Сторінка 4 з 4

Про роботу гучномовця в області середніх та високих частот

Згладжування АЧХ гучномовця по звуковому тиску в області низьких частот - не єдине завдання, яке доводиться вирішувати радіоаматору при спробі покращити параметри АС. Справа в тому, що жодна із створених до цього часу динамічних головок не в змозі перекрити весь звуковий діапазон, і тому всі АС класу Hi-Fi виконуються за двома або трисмуговими схемами, що передбачають наявність в них розділових фільтрів. Як правило, це пасивні фільтри першого (рідше другого) порядку, вплив яких на характеристики гучномовців так само велике, як і динамічних головок. Однак, судячи з публікацій журналу “Радіо”, ця обставина більшістю читачів та авторів не береться до уваги.

Проілюструємо сказане прикладом, взятим із роботи . На рис. 13 наведені АЧХ встановлених у гучномовці 25АС-309 головок 25ГД-26, 15ГД-11 та 3ГД-31, включених через заводський фільтр роздільний. Суцільною лінією показана АЧХ НЧ та ВЧ головок (при відключеній середньочастотній), штриховий – АЧХ однієї СЧ головки. На останній характеристиці привертає увагу підйом АЧХ поблизу частоти 100 Гц, що досягає 10 дБ. Цей підйом помітно збільшує "бубніння" АС, що і спонукало авторів переробити гучномовець.

Які причини виникнення цього небажаного підйому АЧХ? Очевидно, що загальна добротність СЧ головки досить велика і швидше за все більше 1.

Однак замість згладити характеристику якщо не негативним, то хоча б нульовим вихідним опором УМЗЧ, розробники АС послідовно з головкою включили резистор опором 5,1 Ом, що і призвело до збільшення підйому АЧХ не менше ніж на 6 дБ. Відмовитися від застосування цього резистора не можна, оскільки віддача СЧ головки 15ГД-11А (при однаковій потужності, що підводиться) приблизно вдвічі вище, ніж у 25ГД-26. Встановлений в АС розділовий фільтр першого порядку, хоч і налаштований відносно високу частоту (1600 Гц), не в змозі достатнім чином послабити сигнал СЧ головки на низьких частотах. До того ж частота розділу знаходиться в області максимальної чутливості слуху до спотворень, що не могло не вплинути на якість звучання.

Аналіз характеристики ВЧ головки (суцільна крива на рис. 13 в області від 5 ... 20 кГц) показує, що порівняно з НЧ головкою її віддача також занадто висока. У зв'язку з цим послідовно з нею довелося включити резистор опором 5,1 Ом. Однак цього виявилося недостатньо і підйом АЧХ ВЧ головки на частотах 10...15 кГц залишився невиправданим.

Зазначені недоліки притаманні як багатьом (якщо не більшості) серійно випускається в країні АС [б], так і більшості трисмугових АС, виготовлених радіоаматорами (правда, про останнє можна говорити лише імовірно, оскільки практично ніхто з радіоаматорів не має можливості подібно до авторів зняти АЧХ своєї АС у звуковій камері). Способи боротьби з цими недоліками, пропоновані авторами , хоч і дають позитивні результати для конкретної АС, проте навряд чи можуть бути рекомендовані на всі випадки життя, оскільки номінали елементів фільтрів сильно залежать від типів гучномовців та їх акустичного оформлення. Справжній приклад демонструє, як зневага хоча б однією з ланок звуковідтворювального комплексу робить якість звучання помітно гіршою за потенційно досяжний.

З усього різноманіття літератури, присвяченої гучномовцям, мабуть, лише у роботі роздільним фільтрам приділено належну увагу. Тому перш, ніж обговорювати подальші шляхи поліпшення параметрів гучномовців, потрібно хоча б коротко познайомитися з сучасними поглядами на роль фільтрів розділення в АС, типами застосовуваних фільтрів, їх перевагами і недоліками.

Особливості роботи фільтрів в АС

Дослідження 40-50-х років показали, що при проектуванні багатосмугових АС недостатньо враховувати тільки АЧХ фільтрів і не бери до уваги їх фазочастотні характеристики (ФЧХ). Припустимо, що в наявній у нашому розпорядженні двосмугової АС застосовані ідеально узгоджені АЧХ фільтри. Іншими словами, в області частоти розділу сума амплітуд сигналів на виходах фільтрів (при незмінній амплітуді на входах) стала і дорівнює амплітуді сигналу на виході будь-якого з них в межах його смуги пропускання. Якщо знехтувати нерівномірністю АЧХ такої АС, обумовленої інтерференцією звукових хвиль у закритому обсязі, то, здавалося б, вона повинна бути горизонтальною в області частоти розділу, без підйомів і провалів.

Однак отримати таку АЧХ не вдається. Причина - у відмінності ФЧХ НЧ та ВЧ фільтрів. Якщо на одній із частот в області частоти розділу амплітуди сигналів на виходах НЧ і ВЧ фільтрів приблизно рівні, але один з них затримує сигнал на 90°, а на виході іншого він присутній з випередженням по фазі на таку ж величину, сигнали, що відтворюються ВЧ і НЧ головками одночасно, не підсумовуватимуться, а відніматися, внаслідок чого на АЧХ виникне глибокий провал на згаданій частоті. З цієї причини далеко не всі фільтри можуть бути застосовані у високоякісних АС.

Нині розробниками більшості західних фірм, як і розробниками кращих вітчизняних АС, використовуються лише кілька типів фільтрів, отримали назви фільтрів “постійного вхідного опору”, “всепропускающего типу” і “постійного напруги”.

Фільтри “постійного вхідного опору”, сутнісно, ​​є фільтри Баттерворта відповідного порядку. При рівності та активному характері опорів навантаження НЧ та ВЧ каналів їхній вхідний опір постійно. Фільтри парних порядків на частоті розділу створюють на сумарній АЧХ АС звуковий тиск підйом, що досягає 3 дБ, у зв'язку з чим вони не використовуються розробниками високоякісних АС. Сумарна АЧХ АС, що використовують фільтри непарних порядків, не залежить від частоти, але ці фільтри мають частотно-залежне фазове зсув як у ВЧ, так і в НЧ каналах. ФЧХ НЧ та ВЧ каналів фільтрів Баттерворта непарного порядку ідентичні, але характеризуються фазовим зсувом ВЧ сигналу щодо НЧ,

рівним n * π/2, де n = 1, 3, 5,... Діаграма спрямованості АС, що використовує фільтри Баттерворта непарного порядку, несиметрична в області частоти розділу внаслідок згаданого фазового зсуву.

Зазначимо факт, невідомий більшості радіоаматорів і розробників АС: у фільтрах Баттерворта 3-го, 7-го і т. д. порядків протифазне включення головок каналів, що розділяються, переважно з точки зору зниження фазових спотворень і несиметричності діаграми спрямованості, у фільтрах Баттерворта 5-го і т. д. порядків краще синфазне включення.

Відмінна риса фільтрів “всепропускающего типу” - незалежність їх сумарної АЧХ від частоти фільтрів непарних і парних порядків. Для фільтрів парних порядків різниця ФЧХ ВЧ та НЧ каналів дорівнює n * (π/2), де n = 1, 2, 3,..., для непарних - n * (π/2), де n = 1, 3, 5,... Згадані властивості мають фільтри Баттерворта непарних порядків, описані вище. Таким чином, фільтри Баттерворта непарних порядків одночасно належать і до класу фільтрів постійного вхідного опору, і до класу фільтрів всепропускного типу.

Але фільтри “всепропускающего типу” парних порядків не є фільтрами Баттерворта, хоч і описуються передатною функцією, що є зведену в квадрат передавальну функцію фільтра Баттерворта вдвічі нижчого порядку [З]. Фільтри "всепропускающего типу" парного порядку мають симетричну діаграму спрямованості в області частоти розділу (щодо осі, що проходить через центри динамічних головок смуг, що розділяються). Їх теж існують свої правила фазування динамічних головок: для фільтрів парних порядків, мають ступінь, рівну 4 m, де m==l, 2, 3,... обов'язково синфазне включення головок в полосах, що розділяються. Якщо порядок дорівнює 2(2m+1), де т==0, 1, 2,..., допустимо лише протифазне включення головок.

Третій клас фільтрів - "постійної напруги" - використовується рідше перших двох і важкий для розрахунку та реалізації навіть підготовленими радіоаматорами. Бажаючим познайомитися з цими фільтрами ближче, так само як і тим, хто хоче отримати повнішу інформацію про описані вище фільтри, можна рекомендувати роботу [З]. Ми ж повернемося до питання, як за допомогою схемотехнічних доробок УМЗЧ можна підвищити якість звучання АС.

Про вибір фільтрів для АС

Труднощі, що випробовуються розробниками АС при виборі пари ВЧ-НЧ фільтрів, що мають плоску сумарну АЧХ і задовільну ФЧХ, значною мірою обумовлені тим, що вони повинні задовольняти ще одній вимогі включатися між УМЗЧ і динамічними головками, тобто бути пасивними. Остання умова обмежує можливості розробників, оскільки виключає з розгляду так звані фільтри додаткової функції (ФДФ), в яких один з каналів, наприклад низькочастотний, сигнал подається з виходу ФВЧ, а в інший (високочастотний) надходить різниця між вхідним сигналом і сигналом низькочастотного каналу. У такому фільтрі досить високі вимоги до пристрою, що виділяє різницевий сигнал, тому його виконують, як правило, на ОУ. Однак у цьому випадку для посилення різницевого сигналу буде потрібний додатковий УМЗЧ, оскільки сигнал з виходу ОУ широкого застосування не можна подавати безпосередньо на динамічну голівку опором кілька Ом. В результаті підсилювач перетворюється на багатосмуговий, тобто кількість незалежних УМЗЧ у стереофонічному комплексі зростає з 2 до 4-6.

Такий варіант, як правило, неприйнятний для фірм-розробників та виробників звуковідтворювальної апаратури, оскільки вартість додаткових витрат в одиниці продукції не знижується зі зростанням випуску. Іншими словами, доки існує надія знайти пару ВЧ-НЧ фільтрів з добре узгодженими характеристиками, виробники (з економічних міркувань) дотримуватимуться традиційної схеми побудови такої апаратури: широкосмуговий високоякісний УМЗЧ - пасивні розділові фільтри - динамічні головки.

Для радіоаматорів подібний шлях далеко не такий оптимальний. Справа в тому, що через відсутність відповідної вимірювальної апаратури переважна більшість радіоаматорів не має можливості достовірно судити про причини низької якості звучання своєї АС і подібно до цілеспрямовано вибрати шляхи їх усунення, оскільки єдиним способом оцінки результатів доопрацювання АС є для них оцінка поліпшення якості звучання, "на слух".

У цьому випадку гарантоване досягнення позитивного результату можливе або при повторенні конструкцій, запропонованих висококваліфікованими фахівцями, які мають можливість об'єктивної приладової оцінки своєї роботи, або при виборі таких технічних рішень, що дають результати, близькі до розрахункових.

На думку автора статті, до таких рішень насамперед відноситься заміна односмугового УМЗЧ на багатосмуговий, в якому для поділу смуг використовуються активні фільтри та ФДФ. Про переваги такого УМЗЧ багато сказано в , . Додамо до цього лише таке.

При намотуванні котушок фільтрів для високоякісної АС, чи то фільтри "всепропускаючого типу", "постійної напруги" або "постійного вхідного опору", радіоаматор повинен прагнути до того, щоб не тільки індуктивність, але й активний опір котушки дорівнював розрахунковому. Інакше змінюється добротність котушки, отже, і тип фільтра. При застосуванні активних фільтрів ця проблема вирішується легко, оскільки добротність фільтра встановлюється зазвичай одним підстроювальним резистором.

Установка пасивних фільтрів передбачає використання них елементів з розкидом номіналів 2...3 %. При виході за межі цих допусків змінюються частоти налаштування кожного з фільтрів пари ВЧ-НЧ та тип фільтрів. АЧХ і ФЧХ АС у своїй відхиляються від розрахункових, що знижує якість АС. Застосування ФДФ знімає цю проблему, оскільки АЧХ і ФЧХ пари таких фільтрів узгоджуються автоматично, причому будь-якого типу фільтрів.

Застосування пасивних фільтрів і динамічних головок з різними активними опорами і рівнями звукового тиску, що розвиваються, вимагає використання баластних резисторів для узгодження цих головок в АС. Як показано вище, це може призвести до появи на АЧХ АС підйому, обумовленого резонансом СЧ головки, придушити який навіть не вдасться негативним вихідним опором УМЗЧ. Всі ці проблеми автоматично вирішуються при використанні багатосмугового УМЗЧ з підстроюванням посилення в кожній зі смуг та безпосереднім підключенням динамічної головки до виходу УМЗЧ відповідної смуги.

Як зазначалося, найбільші спотворення діаграми спрямованості АС відзначаються поблизу частоти розділу, коли сигнал випромінюється одночасно двома рознесеними у просторі динамічними головками. Використання активних фільтрів 3-го і 4-го порядків у багатосмуговому УМЗЧ дозволяє в кілька разів звузити ці області порівняно з АС, що використовують пасивні фільтри розділення першого (рідше другого) порядку.

Крім того, самі динамічні головки вносять свої фазові зрушення у випромінювані ними сигнали. Компенсація цих зрушень під час використання пасивних фільтрів в аматорських умовах практично неможлива, оскільки потребує великої кількості складних вимірювань та машинних розрахунків. Використання багатосмугових УМЗЧ полегшує вирішення цього завдання, оскільки в даному випадку потрібно коригувати систему підсилювач - реактивний елемент на виході, що зробити набагато легше. Якщо до перелічених переваг додати легкість розрахунку правильно сконструйованих активних фільтрів високого порядку і кращу відповідність розрахунку реальних активних фільтрів вищого порядку (внаслідок малого впливу однієї ланки на іншу), стає очевидним, що для радіоаматора, який вирішив створити дійсно високоякісну АС, але не має у своєму розпорядженні апаратури для кількісного аналізу всіх причин зниження якості її звучання, оптимальним є використання багатосмугового УМЗЧ з активними фільтрами високого порядку та ФДФ.

Багатосмуговий УМЗЧ з розподільчими фільтрами

На рис. 14 наведена схема пристрою фільтрації та формування негативного вихідного опору для трисмугового УМЗЧ, розробленого відповідно до рекомендацій, наведених у цій статті. Пристрій підключається до виходу попереднього підсилювача після регуляторів гучності та тембру. Якщо вихідний опір попереднього каскаду досить велике, більше 1 кОм, то до входу пристрою необхідно підключити емітерний повторювач або (що краще з точки зору мінімізації нелінійних спотворень) каскад, що зміцнює, на ОУ К574УД1 .
(крупніше)

Пристрій складається з трьох фільтрів Баттерворта 3-го порядку на транзисторах VT1 - VT3, двох ФДФ на ОУ DA1, DA2, вузла формування негативного вихідного опору на ОУ DA4 і змішувача НЧ смуги на ОУ DA3. Сигнал каналу ВЧ формується фільтром додаткової функції на диференціальному підсилювачі DA1. На вхід підсилювача, що інвертує, надходить весь вхідний сигнал, а на неінвертуючий - сигнал з виходу налаштованого на частоту 6,5 кГц ФНЧ на транзисторі VT1. Вибраний порядок виділення смуг оптимальний з погляду зниження интермодуляционных спотворень - гармоніки вищих порядків, що у СЧ і НЧ каналах УМЗЧ, що неспроможні потрапити на УМЗЧ ВЧ каналу. З цією ж метою як ОУ бажано використовувати широкосмугові ОУ (наприклад, К574УД1 або К544УД2) з ланцюгами корекції для одиничного посилення.

СЧ та НЧ складові вхідного сигналу, виділені фільтром на VT1, надходять на вхід, що інвертує диференціального підсилювача на ОУ DA2. На його вхід, що не інвертує, надходить сигнал з виходу ФНЧ на транзисторі VT2. Цей ФНЧ налаштований частоту 650 Гц, тому СЧ канал відтворює сигнали смузі 650 Гц...6,5 кГц. НЧ складові вхідного сигналу, виділені фільтром на транзисторі VT2, надходять ФВЧ на транзисторі VT3, налаштований на частоту 30 Гц. Призначення ФВЧ - відсікти інфранізкі складові вхідного сигналу, що перевантажують НЧ головку. З виходу ФВЧ сигнал надходить на вхід, що інвертує диференціального підсилювача на ОУ DAS. На його вхід, що не інвертує, надходить сигнал з вузла формування сигналів ПОСТ і ООСН, виконаного на ОУ DA4. Фазування каскаду на ОУ DAS наведено для випадку неінвертованого УМЗЧ НЧ каналу. При використанні інвертуючого УМЗЧ сигнал з виходу каскаду на транзисторі VT3 необхідно подати на вхід ОУ DA3, що не інвертує, а сигнал з виходу ОУ DA4 - на інвертуючий.

Як канальні УМЗЧ (А1 - A3) можна використовувати підсилювачі, описані в , , або їм аналогічні. При їх виборі необхідно лише пам'ятати, що номінальна потужність УМЗЧ НЧ каналу повинна бути не меншою за номінальні потужності УМЗЧ ВЧ і СЧ каналів. Потужність УМЗЧ каналу ВЧ може бути в 1,5...2 рази нижче за потужність УМЗЧ каналу СЧ. Бажано також, щоб сума максимальних потужностей УМЗЧ НЧ та СЧ каналів була б у 3 3 = 9 разів вище потужності, коли він передбачається експлуатувати комплекс. Останнє визначається тим, що пік-фактор реального музичного і мовного сигналів дорівнює 3, тобто. потужності.

Як ОУ DA2 - DA4 допустимо використовувати будь-які ОУ широкого застосування (з відповідними ланцюгами корекції, якщо це необхідно). Транзистори VT1 ​​- VT3 можуть бути будь-якими кремнієвими з максимально допустимою напругою між колектором і базою не менше 20 В і коефіцієнтом посилення по струму не менше 200. Елементи фільтрів та резистори диференціальних підсилювачів (за винятком підстроювальних) бажано використовувати з відхиленням їх опорів значень трохи більше 5 %. При налаштуванні будь-якого фільтра на іншу частоту необхідно зменшити ємності відповідного фільтра в стільки разів, скільки потрібно збільшити частоту налаштування (і навпаки).

Пристрій, зібраний без помилок зі справних деталей, не потребує налагодження. При подачі живлення напруги на емітерах його транзисторів повинні знаходитися в межах 0,6...0,7, а напруги на виходах ОУ DA1 - DA3 (SA1 в нижньому за схемою положенні) -1...+1В. Аналогічна напруга повинна встановитись на виході ОУ DA4 при замиканні коротко резисторів R34 і R36. Фільтри не потребують спеціального налаштування. Канали ПОСТ та ООСН підлаштовують аналогічно описаним раніше. Двигуни підстроювальних резисторів R29 і R30 встановлюють у таке положення, при якому рівень звукового тиску, що розвивається АС на частотах 100, 300, 500 Гц (НЧ канал), 1, 2, 4 кГц (СЧ канал, резистор R30) і 10, 15, . 18 кГц (ВЧ канал, резистор R29) був приблизно однаковим. Рівень звукового тиску вимірюють за допомогою мікрофона з підсилювачем і вольтметром змінної напруги на виході при потужності, що підводиться до УМЗЧ, не більше 2...3 Вт на відстані 1...2 м від АС. Вимірювання необхідно зробити мінімум на трьох (краще на п'яти - семи) частотах у межах кожної зі смуг через нерівномірність АЧХ по звуковому тиску внаслідок інтерференції звукових хвиль у закритому обсязі АС, форма якої відмінна від сферичної.

Необхідно також відзначити, що використання резисторів R29 і R30 як регулятори тембру, як це передбачалося раніше рядом авторів, неприпустимо. Це зумовлено високою крутістю характеристики розділових фільтрів. Розбаланс рівнів звукового тиску в різних каналах за такої крутості фільтрів спотворює звучання значно більшою мірою, ніж акустичні недоліки приміщення.

Радіоаматор, який прагне створити високоякісну АС, повинен брати до уваги ще два моменти. По-перше, суттєво згладити АЧХ АС по звуковому тиску в області СЧ та ВЧ можна, закривши СЧ та ВЧ головки захисними ковпаками, форма яких має бути якомога ближче до сферичної. По-друге, зниження фазових спотворень площини установки ВЧ, СЧ і НЧ головок в АС у випадку мають бути різні. Найбільш повну з практичної точки зору інформацію з цього питання можна знайти у .

Вимірювання низькочастотних динамічних головок та їх акустичного оформлення

Найбільш зручним для радіоаматорів є метод визначення параметрів динамічних головок частотної характеристики модуля повного електричного опору головки. На рис. 15 наведено типову залежність модуля повного опору | Z \ від частоти у вільному повітрі. Аналогічна форма залежності спостерігається при встановленні динамічної головки у закритому ящику. Визначивши ці залежності, можна отримати Qa, Qe, V AS /V і f S необхідні для розрахунку гучномовця.

Схема вимірів наведено на рис. 16. Опір токозадавального резистора R повинен бути приблизно в 150...200 разів більший за опір динамічної головки ВА по постійному струму. При цьому УМЗЧ перетворюється на генератор струму через динамічну головку і падіння напруги на ній, що вимірюється за допомогою вольтметра, прямо пропорційно опору головки. Значення частоти відраховують за шкалою генератора Г або точніше за шкалою частотоміра Ч.

Спочатку необхідно виміряти параметри головки у вільному повітрі. Головку потрібно помістити, по можливості, далеко від поверхонь, що відбивають, наприклад, закріпити на жорсткій штанзі. Жорсткість штанги повинна бути такою, щоб її власна резонансна частота була значно вищою за fs. Побудувавши криву, аналогічну зображеній на рис. 15 визначають fs", f 1 , f 2 , Re, Res, Rs, K 1,2 = 0,71Rs. Q"a і Q"e, що характеризують голівку у відкритому повітрі, визначають із співвідношень:

(апострофи в позначенні f", Qa "Qe" позначають, що ці величини не враховують вимірювань у приєднаній масі повітря, що виникають під час роботи головки в акустичному оформленні).

Резонанс при цьому спостерігатиметься на частоті f"" 3 по ф-лам (1) і (2) можуть бути знайдені величини Qa" і Qe". Точні значення параметрів fs, Qa, Qe та V AS /V можуть бути знайдені із співвідношень:

f S = f S " SQR.((f S "Qe") / (f S "Qe)), (3)

Qa = (Qa "f S)"/fs, (4)

Qe = (Qe "f S)"/fs, (5)

V AS /V = (f S ""/f S)2 - 1, (6)

Слід зазначити, що з низької власної резонансної частоті головки втрати у ящику можуть спотворити залежність |Z| від частоти та на ній з'явиться ще один максимум, який легко прийняти за основний. Тому при знятті кривої необхідно бути впевненим у тому, що знайдений максимум – основний.

І тому необхідно виміряти залежності | Z | від f в діапазоні від 20 до 100 Гц, і якщо буде виявлено кілька резонансних горбів, вибрати той, у якого амплітуда максимальна.

Слід зазначити, що крутість залежності | Z | від f у максимумі дуже мала, тому точно, виміряти частоту fs дуже важко. Для підвищення точності вимірювань можна рекомендувати зробити не менше 5-7 вимірювань fs і як базовий результат взяти середнє арифметичне наведених вимірювань. Після цього необхідно порівняти отримане значення fs з fs* = SQR(f 1 f 2), і якщо вони відрізняються не більше ніж на 1... 1,5 Гц, то вимірювання fs на цьому вважатимуться закінченими. Якщо fs і fs* розрізняються більш ніж на 1...1,5 Гц, виміри необхідно провести знову.

Більш детальний опис техніки вимірювань з чисельними прикладами читачі можуть знайти у .

ЛІТЕРАТУРА

  1. Максимов З. Ще раз поліпшення звучання 25АС-109.- Радіо, 1991, № 1, з. 46.
  2. Алдошина І, Войшвілло А. Високоякісні акустичні системи та випромінювачі. - М.: Радіо і зв'язок, 1985.
  3. Салтиков О., Сиріцо А. Звукововідтворювальний комплекс. - Радіо, 1979 № 7, с. 28-31; №8, с. 34-38.
  4. Виноградова Еге. Конструювання гучномовців зі згладженими частотними характеристиками М* Енегія-1978
  5. Адаменко Б., Демидов О. Усачова Є. Гучномовці для побутової радіоапаратури. - Радіо. 1979 № 1. с. 35.
  6. Шоров У. Поліпшення звучання гучномовця 25АС-309.-Радіо, 1985. № 4, з. 30.
  7. А. Сириця. Підсилювач потужності на інтегральних ОУ. - Радіо, 1984 № 8, с. 35.
  8. Лексини В. і В. Односмуговий або багатосмуговий? - Радіо, 1981 № 4, с. 35.
  9. Чантурія А. Трисмуговий підсилювач. - Радіо, 1981 № 5-6, с. 39.
  10. Солнцев Ю. Високоякісний попередній підсилювач.-Радіо, 1985 № 4, с. 32.
  11. Гумеля Є. Простий високоякісний УМЗЧ. - Радіо, 1989 № 1, с. 44.
  12. Дольник А. Особливості роботи головки гучномовця в акустичному оформленні. - ВРЛ, 1977, вип. 56, с. 34.
  13. Жбанов В. Про фазові характеристики гучномовців.-Радіо, 1989. № 10, с. 58.

Динаміки в акустичних системах повинні бути підключені таким чином, щоб на кожен з них надходила напруга лише тих частот, які він повинен відтворювати. Це досягається тим, що звуковий тракт включається електричний фільтр, який забезпечує придушення сигналу небажаних частот. Застосування фільтра в АС обумовлено необхідністю виконання 2-х основних завдань:

  • обмеження смуги відтворюваних частот для усунення надлишкового звукового тиску;
  • обмеження смуги частот, яка здатна викликати пошкодження динаміка (наприклад, проникнення НЧ сигналу на динамік ВЧ);

Фільтри бувають пасивні та активні. Пасивні фільтри включаються між підсилювачем та акустичною системою та монтуються всередині останньої. Пасивні фільтри мають фіксовані характеристики та не мають можливості регулювання параметрів у процесі експлуатації системи.

Активні фільтри (активні кросовери) включаються між джерелом сигналу та підсилювачем. До переваг активних фільтрів можна віднести більш гнучкі можливості регулювання параметрів. Серед недоліків – необхідність використання окремого каналу посилення кожної відфільтрованої смуги частот.

У реальних звукових комплексах часто комбінують ці два типи фільтрів.

Розрахунок пасивного фільтра

Фільтр АС являє собою сукупність електричних ланцюгів, призначених для обмеження певних частот, що надходять на динаміки.

Фільтри зустрічаються наступних типів (див. рис.1):

  • Фільтр високих частот (ФВЧ) – обмежує частотний діапазон динаміка знизу;
  • Фільтр низьких частот (ФНЧ) – обмежує частотний діапазон динаміка згори;
  • Смужний фільтр (ПФ) – обмежує частотний діапазон динаміка зверху та знизу;
  • Комбінований тип – це поєднання вищевказаних типів.

Фільтр характеризується частотою розділу та величиною порядку (1-го порядку, 2-го порядку тощо). Порядок фільтра визначає крутість спаду АЧХ у смузі загородження, та визначається кількістю реактивних елементів в електронній схемі. Кожен реактивний елемент, доданий у схему, збільшує порядок фільтра на одиницю і, відповідно, крутість спаду характеристики на 6дБ/окт. Реактивні елементи фільтра є індуктивності (котушки) і ємності (конденсатори), з'єднані за певною схемою. Номінали реактивних елементів визначають частоту зрізу фільтра.

Для придушення надмірної чутливості динаміка до схеми додається атенюатор (дільник напруги). Цей захід застосовується для приведення чутливостей динаміків до АС до єдиного рівня. Чутливість НЧ динаміка зазвичай може становити 95-100дБ, тоді як типове значення чутливості динаміка ВЧ може досягати 110дБ. Вочевидь, що необхідно знизити чутливість ВЧ динаміка рівня чутливості НЧ. Якщо номінальні опори НЧ і ВЧ динаміків рівні, то необхідне придушення дорівнюватиме різниці чутливостей ВЧ і НЧ динаміків. Розрахунок дещо ускладнюється, якщо номінальні опори динаміків не рівні, т.к. у разі слід перерахувати чутливість ВЧ динаміка для номінального опору, рівного номінальному опору НЧ. Принцип перерахунку буде розглянуто нижче.

Розрахунок фільтра для 2-х смугової акустичної системи

Звернемо увагу, що розрахунки здатні дати наближений результат, який можна використовувати як вихідний варіант для виготовлення макета фільтра. Як правило, виготовлений на підставі розрахунків фільтр вимагає доробки на реальній АС, яка полягає в більш оптимальному підборі електричних компонентів. Остаточна оцінка фільтра формується на підставі вимірювань АЧХ та в результаті прослуховування АС на різних фонограмах.

Розглянемо поширений варіант фільтра, реалізований у багатьох 2-х смугових повнодіапазонних АС.

Електрична схема акустичної системи з фільтром представлена ​​на рис.2.

Особливістю схеми є те, що НЧ динамік у такій АС працює «в широку смугу», а діапазон відтворення ВЧ динаміка обмежений з боку низьких частот за допомогою ФВЧ 3-го порядку, що забезпечує спад характеристики смуги загородження 18 дБ/окт. Резистори R1 і R2 є дільником напруги, що забезпечує придушення надмірної чутливості ВЧ динаміка. Номінал R2 вибирається рівним чи 2 – 3 разу більше номінального опору ВЧ динаміка (Zвч). Дана схема проста в реалізації, має малу вагу та габарити, низьку вартість компонентів. Слід зазначити, що це схема може бути реалізована, лише за умови, що нерівномірність АЧХ НЧ динаміка вбирається у допустимого значення у всьому його робочому діапазоні.

Зазвичай конструювання фільтра починається з аналізу динаміків АЧХ і вибору оптимальної частоти розділу. Розрахунок фільтра зводиться визначення номіналів елементів електричної схеми фільтра.

Розрахунок фільтра включає такі етапи:

1.Визначення величини придушення надмірної чутливості ВЧ (послаблення):

2.Розрахунок номіналів елементів дільника:

3.Розрахунок номіналів реактивних елементів:

4.Розрахунок потужності, що розсіюється на елементах:

Потужність використовуваних резисторів може бути меншою за розраховані значення в 2-3 рази, т.к. паспортна потужність резисторів вказується для синусоїдального сигналу.

Для зручності розрахунку фільтрів за описаним алгоритмом на нашому сайті є спеціальний калькулятор. Використовуючи його, вам не важко розрахувати фільтр для вашої АС. При розрахунку використовуються вихідні дані та вирази, які розглядалися вище.

Номінальний опір НЧ ланки, Ом 8 Z_low 2 4 16 32

Чутливість НЧ ланки, дБ

Юрій Садіков
м Москва

У статті наведено результати робіт зі створення пристрою, що є комплектом активних фільтрів для побудови високоякісних трисмугових підсилювачів низької частоти класів HiFi і HiEnd.

У процесі попередніх досліджень сумарної АЧХ трисмугового підсилювача, побудованого з використанням трьох активних фільтрів другого порядку, з'ясувалося, що ця характеристика за будь-яких частот стиків фільтрів має дуже високу нерівномірність. При цьому вона дуже критична до точності налаштування фільтрів. Навіть за невеликого неузгодженості нерівномірність сумарної АЧХ може становити 10…15 дБ!

МАЙСТЕР КІТ випускає набір NM2116, з якого можна зібрати комплект фільтрів, побудований на базі двох фільтрів і суматора, що віднімає, не має вищеперелічених недоліків. Розроблений пристрій малочутливий до параметрів частот зрізу окремих фільтрів і забезпечує високолінійну сумарну АЧХ.

Основними елементами сучасної високоякісної звуковідтворювальної апаратури є акустичні системи (АС).

Найпростішими і найдешевшими є односмугові АС, що мають у своєму складі один гучномовець. Такі акустичні системи не здатні з високою якістю працювати в широкому діапазоні частот через використання одного гучномовця (головка гучномовця - ГГ). При відтворенні різних частот ГГ пред'являються різні вимоги. На низьких частотах (НЧ) динамік повинен мати великий і жорсткий дифузор, низьку резонансну частоту і мати великий хід (для прокачування великого об'єму повітря). А на високих частотах (ВЧ) навпаки – необхідний невеликий легкий, але твердий дифузор з малим ходом. Всі ці характеристики поєднати в одному гучномовці практично неможливо (незважаючи на численні спроби), тому одиночний гучномовець має високу частотну нерівномірність. Крім цього в широкосмугових гучномовцях існує ефект інтермодуляції, який проявляється в модуляції високочастотних компонентів звукового сигналу низькочастотними. В результаті звукова картина порушується. Традиційним вирішенням цієї проблеми є поділ відтворюваного діапазону частот на піддіапазони та побудова акустичних систем на базі кількох динаміків на кожен вибраний частотний піддіапазон.

Пасивні та активні розділові електричні фільтри

Для зниження рівня інтермодуляційних спотворень перед динаміками встановлюються електричні розділові фільтри. Ці фільтри виконують також функцію розподілу енергії звукового сигналу між ГГ. Їх розраховують на певну частоту поділу, за межами якої фільтр забезпечує обрану величину згасання, що виражається в децибелах на октаву. Крутизна згасання фільтра роздільного залежить від схеми його побудови. Фільтр першого порядку забезпечує загасання 6 дБ/окт, другого порядку - 12 дБ/окт, а третього порядку - 18 дБ/окт. Найчастіше в АС використовуються фільтри другого порядку. Фільтри більш високих порядків застосовуються в АС рідко через складну реалізацію точних значень елементів і відсутність потреби мати більш високі значення крутості згасання.

Частота поділу фільтрів залежить від параметрів ГГ, що застосовуються, і від властивостей слуху. Найкращий вибір частоти поділу - у якому кожен ГГ АС працює у межах області поршневого дії дифузора. Однак при цьому АС повинна мати багато частот поділу (відповідно до ГГ), що значно збільшує її вартість. Технічно обґрунтовано, що для якісного звуковідтворення достатньо застосовувати трисмуговий поділ частот. Однак на практиці існують 4-х, 5-и і навіть 6-ми смугові акустичні системи. Першу (низьку) частоту поділу вибирають у діапазоні 200...400 Гц, а другу (середню) частоту поділу в діапазоні 2500...4000 Гц.

Традиційно фільтри виготовляються із застосуванням пасивних L, C, R елементів, і встановлюються безпосередньо на виході кінцевого підсилювача потужності (РОЗУМ) у корпусі АС, згідно з рис.1.

Рис.1. Традиційне виконання АС.

Однак у подібного виконання існує низка недоліків. По-перше, для забезпечення необхідних частот зрізу доводиться працювати з досить великими індуктивностями, оскільки необхідно виконати одночасно дві умови - забезпечити необхідну частоту зрізу та забезпечити узгодження фільтра з ГГ (іншими словами не можна зменшити індуктивність за рахунок збільшення ємності, що входить до складу фільтра). Намотування котушок індуктивності бажано проводити на каркасах без застосування феромагнетиків через суттєву нелінійність їхньої кривої намагніченості. Відповідно, повітряні котушки індуктивності виходять досить громіздкими. Крім всього існує похибка намотування, яка не дозволяє забезпечити точно розраховану частоту зрізу.

Провід, яким ведеться намотування котушок, має кінцевий омічний опір, що в свою чергу, призводить до зменшення ККД системи в цілому і перетворенням частини корисної потужності РОЗУМ в тепло. Особливо помітно це проявляється в автомобільних підсилювачах, де напруга живлення обмежена 12 В. Тому для побудови автомобільних стереосистем часто застосовують ГГ зниженого опору обмотки (~2...4 Ом). У такій системі запровадження додаткового опору фільтра порядку 0,5 Ом може призвести до зменшення вихідної потужності на 30%...40%.

При проектуванні високоякісного підсилювача потужності намагаються звести до мінімуму його вихідний опір збільшення ступеня демпфування ГГ. Застосування пасивних фільтрів помітно знижує рівень демпфування ГГ, оскільки послідовно з виходом підсилювача підключається додатковий реактивний опір фільтра. Для слухача це проявляється у появі "бубнечих" басів.

Ефективним рішенням є використання не пасивних, а активних електронних фільтрів, у яких перераховані недоліки відсутні. На відміну від пасивних фільтрів, активні фільтри встановлюється до РОЗУМ як показано на рис.2.

Рис.2. Побудова звуковідтворювального тракту з використанням активних фільтрів.

Активні фільтри є RC фільтри на операційних підсилювачах (ОУ). Нескладно побудувати активні фільтри звукових частот будь-якого порядку та з будь-якою частотою зрізу. Розрахунок подібних фільтрів проводиться за табличними коефіцієнтами із заздалегідь обраним типом фільтра, необхідним порядком та частотою зрізу.

Використання сучасних електронних компонентів дозволяє виготовляти фільтри, що володіють мінімальними значеннями рівнів власних шумів, малим енергоспоживанням, габаритами та простотою виконання/повторення. В результаті використання активних фільтрів призводить до збільшення ступеня демпфування ГГ, знижує втрати потужності, зменшує спотворення і збільшує ККД звуковідтворювального тракту в цілому.

До недоліків такої архітектури належить необхідність використання кількох підсилювачів потужності та кількох пар дротів для підключення акустичних систем. Однак на даний час це не є критичним. Рівень сучасних технологій значно знизив ціну та розміри РОЗУМ. Крім того, з'явилося чимало потужних підсилювачів в інтегральному виконанні з відмінними характеристиками, навіть для професійного застосування. На сьогоднішній день існує ряд ІМС з кількома РОЗУМ в одному корпусі (фірма Panasonic випускає ІМС RCN311W64A-P з 6-ма підсилювачами потужності спеціально для побудови трисмугових стереосистем). Крім того РОЗУМ можна розташувати всередині АС і використовувати короткі дроти великого перерізу для підключення динаміків, а вхідний сигнал подати по екранованому тонкому кабелю. Однак, якщо навіть не вдається встановити РОЗУМ всередині АС, застосування багатожильних з'єднувальних кабелів не є складною проблемою.

Моделювання та вибір оптимальної структури активних фільтрів

При побудові блоку активних фільтрів було вирішено використовувати структуру фільтра високої частоти (ФВЧ), фільтра середньої частоти (смуговий фільтр, ФСЧ) і фільтра низької частоти (ФНЧ).

Це схемотехнічне рішення практично реалізовано. Було побудовано блок активних фільтрів НЧ, ВЧ та ПФ. Як модель трисмугової АС було обрано триканальний суматор, що забезпечує підсумовування частотних компонентів, згідно з рис.3.

Рис.3. Модель триканальної АС з набором активних фільтрів та ФСЧ на ПФ.

При знятті АЧХ такої системи при оптимально підібраних частотах зрізу очікувалося отримати лінійну залежність. Але результати виявилися далекі від передбачуваних. У точках поєднання характеристик фільтрів спостерігалися провали/выбросы залежно від співвідношення частот зрізу сусідніх фільтрів. Через війну підбором значень частот зрізу зірвалася привести прохідну АЧХ системи до лінійному виду. Нелінійність прохідної характеристики свідчить про наявність частотних спотворень у музичному оформленні, що відтворюється. Результати експерименту представлені на рис.4, рис.5 та рис.6. Рис.4 ілюструє сполучення ФНЧ та ФВЧ за стандартним рівнем 0.707. Як видно з малюнка в точці сполучення, результуюча АЧХ (показана червоним кольором) має суттєвий провал. При розсуванні характеристик глибина та ширина провалу збільшується відповідно. Рис.5 ілюструє сполучення ФНЧ і ФВЧ за рівнем 0.93 (зсув частотних характеристик фільтрів). Ця залежність ілюструє мінімально досяжну нерівномірність прохідної АЧХ шляхом підбору частот зрізу фільтрів. Як видно з малюнка, залежність вочевидь не лінійна. При цьому частоти зрізу фільтрів можна вважати оптимальними для системи. При подальшому зрушенні частотних характеристик фільтрів (сполучення за рівнем 0.97) спостерігається поява викиду в прохідній АЧХ у точці стику характеристик фільтрів. Подібна ситуація показана на рис.6.

Рис.4. АЧХ ФНЧ (чорний), АЧХ ФВЧ (чорний) та прохідна АЧХ (червоний), узгодження за рівнем 0.707.

Рис.5. АЧХ ФНЧ (чорний), АЧХ ФВЧ (чорний) та прохідна АЧХ (червоний), узгодження за рівнем 0.93.

Рис.6. АЧХ ФНЧ (чорний), АЧХ ФВЧ (чорний) та прохідна АЧХ (червоний), узгодження за рівнем 0.97 та поява викиду.

Основною причиною нелінійності прохідної АЧХ є наявність фазових спотворень на межі частот зрізу фільтрів.

Вирішити подібну проблему дозволяє побудова середньочастотного фільтра не у вигляді смугового фільтра, а з використанням суматора, що віднімає, на ОУ. Характеристика такого ФСЧ формується відповідно до формули: Uсч = Uвх - Uнч - Uвч

Структура такої системи представлена ​​рис.7.

Рис.7. Модель триканальної АС з набором активних фільтрів і ФСЧ на суматорі, що віднімає.

При такому способі формування каналу середніх частот пропадає необхідність точного настроювання сусідніх частот зрізу фільтрів, т.к. середньочастотний сигнал формується відніманням із повного сигналу сигналів фільтрів високих та низьких частот. Крім забезпечення взаємодоповнюючих АЧХ, у фільтрів виходять також і комплементарні ФЧХ, що гарантує відсутність викидів і провалів у сумарній АЧХ всієї системи.

АЧХ середньочастотної ланки з частотами зрізу Fср1 = 300 Гц і Fср2 = 3000 Гц наведено на рис. 8. За спадом АЧХ забезпечується загасання трохи більше 6 дБ/окт, що, як свідчить практика, цілком достатньо практичної реалізації ФСЧ і отримання якісного звучання СЧ ГГ.

Рис.8. АЧХ фільтр середніх частот.

Прохідний коефіцієнт передачі такої системи з ФНЧ, ФВЧ і ФСЧ на суматорі, що вичитує, виходить лінійним у всьому діапазоні частот 20 Гц ... 20 кГц, згідно з рис. 9. Повністю відсутні амплітудні та фазові спотворення, що забезпечує кристальну чистоту звукового сигналу, що відтворюється.

Рис.9. АЧХ системи фільтрів з ФСЧ на суматорі, що віднімає.

До недоліків подібного рішення можна віднести жорсткі вимоги до точності номіналів резисторів R1, R2, R3 (згідно з рис.10, на якому представлена ​​електрична схема суматора, що віднімає) що забезпечують балансування суматора. Ці резистори повинні використовуватися з допусками на точність трохи більше 1%. Однак при виникненні проблем з придбанням таких резисторів потрібно збалансувати суматор, використовуючи замість R1, R2 підстроювальні резистори.

Балансування суматора виконується за такою методикою. Спочатку на вхід системи фільтрів необхідно подати низькочастотне коливання з частотою набагато нижче частоти зрізу ФНЧ, наприклад 100 Гц. Змінюючи значення R1, необхідно встановити мінімальний рівень сигналу на виході суматора. Потім на вхід системи фільтрів подається коливання із частотою свідомо більшої частоти зрізу ФВЧ, наприклад 15 кГц. Змінюючи значення R2, ​​знову встановлюють мінімальний рівень сигналу на виході суматора. Налаштування закінчено.

Рис.10. Схема віднімає суматора.

Методика розрахунку активних ФНЧ та ФВЧ

Як показує теорія для фільтрації частот звукового діапазону, необхідно застосовувати фільтри Баттерворта не більше другого або третього порядку, що забезпечують мінімальну нерівномірність у смузі пропускання.

Схема ФНЧ другого порядку представлена ​​рис. 11. Його розрахунок провадиться за формулою:

де a1 = 1.4142 і b1 = 1.0 - табличні коефіцієнти, а С1 і С2 вибираються із співвідношення C2/C1 більше дорівнює 4xb1/a12, причому не слід вибирати відношення C2/C1 багато більшим правої частини нерівності.

Рис.11. Схема ФНЧ Баттерворт 2-го порядку.

Схема ФВЧ другого порядку представлена ​​рис. 12. Його розрахунок провадиться за формулами:

де C=C1=C2 (задаються перед розрахунком), а a1=1.4142 і b1=1.0 - самі табличні коефіцієнти.

Рис.12. Схема ФВЧ Баттерворт 2-го порядку.

Фахівці МАЙСТЕР КІТ розробили та дослідили характеристики такого блоку фільтрів, що володіє максимальною функціональністю та мінімальними габаритами, що є суттєвим при застосуванні пристрою в побуті. Використання сучасної елементної бази дозволило забезпечити максимальну якість розробки.

Технічні характеристики блоку фільтрів

Принципова електрична схема активного фільтра показано на рис.13. Перелік елементів фільтра наведено у таблиці.

Фільтр виконано на чотирьох операційних підсилювачах. ОУ об'єднані в одному корпусі ІМС MC3403 (DA2). На DA1 (LM78L09) зібраний стабілізатор напруги живлення з відповідними фільтруючими ємностями: С1, С3 по входу і С4 по виходу. На резистивному дільнику R2, R3 та конденсаторі С5 виконана штучна середня точка.

На ОУ DA2.1 виконано буферний каскад сполучення вихідного та вхідних опорів джерела сигналу та фільтрів НЧ, ВЧ та СЧ. На ОУ DA2.2 зібрано фільтр НЧ, на ОУ DA2.3 – фільтр ВЧ. ОУ DA2.4 виконує функцію формувача смугового фільтра СЧ.

На контакти X3 і X4 подається напруга живлення, контакти X1, X2 - вхідний сигнал. З контактів X5 X9 знімається відфільтрований вихідний сигнал для тракту НЧ; з X6, X8 – ВЧ та з X7, X10 – СЧ трактів відповідно.

Рис.13. Схема електрична принципова активного трисмугового фільтра

Перелік елементів активного трисмугового фільтра

Позиція Найменування Примітка Кільк.
С1, С40,1 мкФПозначення 104 2
C2, C10, C11, C12, C13, C14, C150,47 мкФПозначення 474 7
С3, C5220 мкФ/16 ВЗаміна 220 мкФ/25 В 2
С6, C81000 пФПозначення 102 2
С722 нФПозначення 223 1
С910 нФПозначення 103 1
DA178L09 1
DA1MC3403Заміна LM324, LM2902 1
R1…R310 ком 3
R8…R1210 комДопуск трохи більше 1%* 5
R4…R639 ком 3
R775 ком - 1
Колодка DIP-14 1
Штирьовий роз'єм 2-х контактний 2
Штирьовий роз'єм 3-х контактний 2

Зовнішній вигляд фільтра показано на рис.14, друкована плата – на рис.15, розташування елементів – на рис.16.

Конструктивно фільтр виконаний на друкованій платі із фольгованого склотекстоліту. Конструкція передбачає встановлення плати у стандартний корпус BOX-Z24A, для цього передбачені монтажні отвори по краях плати діаметром 4 та 8 мм. Плата в корпусі кріпиться двома гвинтами-саморізами.

Рис.14. Зовнішній вигляд фільтра.

Рис.15. Друкована плата активного фільтра.

Рис.16. Розташування елементів на друкованій платі активного фільтра.


Автор уже багато років професійно займається конструюванням та виробництвом ексклюзивних акустичних систем. У цій статті він розповідає про конструкцію трисмугового стереокомплекту АС, де встановлені високоякісні динамічні головки відомих зарубіжних виробників. У кросовері застосовані також високоякісні компоненти, що покращують вірність відтворення музичних записів різних жанрів.

Ця акустична система була одним з експонатів виставки "Російський Hi-End 2015", де викликала інтерес багатьох відвідувачів та заслужила високі оцінки фахівців та аматорів при демонстраційних прослуховуваннях.

Проект цієї акустичної системи (АС) було розпочато давно, але доробити першу пару вдалося лише до 15-ї виставки "Російський Hi-End" у листопаді 2015 р. Нещодавно було зроблено другу пару з невеликими змінами: спрощено корпус і трохи змінено кросовер за результатами прослуховування та вимірювань.

В АС застосовані динамічні головки: високочастотна Morel ET338-104, середньочастотна Scan-Speak 15M/4531K00 та низькочастотна SEAS H1215.

ВЧ-головка ізраїльської фірми з м'яким куполом відрізняється дуже потужною магнітною системою та малими нелінійними спотвореннями. Незважаючи на наявність магнітної рідини в зазорі, вона має динамічне звучання і добре передає звучання мідних і ударних інструментів.

СЧ-головка діаметром 15 см датської фірми Scan-Speak у серії Reve-lator стала однією з найкращих серед СЧ-головок усіх виробників. Її рухома система відрізняється великим лінійним ходом (саме для СЧ-головки) і допускає відносно низьку частоту поділу. Нелінійні спотворення в робочій смузі частот дуже малі: магнітна система має два мідні кільця, що лінеаризують. Паперовий дифузор має спеціальні надрізи, що забезпечують більш рівну АЧХ наприкінці поршневого режиму.

НЧ-головки діаметром 18см (6,5 дюйма) норвезької фірми SEAS - звичайні з паперовим дифузором, просоченим із зовнішнього боку. Просочення забезпечує рівний спад АЧХ вище за робочу смугу частот. У кожній АС встановлені дві головки в загальному обсязі. Акустичне оформлення – з фазоінвертором (ФІ).

Дві головки розміром 6,5 дюйма мають площу дифузора трохи більше ніж одна восьмидюймова головка. Також у H1215 область поршневого режиму тягнеться до частоти 800 Гц, а у головки розміром 8 дюймів тієї ж фірми поршневий режим закінчується на частотах вище 600 Гц. У H1215 параметр прискорення Bl/M ms = 496, а у восьмидюймової головки він зазвичай не перевищує 350.

Необхідний об'єм для НЧ-головок та частоту налаштування ФІ можна оцінити в програмі на Exel (freeware) Unibox (автор - данець Kristian Kougaard), заклавши в неї параметри головок із переліку характеристик (datasheet). Ця проста та зручна програма дозволяє врахувати багато параметрів головок, різні конфігурації та розрахувати різні оформлення. При розрахунках необхідно враховувати ймовірний активний опір котушки фільтра НЧ-ланки.

Для двох H1215, з'єднаних паралельно, розрахунки показують оптимальний обсяг приблизно 32 л, а при діаметрі труби фазоінвертора 66 і довжині 116 мм частота налаштування ФІ - близько 43 Гц. Ці розміри відповідають розмірам готового фазоінвертора AH-4 китайського виробництва. Згодом труба ФІ була обрізана до довжини 100 мм. Реальна частота налаштування стала близько 44 Гц.

У прототипі АС НЧ-головки були встановлені кожна у свій відсік, що дозволило коректно провести вимірювання.

Креслення корпусу та його деталей (рамка для тканини – гриль) показано на рис. 1 та 2.

Мал. 1. Креслення корпусу та його деталей

Мал. 2. Креслення корпусу та його деталей

Корпус виконаний з матеріалу MDF (іноді застосовують трансліт МДФ – дрібнодисперсійна фракція з деревини). Передня панель та основа мають товщину 25 мм, інші панелі – 16 та 20 мм. Корпус оброблений шпоном і кріпиться до знімної основи, пофарбованої в чорний колір. АС рекомендується встановлювати на шипи, для чого в основі передбачені сталеві втулки з різьбленням.

Коли акустична система проектується з нуля, можуть знадобитися макетні корпуси для відпрацювання конструкції, але в цьому випадку (до виставки) було вирішено замовити одразу чистовий корпус у шпоні.

Похильна перегородка між відсіками СЧ і НЧ Ас зроблена для часткового придушення вертикальної стоячої хвилі в корпусі і для зменшення обсягу відсіку СЧ. При горизонтальній перегородці цей відсік виходив занадто великим, а для отримання необхідного об'єму відсіку нЧ доводилося збільшувати загальну висоту АС, яка і так була більша за метр (1052 мм без шипів). Відсік СЧ заповнений синтепоном більш ніж на 50%, але простір біля СЧ-головки вільний від синтепону.

Для акустичних вимірювань потрібний вимірювальний комплекс. У найпростішому вигляді це мікрофон, звукова карта комп'ютера і комп'ютерна програма для електроакустичних розрахунків. Я використовую вимірювальний комплекс LMS американської фірми LINEARX. Він не випускається нині, але дуже зручний вимірювань і дозволяє вимірювати АЧХ в непідготовленому приміщенні. Комплекс включає мікрофон, плату для комп'ютера та програмне забезпечення.

Існують й інші засоби вимірювань, наприклад, Clio італійської фірми Audiomatica SRL або MLSSA. Проте для аматорських вимірювань подібні системи дуже дорогі.

Простішим засобом є програма LoudSpeaker LAB 3 шведського автора, але вона не безкоштовна. Програма дозволяє використовувати звукову карту комп'ютера з відповідним для цього мікрофоном.

Закінченим та відносно недорогим рішенням є ATB PC PRO німецької фірми Kirchner. Незважаючи на трохи примітивну реалізацію, ця комп'ютерна програма дозволяє проводити вимірювання, достатні для виготовлення якісних АС.

На рис. 3 показані АЧХ динамічних головок, виміряні по звуковому тиску, але в рис. 4 - характеристики їхнього імпедансу. АЧХ виміряно з відстані 0,5 м по осі випромінювання відповідних головок. Пунктирна лінія – для ВЧ-головки, штрихпунк-тирна – для СЧ-головки, суцільна – для НЧ-головки.

Мал. 3. АЧХ динамічних головок, виміряні за звуковим тиском

Мал. 4. Характеристики імпедансу динамічних головок

АЧХ по звуковому тиску згладжені для зручності застосування. Система не тарована для вимірювання абсолютного значення звукового тиску, тому графіки не відповідають заявленій чутливості головок. Рівень сигналу вибирається виходячи із зручності вимірювань так, щоб не заважали шуми системи та не було великих спотворень.

Після вимірювань графіки експортуються до програми-симулятора, яка дозволяє змоделювати АЧХ та інші параметри системи з урахуванням фільтра. Програма також дозволяє розрахувати елементи фільтрів кросовера та оптимізувати АЧХ. Я користуюсь програмою LspCAD 5.25 автора Ingemar Johansson. Вона є досить потужною, але не дуже складною в освоєнні. Існує пізніша версія, але вона недостатньо зручна.

Є ще дуже потужна програма LEAP того ж LINEARX, що робив LMS. Вона досконаліша, але важка у використанні.

Готовий результат моделювання подано на рис. 5. Верхній графік - сумарна АЧХ на осі ВЧ-головки в нескінченності (товста лінія) та АЧХ головок зі своїми фільтрами (тонкі лінії). АЧХ не можна назвати рівною, але це не критично, тому що симулятор показує більш рівну АЧХ на осі на 5 град. вище за осі ВЧ-головки. Нижній графік – характеристика імпедансу АС та головок з відповідними фільтрами.

Мал. 5. Результат моделювання

Схема фільтрів кросовера одного каналу АС показано на рис. 6.

Мал. 6. Схема фільтрів кросовера для одного каналу АС

У кросовері на НЧ використано фільтр першого порядку (котушка індуктивності L4). Смуга СЧ також обрізана зверху та знизу фільтром першого порядку (C2 та L2). Для лінії ВЧ застосований фільтр другого порядку (dL1).

Акустичний та електричний порядки спаду фільтрів зазвичай не збігаються, тому що у смузі затримання фільтра АЧХ головок мають власні нерівномірності. Тому реальні спади поблизу частот поділу в смугах НЧ і близькі до першого, у смугах СЧ зверху та ВЧ - ближче до третього через власні спади АЧХ головок, які додаються до спаду, що забезпечується електричним фільтром.

В АС всі головки підключені синфазно. Зазвичай басові головки не вдається звести фільтром першого порядку і без переполюсування - частіше застосовується другий порядок. Тут це вдалося ціною більшої нерівномірності сумарної АЧХ. Низький порядок фільтрів означає ширші області спільної роботи головок та пелюсткові діаграми спрямованості у вертикальній площині з вузькими центральними пелюстками. Але АС з фільтрами низьких порядків звучить більш природно, разом і живо.

Ланцюг R6C5 разом з котушкою L4 утворюють фільтр-пробку, що вирізує невеликий викид на АЧХ басових головок, який чути, якщо не вжити спеціальних заходів. Одночасно цей ланцюг трохи зменшує нахил АЧХ вище частоти поділу, тому, щоб компенсувати це зменшення нахилу, введено ланцюг R7C6.

Контур L5C7 (як режектор) усуває підйом в імпеданс басової ланки на частотах близько 75 Гц. Це потрібно для усунення піку на АЧХ гучномовця, який маскує нижній бас. Це явище називається "накачуванням", термін запропонований С. Д. Батем. Більшість виробників АС не враховують це явище, хоча існують проекти АС, де застосовується подібний ланцюг, що вирівнює імпеданс.

У кросовері застосовані поліпропіленові конденсатори, причому С1 і С2 - Mundorf Supreme (дорогі, чорного кольору - див. далі). Ціна конденсаторів С2, СЗ (складання з чотирьох штук) можна порівняти з ціною СЧ-головки, але в хорошому тракті різниця в звучанні АС з такими конденсаторами помітна. Для економії його можна замінити іншим – Mundorf МСар (білого кольору). Можна використовувати частково Supreme, а частково MCap (як C4). Конденсатор С7 – неполярний оксидний (Mundorf Bipolar).

Котушки - звичайні з обмотувального дроту, крім L2 (Mundorf CFC16), яка намотана стрічковим обмотувальним (JBSPL дротом. Діаметри дроту для котушок L1 та L3 (Mundorf L100) - 1 мм, для L4 (Mundorf L140) - 1,4 мм, L5 (Mundorf L71) - 0,71 мм (опір близько 4,5 Ом.) Котушка L5 може бути на феромагнітному сердечнику, і її опір може відрізнятися, в цьому випадку сума опору котушки L5 та додаткового резистора (на схемі не показаний) повинна Приблизно дорівнює 4,5 Ом. Резистори в кросовері - металооксидні (Mundorf MResist MOX).

На фото рис. 7 кросовер показаний у зборі. Деталі монтують на висновках навісним монтажем і кріплять термоклеєм до панелі МДФ, фанери або іншого матеріалу товщиною 3...6 мм. Фільтри зібрані на двох панелях: разом для СЧ-ВЧ та окремо – для НЧ. Панель фільтра НЧ кріпиться до бічної стінки АС у відсіку нижньої НЧ-головки, а панель фільтрів для СЧ та ВЧ головок – до бічної стінки у відсіку верхньої НЧ-головки. Отвори, через які проходять дроти від фільтрів до СЧ-і ВЧ-головок, повинні бути загерметизовані пластиліном.

Мал. 7. Кросовер у зборі

Подивимося, які реальні імпеданс та АЧХ забезпечує даний кросовер.

На рис. 8 показана АЧХ АС в кімнаті, знята з відстані 1 м по осі головки ВЧ. Видно, що вона схожа на продукт моделювання (див. рис. 4), але виявилася більш рівною, ніж передбачав симулятор. Таке часто буває через те, що динамічні головки за умовчанням при моделюванні та вимірах вважаються мінімофазовими, а насправді, за межами поршневого режиму, це може не виконуватися.

Мал. 8. АЧХ АС

Тому одразу змоделювати "правильний" фільтр не вийде. Потрібні зміни у фільтрах та додаткові вимірювання та прослуховування.

Реально АЧХ (згладжена у третину октави) укладається у відхилення ±3 дБ, якщо не звертати уваги на АЧХ нижче 300 Гц, де помітно впливає приміщення.

Зокрема, через інтерференцію прямого від АС та відбитого від статі сигналів у мікрофона фіксується спад АЧХ в області близько 200 Гц. При віддаленні від АС цей ефект нівелюється. Локальні максимуми на частотах 34 і 60 Гц обумовлені стоячими хвилями, які сприймає мікрофон у цій точці (на 34 Гц - між стінами, на 60 Гц - між підлогою та стелею). Максимум в області 140 Гц виник через відбиття від меблів, що близько стоять.

Враховуючи незначне згладжування характеристики, результат – цілком гідний.

На рис. 9 показано частотну характеристику імпедансу АС. Вона практично збігається з розрахованою під час моделювання. Невеликий пік на 180 Гц – непригнічена вертикальна стояча хвиля у відсіку НЧ. Мітки на 100 Гц та 1 кГц генеруються програмно, насправді їх немає.

Мал. 9. Частотна характеристика імпедансу АС

Видно, що імпеданс у робочій області частот не падає нижче 3,3 Ом і не перевищує 7,2 Ом (крім низькочастотного горба фазоінвертора). Систему можна вважати номінально четирехомной, і вона може використовуватися з ламповим підсилювачем, так як має досить рівний імпеданс і досить високу чутливість.

Технічні характеристики АС

Номінальний опір, Ом........................ 4

Чутливість при 2,83 В, дБ.........................88

Смуга відтворюваних частот при нерівномірності ±3 дБ, Гц.........40...20000

На фото рис. 10 показаний перший стереокомплект АС (корпусу по краях стенду), виготовлений та представлений на виставці "Російський Hi-End" у 2015 р. На думку багатьох відвідувачів, за середньої вартості комплектуючих та виготовлення якість обробки корпусів досить висока, а звучання АС оцінено як збалансоване і природне на багатьох музичних жанрах, хоча, треба визнати, фонограмами "важкого металу" або "року" автор там не мав...

Мал. 10. Стереокомплект АС

Література

1. Morel ET338-104. - URL: http://www. morelhifi.com/product/et-338-104/(21.04.16).

2. Scan-Speak 15M/4531K00. - URL: http://www.scan-speak.d/datasheet/pdf/15m-4531k00.pdf (21.04.16).

3. SEAS H1215 CA18RNX. - URL: http://www.seas.no/index. php?option=com_conte nt&view = article&id = 340:h1215-08-ca18rnx&catid=44&Itemid=461 (21.04.16).


Дата публікації: 14.08.2016

Думки читачів
  • Георгій Крилов / 14.06.2017 - 12:17
    Там у схемі друкарська помилка. R6 має бути не 2.2 ома, а 22 ома.
  • Георгій Крилов / 30.03.2017 - 00:23
    Там у схемі фільтра друкарська помилка. R6 не 2.2Ом, а 22. Володимиру: котушка L3 намотана дротом 1мм. Усі котушки Мундорф. Сумарний опір R5L3 близько трьох Ом. Через те, що в "Радіо" перемалювали схему за неіснуючим ГОСТом неіснуючої країни, там з'явилася помилка і зникли мої примітки за типом та характеристиками елементів.
  • Георгій Крилов / 08.10.2016 - 03:06
    L3 - Мундорф L100 - опору десь 0.2-.3 ома. Найважливіше опір котушки L5, її опір 4.5 ома. У мене в матеріалах статті була схема з даними елементів, але редакція перемальовує схему за ДСТУ екс-СРСР, і змусити її зберегти мою схему я не міг. Щоправда, у тексті є назви та параметри елементів.
  • Володимир / 19.08.2016 - 12:26
    Автор добре описав НЧ ланку фільтра. ВЧ ланка описів не вимагає. А ось конструкція СЧ ланки породжує деякі питання. Ланцюжок R5C4L3, певне, використовується придушення горба 4,5 – 5 кГц на АЧХ СЧ головки? Адже частота резонансу послідовного коливального контуру C4L3 за моїми підрахунками приблизно 4,5 кГц. Резистор R5 змінює добротність контуру, регулюючи глибину ріжекції. А ось який сумарний опір R5L3? Це важливо при виготовленні котушки. І чи не краще при розрахунку котушки вказати необхідний номінал її опору та виготовити котушку вже потрібної добротності?


Пропоную обговорити тему активних фільтрів для АС. Прохання висловитися тих, хто має практичний досвід виготовлення та прослуховування таких фільтрів, А я покажу, що вийшло у мене.

Активні фільтри, на мій погляд, переважають саме двосмугові, але для трисмугових АС. Частота розділу двосмугових АС завжди знаходиться в області максимальної чутливості слуху - кілька кГц тому що пищалки не можуть працювати до частоти 100 ... 500 Гц, а басовики через великий діаметр дифузора виходять з поршневого діапазону і на частотах 4 ... 6 кГц працюють неважливо .
Широкополосники – компроміс і їм бажані милиці зверху чи знизу.

Отже, на частотах розділу близько 2 кГц добре працюють пасивні фільтриа при роботі мікросхем на цих частотах, а особливо близько 6 кГц (розділ між СЧ і ВЧ), можуть виникнути труднощі. На частотах розділу в сотні Гц звичайні мікросхеми активних фільтрахпрацюють дуже добре.
Отже, ділимо звуковий діапазон на НЧ та СЧ-ВЧ на частотах 100...500 Гц, а СЧ-ВЧ ділимо найпростішим пасивним фільтром першого порядку.


На фото зібраної плати (вгорі) впаяно не всі затискачі – просто вони закінчилися.
Живлення +-12 ... 15 В. На схемі не вказані конденсатори по живленню.
Налаштування постійного струму не потрібне.

Дослідження та випробування

У мене є динаміки, які я хочу використовувати в НЧ ланці, у штатних колонках був фільтр, з яким вони працювали до 150 Гц, при цьому котушка пасивного фільтрабула 7,5 мГн, конденсатори відповідної ємності. Намотати такі котушки для динаміка 4 Ом проблематично, якісні неполярні конденсатори дуже великої ємності дуже дорогі, тому вирішив зробити активні фільтри.


Виміряна АЧХ моїх динаміків

Крім того активні фільтринезамінні при значній різниці у чутливості головок, вони дозволяють використовувати низькочутливі НЧ динаміки з високочутливими головними СЧ-ВЧ.
З АЧХ головки видно, що немає сенсу ловити мікрони і досягати саме 150 Гц, цілком годиться 100 ... 250 Гц.

Остаточне підстроювання повинно проводитися під час прослуховування зібраних колонок та вимірювання за допомогою мікрофона. Таке підстроювання простіше здійснити саме активними фільтрами, в чому я переконався при налаштуванні фільтрів.
Спочатку я зняв ЧХ фільтра з рекомендованими номіналами деталей, що отримав.


АЧХ оригінальної схеми фільтра


На частоті розділу горби, які у сумі дають 6 дБ, що, вважаю, занадто багато.
Я думав, що установки підстроювального резистора R5 (на платі передбачив отвори під підстроювальний та постійний резистори), буде достатньо для налаштування. Ось що виходить при зменшенні R5.


Частота розділу зрушується нагору, горб росте. Просте збільшення R5 не вирішує проблему, на жаль. Довелося відійти від рекомендацій першоджерела та взятися за R4. Вийшло!


Нерівномірність близько 1 дБ. У разі збільшення R5 частота розділу повзе вниз, нерівномірність зменшується. При R4=12 ком R5=54 ком отримуємо.


Практично пряма лінія сумарної АЧХ, все відмінно!

Забув сказати, що я та 0 дБ – це нуль, загальне посилення системи близько -1 дБ (мінус 13%), невелика хвилеподібність нижче 40 Гц через застосований підсилювач на К174УН14, нею можна знехтувати. Недолік - частота розділу стала 63 Гц замість 150. Звідси я зробив висновок, що треба встановити конденсатори меншої ємності, в платі я передбачив отвори для них, і знову налаштувати.

Проте результат, особливо для випробувань, мене влаштував. За результатами випробувань я вирішу, чи варто ловити бліх в 1 дБ і чи сама ідея активних фільтрів свіч. Проміжний результат для R4=13 кОм та R5=16 кОм.


У результаті я встановив номінали деталей, як на схемі, що вийшло. Частота розділу гаразд, але нерівномірність дещо зросла.

Без налаштування впаяв деталі в інший канал, ідентичність дуже непогана. Конденсатори перед установкою відбирав я з точністю приблизно 5%, резистори не підбирав.

Рівень сигналу в СЧ-ВЧ каналі більший приблизно на 0,7 дБ, при підсумовуванні я це враховував. Остаточне вирівнювання буде в кінцевих підсилювачах.
Повторюся, крутість фільтрів для СЧ-ВЧ невелика, можливо, є сенс у добавці конденсатора послідовно із СЧ-ВЧ головками, це покаже прослуховування.

Плани

На черзі виготовлення та випробування фільтрів Linkwitz-Riley 4-го порядку. Кількість мікросхем і складність налаштування на порядок більша, але є можливість більш тонкого підганяння під конкретні АС.

Файли

Якщо знайдуться охочі повторити конструкцію, наводжу плату у форматі lay.
▼