諧波失真

目錄
·諧波失真簡介
·諧波失真解析
·諧波失真控制
·淺談諧波失真






   
諧波失真簡介

　　諧波失真（THD）指原有頻率的各種倍頻的有害干擾。放大1kHZ的頻率信號時會產(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，輸出的信號除了包含放大了的輸入成分之外，還新添了一些原信號的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源通過功率放大器時，由于非線性元件所引起的輸出信號比輸入信號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信號有效值的百分比來表示。例如，一個放大器在輸出10V的1000Hz時又加上Lv的2000Hz，這時就有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。一般說來，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)，因此美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會于1974年規(guī)定，總諧波失真必須在20～20000Hz的全音頻范圍內(nèi)測出，而且放大器的最大功率必須在負(fù)載為8歐揚聲器、總諧波失真小于1％條件下測定。國際電工委員會規(guī)定的總諧波失真的最低要求為：前級放大器為0.5％，合并放大器小于等于0.7％，但實際上都可做到0.1％以下：FM立體聲調(diào)諧器小于等于1.5％，實際上可做到0.5％以下；激光唱機更可做到0.01％以下。
　　由于測量失真度的現(xiàn)行方法是單一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。實際的音樂信號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)等動態(tài)指標(biāo)。故高質(zhì)量的放大器有時還注明互調(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的簡諧信號合成波，按4：1的幅值輸入到被測量的放大器中，從額定負(fù)載上測出互調(diào)失真系數(shù)。
　　(2)瞬態(tài)失真(TIM)：將方波信號輸入到放大器后，其輸出波形包絡(luò)的保持能力來表達。如放大器的轉(zhuǎn)換速率不夠，則方波信號即會產(chǎn)生變形，而產(chǎn)生瞬態(tài)失真。主要反映在快速的音樂突變信號中，如打擊樂器、鋼琴、木琴等，如瞬態(tài)失真大，則清脆的樂音將變得含混不清。
　　(3)瞬態(tài)互調(diào)失真：將3.15kHz的方波信號與15kHz的正弦波信號按峰值振幅比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、無臨場感；反之，則聲音圓滑、細(xì)膩、自然。
　　
諧波失真控制

　　在一個水處理工廠里，將失真的設(shè)備連接到備用發(fā)電機會產(chǎn)生干擾電流�？梢韵炔扇∨R時處理方案，然后使用有源諧波濾波器。
　　變頻驅(qū)動器VFD（variablefrequencydrive）在關(guān)鍵電機的調(diào)速和優(yōu)化功率消耗方面具有許多優(yōu)點，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)電機驅(qū)動的電路上時，產(chǎn)生的干擾也可能會影響操作的可靠性。
　　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，以備外部電源停止或非正常時為重要設(shè)備供電。這樣的反滲透淡化廠始終關(guān)注著諧波的長期影響效果，以及他們的938kVA備用發(fā)電機在大型變頻泵造成諧波失真時運行是否可靠。
　　而工廠的操作人員一直擔(dān)心，在應(yīng)急操作時間延長的情況下，發(fā)電機可能發(fā)生故障。為了確定故障的程度，操作人員編輯諧波測量結(jié)果，比較正常使用和使用備用發(fā)電機時的失真程度，并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)通過工程分析來評估諧波抑制技術(shù)。
　　施耐德電氣在工廠的配電盤進線端檢測諧波的失真情況。測試設(shè)備為一個能夠測量200多個電源系統(tǒng)參數(shù)的便攜式電路監(jiān)控器。諧波失真的測量采用每個周期512點的采樣率進行取樣，保證第250次諧波的準(zhǔn)確性。
　　負(fù)載測試表明：在當(dāng)時的情況下，工廠備用發(fā)電機的負(fù)載量接近其53%的額定負(fù)載。測試期間的負(fù)載峰值為403kW和431kVA。測試中的平均RMS電流表明了不同機器運行的影響。
　　測試過程中，當(dāng)使用發(fā)電機供電時電壓略有降低，但無論是正常使用還是發(fā)電機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)載測試表明負(fù)載最少時功率因數(shù)最低，所有設(shè)備同時運行時功率因數(shù)最高。由于諧波固有的功率因數(shù)改進特征，使得常規(guī)的諧波濾波器很難削弱此電路上的諧波。
　　負(fù)載測試也表明480V總線上的電壓失真幅度在正常使用時最高峰值可達大約6.5%，在使用備用發(fā)電機時可達大約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，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)，電流失真會減少。電流總需量畸變系數(shù)TDD（totaldemanddistortion）是由80%的發(fā)電機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。
　　對淡化廠的正常電力使用和備用發(fā)電機供電所進行的測試表明，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有嚴(yán)重到對工廠的正常生產(chǎn)運行有明顯的影響，進一步減弱諧波仍然是不可忽略的工作。操作員關(guān)心諧波帶來的長期影響，而由于使用備用發(fā)電機時的諧波常常超過IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的諧波范圍，他們更擔(dān)心應(yīng)急操作時間延長的情況下發(fā)電機能否穩(wěn)定可靠地繼續(xù)工作。此外，諧波減弱技術(shù)也能延長設(shè)備使用壽命，增強系統(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)諧波限值比較的測試結(jié)果。和演示的一樣，在線測量的數(shù)據(jù)超過了這個限值。除此以外，施耐德電氣還進行了不同抑波技術(shù)的計算機仿真。
　　施耐德電氣通過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)備工作時才會出現(xiàn)�？傮w來說，有4種解決方式：
　　繞過一個ΔY絕緣變壓器——每個250hp設(shè)備有ΔY絕緣變壓器。繞過其中一個ΔY絕緣變壓器就能獲得不錯的效果，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，一旦再運行一到兩個250hp設(shè)備，就會產(chǎn)生額外的消除作用。然而，這項技術(shù)僅適用于沒有更有效的解決辦法的情況下的臨時改造。
　　替換一個ΔY絕緣變壓器——一種更為有效的諧波減弱技術(shù)就是用ΔY交錯繞組變壓器取代其中一個ΔY絕緣變壓器，而非繞過它。因為諧波電流不是通過ΔY交錯繞組變壓器周相移動，所以這樣的改進也增強了第5次和7次電流的消除效應(yīng)。這種方法同時也保留了諧波衰減的正面影響。
　　無源諧波濾波器——可以在480V主電路安裝一個5次無源諧波濾波器，但是由于無源諧波濾波器也會增加基礎(chǔ)功率因數(shù)，所以這種方法并不實際。由于設(shè)備的功率因數(shù)已經(jīng)很高（全負(fù)載時可達94%），在工廠沒有達到最先進的功率因數(shù)的情況下，系統(tǒng)無法容忍更多的負(fù)荷。
　　有源諧波濾波器——該廠最佳的解決方案是通過在480V主電路上安裝有源濾波器來減弱諧波電流。有源濾波器能夠測算出負(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合。此外，施耐德電氣推薦安裝現(xiàn)場功率監(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、干擾和費用的情況。

　　過渡性的和永久的解決方案
　　通過臨時設(shè)置旁路繞過絕緣變壓器，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了整個夏季運行高峰。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的揚聲器評價十一項測試項目中就有諧波失真，五十年代L.L.Brenek提出的揚聲器最重要的特性八項中有它，而今各電聲測試系統(tǒng)。從幾十萬人民幣的B&K系統(tǒng)到幾千元人民幣的國產(chǎn)測試系統(tǒng)都把它做為重要的測量對象�？梢娭C波失真對電聲界一直是個非常重要的參數(shù)。
　　諧波失真：當(dāng)把基頻為f的正弦信號輸入揚聲器時,揚聲器輸出除f以外，由揚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(在實際測量中還會細(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聲器的非線性失真。
　　對待諧波失真我們可以用法國著名哲學(xué)大師的薩特的存在主義來看待它!諧波失真客觀存在！現(xiàn)我們以錐型揚聲器為例：在揚聲器低頻時或在大振幅運動時揚聲器的折環(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)如在對揚聲器進行純音檢聽時折環(huán)邊產(chǎn)生的“啪啪”聲，俗稱“打邊”這是非線性的一個極端表現(xiàn)；在讓布邊折環(huán)的揚聲器做大振幅（fo附近,并非所有的揚聲器振動的最大振幅都在fo處）的運動時,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“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，常對折環(huán)的形狀處理，但在這個方面的處理方法，國內(nèi)做的不夠，國內(nèi)在對喇叭單體設(shè)計時常重視折環(huán)的質(zhì)量和順性而忽略折環(huán)的另一個量及橡膠的阻尼，雖然在分析錐型揚聲器時多用集中參數(shù)系統(tǒng)來分析，那是特指在低頻時，但是我們是否都把錐型揚聲器做超低音和低音呢？此時諧波失真與西勒-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（音圈振動方向）的不均勻性，是產(chǎn)生諧波失真的另一原因�，F(xiàn)在國內(nèi)普遍運用的方法的用對稱磁路來改善它（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)加一個鋁環(huán)來改善它!（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。的角度來看,中高頻的諧波失真,與低頻時的諧波失真是由兩類不同的量起決定性作用的,在錐型揚聲器中諧波失真客觀存在，你只能改善，不能消除。要解決錐型揚聲器的諧波失真，除非采用另類的發(fā)聲原理，但這對整個行業(yè)來說是任重而道遠(yuǎn)，失真就跟測量誤差一樣，看人家外國廠品的廣告“HALCRO------世界上失真最低的放大器”，但在國內(nèi)看到某日本品牌中國公司的廠品廣告上：“徹底解決音箱互調(diào)失真！”我倒，我笑，這是對國人的誤導(dǎo)和愚弄，更顯現(xiàn)出該公司的不負(fù)責(zé)任和無知！
　　諧波失真客觀存在“有理”。客觀測試的結(jié)果與主觀感覺往環(huán)一致，從人耳的聽覺機理分析人耳只能區(qū)分最初的六個~七個諧音(諧波)，對六次以上的諧音很難在感覺上將它們彼此分開，因為到六階以后的諧音,相鄰的兩個諧音落在人耳的基底膜上的兩個對應(yīng)區(qū)域已相互靠近,并覆蓋在一個臨界帶以內(nèi)，很難在感覺上將它們彼此分開。但高次諧波對音質(zhì)的影響不可忽視,通過實驗發(fā)現(xiàn)異常噪音,來自高次諧波。根據(jù)諧波失真的“階次”，可以分為“軟失真”和“硬失真”。但對揚聲器來說“偶次”諧波失真和“奇次”諧波失真對音質(zhì)的改善，更具有指導(dǎo)意義，特別是聽感上。膽機在聽感上大受發(fā)燒友的歡迎就它的“功勞”。從音樂聲學(xué)看，樂器的基頻相對于各次諧音聽起來并非都是諧和的，如在樂音中諧和的諧音成分愈多，則音色豐富，純凈好聽，不諧和的諧音多，則音樂色粗糲，刺耳難聽，七階以上的奇次諧波會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,是在鐵心的頂部中失做成凹陷的形狀，使其和導(dǎo)磁板相對的部分由于鐵心截面積的減小而接近磁飽和狀態(tài)，此時，音圈就相當(dāng)于一個空心線圈,從而避免了鐵心影響，減小非線性失真。
　　音圈的作大長沖程運動時。音圈上的音圈線跳出了氣隙半磁場的均勻區(qū)，以致機電轉(zhuǎn)換系數(shù)BT不能保持恒定電動力效應(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，二是采用長音圈.所謂短音圈，即音圈的長度做得比導(dǎo)磁板的厚度小，如圖所了使音圈在振動過程中不致于跳出磁場的均勻區(qū)，從而避免了非線性失真。這種方式造成成本提交，不常用，所謂長音圈，則指的是音圈的長度，做得比華司厚度長，使音圈在振動過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B2T2MD。
   

• 通信詞典解釋