衰減式唱放電路實驗

hsiehwm

想知道对于MM唱头高频滑落的补偿,用负载电容,和等化网路的差别,
<load_cap_compare.png> <load_cap_compare_2.png>

刻片曲线加唱头播放曲线里的唱头高频滑落点调高(0.01us = 16megHz)
inv_riaa_ref1:
Laplace=((1+3180e-6*s)*(1+75e-6*s))/((1+5300e-6*s)*(1+318e-6*s))*((0.01e -6*s)/(1+0.01e-6*s))

(245mH + 423ohm)是目前使用的唱头的电气参数(自己测的),加到测试电路的前端,

左测电路的零点补偿电阻调到最低(1ohm),输入端负载电容47pF,
右测电路是原来的500ohm补偿电阻,不加负载电,
从频率响应图,二者的差别(在声频范围内),不是dB值而是相位,
负载电容补偿,相位从1kHz开始偏移,到20kHz时达到-15度,
不能主观的判定那一个方式播放的声音才是正确的,
至少,二者声音的差别是可以解释的,等化网路补偿,高音宽松开阔.

知了

新设计一唱放：

hsiehwm

更直接的方法,调整等化网路零件时把唱头电气参数纳入考虑,
<riaa_cart.png> <riaa_cart_curve.png>

调整时只需依照RIAA曲线,不再做另外调整,这样就有可能得到真正平直的播放频率响应,
<riaa_cart_compare.png> <riaa_cart_compare_curve.png>

新旧两套等化网路比对,听的是QUINCY JONES 的 BODYHEAT,(AM RECORD SP 3617)
它是标准RIAA刻片,编曲和声繁复,容易比较乐器和人声的准确性,
第一次播放就可以判定新的比旧的声音准确,差别明显,
另外,自用的唱头,两声道电气参数差异大,(245mH 423ohm) (283mH 610ohm),
一直觉得另一声道声音比较厚重(虽然我一直用单边试机器),这次一并知道原因了.

(比较新旧电路,换了四个零件值,所以并不是直接在最后一个电容串联一个电阻,
这也是为什么我没办法用计算的方式得到零件值.)

hsiehwm

知了 发表于 2020-5-5 02:20
新设计一唱放：

感謝關注,能親手做出想要的聲音,還能知道原因,該算是很大的樂趣.

hsiehwm

老旧的 SHURE M95EDM, 换了新的代用针,量得电气参数
(718mH 1.56kohm) (730mH 1.49kohm)
<shure m95edm.jpg>

照方法把唱头电气参数加入调RIAA等化,
<M95_RIAA.png> <M95_RIAA_curve.png>

虽是习惯的唱头音色,但是声音完全不同,
这让我觉得调唱头负载电容只是个糟糕的商业手段,
因为制造商没法为每一款唱头制造不同的放大器,只好让一般使用者忍受粗糙的声音,
或者,你愿意花费十倍以上的价钱买他"高端"的MC唱头,和MC唱头放大器.

我的想法是,电感量这么高的唱头都可以得到合理的声音,
一般MM唱头电感量比M95EDM低,没有理由放弃,只要有能力重新调等化.

hsiehwm

用58Hz(2720us)的播放曲线听 DG 唱片听了一些时间,
500b14_1_ref1:
Laplace=((1+318e-6*s))/((1+2720e-6*s)*(1+79.5e-6*s))

虽说比 RIAA (3180us 318us 75us) 好些,终究低音少了一些,
试着找一条曲线,既能保有58Hz曲线的声音,又能有RIAA的低频延伸
500b14_1_dgx:
Laplace=((1+4640e-6*s)*(1+310e-6*s))/((1+6960e-6*s)*(1+2320e-6*s)*(1+79.5e -6*s))

三条曲线的比较
<500b14_1_compare.png>

50Hz到100Hz,新曲线dB值近似58Hz曲线,比RIAA低一些,
30Hz到50Hz,新曲线dB值比58Hz曲线高,30Hz时大约上升到接近RIAA,

调整等化网路零件,100Hz以下用了两组 RC (右边),1kHz以上就只能用一组 RC (最左边),
因为模组板只能装四组 RC,1kHz以上相位滑落比较大
<dg_curve.png> <dg_network.png>

阿格丽希年轻时的录音,萧邦奏鸣曲第二号,大波兰舞曲和诙谐曲第二号, (DG 2530 530)
用RIAA听,快速乐句触键急促慌乱,几乎让人怀疑她天才少女的称号,
用58Hz曲线,听出她触键的敏锐准确了,只是左手低音模糊些,新曲线补上了左手低音.

以上比较是用 grace 唱头(代用针)和衰减唱放,最近开始试shure m95edm唱头,
换一个唱头,除了电气参数不同,尤其低频的特性差异大,整等化曲线的低频区,似乎不是一成不变的.

hsiehwm

有同好老友,听了很多年的ortofon旧款MM唱头(大约是F15 mk2)
用的是仿制的WE369 CR型唱放(仅MM部分),
我把NE5532负反馈唱放,照ortofon唱头的电气阻抗,调了三套曲线六块板子,
请他带回去试,(唱头两边电气阻抗不一样,唱放零件值自然也不一样)
根据他初步试听的结果是"惊艳连连",证实了我的想法,
只要把唱头的电气阻抗加进来,当整体的频率响应准确了,
许多声音细节自然出现,就算是低成本的NE5532负反馈唱放,也能发出好声音.

hsiehwm

从转移函数曲线找衰减网路零件值,一直是直接尝试,没有什么规则,
既费时,而且不容易准确,没办法比较曲线微小的差别,

整理衰减网路的转移函数如下:
<passive network.png>

Av=Vout/Vin=(R3/(R0+R3))*((1+s*R1*C1)*(1+s*R2*C2))/(1+s*R1*C1*(Rp/ Rt1)+s*R2*C2*(Rp/Rt2)+s^2*R1*R2*C1*C2*(Rp/Rt))

Rp=R0//R3=R0*R3/(R0+R3)
Rt1=R0//R1//R3=R0*R1*R3/(R0*R1+R0*R3+R1*R3)
Rt2=R0//R2//R3=R0*R2*R3/(R0*R2+R0*R3+R2*R3)
Rt=R0//R1//R2//R3=R0*R1*R2*R3/(R0*R1*R2+R0*R1*R3+R0*R2*R3+R1*R2*R3)

(R1*C1) 和 (R2*C2) 刚好是转移函数的零点(分子),
固定(R1*C1)和 (R2*C2)的数值,调整 (R1,C1) (R2,C2)来改变极点位置,使曲线相符.

如果转移函数是三阶或四阶,(R*C)仍然是转移函数的零点.

目前的方法,会先在参考曲线加上放大电路低频交连电容的近似函数,
例如RIAA加上交连电容的近似函数,变成:
Laplace=((1+318e-6*s))/((1+3180e-6*s)*(1+75e-6*s))*(0.22*s/(1+0.22*s))^ 2
<tune 1.png>

使参考曲线和放大电路低频的dB值和相位一致,只是这个近似函数要根据电路决定,

根据零点加上预估的R/C值,
<tune 2.png>

108n*3k=318usec, RIAA 零点,33n*160=5.28usec, 大约是唱头高频滑落点 245m/47k=5.2127usec

根据相位判断,第一个电容值太大,几次反覆交互修正后,应该可以得到合适的零件值,
<tune 3.png>

先前没有固定零点,根据相位直接找的零件值,零点位置会有小小偏移,
<tune 4.png>

只是平时听RIAA唱片,喜欢用的是这个
<tune 5.png>
先把低频最大提升调高一点,再用一组小电容的 R/C 修回50Hz以上的 dB 值.

hsiehwm

前面举例的RIAA播放器,在高频区dB值提升最大在44.2kHz有1.86dB,
并不是刻意要提升dB值,而是因为放大单元在高频有相位滑落,
要放置一个零点来补偿唱头的高频极点滑落,又希望声频范围的相位平直,
因此高频区dB值被提升.

这个放大单元在电脑上的分析,在100倍放大时,10kHz相位滑落约0.53度,
如果以运放的单极点模型来估算,这个放大器的频宽是

10kHz * 1/(tan(0.53°)) = 1.08MHz

乘上放大倍数100倍,运放的增益频宽乘积是 108MHz,

能设定100倍放大而且增益频宽乘积大于 100MHz 的运放并非没有,
但已不是一般常见的运放.

网路上有个衰减唱放电路,用了三级OPA2130,每级放大10倍,
但是OPA2130增益频宽乘积只有1MHz,10倍放大时,10kHz相位滑落约4.49度,
显然不适合用在这里.

hsiehwm

AIR TIGHT 的唱放面板上标示,他的 decca ffrr的等化曲线是:
1500us/318us/50us

以一般认知的 London : 1590us/318us/50us 当基准 (0dB),做一张比较图,
LLA_10156 和 LXX2695是前面提过,来自日文网页的资料

显然 AIR TIGHT 也不认同　1590us/318us/50us　的声音,100Hz附近增益太高,
声音单薄刺耳,只是他仍然使用二阶的等化曲线,也许1500us是他衡量后合适的数值,

另一个可参考的,和LXT2695及LLA_10156比较,1kHz以上的起伏,对声音影响不大,似乎可以忽略.

LXT2695和LLA_10156比较,可以粗略认为他们是同一个曲线,
和London : 1590us/318us/50us比对,在1kHz 以下,曲线起伏复杂,
二阶的等化曲线没法准确重播,很多对decca ffrr唱片的错误评价可能由此而起,

根据LLA_10156做了两条近似曲线,仍以 London : 1590us/318us/50us 当基准 (0dB),做比较,
ffrr player (1) : Laplace=((1+3600e-6*s)*(1+252e-6*s))/((1+8600e-6*s)*(1+930e-6*s) *(1+46e-6*s))
ffrr player (9) : Laplace=((1+3600e-6*s)*(1+2210e-6*s)*(1+256e-6*s))/((1+16000e-6*s) *(1+2340e-6*s)*(1+910e-6*s)*(1+47.4e-6*s))

ffrr player (1)　是三阶曲线,ffrr player (9)是四阶曲线,
都在实际电路上试过,只是四阶曲线要找到对应的零件值相对麻烦,要反覆修正多次,

播放声音的差别,以舒伯特鳟鱼五重奏为例 (LXT2533),
起先做好ffrr player (1),自己觉得已经很满足,但其实低音大提琴的声音含糊不清,
后来试好ffrr player (9),才听出来低音大提琴的线条,补齐了真正的五重奏,

但是要认真说起来,ffrr player (9)的乐器声音听起来仍有些不自然,
只是考虑到零件挑选的误差,修改越来越困难.

至于decca为什么要做出这么复杂的曲线,我觉得可能有两个原因,
音槽上的摆幅受限于音槽间距和音槽高频杂音,在这严格的限制下,
decca不只要录下最大的频宽,还想录下最大的动态范围,他要的是最佳的系统,
而不是简单的系统.

hsiehwm

decca ffrr 播放曲线从三阶改到四阶,如果只看dB值,100Hz到1kHz之间,改变不大,
但其实相位差从1kHz开始向下,频率越低差异越大,(造成重播声音的差异)

唱片重播本来就是一个很有趣的系统,在唱片录制阶段,声频的中段,人耳最敏锐的部分,
声音信号的振幅(以及相位)被大幅度的改变,然后在重播阶段,希望能回复原始声音信号(振幅和相位),
除非像 RIAA 系统有明确的调整模式(二阶)和参数数值,仅靠一张粗糙的 dB值曲线,
就算猜测四阶是正确的,想要完美回复原始信号,几乎是不可能的,顶多也只是接近而已,而且还要有些运气.

就算RIAA有明确的调整模式和参数,大部分的RIAA播放器仍然会在低频做微调,也就是说,相对于旧的唱片系统,RIAA参数
也只是录制阶段比较好的近似模型而已,但是有趣的是,不完美并不等于不好听,尤其近代靠大量后制混音制作的流行唱片
,什么声音才是"原始声音"?我到底是听音乐还是音效的刺激?

decca ffrr至少还有一张可以相信的曲线图(以及测试片), columbia LP唱片更神秘,
columbia 使用自己的 LP 系统时间不长,什么时候转换到 RIAA 系统,并不明确,
反而是原来使用columbia LP系统的其他唱片公司(发行机构),在RIAA公布后,
仍有一段时间继续使用原系统发行唱片,columbia本身没有公开任何测试片或播放曲线,

一般认为的 columbia LP 曲线是 1590us/318us/100us
但是AIR TIGHT面板上没有1590us,最可能的是AIR TIGHT用1500us取代1590us,
就像decca ffrr一样的原因,AIR TIGHT不认同 1590us/318us/100us,
AIR TIGHT 认为用1590us,100Hz附近dB值太高,整体重播声音向前冲,没有厚度,
(原来怀疑 1590us/318us/100us的,不只是前面提过的 Galo先生而已),
所以,就像 decca ffrr一样, columbia LP 可能不是二阶曲线.

找得到 columbia LP播放曲线的似乎只有以下三个来源:
B.B. Babani "Audio Enthusiasts Handbook" Bernards [publishers] LTD 1975
Oliver Read "The Recording and Reproduction of Sound" 1952
F. Langford-Smith "Radio Desinger's Handbook" Wirelass Press

我把 Langford-Smith 和 Bernards 里面的columbia LP曲线dB值描下来,放在一起比较,
仍然是以 1590us/318us/100us 当基准(0dB),只看差值,
Bernards 和 Langford-Smith 看来不是互相抄袭,但是两个曲线有相似的趋势,
似乎值得参考.

Galo 先生在他的文章中,搜集了一些播放器播放columbia LP的曲线参数,
其中,有位 Peter Copeland先生用 1590us/350us/100us 来近似 Langford-Smith
里面的columbia LP曲线,

Gary A. Galo "The Columbia LP Equalization Curve" ARSC Conference 2008
Peter Copeland's interpretation of Langford-Smith's Fig. 17.15
1590us/350us/100us

照着 Peter Copeland的方法,改用三阶曲线来近似:
Laplace=((1+450e-6*s)*(1+318e-6*s))/((1+1760e-6*s)*(1+398e-6*s)*(1+100e- 6*s))

(出现了几个常见的时间常数: 450us/398us/318us/100us)

前面试了十几个曲线,直到这个才让我有放心听音乐的感觉.

hsiehwm

Columbia LP 播放器做了小调整,主要是把 10kHz的衰减向下拉回,
转移函数调了两个极点位置:
Columbia player (1)
Laplace=((1+450e-6*s)*(1+318e-6*s))/((1+1760e-6*s)*(1+398e-6*s)*(1+100e- 6*s))
Columbia player (2)
Laplace=((1+450e-6*s)*(1+318e-6*s))/((1+1760e-6*s)*(1+394e-6*s)*(1+102.2e -6*s))

比较起来,原来的声音像高音音调控制调高了一格,新的声音听起来比较自然.

试听的唱片
史特拉文斯基 彼得洛希卡组曲 (ML 4047)
葛利格 皮尔金 (DMS 95/5744)
哈察度量 加雅涅芭蕾组曲 (ML 4030)

hsiehwm

我的 Columbia LP 唱片,让我最困扰的是两张巴哈公会(The Bach Guild)
出版的巴哈清唱剧 (BG-503) (BG-523),一般把它们列在 Columbia LP,
可是从拿到唱片开始,一直没能把它们播好,人声难,合唱更难,等化稍偏差,
和声的和谐感就不见了,尤其人耳对人声特别敏锐,甚至怀疑到底是不是Columbia LP,
为了这两张唱片,继续调整等化曲线,

从前一个等化曲线开始调整,固定 318us的零点不动,另外一个零点向下(左)移,
然后维持50Hz和10kHz以及最大下沉的dB值接近,就是说,把下沉的山谷向下(左)移:
columbia player (2)
Laplace=((1+450e-6*s)*(1+318e-6*s))/((1+1760e-6*s)*(1+394e-6*s)*(1+102.2e -6*s))
columbia player (7)
Laplace=((1+840e-6*s)*(1+318e-6*s))/((1+1900e-6*s)*(1+700e-6*s)*(1+100.7e -6*s))
columbia player (8)
Laplace=((1+960e-6*s)*(1+318e-6*s))/((1+1940e-6*s)*(1+786e-6*s)*(1+100.6e -6*s))

我的猜测,答案可能就在这附近,下沉谷底位置,最大下沉dB值,50Hz dB值都可以再调.

352917016

请问这是什么仿真软件

hsiehwm

352917016 发表于 2020-6-22 10:11
请问这是什么仿真软件

数学工具 Scilab 5.5.2
自己编写计算式,修改曲线比 LTspice 方便

352917016

谢谢，太专业了搞不来

hsiehwm

352917016 发表于 2020-6-22 14:24
谢谢，太专业了搞不来

要从dB值曲线图找对应的时间常数,数学计算工具仍是必要的,
但是如果已经知道了曲线的时间常数,只需要电路工具就能得对应的电路零件值,
尤其像是 NE5532 的负反馈式电路,不需要计算,直接在频率响应图上调整,
很容易得到准确的曲线,但是关键在于:

"先量出 MM 唱头的电感和电阻,放在电路图的输入端"

这样,唱头的高频滑落自动由等化网路补偿,不需要用唱头负载电容,
只是这组零件值就是专属这个唱头的,如果需要换唱头,电路就要做成模组替换.

hsiehwm

从旧资料的曲线图试着找出了合适的 Columbia LP 播放曲线,
仍然不明白为什么播放曲线必须是这样,100Hz附近的下沉该是多少.

假设有一个刻片系统,低频下限频率10Hz(15900us),(每十倍频衰减20dB)
刻片曲线高频两个时间常数是 318us/100us, 就是一般认知的 Columbia LP 时间常数,
另外增加两个时间常数 3180us/1118us,目的是为了限制播放器低频需要的最大提升量,
整个 "刻片曲线" 是对原始声音信号,刻片前的预处理,

假设刻片头和唱头都是理想的,(频率响应平直,没有频宽限制),
经由理想唱头重播后得到的频率响应就是唱片的 "录音特性",
"录音特性"的倒数 (dB值加负号) 是"再生补偿特性" (播放曲线),

把这条自己产生的播放曲线 (play curve)拿来和 "标准"的 Columbia LP做比较,
看他们的差值,果然在100Hz附近有类似的凹陷,

"刻片曲线"五个时间常数,318us/100us是已知的,低频下限 (15900us) 和极点 (3180us)
是我的猜测,但就算是猜测,也不会是任意的数字,通常会在几个有意义的数里选择,
最后一个时间常数(1118us)是要让播放曲线低频在60Hz对齐0dB,

依据这播放曲线产生一条实际播放器曲线,因为播放器限制在三阶,无法完全依循,
选择贴齐500Hz附近的下降缘和对齐60Hz 0dB,

Laplace=((1+1390e-6*s)*(1+318e-6*s))/((1+2640e-6*s)*(1+946e-6*s)*(1+100.3e -6*s))

这条新的播放器曲线,和旧的曲线相比,

Laplace=((1+840e-6*s)*(1+318e-6*s))/((1+1900e-6*s)*(1+700e-6*s)*(1+100.7e -6*s))

最大的差别在低频提升,其次是200Hz到500Hz间的些微差距,
声音的差别则是,新的播放器声音比较平衡自然,更重要的是,有了"刻片曲线"的规则,
要调整播放器时,不用再依赖粗糙的旧资料曲线图,调整刻片系统参数,就能得到新的播放器曲线.

hsiehwm

用刻片曲线的模式来检验Decca ffrr曲线,
系统的频率下限 30Hz (5300us),
高端转折点 (turnover) 252us,
低频极点也放在 30Hz (5300us),零点 175Hz (909us)
这样的刻片曲线转换出来的播放曲线 (play curve),
和 LLA_10156放在一起比对,基准线 (0dB) 是 London: 1590us/318us/50us,

调整过程,比先前直接对着 LLA_10156 找参数要容易,
而且很容易确定高端转折点 (turnover)是 252us,
50Hz以下曲线也自然重叠,所以用刻片曲线的模式,自然能理解为什么ffrr曲线会是这样,

player curve是最后决定的四阶播放器曲线,低频重合点在50Hs

Laplace=((1+3180e-6*s)*(1+960e-6*s)*(1+252e-6*s))/((1+10600e-6*s)*(1+1160e- 6*s)*(1+760e-6*s)*(1+47.2e-6*s))

四阶网路调整虽麻烦,根据前面说的原则,有点耐心,零件值可以调的很准.

hsiehwm

想要找一组 "刻片曲线" 时间常数来解释 RIAA 播放曲线,
系统的低频下限降到 5Hz(31800us),
Columbia 低频下限是 10Hz(15900us), Decca ffrr 是 30Hz (5300us),

考虑合理的信号衰减量,低频衰减起始频率(极点)选在15Hz(10600us),
零点2900us使0dB对齐在50Hz,同样的是以 RIAA : 3180us/318us/75us 当比较基准(0dB)

转换得到的播放补偿曲线,和标准播放曲线的差距,确实比columbia 系统小很多,
意思是,如果用"标准"的RIAA播放器播放这张唱片,可以得到"不错"的重播效果,
比用 columbia "标准"播放器播 columbia 唱片要好很多,

但是,当我在这条补偿曲线上找一条近似的三阶播放曲线,并且接成实际电路测试,

Laplace=((1+2100e-6*s)*(1+318e-6*s))/((1+3460e-6*s)*(1+1980e-6*s)*(1+75e- 6*s))

虽意外也是意料中,它适合播放的是 Decca FFSS  唱片,而且好过我先前对 Decca FFSS 所做的所有试验,
连那张最棘手的 Vaughan Williams G minor Mass,也播得轻松自然,
只是它不适合播"标准"的RIAA 唱片,低音"形状"不对,

Decca 人员宣称他们是依照RIAA曲线制作唱片,在FFSS唱片上,他们没有使用另外一条曲线,
这应该是很"诚实"的说法,所以问题不在 Decca,而是当年 RCA唱片在中低频区对声音信号多做了什么处理,
使得唱片和 "标准"播放曲线差距更小,而(欧洲)其他唱片公司却没有采用这个方法,
或者,RCA根本就没有公开这个方法,因为直接的好处是,他们的唱片在"标准"播放器上比其他家唱片好听.

关于增加的"处理",至少我可以想到的方式,刻片时增加一个50Hz的不对称陷波器(notch filter),
转换得到的播放补偿曲线,在50Hz以上几乎理想的平直,而50Hz以下差距也小于50mdB,
只是和原来的系统比,加了二阶的陷波器,比陷波器低的部分会滑落的更快,
我的猜想是,尤其和用了三阶播放器的 Decca FFSS比较,RIAA 唱片总是给人干净明亮,但是缺少些"余韵"的感觉,
原因可能是多加了陷波器处理,而目的仅只是要简化播放器设计这个无足轻重的原因,
比较起来,三阶播放器播放的 columbia 和 Decca FFSS 带给我更多音乐上的乐趣.