諧波失真

目錄
·諧波失真簡(jiǎn)介
·諧波失真解析
·諧波失真控制
·淺談諧波失真






   
諧波失真簡(jiǎn)介

　　諧波失真（THD）指原有頻率的各種倍頻的有害干擾。放大1kHZ的頻率信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生2kHZ的2次諧波和3kHZ及許多更高次的諧波，理論上此數(shù)值越小，失真度越低。
　　由于放大器不夠理想，輸出的信號(hào)除了包含放大了的輸入成分之外，還新添了一些原信號(hào)的2倍、3倍、4倍……甚至更高倍的頻率成分（諧波），致使輸出波形走樣。這種因諧波引起的失真叫做諧波失真。
　　
諧波失真解析

　　總諧波失真指音頻信號(hào)源通過(guò)功率放大器時(shí)，由于非線性元件所引起的輸出信號(hào)比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的，我們用新增加總諧波成份的均方根與原來(lái)信號(hào)有效值的百分比來(lái)表示。例如，一個(gè)放大器在輸出10V的1000Hz時(shí)又加上Lv的2000Hz，這時(shí)就有10％的二次諧波失真。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說(shuō)來(lái)，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。但總諧波失真與頻率有關(guān)，因此美國(guó)聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)于1974年規(guī)定，總諧波失真必須在20～20000Hz的全音頻范圍內(nèi)測(cè)出，而且放大器的最大功率必須在負(fù)載為8歐揚(yáng)聲器、總諧波失真小于1％條件下測(cè)定。國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的總諧波失真的最低要求為：前級(jí)放大器為0.5％，合并放大器小于等于0.7％，但實(shí)際上都可做到0.1％以下：FM立體聲調(diào)諧器小于等于1.5％，實(shí)際上可做到0.5％以下；激光唱機(jī)更可做到0.01％以下。
　　由于測(cè)量失真度的現(xiàn)行方法是單一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。實(shí)際的音樂(lè)信號(hào)是各種速率不同的復(fù)合波，其中包括速率轉(zhuǎn)換、瞬態(tài)響應(yīng)等動(dòng)態(tài)指標(biāo)。故高質(zhì)量的放大器有時(shí)還注明互調(diào)失真、瞬態(tài)失真、瞬態(tài)互調(diào)失真等參數(shù)。
　　(l)互調(diào)失真(IMD)：將互調(diào)失真儀輸出的125Hz與lkHz的簡(jiǎn)諧信號(hào)合成波，按4：1的幅值輸入到被測(cè)量的放大器中，從額定負(fù)載上測(cè)出互調(diào)失真系數(shù)。
　　(2)瞬態(tài)失真(TIM)：將方波信號(hào)輸入到放大器后，其輸出波形包絡(luò)的保持能力來(lái)表達(dá)。如放大器的轉(zhuǎn)換速率不夠，則方波信號(hào)即會(huì)產(chǎn)生變形，而產(chǎn)生瞬態(tài)失真。主要反映在快速的音樂(lè)突變信號(hào)中，如打擊樂(lè)器、鋼琴、木琴等，如瞬態(tài)失真大，則清脆的樂(lè)音將變得含混不清。
　　(3)瞬態(tài)互調(diào)失真：將3.15kHz的方波信號(hào)與15kHz的正弦波信號(hào)按峰值振幅比4：1混合，經(jīng)放大器后，新增加全部互調(diào)失真的產(chǎn)物有效值與原來(lái)正弦振幅的百分比。如放大器采用深度大回環(huán)負(fù)反饋，瞬態(tài)互調(diào)失真一般較大，具體反映出聲音呆滯、生硬、無(wú)臨場(chǎng)感；反之，則聲音圓滑、細(xì)膩、自然。
　　
諧波失真控制

　　在一個(gè)水處理工廠里，將失真的設(shè)備連接到備用發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生干擾電流。可以先采取臨時(shí)處理方案，然后使用有源諧波濾波器。
　　變頻驅(qū)動(dòng)器VFD（variablefrequencydrive）在關(guān)鍵電機(jī)的調(diào)速和優(yōu)化功率消耗方面具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是也很容易造成相鄰配電系統(tǒng)的諧波失真。配電系統(tǒng)能夠吸收部分失真，但是當(dāng)VFD直接連接在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電路上時(shí)，產(chǎn)生的干擾也可能會(huì)影響操作的可靠性。
　　通常，水處理廠配備有VFD、臭氧發(fā)生器以及其它可以造成諧波失真的負(fù)載。多數(shù)的工廠里也配置了緊急備用發(fā)電機(jī)，以備外部電源停止或非正常時(shí)為重要設(shè)備供電。這樣的反滲透淡化廠始終關(guān)注著諧波的長(zhǎng)期影響效果，以及他們的938kVA備用發(fā)電機(jī)在大型變頻泵造成諧波失真時(shí)運(yùn)行是否可靠。
　　而工廠的操作人員一直擔(dān)心，在應(yīng)急操作時(shí)間延長(zhǎng)的情況下，發(fā)電機(jī)可能發(fā)生故障。為了確定故障的程度，操作人員編輯諧波測(cè)量結(jié)果，比較正常使用和使用備用發(fā)電機(jī)時(shí)的失真程度，并根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)工程分析來(lái)評(píng)估諧波抑制技術(shù)。
　　施耐德電氣在工廠的配電盤進(jìn)線端檢測(cè)諧波的失真情況。測(cè)試設(shè)備為一個(gè)能夠測(cè)量200多個(gè)電源系統(tǒng)參數(shù)的便攜式電路監(jiān)控器。諧波失真的測(cè)量采用每個(gè)周期512點(diǎn)的采樣率進(jìn)行取樣，保證第250次諧波的準(zhǔn)確性。
　　負(fù)載測(cè)試表明：在當(dāng)時(shí)的情況下，工廠備用發(fā)電機(jī)的負(fù)載量接近其53%的額定負(fù)載。測(cè)試期間的負(fù)載峰值為403kW和431kVA。測(cè)試中的平均RMS電流表明了不同機(jī)器運(yùn)行的影響。
　　測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)使用發(fā)電機(jī)供電時(shí)電壓略有降低，但無(wú)論是正常使用還是發(fā)電機(jī)供電都能夠維持在可被接受的穩(wěn)態(tài)電壓范圍里——480V的100%~103%。電壓失衡程度也在小于1%，在可接受的范圍內(nèi)。
　　負(fù)載測(cè)試表明負(fù)載最少時(shí)功率因數(shù)最低，所有設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)最高。由于諧波固有的功率因數(shù)改進(jìn)特征，使得常規(guī)的諧波濾波器很難削弱此電路上的諧波。
　　負(fù)載測(cè)試也表明480V總線上的電壓失真幅度在正常使用時(shí)最高峰值可達(dá)大約6.5%，在使用備用發(fā)電機(jī)時(shí)可達(dá)大約10%（如諧波失真圖所示）。當(dāng)60hp設(shè)備與250hp設(shè)備一起工作時(shí)，由于ΔY變壓器和線性反應(yīng)器結(jié)合產(chǎn)生的消除效應(yīng)，電流失真會(huì)減少。電流總需量畸變系數(shù)TDD（totaldemanddistortion）是由80%的發(fā)電機(jī)額定電流除以諧波電流得出的，或直接取900amps。

　　多大程度的失真是可以接受的？
　　IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程和要求》提供了一些關(guān)于“多大程度的諧波失真可以接受”的指導(dǎo)方針。最初，該標(biāo)準(zhǔn)作為推薦規(guī)程供電力使用單位及其客戶參考；現(xiàn)在，該標(biāo)準(zhǔn)已被廣大工廠企業(yè)作為測(cè)定現(xiàn)有設(shè)備諧波電流的指南性文件加以普及和使用。
　　對(duì)淡化廠的正常電力使用和備用發(fā)電機(jī)供電所進(jìn)行的測(cè)試表明，主要的電力系統(tǒng)參數(shù)，包括電壓校準(zhǔn)和失衡以及電流失衡，都在可接受的范圍內(nèi)。盡管諧波失真的程度沒(méi)有嚴(yán)重到對(duì)工廠的正常生產(chǎn)運(yùn)行有明顯的影響，進(jìn)一步減弱諧波仍然是不可忽略的工作。操作員關(guān)心諧波帶來(lái)的長(zhǎng)期影響，而由于使用備用發(fā)電機(jī)時(shí)的諧波常常超過(guò)IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的諧波范圍，他們更擔(dān)心應(yīng)急操作時(shí)間延長(zhǎng)的情況下發(fā)電機(jī)能否穩(wěn)定可靠地繼續(xù)工作。此外，諧波減弱技術(shù)也能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
　　諧波限值表顯示了與通常用于電力發(fā)生設(shè)備的IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)諧波限值比較的測(cè)試結(jié)果。和演示的一樣，在線測(cè)量的數(shù)據(jù)超過(guò)了這個(gè)限值。除此以外，施耐德電氣還進(jìn)行了不同抑波技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真。
　　施耐德電氣通過(guò)諧波仿真可以估算不同的情況下諧波電流的減少量。如前面所提到的，在250hp設(shè)備和60hp設(shè)備同時(shí)工作就已經(jīng)獲得了第5次和7次諧波電流的諧波消除效果。系統(tǒng)分別要求5次諧波的電流減少27%，7次諧波的電流減少16%，盡管如此造成了總RMS電流增加了19%。最壞的情況也就是最高諧波峰值，在只有250hp設(shè)備工作時(shí)才會(huì)出現(xiàn)�？傮w來(lái)說(shuō)，有4種解決方式：
　　繞過(guò)一個(gè)ΔY絕緣變壓器——每個(gè)250hp設(shè)備有ΔY絕緣變壓器。繞過(guò)其中一個(gè)ΔY絕緣變壓器就能獲得不錯(cuò)的效果，即減少了諧波電流失真的數(shù)量。再加上上面提到的250hp和60hp設(shè)備同時(shí)使用的方法，減弱了第5次和7次的諧波電流。而旁通回路的第5次和7次諧波電流保持不變，一旦再運(yùn)行一到兩個(gè)250hp設(shè)備，就會(huì)產(chǎn)生額外的消除作用。然而，這項(xiàng)技術(shù)僅適用于沒(méi)有更有效的解決辦法的情況下的臨時(shí)改造。
　　替換一個(gè)ΔY絕緣變壓器——一種更為有效的諧波減弱技術(shù)就是用ΔY交錯(cuò)繞組變壓器取代其中一個(gè)ΔY絕緣變壓器，而非繞過(guò)它。因?yàn)橹C波電流不是通過(guò)ΔY交錯(cuò)繞組變壓器周相移動(dòng)，所以這樣的改進(jìn)也增強(qiáng)了第5次和7次電流的消除效應(yīng)。這種方法同時(shí)也保留了諧波衰減的正面影響。
　　無(wú)源諧波濾波器——可以在480V主電路安裝一個(gè)5次無(wú)源諧波濾波器，但是由于無(wú)源諧波濾波器也會(huì)增加基礎(chǔ)功率因數(shù)，所以這種方法并不實(shí)際。由于設(shè)備的功率因數(shù)已經(jīng)很高（全負(fù)載時(shí)可達(dá)94%），在工廠沒(méi)有達(dá)到最先進(jìn)的功率因數(shù)的情況下，系統(tǒng)無(wú)法容忍更多的負(fù)荷。
　　有源諧波濾波器——該廠最佳的解決方案是通過(guò)在480V主電路上安裝有源濾波器來(lái)減弱諧波電流。有源濾波器能夠測(cè)算出負(fù)載所需的諧波電流量，并且使電流產(chǎn)生180°的相位移。該方法可以很大程度上減弱諧波失真的程度，通常被用在必須嚴(yán)格遵守諧波限值的場(chǎng)合。此外，施耐德電氣推薦安裝現(xiàn)場(chǎng)功率監(jiān)控設(shè)備，從而可以跟蹤諧波失真中的設(shè)備性能、電壓質(zhì)量、干擾和費(fèi)用的情況。

　　過(guò)渡性的和永久的解決方案
　　通過(guò)臨時(shí)設(shè)置旁路繞過(guò)絕緣變壓器，從而增加諧波消除，工廠降低了諧波的失真程度。這一非常規(guī)的手段幫助工廠度過(guò)了整個(gè)夏季運(yùn)行高峰。之后，工作人員在主配電盤上安裝了有源諧波濾波器。該設(shè)備最終消除了諧波失真的影響。安裝有源濾波器后的測(cè)量結(jié)果顯示電流失真低于8%，電壓失真低于2%。
　　

淺談諧波失真

　　早在三十年代，F(xiàn).H.Brittain的揚(yáng)聲器評(píng)價(jià)十一項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目中就有諧波失真，五十年代L.L.Brenek提出的揚(yáng)聲器最重要的特性八項(xiàng)中有它，而今各電聲測(cè)試系統(tǒng)。從幾十萬(wàn)人民幣的B&K系統(tǒng)到幾千元人民幣的國(guó)產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)都把它做為重要的測(cè)量對(duì)象。可見(jiàn)諧波失真對(duì)電聲界一直是個(gè)非常重要的參數(shù)。
　　諧波失真：當(dāng)把基頻為f的正弦信號(hào)輸入揚(yáng)聲器時(shí),揚(yáng)聲器輸出除f以外，由揚(yáng)聲器的非線性失真而產(chǎn)生了，同f成整數(shù)倍的各次諧波成分：2f.3f……nf，我們稱之為諧波失真。諧波失真分為三類,而我們常用到的為THD(TOTALHARMONICDISTORTION)總諧波失真和幾次諧波失真（HARMONICDISTORTION）及特性總諧波失真(在實(shí)際測(cè)量中還會(huì)細(xì)分為偶次諧波失真，奇次諧波失真和SUB-HARMONICS)，它們分別的特性規(guī)定為：由失真產(chǎn)生的總諧波聲壓有效值與總輸出聲壓有效值Pt之比；由失真產(chǎn)生的第幾次諧波聲壓有效值與總輸出聲壓有效值Pt之比；由失真產(chǎn)生的總諧波聲壓的有效值與平均特性聲壓Pm之比。在失真的分類中把它劃歸揚(yáng)聲器的非線性失真。
　　對(duì)待諧波失真我們可以用法國(guó)著名哲學(xué)大師的薩特的存在主義來(lái)看待它!諧波失真客觀存在！現(xiàn)我們以錐型揚(yáng)聲器為例：在揚(yáng)聲器低頻時(shí)或在大振幅運(yùn)動(dòng)時(shí)揚(yáng)聲器的折環(huán)及彈波(定心支片)組成的支撐系統(tǒng)不再符合線性的胡克定律(或稱為虎克定律)如在對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行純音檢聽(tīng)時(shí)折環(huán)邊產(chǎn)生的“啪啪”聲，俗稱“打邊”這是非線性的一個(gè)極端表現(xiàn)；在讓布邊折環(huán)的揚(yáng)聲器做大振幅（fo附近,并非所有的揚(yáng)聲器振動(dòng)的最大振幅都在fo處）的運(yùn)動(dòng)時(shí),我們可以很明顯的看到布邊的扭曲變形。在布邊折環(huán)上常會(huì)“打”上阻尼膠，阻尼膠又分“油性”和“水性”，在PA喇叭上多用的是“油性”，但在高檔的廠品上我們�？煽丛谙鹉z折環(huán)上“打”有透明發(fā)亮的水性阻尼膠，一般“打”膠不超過(guò)折環(huán)的1/2，但這種打膠方式和膠量很難控制；在橡膠折環(huán)（現(xiàn)大多用NBR?nitrile-butadienerubber丁腈橡膠）改善上，常對(duì)折環(huán)的形狀處理，但在這個(gè)方面的處理方法，國(guó)內(nèi)做的不夠，國(guó)內(nèi)在對(duì)喇叭單體設(shè)計(jì)時(shí)常重視折環(huán)的質(zhì)量和順性而忽略折環(huán)的另一個(gè)量及橡膠的阻尼，雖然在分析錐型揚(yáng)聲器時(shí)多用集中參數(shù)系統(tǒng)來(lái)分析，那是特指在低頻時(shí)，但是我們是否都把錐型揚(yáng)聲器做超低音和低音呢？此時(shí)諧波失真與西勒-斯莫爾參數(shù)（Thille-SmallDepartments）中的Qm(力學(xué)品質(zhì)因數(shù))有著很微妙的聯(lián)系。
　　華司(上導(dǎo)極板)與T鐵的鐵拄間的磁感應(yīng)密度沿軸向（音圈振動(dòng)方向）的不均勻性，是產(chǎn)生諧波失真的另一原因�，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)普遍運(yùn)用的方法的用對(duì)稱磁路來(lái)改善它（如圖所示）,在低.音單元上,知其然者乘少,末曾看到幾許,細(xì)想其原因都是“金錢惹的禍”！丹麥的PELESS是的單體內(nèi)側(cè)加一個(gè)鋁環(huán)來(lái)改善它!（如圖所示）當(dāng)然這種做法最易令人發(fā)現(xiàn)的做法。
　　從頻率用是BL（磁力系數(shù)）的增加。的角度來(lái)看,中高頻的諧波失真,與低頻時(shí)的諧波失真是由兩類不同的量起決定性作用的,在錐型揚(yáng)聲器中諧波失真客觀存在，你只能改善，不能消除。要解決錐型揚(yáng)聲器的諧波失真，除非采用另類的發(fā)聲原理，但這對(duì)整個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)是任重而道遠(yuǎn)，失真就跟測(cè)量誤差一樣，看人家外國(guó)廠品的廣告“HALCRO------世界上失真最低的放大器”，但在國(guó)內(nèi)看到某日本品牌中國(guó)公司的廠品廣告上：“徹底解決音箱互調(diào)失真！”我倒，我笑，這是對(duì)國(guó)人的誤導(dǎo)和愚弄，更顯現(xiàn)出該公司的不負(fù)責(zé)任和無(wú)知！
　　諧波失真客觀存在“有理”�？陀^測(cè)試的結(jié)果與主觀感覺(jué)往環(huán)一致，從人耳的聽(tīng)覺(jué)機(jī)理分析人耳只能區(qū)分最初的六個(gè)~七個(gè)諧音(諧波)，對(duì)六次以上的諧音很難在感覺(jué)上將它們彼此分開(kāi)，因?yàn)榈搅�階以后的諧音,相鄰的兩個(gè)諧音落在人耳的基底膜上的兩個(gè)對(duì)應(yīng)區(qū)域已相互靠近,并覆蓋在一個(gè)臨界帶以內(nèi)，很難在感覺(jué)上將它們彼此分開(kāi)。但高次諧波對(duì)音質(zhì)的影響不可忽視,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)異常噪音,來(lái)自高次諧波。根據(jù)諧波失真的“階次”，可以分為“軟失真”和“硬失真”。但對(duì)揚(yáng)聲器來(lái)說(shuō)“偶次”諧波失真和“奇次”諧波失真對(duì)音質(zhì)的改善，更具有指導(dǎo)意義，特別是聽(tīng)感上。膽機(jī)在聽(tīng)感上大受發(fā)燒友的歡迎就它的“功勞”。從音樂(lè)聲學(xué)看，樂(lè)器的基頻相對(duì)于各次諧音聽(tīng)起來(lái)并非都是諧和的，如在樂(lè)音中諧和的諧音成分愈多，則音色豐富，純凈好聽(tīng)，不諧和的諧音多，則音樂(lè)色粗糲，刺耳難聽(tīng)，七階以上的奇次諧波會(huì)使聲音變得粗糲變得粗糲刺耳。
　　HALCRO------世界上失真最低的放大器
　　揚(yáng)聲器在中交頻段的失真.主要是磁路(鐵心)的非線性所致，為了消除鐵心所引起的非線性失真，目前常采用一種叫做“線性磁路”的結(jié)構(gòu)，這種磁路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),是在鐵心的頂部中失做成凹陷的形狀，使其和導(dǎo)磁板相對(duì)的部分由于鐵心截面積的減小而接近磁飽和狀態(tài)，此時(shí)，音圈就相當(dāng)于一個(gè)空心線圈,從而避免了鐵心影響，減小非線性失真。
　　音圈的作大長(zhǎng)沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)。音圈上的音圈線跳出了氣隙半磁場(chǎng)的均勻區(qū)，以致機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)BT不能保持恒定電動(dòng)力效應(yīng)F=BTI的線性關(guān)系受到破壞，從而造成非線性失真。
　　改善由于這種原因所引起的失真，一般采用兩種方法:一是采用短音圈，二是采用長(zhǎng)音圈.所謂短音圈，即音圈的長(zhǎng)度做得比導(dǎo)磁板的厚度小，如圖所了使音圈在振動(dòng)過(guò)程中不致于跳出磁場(chǎng)的均勻區(qū)，從而避免了非線性失真。這種方式造成成本提交，不常用，所謂長(zhǎng)音圈，則指的是音圈的長(zhǎng)度，做得比華司厚度長(zhǎng)，使音圈在振動(dòng)過(guò)程中與所有的磁通相耦合，(包括均勻區(qū)和非均勻區(qū))從而使平均磁感應(yīng)密度B總體上保持恒定，以避免非線性失真，但這種方法必定造成揚(yáng)聲器在相同直流阻下，必定要使更粗的音圈線靈敏度下降，因你使音圈的轉(zhuǎn)幅增大，音圈的質(zhì)量振大，BT，你的磁間隙,因音圈線的變粗而變大，B變小，而B(niǎo)2T2MD。
   

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