的工作点在哪里,是正确选择电子管的工作点的依据,一般用作图法来选择。
为什么要用12AU7(ECC82)代替原来的6N11(ECC88)?因为用示波器观察第二级SRPP电路输出到倒相级栅极方波响应波形有失真,且主要是在信号的下半周的截止失真。
下半周截止失真.jpg
原因是:原来电路6N11(ECC88)的阴极电阻是1K,负偏电压是3.5V,阳极电压是约100V,从Vg—Ia特性曲线查出,这样的工作点位于曲线弯曲段的下方,已经很接近阳极电流的截止点,信号振幅大时,就产生了截止失真。要使6N11(ECC88)工作于A类,就要把工作点选在Vg—Ia特性曲线直线段的中点。作图得出:当Va=100V,Vg=-2.1V时,Ia=10mA,Rk=220欧,这就是6N11(ECC88)工作于A类的工作点。见下图:
ECC88栅-屏特性.JPG
6N1栅-屏曲线.jpg
如果将6N11(ECC88)的工作点改为A类,将使每声道前级增加13mA的电流,电源变压器负荷能力没有问题,但原来的前级稳压电路中的限流电阻必须更换为8.2K。这个限流电阻要通过至少28mA电流,降掉230V电压,功率约7W,发热量很大,必须在机外安装,但原先在机外直立安装的电阻是1993年从炼钢厂废钢里的国外军用旧电子设备上拆下的,现在买不到这种安装方式的电阻了,更别说特定阻值8.2K的了。
手头有1993年从炼钢厂废钢里的美国和英国军用旧电子设备上拆下的12AU7(ECC82),就查了它的Vg—Ia特性曲线,作图得出:当Va=100V,Vg=-3.5V时,Ia=3.5mA,Rk=1000欧,此点正位于Vg—Ia特性曲线直线段的中点,这就是说原来的元件不要做任何改变,只要把灯丝电压改为12.6V,改用12AU7(ECC82),就可以使前级工作于A类。见下图:
12AU7栅-屏曲线.jpg
12AU7是否适应SRPP电路对放大管特殊要求:阳极工作电压低、阴极与灯丝间的耐压高?查电子管特性手册知:12AU7可以在100V~250V范围内很好工作,在屏压100V、屏流3.5mA时,放大因素仍然保持标准值u=17稍弱,跨导是S=2..9mA/V,大于标准值(2.2mA/V)。阴极与灯丝间的耐压是180V,比6N11(ECC88)的150V高不少。所以12AU7具有6N11(ECC88)那样的阳极工作电压低、阴极与灯丝间的耐压高的特性,见下图:
12AU7的低屏压特性.jpg
倒相级的6SN7和推动级的12AT7也必须工作于A类。我根据电路中实测的电压和计算的电流,验证它们都工作于Vg—Ia特性曲线直线段。6SN7的Vg=-5.5V~-6.2V,Ia=5.5mA~4.3mA,工作点在直线段中点偏下,12AT7的Vg=-1.8V左右,Ia=7mA,工作点正好在直线段中点。见下图:
6SN7栅-屏曲线.jpg
12AT7栅-屏曲线.jpg
由于倒相级6SN7工作在放大状态,所以需要检验其工作点的跨导、放大因素、阳极阻抗是否合适。根据手册曲线图作图得出:Va=180V,Ia=4.3mA时,放大因素u=18.4,跨导S=2.68mA/V,阳极阻抗rp=2.68K,表明倒相级工作点特性良好。见下图:
6SN7工作点特性.jpg
倒相级6SN7的阴极恒流源工作点的设置同样重要。采用EF89做恒流管是因为1993年从从炼钢厂废钢里的英国和丹麦军用旧通信设备上拆下了十多只EF89,多数测试良好;虽然EF89是遥截止五极管,但它的内阻高达750K,Va>75V以后屏流曲线比较平坦(屏压Va变动时屏流Ia变化很小),屏流加帘栅极电流超过10mA。这些特性决定了EF89在低屏压110V时有良好的恒流特性。
EF89的工作点由6SN7阴极电位(也就是EF89的阳极电压)、EF89的帘栅极电压、阳极电流加帘栅极电流流过阴极电阻产生负偏压决定。6SN7阴极电位就是前级SRPP输出电位加偏压,这个电路里是112V~115V。EF89的帘栅极电压从手册查出是100V,最好稳定,所以采用了帘栅极100V稳压电路。选择工作点主要是调整EF89的阴极电阻,(本机调至约200欧),对应的第一栅极偏压约-2.2~-2.3V左右,使6SN7两臂33K输出电阻上的压降为140V左右,对应的阳极电流为4.3mA左右。再查曲线检验工作点是否合适,见下图:EF89的栅压-帘栅压-屏流曲线——栅压-2.3V、帘栅压100V,对应的屏流是8.5mA
EF89三要素关系曲线.jpg
EF89帘栅极曲线.jpg
由下图可见EF89工作于特性曲线的平坦区域。验证这一点非常重要
EF89屏流曲线.jpg
实际测试表明,管内两边三极管参数完全一致的管子的两臂直流电压没有差异,不完全一致的,两臂直流电压可能有0.5V~2.0V的差异,但是恒流源式长尾倒相后两臂输出的交流电压的平衡度很好。
      
       本机音调电路采用《音响世界》刊登的电路。
      第一级SRPP电路的负载电阻的选择关系到失真度的大小。对于12AU7(ECC82),负载电阻和失真度的关系如下图:
负载电阻与失真度关系.jpg
      由上图可知,12AU7构成SRPP电路的负载RL=2.5K时失真度最小。最终的负载阻抗与RC衰减型音调电路输入阻抗有关。此阻抗可根据下图来求取:
音调电路输入阻抗.jpg
      输入阻抗在最小值72.5K到最大值602K之间变化。当电容短路时,即把音调控制呈平坦特性的中频等效电路如下图所示:
音调中频等效电路.jpg
     音调电路中频等效的阻抗可计算出为84.7K。据此可以算出最终负载阻抗是:
R0=RT0*RL÷(RT0-RL)=84.7*25÷(84.7-25)=35.5K,取36K。
本机的音调控制特性如下图:
音调频率响应.jpg
     由上图可知,最大提升量在低频是+6db不到一点,在高频是+6db,衰减量在100HZ和10KHZ时均为-9db。

     必须仔细设置EL34和TK88的工作点,使之满足中小音量时工作在A类,大音量时工作在AB1类的要求。对于EL34比较好办,因为手册给出了栅压—屏流曲线(Vg1-Ia),只要把工作点设置在Vg1-Ia曲线直线段的中点(全A类工作点)偏下一点即可。对于KT88,没有栅压—屏流曲线(Vg1-Ia),只能根据手册给出工作点条件,到Va-Ia曲线中去找。最终确定EL34的栅压为-30V,KT88的栅压为-40V。
EL34工作点曲线
EL34工作点曲线1.jpg
EL34工作点曲线.jpg
KT88工作点曲线
KT88工作点曲线.jpg
      当阴随推动管采用12AT7时,尽管其自身栅压为-1.6~-2V不等,但由于12AT7本身栅压-屏流(Vg1-Ia)特性和阴极深度负反馈作用,对栅压跟随得很好,加到栅极电压是-30V左右,阴极也是-30V左右,相差不过零点几伏,所以麦景图MC-275图中标注12AZ7栅极电压是-57V,阴极也是-57V。开始我以为MC-275图标错了,实际做出来测量后才明白12AT7就是跟随得这么好。
      起初打算将功放级的偏压改为阴极电阻偏压,在底板上增加了2×450欧姆的阴极电阻(美国西电后期黑色的矩形电阻)。这样的最大好处是:如果失去负偏压(阴极电阻开路),阳极电流也同时断开;如果负偏压改变(阴极电阻变值),阳极电流也同时改变,保证了功放管的安全。但是,由于十几年前从废钢场捡来的英国大盾EL34参数稍微有点不对称,推挽输出的两臂电流不完全一致,这不仅使谐波失真不能完全被抵消,而且还会产生交越失真。所以,为了能用上这些大盾名管,还是采用原先固定负偏压,以便于单独调整偏压,使两管电流对称。实践表明,原先采用的WXD2-53线绕10圈指针式电位器可靠性很高,负压回路都采用高可靠金属膜电阻,可靠性基本是有保证的。调试结果是:各管偏压相差并不大,约0.4V~0.6V,对管子的工作点影响不大。

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 楼主| 发表于 2013-5-14 09:37:03 | 显示全部楼层
本帖最后由 linpei 于 2013-5-14 16:46 编辑

(三)焊机制作
  (1)为了避免交流电源线对信号线的交流感应干扰,必须保证所有电源线与信号线垂直相交。本机原先将电源布置在左侧,电源线出线都是从左至右,而信号通道走线是从前至后,这就自然保证所有电源线与信号线都垂直相交。
   (2)一点接地。一点接地的概念是:来自不同电源(包括灯丝绕组)的电路“地”,不能“手握手”链接,应单独直接接到汇集的接地点;来自同一电源的电路“地”,可以就近接在本级的接地干线上,再接到汇集的接地点。根据这一原则,各级设置6mm2粗铜线作接地干线,同一级元件的地端就近接干线,再用导线单独引至接地点接地。本机的接地点汇集了14根接地线。
   (3)信号线、元器件之间的连线全部采用德国铁氟龙镀银线,甚至电源,也大部分采用了这种线。铁氟龙镀银线是上世纪80年代末从西德进口的工业自动化仪表柜的备用线。
   (4)要注意灯丝绕组的负荷均衡分配,避免出现有的负荷重而电压过低、有的负荷轻而电压过高的情况,这都将对电子管寿命不利。同时还要注意推挽两个管子的灯丝绕组的负荷应一致,避免因此引起的推挽管屏流不对称。由于旁热管的灯丝与信号回路绝缘,所以分配时不必拘泥于直热管机灯丝绕组需左右声道分开的原则,只要考虑负荷均衡即可。
   (5)不必为了美观而把不同电压等级、不同类型线(栅极线、阴极线、阳极线)绑扎在一起,也不必追求整齐划一、横平竖直的走线。走线的原则只有一条:不同电压等级、不同类型线的相互干扰最小,甚至可以顺其自然。
    本机的本底噪声很低。输入短路,音量电位器开到最大,耳朵紧贴音箱也听不到一点噪音,实测此时功放输出的交流电压是0.35mV,功放最大不失真输出交流电压是20V,信噪比:20㏒20/0.00035=95.2db。
内部接线.jpg
一点接地:接地点汇集了14根接地线。
一点接地.jpg
电源部分的接线和并联的MKP/MKT电容组
电源部分.jpg
24档步进音量电位器
24档步进音量电位器.jpg
前级、倒相级、推动级接线
前级、倒相级、推动级接线.jpg

(四)调试方波频率响应

为什么调试音频设备时要测试方波频率响应?因为音频信号是由无穷多的基波与泛音谐波组合而成的,HIFI音频器材必须完整地重现这些组合波形才是完美的高保真器材。如果器材性能不良,就会丢失音源波形信息,特别是高频泛音信息,所以听感细节缺乏、韵味乏陈、味同嚼蜡,松香味、质感缺失、这是市场上大部分器材的情况。
   根据傅里叶定律,方波是由无穷多次正弦波组合而成的,用方波测试功放的频率响应,比正弦波测试更代表实际音频信号,更能反应功放器材的动态性能。目前采用正弦波的测试方法是不完善的,基本上只能反映其静态素质,所以造成许多器材指标好、听感不好的现象。由于方波响应未列入音频检测标准,所以许多贵价名机其听感也不咋的。
在三极管接法和音调电位器置于不提升也不衰减位置时,测试了这台KT88//EL34推挽机的方波频率响应。以下是中等功率时的方波频率响应图:
左声道20HZ
左声道20HZ.jpg
右声道20HZ
右声道20HZ.jpg
左声道200HZ
左声道200HZ.jpg
右声道200HZ
右声道200HZ.jpg
左声道2000HZ
左声道2000HZ.jpg
右声道2000HZ
右声道2000HZ.jpg
左声道10KHZ
左声道10KHZ.jpg
右声道10KHZ
右声道10KHZ.jpg
左声道20KHZ
左声道20KHZ.jpg
右声道20KHZ
右声道20KHZ.jpg
     大功率输出时的高频方波响应,见下图:
左声道大功率10KHZ
左声道10KHZ大功率.jpg
右声道大功率10KHZ
右声道10KHZ大功率.jpg
左声道大功率20KHZ
左声道20KHZ大功率.jpg
右声道大功率20KHZ
右声道20KHZ大功率.jpg
输出端接8欧25W绕线电阻负载、中功率时的方波响应波形
10KHZ
左声道10KHZ电阻负载.jpg
20KHZ
左声道20KHZ电阻负载.jpg
KT88
KT88推挽1.jpg
KT88推挽.jpg
EL34
推挽机侧视.jpg
EL34推挽机侧视1.jpg
EL34推挽机俯视.jpg
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发表于 2013-5-14 12:16:36 | 显示全部楼层
工程不小啊,得一两月完成吧?效果比300B强还是差?如果差,岂不是白费工了?
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发表于 2013-5-14 12:47:08 | 显示全部楼层
太精确了,就没有胆味了
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发表于 2013-5-14 15:55:07 | 显示全部楼层
真有气势的机器。。
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 楼主| 发表于 2013-5-14 16:26:58 | 显示全部楼层
苏-27 发表于 2013-5-14 12:16
工程不小啊,得一两月完成吧?效果比300B强还是差?如果差,岂不是白费工了?

我的目的不是超过原来300B的效果,而是把300B管子从推挽机上撤下来,改用在A类单端功放上,同时可以用上英国大盾EL34、英国GEC KT88名管。由于前级换成12AU7,实际听感很好,高音细节很多且柔顺,中频很饱满,人声优美,低频力度很足且清晰,高低频两端延伸很宽,比原来300B失真小,从波形图可以看出
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 楼主| 发表于 2013-5-14 16:35:47 | 显示全部楼层
呀美喋 发表于 2013-5-14 12:47
太精确了,就没有胆味了

精确的,失真很小的机子并不是晶体管机的专利,电子管也可以做得很好,关键是各级工作点一定要设计并调整合适,开环失真要小。“胆味”——醇厚、柔顺的声音也并不是电子管机专利,好的晶体管机“胆味”也很足的。所以高手喜欢采用“前胆后石”就是这个道理。我不是高手,玩玩全胆算了

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发表于 2013-5-14 19:20:14 | 显示全部楼层
linpei 发表于 2013-5-14 16:35
精确的,失真很小的机子并不是晶体管机的专利,电子管也可以做得很好,关键是各级工作点一定要设计并调整 ...

我关心的是楼主这机子的听感如何?放一首歌曲听听感觉如何?谢谢!
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发表于 2013-5-14 21:26:02 | 显示全部楼层
这么大的工程,具体效果应该也不错吧
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发表于 2013-5-14 21:42:52 | 显示全部楼层
楼主的手艺太厉害了
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发表于 2013-5-14 23:16:20 | 显示全部楼层
楼主老师 可谓 师之大者!
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发表于 2013-5-14 23:17:33 | 显示全部楼层
关键是从炼钢厂废钢堆能捡来的英国GEC KT88、英国大盾EL34 就非常非常的奇迹
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 楼主| 发表于 2013-5-14 23:27:14 | 显示全部楼层
海河 发表于 2013-5-14 23:16
楼主老师 可谓 师之大者!

海版过奖了,谢谢加精华鼓励。老师可是不敢当。注册电气工程师考过2年了,老兴趣又拣起来了。
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 楼主| 发表于 2013-5-14 23:40:03 | 显示全部楼层
本帖最后由 linpei 于 2013-5-15 09:32 编辑
海河 发表于 2013-5-14 23:17
关键是从炼钢厂废钢堆能捡来的英国GEC KT88、英国大盾EL34  就非常非常的奇迹


给我碰巧捡到的。1993年初从厦门来的一批废钢,EL34是从一堆旧仪器上拔下来的,半数以上被敲破了。GEC KT88是装在一只生锈铁箱子里的,上面有英军的鸡爪标记,打开后,整块海绵上整整齐齐插着8只KT88,管子上排印着Genalex,下排印着Gec的MO Valve Co., Hammersmith工厂标记“Z”。当时并不知道大盾和GEC管子的珍贵,近几年才知道。
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 楼主| 发表于 2013-5-14 23:59:05 | 显示全部楼层
本帖最后由 linpei 于 2013-5-15 00:08 编辑
lijie20022641 发表于 2013-5-14 19:20
我关心的是楼主这机子的听感如何?放一首歌曲听听感觉如何?谢谢!


听感是见仁见智的东西,我说好,大家不一定相信。20HZ~20KHZ方波响应波形最能说明音质和听感。波形不好和畸变严重的机子,听感一定好不到哪里去,反之,一定不会差。我在文章中没有介绍听感如何如何,而是附上很多方波响应波形照片,正是出于这个道理。想听录音?通过电脑的数码声卡放录音肯定听不出什么好听感的。仔细看看文章中为什么要测试音响器材的方波响应的论述就会明白。
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