现代音响与调音技术课件第8次

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1 5.3 扬 声 器 系 统 (音 箱 )的 设 计 原 理 一 个 全 频 带 的 声 音 , 低 频 声 音 的 能 量 将 占 据 整 个频 带 的 大 部 分 , 但 它 的 音 乐 内 容 却 仅 为 乐 音 的 低 音 区 。由 于 人 的 听 觉 特 性 对 低 音 的 灵 敏 度 低 , 所 以 对 音 箱 的设 计 来 说 , 其 基 本 能 完 成 的 就 是 低 频 响 应 和 分 频 器 的设 计 , 它 需 要 一 定 的 理 论 知 识 。 就 技 术 而 言 , 理 想 的重 放 声 系 统 应 能 完 全 再 现 其 输 入 的 时 域 波 形 。 换 句 话讲 , 它 是 一 个 线 性 系 统 , 具 有 平 坦 的 频 率 响 应 和 纯 时延 的 线 性 相 移 , 但 目 前 实 际 上 这 是 不 可 能 的 。 2 2.2.5 扬 声 器 系 统 (音 箱 )的 设 计 原 理 1 开 口 扬 声 器 系 统 (音 箱 )的 设 计 原 理主 要 目 的 : 克 服 声 短 路 当 低 音 扬 声 器 不 加 障 板 让 其 自 由 辐 射 时 , 则 扬 声器 的 较 低 频 段 的 声 音 就 会 在 振 膜 两 面 的 空 气 压 缩 和稀 疏 过 程 中 互 相 抵 消 , 因 而 没 有 低 频 声 辐 射 , 这 种现 象 称 为 声 短 路 。有 限 大 障 板 和 背 面 敝 开 型 都 属 于 开 口 扬 声 器 音 箱 。 3 2.2.5 扬 声 器 系 统 (音 箱 )的 设 计 原 理 把 扬 声 器 装 在 障 板 上 是 避 免 声 短 路 的 最 简 单 的 方法 , 障 板 的 形 状 可 异 , 障 板 越 大 , 声 短 路 的 频 率 就 越低 , 低 音 就 越 丰 富 。 因 而 , 使 用 无 限 大 障 板 就 可 以 获得 没 有 声 短 路 现 象 的 理 想 低 频 辐 射 。 实 际 上 , 障 板 不 可 能 做 成 无 限 大 , 只 能 使 用 有 限 尺寸 的 障 板 。 当 采 用 圆 形 障 板 且 扬 声 器 对 称 安 装 时 , 则 在某 一 频 率 开 始 以 下 就 会 产 生 声 短 路 现 象 , 该 频 率 称 为 截止 频 率 f c。 一 般 来 说 , 前 后 两 面 所 辐 射 的 声 波 到 达 接 收点 所 产 生 的 声 程 差 小 于 声 波 的 半 波 长 时 , 发 生 声 短 路 。 4 假 设 声 程 差 就 等 于 圆 障 板 的 直 径 d(半 径 为 r), 声波 波 长 为根 据 分 析而所 以即频 率 小 于 85/r时 产 生 声 短 路 。 所 以 这 是 开 口 扬 声 器 的 下 限 频 率 。 5 开 口 扬 声 器 系 统 ( 有 限 大 障 板 和 背 面 敞 开 型 音 箱 )被 广 泛 用 于 收 音 机 、 收 录 机 、 电 视 机 中 , 这 种 系 统 是由 障 板 向 后 弯 折 而 形 成 了 小 障 板 和 声 管 组 合 。 有 时 为了 重 放 低 频 声 音 就 需 要 大 的 箱 体 , 但 要 特 别 避 免 出 现振 动 。 另 外 , 在 设 计 中 为 避 免 箱 内 部 产 生 驻 波 而 引 起共 振 , 应 尽 量 使 侧 板 互 相 不 平 行 , 箱 体 尺 寸 比 例 彼 此间 不 能 为 整 数 倍 , 并 在 箱 内 贴 玻 璃 棉 或 其 它 吸 声 材 料控 制 共 振 。 1 开 口 扬 声 器 系 统 (音 箱 )的 设 计 原 理 6 2 封 闭 式 扬 声 器 系 统 (音 箱 )的 设 计 原 理主 要 目 的:一 是 声 短 路 问 题 ;二 是 低 频 性 能 问 题 。在 此 系 统 中 , 扬 声 器 装 在 完 全 封 闭 的 箱 体 内 , 把 扬 声 器 背 面所 辐 射 的 声 波 完 全 隔 绝 , 从 而 避 免 了 低 频 时 扬 声 器 背 面 声 波的 干 涉 , 改 善 低 频 效 果 , 免 除 了 声 短 路 现 象 。 它 的 作 用 相 当于 一 个 无 限 大 障 板 , 对 于 避 免 声 短 路 现 象 , 封 闭 式 扬 声 器 系统 是 一 个 理 想 的 结 构 。 7 但 是 由 于 箱 体 密 封 , 纸 盆 振 动 会 使 箱 内 空 气 反 复的 压 缩 和 膨 胀 , 所 以 这 种 箱 体 的 各 部 分 必 须 具 有 足够 的 强 度 , 否 则 容 易 因 箱 板 产 生 振 动 而 影 响 性 能 。 由 于 封 闭 式 音 箱 的 共 振 频 率 与 扬 声 器 的 共 振 频 率成 正 比 , 因 此 , 要 想 获 得 较 低 的 系 统 低 频 下 限 , 必须 采 用 共 振 频 率 低 的 扬 声 器 。例 如 , 有 的 扬 声 器 的 共 振 频 率 可 达 30Hz以 下 , 采用 这 种 扬 声 器 时 , 音 箱 能 得 到 较 低 的 重 放 频 率 。 8 为 了 使 频 率 响 应 不 出 现 明 显 的 峰 谷 值 , 在 制 作 过 程中 , 常 常 在 音 箱 中 充 满 吸 音 材 料 。 如 玻 璃 纤 维 等 。此 时 , 扬 声 器 向 后 辐 射 的 声 能 基 本 上 都 被 箱 内 的 吸声 材 料 所 吸 收 。封 闭 式 音 箱 的 优 点 :音 箱 结 构 简 单 , 易 于 设 计 制 作音 箱 音 色 柔 和 , 适 用 于 高 保 真 音 乐 欣 赏 。但 它 的 不 足 也 是 显 而 易见 的 , 音 箱 效 率 低 ( 扬声 器 向 后 辐 射 的 声 能 基本 上 都 被 箱 内 的 吸 声 材料 所 吸 收 ) , 体 积 较 大 。 9 3 倒 相 式 扬 声 器 系 统 (音 箱 )的 设 计 原 理倒 相 式 音 箱 是 国 内 较 为 流 行 的 样式 , 其 特 点 是 效 率 高 , 箱 体 相 对较 小 , 但 设 计 比 封 闭 式 复 杂 。 在封 闭 式 音 箱 的 前 面 板 上 开 一 个 或几 个 出 声 孔 , 并 在 出 声 孔 后 面 安装 硬 质 材 料 做 成 的 倒 相 管 ( 导 声管 ) , 就 构 成 了 倒 相 式 音 箱 。 倒 相 管 内 的 空 气 起 着 与 纸 盆 类 似 的 作 用 , 形 成 一 个 附加 的 声 辐 射 器 , 通 过 合 理 设 计 倒 相 孔 , 当 箱 内 发 生 共 振 时 ,将 声 波 相 位 倒 转 180度 , 从 而 实 现 了 声 波 的 反 相 。 扬 声 器背 后 辐 射 的 声 波 可 从 倒 相 孔 传 出 , 以 补 充 扬 声 器 发 出 的 声功 率 。 10 这 样 , 当 音 箱 的 共 振 频 率 等 于 或 稍 低 于 扬 声器 的 共 振 频 率 时 , 倒 相 孔 辐 射 的 声 波 与 纸 盆前 面 辐 射 的 声 波 呈 同 相 叠 加 , 从 而 加 强 了 低频 声 的 辐 射 , 这 就 是 设 计 的 关 键 之 处 。这 样 使 低 频 段 的 声 音 得到 了 加 强 , 理 论 上 可 使声 功 率 加 倍 。 实 际 上 倒相 式 音 箱 的 性 能 与 许 多因 素 有 关 , 如 开 孔 的 位置 , 开 孔 的 尺 寸 , 音 箱的 体 积 与 长 宽 比 例 等 。因 此 倒 相 式 音 箱 的 箱 体设 计 很 复 杂 。 11 与 封 闭 式 音 箱 相 比 , 倒 相 式 音 箱 具 有 以 下 优 点 :1) 效 率 高在 封 闭 式 音 箱 中 , 纸 盆 向 后 辐 射 的 声 波 被 完全 吸 收 , 消 耗 在 音 箱 内 部 , 因 此 有 1/2的 辐射 功 率 被 白 白 浪 费 。 而 倒 相 式 音 箱 则 充 分 利用 了 扬 声 器 的 后 辐 射 声 波 , 因 而 提 高 了 低 频辐 射 声 压 级 。 12 与 封 闭 式 音 箱 相 比 , 倒 相 式 音 箱 具 有 以 下 优 点 :2) 失 真 小封 闭 式 音 箱 在 其 共 振 频 率 附 近 纸 盆 振 幅 最 大 , 故 由定 心 支 片 等 非 线 性 移 位 所 造 成 的 失 真 也 大 。 但 在 倒相 式 音 箱 中 , 在 共 振 频 率 附 近 纸 盆 的 振 幅 却 最 小 。此 时 , 音 箱 的 辐 射 声 压 仍 很 高 , 这 主 要 是 由 倒 相 孔辐 射 的 , 从 而 使 非 线 性 失 真 也 减 至 最 小 。 13 3) 低 音 好与 同 体 积 的 封 闭 式 音 箱 相 比 , 低 频 重 放 的 下 限频 率 得 到 了 更 好 的 扩 展 。 此 时 由 于 倒 相 孔 的 声辐 射 作 用 , 声 压 非 常 高 。与 封 闭 式 音 箱 相 比 , 倒 相 式 音 箱 具 有 以 下 优 点 : 14 4) 箱 体 小在 相 同 的 低 频 重 放 下 限 频 率 的 条 件 下 , 倒 相 式音 箱 的 体 积 大 约 是 封 闭 式 的 百 分 之 六 十 。与 封 闭 式 音 箱 相 比 , 倒 相 式 音 箱 具 有 以 下 优 点 :倒 相 式 音 箱 的 不 足 之 处 是 , 音 箱 的 设 计 比 较 复 杂 ,容 易 产 生 声 干 涉 现 象 。 所 以 目 前 倒 相 式 音 箱 品 种 很多 , 但 鱼 龙 混 杂 。 基 于 这 个 原 因 , 选 购 理 想 的 倒 相式 音 箱 不 是 一 件 容 易 的 事 情 。 倒 相 式 音 箱 在 日 本 和东 南 亚 地 区 比 较 流 行 , 约 占 音 箱 总 数 的 百 分 之 五 十左 右 。 我 国 的 专 业 音 响 系 统 中 普 遍 采 用 倒 相 式 音 箱 。 15 人 声 和 各 种 乐 音 是 一 种 随 机 信 号 , 其 波 形 十 分复 杂 。 可 听 声 音 的 频 率 范 围 一 般 在 2020KHz,其中 语 言 的 频 谱 范 围 约 在 150Hz4KHz左 右 ; 而 各 种乐 音 的 频 谱 范 围 可达40Hz18KHz,人 声 的 能 量 主要 集 中 在 200Hz3.5KHz频 率 范 围 。 而 扬 声 器 是 一 种 把 可 听 范 围 内 的 音 频 电 功 率 信 号转 变 成 具 有 足 够 声 压 级 的 可 听 声 音 , 因 此 对 它 的 要求 主 要 就 是 : 要 求 扬 声 器 能 “ 原 汁 原 味 ” 的 把 音 频电 信 号 还 原 成 逼 真 自 然 的 声 音 。 使 用 一 只 扬 声 器 要 完 成 2020000Hz的 声 音 辐 射是 不 可 能 的 。 为 了 实 现 宽 频 带 的 声 音 辐 射 , 必 须 把两 个 或 两 个 以 上 不 同 功 能 的 扬 声 器 组 合 起 来 , 使 各扬 声 器 单 元 发 挥 各 自 的 优 势 , 扬 长 避 短 , 使 辐 射 的音 质 达 到 最 佳 。4 组 合 扬 声 器 系 统 (音 箱 )的 设 计 原 理 16 5.3.4 组 合 扬 声 器 系 统 (音 箱 )的 设 计 原 理低 频 段 : 为 了 使 低 音 扬 声 器 的 低 频 效 果 好 , 就 要 把低 频 扬 声 器 的 谐 振 频 率 设 计 得 很 低 。 为 了 达到 此 目 的 , 对 口 径 较 大 的 低 音 扬 声 器 , 需 要把 振 动 系 统 的 质 量 增 加 到 几 kg, 这 样 就 会 使低 频 扬 声 器 在 高 频 时 的 力 阻 很 高 , 因 而 效 率极 低 。 也 就 是 说 , 让 低 音 扬 声 器 仅 在 低 频 段发 挥 其 作 用 , 不 要 参 与 中 高 频 的 放 音 效 果 。中 高 频 段 : 在 中 、 高 频 策 动 下 , 中 、 高 音 扬 声 器 因 整 个振 动 系 统 很 轻 , 因 此 只 有 很 小 的 阻 抗 , 因 而 声辐 射 的 效 率 很 高 。 中 、 高 频 单 元 膜 片 做 成 较 小的 面 积 , 目 的 有 两 个 : 一 是 可 减 轻 振 动 系 统 质量 ; 二 是 可 以 改 善 高 频 指 向 性 。 这 样 的 扬 声 器谐 振 频 率 都 设 计 在 几 百 Hz以 上 , 可 在 中 、 高 频 获 得 一 定 的 灵 敏 度 , 完 全 不 适 用 于 低 频 段 工 作 。 17 组 合 扬 声 器 系 统 除 了 具 有 频 响 宽 、 指 向 性 好 和 整 个范 围 辐 射 效 率 高 以 外 , 还 有 以 下 优 点 : (1)组 合 扬 声 器 系 统 可 分 频 段 组 合 , 扬 长 避 短 , 最 大限 度 地 发 挥 各 自 的 优 势 , 减 小 非 线 性 失 真 ; (2)组 合 扬 声 器 系 统 的 互 调 失 真 比 单 个 扬 声 器 的 小 ; (3)组 合 扬 声 器 系 统 的 瞬 态 失 真 比 单 个 扬 声 器 的 小 ; 组 合 扬 声 器 系 统 要 实 现 的 目 标 是 按 频 段 分 别 由 低 、中 、 高 扬 声 器 单 元 来 重 放 , 并 在 辐 射 声 场 中 使 之 合 并 ,同 时 调 整 出 均 衡 的 、 有 层 次 的 、 能 够 重 放 较 宽 频 带 声音 的 放 声 终 端 。 要 达 到 这 一 目 标 , 就 需 要 在 信 号 源 与扬 声 器 单 元 之 间 加 接 分 频 网 络 , 以 便 把 整 个 音 频 信 号分 配 到 各 个 单 元 中 去 。 18 分 频 器 有 多 种 分 类 : 二 分 频 , 三 分 频 和 超 低 音 分频 等 等 。 在 电 影 系 统 扩 声 用 的 组 合 扬 声 器 箱 一 般 只用 到 二 分 频 方 式 , 而 分 频 点 的 选 取 一 般 与 所 用 的 低音 扬 声 器 的 口 径 有 关 , 300mm的 低 音 扬 声 器 分 频 点一 般 选 为 8001000Hz;380mm的 低 音 扬 声 器 分 频 点一 般 选 为 600900Hz;460mm的 低 音 扬 声 器 分 频 点 一般 选 为 500800Hz。口 径 越 大 , 低 音 效 果 越 好 。 19 厅 堂 、 剧 场 扩 声 用 组 合 扬 声 器 系 统厅 堂 、 剧 场 扩 声 用 组 合 扬 声 器 要 求 有 更 大 的 功 率 , 更宽 的 频 率 响 应 , 灵 敏 度 高 , 失 真 小 和 较 宽 的 指 向 性 。一 般 采 用 倒 相 式 和 号 筒 式 中 、 高 频 的 组 合 。 在 厅 堂 、剧 场 中 常 用 话 筒 作 为 系 统 的 信 号 源 , 因 而 常 会 出 现 较严 重 的 声 反 馈 现 象 , 这 种 反 馈 主 要 出 现 在 指 向 性 很 小的 低 频 部 分 , 因 为 低 频 部 分 是 全 指 向 性 的 。 因 而 , 低频 性 能 就 成 了 主 要 问 题 , 一 般 低 频 设 计 在 45Hz就 可 以了 。 再 小 就 容 易 引 起 声 反 馈 。 传 声 器 拾 音 后 , 经 调 音 台 、 周 边 设 备 、 功 率 放 大 器 、 音 箱扩 出 声 音 , 这 种 声 音 又 通 过 直 接 辐 射 方 式 或 声 反 射 方 式 进入 传 声 器 , 使 整 个 扩 声 系 统 产 生 正 反 馈 , 引 起 震 荡 , 出 现 啸 叫 声 , 这 种 现 象 称 为 声 反 馈 。声反馈 20 对 高 频 的 要 求 则 要 宽 一 些 , 一 般 在1500020000Hz。为 了 达 到 宽 频 带 范 围 的 要 求 ,常 采 用 三 分 频 的 组 合 扬 声 器 , 而 分 频 点 的 设 置 在低 频 段 一 般 在 350800Hz之 间 , 中 、 高 频 段 一 般在 35005000Hz之 间 。 中 音 单 元 常 用 纸 盆 式 扬 声器 , 要 求 效 率 高 的 组 合 扬 声 器 系 统 在 中 、 高 音 范围 时 都 要 用 号 筒 式 扬 声 器 。厅 堂 、 剧 场 扩 声 用 组 合 扬 声 器 系 统 21 家 用 组 合 扬 声 器 系 统 用 作 电 视 伴 音 或 调 频 广 播 的 组 合 扬 声 器 一 般 都 有立 体 声 , 故 要 求 较 高 。 具 体 要 求 是 : 体 积 小 、 频 响 宽 、失 真 小 、 灵 敏 度 高 、 指 向 性 宽 、 对 称 性 好 、 成 本 不 能太 高 。 这 种 组 合 扬 声 器 一 般 也 要 设 计 成 倒 相 式 , 低 音单 元 一 般 用 小 型 高 性 能 扬 声 器,56.5英 寸 的 气 垫 扬声 器 用 得 较 多 , 一 般 设 计 成 二 分 频 , 高 频 一 般 要 求 在12000Hz以 上 。可 用 于 广 播 、 收 音 、 电 视 伴 音 、 录 音 (放 )机 等 场 合 。 22 5 分 频 器 的 简 单 设 计 分 频 器 的 作 用 就 是 把 频 率 范 围 较 宽 的 音 频 信 号 分 解为 低 频 、 中 频 和 高 频 信 号 , 也 就 是 说 , 允 许 输 入 的 音频 信 号 中 的 低 频 信 号 仅 通 过 低 音 扬 声 器 ; 中 频 信 号 仅通 过 中 音 扬 声 器 ; 高 频 信 号 仅 通 过 高 音 扬 声 器 。1 分 频 器 的 作 用 由 于 如 果 低 音 扬 声 器 送 入 了 高 频 信 号 成 分 , 这 时高 频 率 声 音 表 现 不 好 。 如 果 高 音 扬 声 器 送 入 了 低 频信 号 , 会 因 低 音 的 功 率 较 大 而 烧 毁 高 音 头 音 圈 。 所以 分 频 器 还 起 到 了 保 护 扬 声 器 的 作 用 。 23 1 分 频 器 的 类 型功 率 分 频 方 式 它 是 把 分 频 器 接 在 功 率 放 大 器 和扬 声 器 单 元 之 间 的 一 种 分 频 方 式 。功 率 分 频 器 的 参 数 与 扬 声 器 阻 抗有 密 切 的 关 系 , 而 扬 声 器 阻 抗 又是 频 率 的 函 数 , 根 据 阻 抗 值 来 调整 分 频 点 。功 率 分 频 器 的 优 点 是 成 本 较 低 , 且 可 以 和 组 合 扬 声器 组 装 在 一 起 , 使 用 较 为 方 便 。 24 1 分 频 器 的 类 型前 级 分 频 方 式 它 是 把 分 频 器 接 在 前 级 放 大 器 与 功 率放 大 器 之 间 的 一 种 分 频 方 式前 级 分 频 方 式 的 互 调 失 真 较 小 , 但 由 于 它 必 须 用 两上 或 三 个 独 立 的 功 率 放 大 器 分 别 推 动 各 频 段 的 扬 声器 单 元 , 因 而 增 加 了 放 声 系 统 的 成 本 , 所 以 一 般 不采 用 , 只 在 高 质 量 的 放 声 系 统 中 采 用 。 25 2.几 种 分 频 器 的 简 单 设 计分 频 器 的 设 计 主 要 是 确 定 分 频 点 和 衰 减 率分 频 点 是 指 分 频 器 高 通 、 带 通 和 低 通 滤 波 器 之 间 的分 界 点 , 常 用 频 率 来 表 示 , 单 位 为 赫 兹 。 高 低 音 两分 频 音 箱 只 有 一 个 分 频 点 , 高 、 中 、 低 三 分 频 音 箱有 两 个 分 频 点 , 分 频 点 应 根 据 各 频 段 扬 声 器 单 元 或音 箱 的 频 率 特 性 和 功 率 分 配 来 具 体 确 定。 分 频 器 一 般 由 三 种 滤 波 器 组 成 : 即 高 通 滤 波 器(HPF), 只 让 某 一 频 率 以 上 的 电 信 号 通 过 ; 低 通 滤 波器 (LPF), 只 让 某 一 频 率 以 下 的 电 信 号 通 过 ; 带 通 滤波 器 (BPF), 只 让 介 于 某 两 个 频 率 之 间 的 电 信 号 通 过 。 26高 低 音 两 分 频 音 箱 只 有 一 个 分 频 点 fc也 称 为 截 止 频 率 ,一 般 把 从 特 性 曲 线 的 平 坦 区 向 降 落 区 过 渡 时 , 下 降到 3dB的 点 对 应 的 频 率 fc称 为 截 止 频 率 。 ,衰 减 率 是 指 分 频 点 以 下 曲 线 下 降 的 斜 率 , 一 般 以 每 倍频 程 下 降 多 少 dB来 表 示 (dB/oct)。分 频 器 按 其 衰 减 率 一般 可 分 为 每 倍 频 程 -6dB、-12dB及 -18dB三 种 。 27一 般 来 说 衰 减 越 大 , 分 频 得 越 彻 底 , 从 而 音 质 也 较 好 。 对应 每 倍 频 程 -6dB、 -12dB及 -18dB三 种 的 每 频 段 元 件 数 为 一个 、 二 个 及 三 个 L、 C元 件 , 分 别 称 作 一 单 元 、 二 单 元 和 三单 元 分 频 器 。 而 由 于 元 件 数 越 多 , 结 构 越 复 杂 , 调 整 就 越困 难 , 且 插 入 损 耗 较 大 。 所 以 -18dB衰 减 率 的 分 频 器 用 得较 少 , 常 用 的 分 频 器 是 -6dB/oct和 -12dB/oct分 频 器 。 28-6dB/oct的 分 频 器 -12dB/oct的 分 频 器 29 分 频 器 按 频 段 可 分 为 二 分 频 和 三 分 频 两 种 , 按 连 接方 式 可 分 为 串 联 式 与 并 联 式 两 种 。 -6dB/oct的 分 频 器 。 这 是 实 际 使 用 中 最 简 单 的 一 种 分频 器 , 其 二 分 频 的 低 通 部 分 只 有 一 个 电 感 , 高 通 部 分只 有 一 个 电 容 , 有 串 联 和 并 联 两 种 连 接 方 式 。图525 二分频-6dB/oct的分频器 30 设 Zc为 扬 声 器 额 定 阻 抗,fc为 滤 波 器 的 截 止 频 率。 31二 分 频 -6dB/oct的 分 频 器 频 率 特 性 如 图 所 示 。 图 中 低通 和 高 通 的 截 止 频 率 都 为 fc,所 以 , 从 fc开 始 下 降6dB所 对 应 的 倍 频 程 分 别 为 fc/2和 2fc。 32 图 中 由 L组 成 LPF电 路 ; C、 L1组 成 BPF电 路 ; C1组 成 HPF电 路。 三 分 频 -6dB/oct的 串 联 和 并 联 形 式 的 分 频 器 电 路 图 33 11 2 12 c cH cZL fC f Z fc就 是 低 频 和 中 频 的 分 频 点 ; 这 里 的 fH就 是 中 频 和 高 频的 分 频 点。Zc仍 是 额 定 阻 抗。H
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