Расчёт корпуса и фильтров акустической системы. Расчёт разделительных фильтров Схемы акустических фильтров

Конструирование акустических систем по готовым чертежам дело, конечно, увлекательное, но элемент творчества при этом, как ни крути, отсутствует. Вот если бы овладеть основными принципами построения АС, а затем все самому рассчитать и сделать из того, что есть под руками, — вот был бы класс! Это возможно, если взять несколько уроков у опытного мастера. Сегодня — первое занятие.

Уроки труда,
или методика создания акустических систем

Все любители и специалисты, заинтересованные в достоверном воспроизведении звука, знают, что без хороших акустических систем не обойтись. Поэтому особенно озадачивают противоречия между различными взглядами на критерии качества АС. Ещё менее ясно, какие методы создания АС надежнее и приводят к приемлемым результатам.

Даже начального опыта прослушивания достаточно, чтобы заметить очень большую разницу между звучанием одной и той же музыки на разных моделях. При этом основной параметр - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - почти всегда близок к идеалу, если верить данным фирм-производителей.

Большинство меломанов не может самостоятельно измерить АЧХ и приходит к выводу: проблема АЧХ практически решена, качество воспроизведения звука зависит от конструкции и материалов динамиков, корпусов, кроссоверов. Например: катушка без сердечника - хорошо, с сердечником - хуже. Или: корпус весом в 40 кг лучше, чем 20-килограммовый, при тех же габаритах и т.д.

Разумеется, оспаривать влияние динамиков, корпусов, элементов кроссовера, кабелей внутренней разводки, звукопоглотителей и прочих составляющих было бы ошибкой, но всё ли в порядке с АЧХ? Независимые измерения, например, в хорошо оснащённых лабораториях авторитетных зарубежных и отечественных аудиожурналов, не подтверждают оптимистических параметров, заявленных производителями.

На практике каждая модель АС имеет свою кривую АЧХ, разительно отличающуюся от других разновидностей колонок, причем это относится к любой ценовой группе. Наблюдаемая разница многократно превосходит порог заметности, известный из психоакустики, ее просто невозможно не услышать. И слушатели её, конечно, замечают как различие тембрального баланса при воспроизведении одних и тех же композиций разными АС. Идентифицировать искажения тембра с проблемами равномерности АЧХ нелегко, ведь перед глазами - ровные, будто по линейке нарисованные характеристики от изготовителя.

Не факт, что эти изумительные графики - обман. Просто для рекламы измерения производятся по методикам, обеспечивающим «благообразный» вид кривых. Например, при повышенной скорости сканирования рабочего диапазона в сочетании с высокой инерционностью, то есть усреднением пиков и провалов при регистрации зависимости звукового давления от частоты.

Производителей можно понять, в конце концов, все мы хотим выглядеть несколько лучше, чем на самом деле, и поэтому причёсываемся, умываемся и т.д. перед ответственными встречами.

Гораздо интереснее другое: почему одна АС с «плохой» АЧХ звучит хорошо, а другая, может быть, обладающая менее безобразной характеристикой, - гораздо хуже? Независимые, более «честные» измерения выявляют несовершенство передачи тембрального баланса из-за особенностей АЧХ, но не помогают интерпретировать, расшифровать смысл «перегибов» и дисбалансов характеристик, раскрыть связь между поведением кривой и конкретными особенностями звучания АС. Вот подходящее сравнение: кардиограмма ничего не говорит обычному человеку, тогда как врач-специалист способен прочитать по ней состояние пациента.

Наша сегодняшняя задача - научиться анализировать АЧХ. Начнём с самого общего вопроса. Почему, обладая всем необходимым, разработчики не создают идеальной, одинаково хорошо звучащей акустики. Ведь идеал, эталон - только один! Очевидно, что все колонки, близкие к нему, будут звучать очень похоже. Существует ряд общепризнанных методик обеспечения «ровной» АЧХ, и одна из основных - настройка АС в заглушенной, безэховой камере. Есть и другие, вроде бы логичные и адекватные методы, например, настройка по импульсным сигналам. Но работая по одинаковым алгоритмам, специалисты каждый раз получают разный результат. Вспомните откровения авторитетных зарубежных мастеров, опубликованные в аудиопрессе: «… обеспечив идеальную АЧХ в звукомерной камере, мы потом «портим» эту характеристику для получения приемлемого звучания в обычных условиях…». Не пора ли прекратить молиться на равномерность АЧХ с точки зрения некой общеизвестной методики измерения?

Ведь любой способ измерения в науке и технике неизбежно даёт целый комплекс разносортных ошибок. В нашем случае самые вредные ошибки - методические, то есть связанные с несовершенством самого подхода. Например, где располагать микрофон относительно АС в звуковой камере? На акустической оси? А где эта ось? Перед ВЧ-динамиком? А если он воспроизводит начиная с 8 кГц? Тогда, видимо, точнее мерить на оси СЧ-динамика? А если сместить микрофон на 5 см выше? Получим совсем другую АЧХ. На какую ориентироваться? И почему мы думаем, что ухо слушателя окажется именно там, где находился микрофон?

Кроме того, на НЧ и нижней середине АС активно взаимодействует с полом, влияние которого в безэховой камере отсутствует.

Об интеграции излучения АС с помещением прослушивания в данный момент даже и разговор не будем начинать. Это взаимодействие очень сильно влияет на звучание, но его конкретные проявления бесконечно разнообразны, поэтому не умещаются в «ложе» какой-либо математической модели, с достаточной точностью необходимой для действительно высокого качества воспроизведения.

Ещё интересный факт: в реальном помещении суммарная АЧХ двух АС стереопары, даже при сильном усреднении, сильно отличается от АЧХ одной АС. Традиционные методики настройки АС не учитывают этого важного обстоятельства. Это недопустимо, так как главные персоны в музыке - солисты - чаще всего локализуются в центре звуковой сцены, то есть - воспроизводятся обеими АС.

Можно сделать вывод: при таком обилии методических ошибок обычные способы контроля АЧХ дают неправильную характеристику для реально очень ровных АС (например, Audio Note, Magnepan и т.д.). С другой стороны, крайне подозрительно выглядят полученные по ненадёжным методикам слишком гладкие АЧХ. В этом случае ошибки измерений скомпенсированы специально сформированной характеристикой, которую разработчик обеспечивает, слепо доверяя не оправдавшим себя на практике способам измерений.

Меньше всего мне хотелось бы заменять веру в одни несовершенные принципы верой в другие, мои. Они тоже далеко не идеальны, в них присутствуют заметные методические ошибки, только менее грубые.

Залог прогресса - понимание недолговечности роли достигнутых знаний и умений, готовность воспринимать, в процессе практической работы и исследований, новые открытия. Надо уметь пересматривать подходы к достижению лучших результатов, если количественный рост позволяет совершить качественный скачок.

Итог работы зависит от методов и развития личности создателя АС. Известны превосходные изделия, рожденные в рамках традиционных подходов, при условии высочайшего класса и опыта разработчиков.

Моя цель - вооружить всех желающих достаточно эффективной методикой создания АС с приемлемым звучанием. Длинное вступление было необходимо для того, чтобы обратить ваше внимание на факторы, мешающие развивать искусство настройки АС.

Мне бы хотелось передать свой опыт, не тратя на это непомерных «писательских» усилий. Поэтому буду рассказывать только о добытых на практике фактах и методах работы, без обоснований и теоретических объяснений. Мой принцип - уверенно излагать своё мнение можно, если имеется аудиосистема, хорошим звучанием подтверждающая рекомендации автора. Для доступности расчёты и приёмы настройки максимально упрощены, без существенного вреда для результата.

Урок первый. Корпус

В первую очередь ограничим необъятную тему. Рассмотрим разработку и настройку двух полосных АС с фазоинвертором (ФИ). Такой тип легче «поддаётся» новичкам. Договоримся, что озвучиваем жилую комнату 10 - 20 м². Это определяет выбор диаметра НЧ/СЧ-динамика. В этом случае оптимальный диаметр диффузора - 10 - 20 см (примерно). Паспортная мощность (100 часов разового шума без повреждения громкоговорителя) - 20 - 60 Вт. Чувствительность - 86 - 90 дБ/Вт/м. Резонансная частота (вне корпуса) - не выше 60 Гц. Если вас устроит нижняя граничная частота (готовой АС) 100 Гц, можно брать динамик с резонансом 80 - 100 Гц.

Кстати, если АС без завала воспроизводит хотя бы от 100 Гц, звучание вполне фундаментально и «весомо», только иногда исчезают некоторые необязательные, но очень желательные элементы звуковой картины. Их можно восстановить сабвуфером, но чтобы при этом не испортить звук, надо набраться опыта его согласования с сателлитами.

Не обольщайтесь по поводу паспортных данных недорогих АС, свидетельствующих о воспроизведении НЧ от 30 до 40 Гц. Реально в формировании звуковой картины участвуют только те низкие ноты, которые отыгрываются без «завала». Всё, что имеет спад хотя бы 4 - 5 дБ, маскируется «верхним басом» (80 - 160 Гц), поэтому для большинства АС воспринимаемый на слух диапазон начинается с 50 - 80 Гц. Мы же привыкли думать, что это 30 - 40 Гц, поскольку ориентируемся на паспортные данные с допустимым отклонением -8 - -16 дБ. Повнимательнее посмотрите в аудиопрессе на реальные частотные характеристики колонок. Отмерьте, в соответствии с приведённым масштабом, -3 дБ от среднего уровня, и вы увидите, что даже крупные напольные АС эффективно работают где-то от 50 Гц.

Если диаметр диффузора - 10 - 12 см, чувствительность - 86 - 88 дБ/Вт/м, а мощность - 20 - 30 Вт (типичные параметры недорогого динамика), то о «домашней дискотеке» придётся забыть. С другой стороны, громкоговорители минимального диаметра нередко имеют более равномерную АЧХ, чем большие.

«Малыши» лучше по ширине и равномерности диаграммы направленности. Интересно, что одна из высочайших по качеству АС фирма System Audio принципиально использует только маленькие мидбасовые динамики. Полная добротность современных небольших НЧ-головок обычно составляет 0,2 - 0,5.

Не надейтесь на расчёты низкочастотного оформления, практические результаты им соответствуют недостаточно точно. Опыт показывает: лучше выбрать динамики с добротностью больше 0,3 - 0,4, иначе, даже с фазоинвертором, трудно обеспечить приемлемый бас. Для таких громкоговорителей имеет смысл изготавливать корпуса объёмом, примерно равным эквивалентному объёму громкоговорителя.

10 см - ≈ 18 литров;

16 см - ≈ 26 литров;

20 см - ≈ 50 литров.

В качестве базисного варианта рассмотрим корпус с ФИ для громкоговорителя диаметром 16 см. Объём - 26 литров. Площадь сечения ФИ - 44 см². Длина трубы ФИ - 20 см. Частота настройки - около 40 Гц. Площадь сечения ФИ должна составлять 20 - 25% от площади диффузора Sд.

Sд = π (d/2)²,

где d - диаметр диффузора, ограниченный серединой подвеса (рис. 1).

Рис. 1

1. Громкоговоритель d = 9 см, Эквивалентный объём (Vэ) ≈ 8 л. 8 литров меньше 26 литров в 3,25 раза. Надо скомпенсировать разницу изменением длины (l) и площади (Sфи) трубы ФИ, иначе частота резонанса ФИ резко повысится.

Понижают частоту настройки Fфи увеличением lфи и снижением Sфи.

Sд = π (9 см/2)² = 3,14 (4,57 см)² ≅ 63,6 см²

находится в диапазоне:

Sфи ≈ 63,6 см²/5 … 63,6 см²/4 ≅ 13 см² … 16 см².

В данном случае уменьшение Sфи вносит вклад в понижение Fфи в

44 см²/(13 см² … 16 см²) ≈ 2,75 … 3,38 разa,

что вполне компенсирует изменение объёма АС в 3,25 раза.

Кстати, компенсировать снижение объёма увеличением длины трубы ФИ для маленького корпуса (V = 8 литров) невозможно. Тем более что от внутреннего среза трубы ФИ до ближайшего препятствия (до стенки корпуса АС) должно быть свободное расстояние не менее 8 см (в крайнем случае - 5 см). То есть один из габаритов корпуса (параллельный оси трубы ФИ) должен быть равен lфи (20 см) + 8 см (свободное пространство) + примерно 3 см (толщина двух стенок корпуса) = 31 см.

Для 8-литрового корпуса такой большой размер может быть только высотой. Возможная конструкция щелевого ФИ с прямоугольным сечением трубы показан на рис. 2а.

Рис. 2

Это очень непрактичная конструкция, так как требуется установка на специальную подставку, не загораживающую выход ФИ. Если вывести порт наверх, установка АС упростится, но вид сверху ухудшится, кроме того, колонка превратится в отличную ловушку для пыли, сора и мелких предметов.

Очень удобна конструкция, показанная на рис. 2б. Однако она требует увеличить высоту до 31 см + 8 см = 39 см. Это не всегда допустимо.

Можно изготовить корпус в виде глубокой «буханочки», с наибольшим размером - в глубину (рис. 2в).

Если не удаётся обеспечить нужную длину трубы, можно:

во-первых, выбрать минимальную

Sфи = Sд / 6; Sфи = 63,6 см² / 6 ≈ 10,6 см²;

во-вторых, несколько уменьшить lфи (≈ на 30 %), пожертвовав повышением Fфи до ≈ 50 - 60 Гц.

Уменьшение Sфи до 10,6 см² снизит эффективность ФИ и, соответственно, увеличит «завал» отдачи в диапазоне 40 - 60 Гц.

Рост Fфи при уменьшении lфи допустим, так как резонансная частота динамика диаметром 10 см выше, чем у громкоговорителя 16 см. Это значит, что ФИ с резонансом в 55 Гц не просуммирует свой подъём НЧ с резонансом динамика в ящике (≈ 70 - 90 Гц в данном случае) и не будет вредного для звучания подъёма на НЧ в области 50 - 100 Гц, который мог бы возникнуть, например, при укорочении ФИ для корпуса с динамиком 16 см.

Итак, для 8-литрового ящика и громкоговорителя диаметром 10 см вполне нормально выбрать lфи ≅ 14 см, Sфи ≅ 13 см².

2. Громкоговоритель d = 18 см, эквивалентный объём (Vэ) ≈ 50 л. 50 литров больше, чем 26 литров, в 1,92 раза.

Оптимальная Sфи для динамика площадью:

Sд ≅ 3,14 (18 см / 6)² ≈ 254,3 см²

находится в диапазоне

Sфи ≈ 254,3 см²/5 … 254,3 см²/4 ≈ 51 см² … 64 см².

Увеличение Vэ в 1,92 раза сильнее влияет, чем увеличение Sфи в 1,45 раза. В целом Fфи понижается ориентировочно до 35 Гц. Так как резонансная частота динамика (Fд) диаметром 20 см ниже, чем Fд диаметром 16 см, то снижение Fфи - положительный фактор. Не стоит компенсировать это уменьшением lфи.

Опытные профессионалы способны точно настраивать параметры фазоинверсного акустического оформления, добиваясь максимально плоской АЧХ в диапазоне от нижней граничной частоты АС до 125 - 200 Гц. Любителю или новичку не стоит тратить на это особых усилий.

В дальнейшем я поясню, как проконтролировать полученную АЧХ на НЧ и как устранить недопустимые отклонения, если таковые обнаружатся. Кроме того, влияние на звучание неидеальности характеристики в области НЧ сильно зависит от соотношения уровня воспроизведения баса по сравнению со средними частотами. Нельзя забывать, что из-за взаимодействия АС с реальным помещением АЧХ в нижнем регистре в любом случае будет очень неравномерной.

Главные усилия необходимо сосредоточить на настройке желаемой АЧХ в области СЧ и балансировке между НЧ, СЧ и ВЧ. На первом этапе создания АС - при разработке корпуса, достаточно учесть следующие рекомендации.

Корпус должен молчать. В идеале воспроизводят звук только громкоговорители, но в реальной жизни корпус откликается на их работу. Переизлучение звука стенками ящика вносит искажения.

Один из простейших способов улучшения виброзащиты корпуса - увеличение толщины стенок. Здесь следует знать меру, прослушивание показывает, что начиная с некоторого значения эта мера даёт незначительноё улучшение звучания. Для полочных АС вполне достаточно будет 16 - 8 мм ДСП или ДВП. Выгодно укреплять корпус изнутри рёбрами жёсткости. Вариант их практического использования показан в моей статье в «Практике» №2(4)/2002, июль).

• размещение звукопоглощающих материалов внутри корпуса;
• особенности изготовления фильтров;
• как самостоятельно сделать кабели для внутренней разводки очень высокого качества;
• требования к герметизации корпуса;
• минимальные сведения, необходимые для выбора типа конденсаторов.

В упомянутой статье также рассмотрены вопросы выбора динамиков и затронуты некоторые другие проблемы. Имеет смысл отнестись к этому как к части изложения моих методов работы, поэтому повторяться не стану.

Разумеется, существует много способов виброзащиты корпуса АС. Они приведены, например, в книге «Высококачественные акустические системы и излучатели» (И.А. Алдошина, А.Г. Войшвилло. - М.: Радио и Связь, 1985.). Практика показывает, что 16-миллиметровые стенки, укреплённые рёбрами жёсткости, обеспечивают достаточную виброзащиту.

Абсолютных истин нет. У акустически мёртвых корпусов есть альтернатива - использование массива различных пород дерева, каждая из которых обладает собственным звучанием. Это - трудный путь с технологическими и творческими проблемами. Он не для новичков, здесь требуется высшая квалификация в области деревообработки, тонкое восприятие музыки, упорство в поиске приемлемых вариантов исполнения корпуса. Иногда таким образом удаётся создать превосходные АС.

Урок второй. Фильтры

Если вы думаете, что фильтр это просто схема, разделяющая сигнал на несколько частотных полос для соответствующих громкоговорителей, то вынужден буду вас разочаровать. Всё гораздо сложнее. Простой кроссовер нужен для идеальных динамиков с ровной АЧХ по звуковому давлению, но таковых, к сожалению, не существует. В лучшем случае некоторые типы динамиков позволяют обеспечивать приблизительно приемлемую балансировку АЧХ при лобовом использовании кроссоверов.

Положение усложняется из-за сложного взаимодействия громкоговорителей в полосе передачи эстафеты от низкочастотного к более высокочастотному. Например, имеем замечательно ровные в своих полосах СЧ и ВЧ-головки с аккуратными спадами АЧХ вне полос, а при совместной работе получаем ужасную АЧХ. Особенно проблематично для новичка состыковать НЧ и СЧ-динамики. Приёмы такого бесшовного соединения - тема отдельной статьи. Для начала необходимо набраться опыта, настраивая двухполосную АС.

Даже самые простые фильтры - мощный инструмент в умелых руках, позволяющий приблизить АЧХ реальной АС к желаемому идеалу. Для НЧ/СЧ-головок фильтры первого порядка (катушка индуктивности, включенная последовательно с динамиком) чаще всего не подходят. Они недопустимо деформируют АЧХ в полосе пропускания, заваливают середину, делая звучание тусклым, неритмичным, монотонно гудящим. В некоторых случаях такой фильтр позволяет чуть скорректировать АЧХ в верхней части диапазона, воспроизводимого НЧ/СЧ-головкой. При этом частота среза такого фильтра близка верхней частоте динамика.

У редких головок наблюдается рост отдачи, пропорциональный повышению частоты сигнала на протяжении нескольких октав. Сбалансировать АЧХ в этих случаях можно индуктивностью фильтра первого порядка, но чаще для этого применяют фильтры второго порядка. Они позволяют исключить сильные искажения АЧХ в полосе пропускания.

Подбором сочетаний величин ёмкости и индуктивности фильтра второго порядка можно обеспечить в полосе около частоты среза спад или подъём АЧХ, используя схему в качестве эквалайзера. Это - один из методов оптимизации АЧХ.

На рис. 3 показан фильтр второго порядка. Ёмкость включена параллельно динамику.

Рис. 3

Первое приближение

Рассчитаем значения L1 и С1 для фильтра без подъёма или спада на частоте среза. Поверим значению импеданса, приведённому производителем. Если бумажек нет, померяйте сопротивление по постоянному току и умножьте результат на 1,25. Обозначим полученное значение просто R.

L1 = R / (2π Fc),

где Fс - частота среза,

C1 = 1 / ((2π Fc)² L1).

Например: R = 4 Ом, Fс = 1,6 кГц.

L1 = 4 / (6,28 1.6 10³) = 3,98 10 -4 H = 0,398 mH = 398 μH,

C1 = 1 / [(6,28 1,6 10³)² 3,98 10 -4 ] = 2,49 10 -5 F = 24,9 μF.

Для справки:

Fc = 1 / (2π √L1 C1 ).

В этом случае модули (величины без учёта фазы) сопротивления L1 и C1 на частоте Fс равны R, то есть 4 Ом. Кстати, на частоте среза модули сопротивления L1 и C1 всегда равны.

Если выравнивание АЧХ требует подъёма на Fc, скажем, на 1 дБ, то есть примерно но 10%, необходимо снизить модули сопротивления L1(|Z L1 |) и C1(|Z C1 |) примерно на 10% по сравнению с R = 4 Ом, то есть до 4 Ом x 0,9 = 3,6 Ом.

L1 = 3,6 / (6,28 1,6 10³) = 3,58 10 -4 H = 0,358 mH = 358 μH.

C1 = 1 / [(6,28 1,6 10³)² 3,58 10 -4 ] = 2,77 10 -5 F = 27,7 μF.

Частота среза остаётся прежней, но на Fс на головку подаётся ≈110% сигнала за счёт повышенного потребления тока от усилителя и преобразования его «звенящим» фильтром с добротностью больше единицы в форсированный сигнал на головке.

Если надо «завалить» область около Fc на 1 дБ, то нужно пересчитать фильтр, как будто его нагрузка - сопротивление динамика примерно 1,1 x 4 Ом = 4,4 Ом.

Проще получить нужные значения, увеличив L1 и уменьшив С1. Тогда Fc не изменится, а |Z L | и |Z C | будут равны 4,4 Ом.

L1 = 398 mН x 1,1 = 438 mН.

С1 = 24,9 mF x 1,1 = 22,64 mF.

Для справки:

|Z L1 | = 2π F L1, |Z C1 | = 1 / (2π F C).

Учтите, что при необходимости увеличения отдачи в области около FC придётся смириться с падением импеданса АС в этой же области.

Падение импеданса необходимо контролировать. Попробуйте следующий простой способ.

1 этап

Подключите к выходу вашего усилителя цепь, показанную на рис. 4а.

Рис. 4

На этом рисунке значок «+» соответствует красной клемме, а «-» - чёрной. На результаты измерений перемена полярностей не влияет.

Подайте на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 1 кГц от генератора. Регулятором громкости усилителя и регулятором выходного уровня генератора установите на выходных клеммах усилителя ≈1 В действующего напряжения. Для этого вам понадобится вольтметр, способный измерять действующее значение напряжения в области звуковых частот.

Переключите вольтметр для измерения напряжения на выходах резистора R2. Прибор покажет ≈38,5 мВ. Подрегулируйте уровень сигнала до показаний вольтметра ≈40 мВ.

2 этап

Подключите вашу АС вместо R2. Плавно изменяйте частоту сигнала на выходе генератора. Вы увидите, что показания вольтметра меняются. Эти изменения пропорциональны частотно-зависимому значению импеданса АС. Можно зарисовать измеряемую характеристику: по горизонтальной оси будет шкала частоты, по вертикальной - уровня напряжения. И то и другое выполняется в логарифмическом масштабе. (Пример пустого бланка будет опубликован в следующем номере «Практики AV».) Особенно внимательно ищите минимумы напряжения, плавно меняя частоту. Эти точки на характеристике соответствуют минимумам импеданса АС.

Например, 40 мВ соответствует 4 Ом, 30 мВ - 3 Ом. Если у вас нет чувствительного вольтметра, то поможет хороший тестер. В режиме измерения переменного напряжения тестер является вольтметром. Его показания верны до 2 - 5 кГц, выше может быть существенная погрешность. Сверьтесь с паспортом тестера. Кроме того, не все модели тестеров позволяют измерять с хорошей точностью сигналы величиной десятки милливольт. В этом случае можно установить на клеммах усилителя выходной сигнал не 1, а 10 В. В режиме наших измерений усилитель нагружен на сопротивление более 100 Ом. Такая высокоомная нагрузка позволяет развить 10 В действующего напряжения даже большинству маломощных усилителей, причём без перегрева.

К сожалению, при 10 В на выходе есть опасность сжечь резистор цепи, обеспечивающей устойчивость, который присутствует в схемах многих усилителей. Поэтому не стоит проводить измерения на частотах выше 3 кГц.

Понятно, что в режиме «10 вольт» на пробном резисторе R2 надо установить не 40 мВ, а 400 мВ. Соответственно, шкала напряжения будет проградуирована от 125 мВ до 6000 мВ (6 В). При этом показания вольтметра делим на 100 и получаем величину импеданса АС. Например, 400 мВ соответствует 4 Ом.

ПрактикаAV #3/2002

Автор уже много лет профессионально занимается конструированием и производством эксклюзивных акустических систем. В этой статье он рассказывает о конструкции трёхполосного стереокомплекта АС, где установлены высококачественные динамические головки известных зарубежных производителей. В кроссовере применены также высококачественные компоненты, улучшающие верность воспроизведения музыкальных записей различных жанров.

Эта акустическая система была одним из экспонатов выставки "Российский Hi-End 2015", где вызвала интерес многих посетителей и заслужила высокие оценки специалистов и любителей при демонстрационных прослушиваниях.

Проект этой акустической системы (АС) был начат давно, но доделать первую пару удалось только к 15-й выставке "Российский Hi-End" в ноябре 2015 г. Недавно была сделана вторая пара с небольшими изменениями: упрощён корпус и немного изменён кроссовер по результатам прослушивания и измерений.

В АС применены динамические головки: высокочастотная Morel ET338-104 , среднечастотная Scan-Speak 15M/ 4531K00 и низкочастотная SEAS H1215 .

ВЧ-головка израильской фирмы с мягким куполом отличается очень мощной магнитной системой и малыми нелинейными искажениями. Несмотря на наличие магнитной жидкости в зазоре, она обладает динамичным звучанием и хорошо передаёт звучание медных и ударных инструментов.

СЧ-головка диаметром 15 см датской фирмы Scan-Speak в серии Reve-lator стала одной из лучших среди СЧ-головок всех производителей. Её подвижная система отличается большим линейным ходом (именно для СЧ-головки) и допускает относительно низкую частоту разделения. Нелинейные искажения в рабочей полосе частот очень малы: магнитная система имеет два линеаризующих медных кольца. Бумажный диффузор имеет специальные надрезы, обеспечивающие более ровную АЧХ в конце поршневого режима.

НЧ-головки диаметром 18см (6,5 дюйма) норвежской фирмы SEAS - обычные с бумажным диффузором, пропитанным с наружной стороны. Пропитка обеспечивает ровный спад АЧХ выше рабочей полосы частот. В каждой АС установлены две таких головки в общем объёме. Акустическое оформление - с фазоинвертором (ФИ).

Две головки размером 6,5 дюйма имеют площадь диффузора немного больше, чем одна восьмидюймовая головка. Также у H1215 область поршневого режима простирается до частоты 800 Гц, а у головки размером 8 дюймов той же фирмы поршневой режим заканчивается на частотах выше 600 Гц. У H1215 параметр ускорения Bl/M ms = 496, а у восьмидюймовой головки он обычно не превышает 350.

Требуемый объём для НЧ-головок и частоту настройки ФИ можно оценить в программе на Exel (freeware) Unibox (автор - датчанин Kristian Kougaard), заложив в неё параметры головок из перечня характеристик (datasheet). Эта простая и удобная программа позволяет учесть многие параметры головок, различные конфигурации и рассчитать различные оформления. При расчётах нужно учитывать предположительное активное сопротивление катушки фильтра НЧ-звена.

Для двух H1215, соединённых параллельно, расчёты показывают оптимальный объём примерно 32 л, а при диаметре трубы фазоинвертора 66 и длине 116 мм частота настройки ФИ - около 43 Гц. Эти размеры соответствуют размерам готового фазоинвертора AH-4 китайского производства. Впоследствии труба ФИ была обрезана до длины 100 мм. Реальная частота настройки стала около 44 Гц.

В прототипе АС НЧ-головки были установлены каждая в свой отсек, что дало возможность корректно провести измерения.

Чертежи корпуса и его деталей (рамка для ткани - гриль) показаны на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Чертежи корпуса и его деталей

Рис. 2. Чертежи корпуса и его деталей

Корпус выполнен из материала MDF (иногда применяют транслит МДФ - мелкодисперсионная фракция из древесины). Передняя панель и основание имеют толщину 25 мм, остальные панели - 16 и 20 мм. Корпус отделан шпоном и крепится к съёмному основанию, покрашенному в чёрный цвет. АС рекомендуется устанавливать на шипы, для чего в основании предусмотрены стальные втулки с резьбой.

Когда акустическая система проектируется с нуля, могут понадобиться макетные корпуса для отработки конструкции, но в этом случае (к выставке) было решено заказать сразу чистовой корпус в шпоне.

Наклонная перегородка между отсеками СЧ и НЧ в Ас сделана для частичного подавления вертикальной стоячей волны в корпусе и для уменьшения объёма отсека СЧ. При горизонтальной перегородке этот отсек получался слишком большим, а для получения необходимого объёма отсека нЧ приходилось увеличивать общую высоту АС, которая и так была больше метра (1052 мм без шипов). Отсек СЧ заполнен синтепоном более чем на 50 %, но пространство около СЧ-головки свободно от синтепона.

Для акустических измерений необходим измерительный комплекс. В простейшем виде - это микрофон, звуковая карта компьютера и компьютерная программа для электроакустических расчётов. Я пользуюсь измерительным комплексом LMS американской фирмы LINEARX. Он не выпускается в настоящее время, но очень удобен для измерений и позволяет измерять АЧХ в неподготовленном помещении. Комплекс включает в себя микрофон, плату для компьютера и программное обеспечение.

Существуют и другие средства измерений, например, Clio итальянской фирмы Audiomatica SRL или MLSSA Однако для любительских измерений подобные системы очень дороги.

Более простым средством является программа LoudSpeaker LAB 3 шведского автора, но она не бесплатная. Программа позволяет использовать звуковую карту компьютера с подходящим для этих целей микрофоном.

Законченным и относительно недорогим решением является ATB PC PRO немецкой фирмы Kirchner. Несмотря на немного примитивную реализацию эта компьютерная программа позволяет проводить измерения, достаточные для изготовления качественных АС.

На рис. 3 показаны АЧХ динамических головок, измеренные по звуковому давлению, а на рис. 4 - характеристики их импеданса. АЧХ измерены с расстояния 0,5 м по оси излучения соответствующих головок. Пунктирная линия - для ВЧ-головки, штрихпунк-тирная - для СЧ-головки, сплошная - для НЧ-головки.

Рис. 3. АЧХ динамических головок, измеренные по звуковому давлению

Рис. 4. Характеристики импеданса динамических головок

АЧХ по звуковому давлению сглажены для удобства применения. Система не тарирована для измерения абсолютного значения звукового давления, поэтому графики не соответствуют заявленной чувствительности головок. Уровень сигнала выбирается исходя из удобства измерений так, чтобы не мешали шумы системы и не было больших искажений.

После измерений графики экспортируются в программу-симулятор, которая позволяет смоделировать АЧХ и другие параметры системы с учётом фильтра. Программа также позволяет рассчитать элементы фильтров кроссовера и оптимизировать АЧХ. Я пользуюсь программой LspCAD 5.25 автора Ingemar Johansson. Она является достаточно мощной, но не очень сложной в освоении. Существует более поздняя версия, но она недостаточно удобна.

Есть ещё очень мощная программа LEAP того же LINEARX, что производил LMS. Она более совершенна, но тяжела в использовании.

Готовый результат моделирования представлен на рис. 5. Верхний график - суммарная АЧХ на оси ВЧ-головки в бесконечности (толстая линия) и АЧХ головок со своими фильтрами (тонкие линии). АЧХ нельзя назвать ровной, но это не критично, так как симулятор показывает более ровную АЧХ на оси на 5 град. выше оси ВЧ-головки. Нижний график - характеристика импеданса АС и головок с соответствующими фильтрами.

Рис. 5. Результат моделирования

Схема фильтров кроссовера для одного канала АС показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема фильтров кроссовера для одного канала АС

В кроссовере на НЧ использован фильтр первого порядка (катушка индуктивности L4). Полоса СЧ также обрезана сверху и снизу фильтром первого порядка (C2 и L2). Для полосы ВЧ применён фильтр второго порядка (dL1).

Акустический и электрический порядки спада фильтров обычно не совпадают, так как в полосе задержания фильтра АЧХ головок имеют собственные неравномерности. Поэтому реальные спады вблизи частот разделения в полосах НЧ и близки к первому, в полосах СЧ сверху и ВЧ - ближе к третьему из-за собственных спадов АЧХ головок, которые добавляются к спаду, обеспечиваемому электрическим фильтром.

В АС все головки подключены син-фазно. Обычно басовые головки не удаётся свести фильтром первого порядка и без переполюсовки - чаще применяется второй порядок. Здесь это удалось ценой большей неравномерности суммарной АЧХ. Низкий порядок фильтров означает более широкие области совместной работы головок и лепестковые диаграммы направленности в вертикальной плоскости с узкими центральными лепестками. Но АС с фильтрами низких порядков звучит более естественно, слитно и живо.

Цепь R6C5 совместно с катушкой L4 образуют фильтр-пробку, вырезающий небольшой выброс на АЧХ басовых головок, который слышен, если не принять специальных мер. Одновременно эта цепь немного уменьшает наклон АЧХ выше частоты разделения, поэтому, чтобы скомпенсировать это уменьшение наклона, введена цепь R7C6.

Контур L5C7 (как режектор) устраняет подъём в импедансе басового звена на частотах около 75 Гц. Это нужно для устранения пика на АЧХ громкоговорителя, который маскирует нижний бас. Это явление называется "накачкой", термин предложен С. Д. Батем. Большинство производителей АС не учитывают это явление, хотя существуют проекты АС, где применяется подобная цепь, выравнивающая импеданс.

В кроссовере применены полипропиленовые конденсаторы, причём С1 и С2 - Mundorf Supreme (дорогие, чёрного цвета - см. фото далее). Цена конденсаторов С2, СЗ (сборки из четырёх штук) соизмерима с ценой СЧ-головки, но в хорошем тракте разница в звучании АС с такими конденсаторами заметна. Для экономии его можно заменить другим - Mundorf МСар (белого цвета). Можно использовать частично Supreme, а частично MCap (как С4). Конденсатор С7 - неполярный оксидный (Mundorf Bipolar).

Катушки - обычные из обмоточного провода, кроме L2 (Mundorf CFC16), которая намотана ленточным обмоточным (JBSPL проводом. Диаметры провода для катушек L1 и L3 (Mundorf L100) - 1 мм, для L4 (Mundorf L140) - 1,4 мм, для L5 (Mundorf L71) - 0,71 мм (сопротивление около 4,5 Ом). Катушка L5 может быть на ферромагнитном сердечнике, и её сопротивление может отличаться, в этом случае сумма сопротивления катушки L5 и дополнительного резистора (на схеме не показан) должна быть приблизительно равна 4,5 Ом. Резисторы в кроссовере - металлооксидные (Mundorf MResist MOX).

На фото рис. 7 кроссовер показан в сборе. Детали монтируют на выводах навесным монтажом и крепят термоклеем к панели из МДФ, фанеры или другого материала толщиной 3...6 мм. Фильтры собраны на двух панелях: вместе для СЧ-ВЧ и отдельно - для НЧ. Панель фильтра НЧ крепится к боковой стенке АС в отсеке нижней НЧ-головки, а панель фильтров для СЧ и ВЧ головок - к боковой стенке в отсеке верхней НЧ-головки. Отверстия, через которые проходят провода от фильтров к СЧ- и ВЧ-головкам, должны быть загерметизированы пластилином.

Рис. 7. Кроссовер в сборе

Посмотрим, какие реальные импеданс и АЧХ обеспечивает данный кроссовер.

На рис. 8 показана АЧХ АС в комнате, снятая с расстояния 1 м по оси ВЧ-головки. Видно, что она похожа на продукт моделирования (см. рис. 4), но оказалась более ровной, чем предсказывал симулятор. Такое часто бывает из-за того, что динамические головки по умолчанию при моделировании и измерениях считаются минимальнофазовыми, а в реальности, за пределами поршневого режима, это может не выполняться.

Рис. 8. АЧХ АС

Поэтому сразу смоделировать "правильный" фильтр не получится. Требуются изменения в фильтрах и дополнительные измерения и прослушивания.

Реально АЧХ (сглаженная в треть октавы) укладывается в отклонение ±3 дБ, если не обращать внимания на АЧХ ниже 300 Гц, где заметно влияет помещение.

В частности, из-за интерференции прямого от АС и отражённого от пола сигналов у микрофона фиксируется спад АЧХ в области около 200 Гц. При удалении от АС этот эффект нивелируется. Локальные максимумы на частотах 34 и 60 Гц обусловлены стоячими волнами, которые воспринимает микрофон в данной точке (на 34 Гц - между стенами, на 60 Гц - между полом и потолком). Максимум в области 140 Гц возник из-за отражения от близко стоящей мебели.

Учитывая незначительное сглаживание характеристики, результат - вполне достойный.

На рис. 9 показана частотная характеристика импеданса АС. Она практически совпадает с рассчитанной при моделировании. Небольшой пик на 180 Гц - неподавленная вертикальная стоячая волна в отсеке НЧ. Метки на 100 Гц и 1 кГц генерируются программно, в реальности их нет.

Рис. 9. Частотная характеристика импеданса АС

Видно, что импеданс в рабочей области частот не падает ниже 3,3 Ом и не превосходит 7,2 Ом (кроме низкочастотного горба фазоинвертора). Систему можно считать номинально четырёхомной, и она может использоваться с ламповым усилителем, так как имеет довольно ровный импеданс и достаточно высокую чувствительность.

Технические характеристики АС

Номинальное сопротивление, Ом........................ 4

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

Полоса воспроизводимых частот при неравномерности ±3 дБ, Гц.........40...20000

На фото рис. 10 показан первый стереокомплект АС (корпуса по краям стенда), изготовленный и представленный на выставке "Российский Hi-End" в 2015 г. По мнению многих посетителей, при средней стоимости комплектующих и изготовления качество отделки корпусов достаточно высокое, а звучание АС оценено как сбалансированное и естественное на многих музыкальных жанрах, хотя, нужно признать, фонограммами "тяжёлого металла" или "рока" автор там не располагал...

Рис. 10. Стереокомплект АС

Литература

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 k/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 публикации: 14.08.2016

Мнения читателей

• Георгий Крылов / 14.06.2017 - 12:17
  Там в схеме опечатка. R6 должно быть не 2.2 ома, а 22 ома.
• Георгий Крылов / 30.03.2017 - 00:23
  Там в схеме фильтра опечатка. R6 не 2.2Ом, а 22. Владимиру: катушка L3 намотана проводом 1мм. Все катушки Мундорф. Суммарное сопротивление R5L3 около трех Ом. Из-за того, что в "Радио" перерисовали схему по несуществующему ГОСТу несуществующей страны, там появилась ошибка и исчезли мои примечания по типу и характеристикам элементов.
• Георгий Крылов / 08.10.2016 - 03:06
  L3 - Мундорф L100 - сопротивлени где-то 0.2-.3 ома. Важнее сопротивлене катушки L5, ее сопротивление 4.5 ома. У меня в материалах статьи была схема с данными элементов, но редакция перерисовывает схему по ГОСТУу экс-СССР, и заставить ее сохранить мою схеиу я не мог. Правда, в тексте есть названия и параметры элементов.
• Владимир / 19.08.2016 - 12:26
  Автор хорошо описал НЧ звено фильтра. ВЧ звено описаний не требует. А вот конструкция СЧ звена порождает некоторые вопросы. Цепочка R5C4L3, видимо, используется для подавления горба 4,5 – 5 кГц на АЧХ СЧ головки? Ведь частота резонанса последовательного колебательного контура C4L3, согласно моим подсчетам, примерно 4,5 кГц. Резистор R5 изменяет добротность контура, регулируя глубину режекции. А вот какое суммарное сопротивление R5L3 ? Это важно при изготовлении катушки. И не лучше ли при расчете катушки указать необходимый номинал ее сопротивления и изготовить катушку уже нужной добротности?

Валентин и Виктор ЛЕКСИНЫ======

Вопрос, поставленный авторами в заголовке статьи, вообще говоря, не нов. Во времена ламповой техники двухполосные усилители НЧ были не редкостью. Предпочтение, отдавав­шееся таким усилителям, кроме умень­шения интермодуляционных искаже­ний, обусловливалось в значительной степени трудностями изготовления широкополосных выходных трансфор­маторов, согласующих усилительный тракт с громкоговорителем.

Пришедшие на смену лампам тран­зисторы сняли проблемы выходного трансформатора и за довольно корот­кое время позволили создать широко­полосные усилители с весьма высоки­ми характеристиками: рабочим диа­пазоном частот от единиц герц до десятков килогерц, коэффициентом гармоник порядка сотых и даже тысяч­ных долей процента и т. д. В результа­те у многих радиолюбителей и специа­листов сложилось мнение, что чуть ли не единственный путь к достижению высококачественного звуковоспроизве­дения - это дальнейшее совершенст­вование широкополосного усилитель­ного тракта, создание усилителя с практически идеальными характеристи­ками. Однако, как убедительно дока­ зывают авторы статьи, этот путь не самый простой и, главное, не самый зффективный.

Верность звучания во многом зави­сит от громкоговорителя. А здесь до­стижения более скромны, чем в схемо­технике усилителей. Широкополосных головок, одинаково хорошо преобра­зующих электрические колебания в звуковые во всем диапазоне частот, притом с малыми нелинейными и ин­термодуляционными искажениями, по­ка что нет, а многополосным громко­говорителям свойствен ряд существен­ных недостатков, обусловленных при- менеюгем в них пассивных раздели­тельных фильтров. В этой ситуации су­щественно улучшить качество звуко­воспроизведения можно только при использовании многополосного усили­теля с разделительными фильтрами иа входе.

Особо следует отметить и такое, по­ка что еще очень важное для радиолю­бителей преимущество многополос­ных усилителей, как возможность их изготовления из доступных деталей.

Описание любительского трехполос­ного усилителя мощности редакция намечает опубликовать в одном из сле­дующих номеров журнала.

Приступая к разработке высоко­качественного звуковоспроизво­дящего комплекса, радиолюби­тели нередко сосредоточивают все вни­мание на достижении близких к идеаль­ным параметров электрического тракта, в частности такого его звена, как широкополосный усилитель мощности. Стремление получить минимальные ис­кажения всех видов при сравнительно большой (несколько десятков ватт) выходной мощности и достаточном за­пасе устойчивости приводит обычно к созданию сложных как в схемном, так и в конструктивном отношении устройств. Тем не менее даже с таким усилителем мощности качество звуко­воспроизведения во многих случаях получается недостаточно высоким. При­чина здесь - в игнорировании того в общем-то известного факта, что ка­чество звучания во многом определяет­ся параметрами громкоговорителя. По­лученные при испытаниях на чисто активной нагрузке высокие параметры усилителя часто не реализуются при согласовании с громкоговорителем. Именно поэтому одной из важнейших задач становится схемотехническое усо­вершенствование усилителя мощности для улучшения его согласования с гром­коговорителем.

Проблем здесь несколько. Одна из них - необходимость хорошего элек­трического демпфирования подвижной системы низкочастотной динамической головки громкоговорителя. Только при выполнении этого условия воспроизве­денный ею звуковой импульс будет иметь те же форму и длительность, что и электрический. Хорошо демпфиро­ванный громкоговоритель почти безы­нерционно возбуждается электриче­ским сигналом и прекращает излучение звуковых колебаний сразу после его окончания. При недостаточном демпфи­ровании подвижная система головки продолжает колебаться еще некоторое время и после снятия сигнала, но уже не с его частотой, а с частотой собствен­ного резонанса. В результате возникает неравномерность АЧХ громкоговори­теля по звуковому давлению. На слух это воспринимается как характерное «бубнение».

Для ускорения затухания свободных колебаний подвижной системы головки обычно используют шунтирование зву­ковой катушки малым выходным сопро­тивлением усилителя мощности. Но здесь-то и возникает проблема - вклю­чение пассивных разделительных филь­тров между выходом усилителя и дина­мическими головкамн многополосного громкоговорителя ухудшает электри­ческое демпфирование.

Другая проблема - в трудности соз­дания разделительных фильтров, к ко­торым предъявляются требования высо­кой крутизны скатов АЧХ звеньев, ма­лой неравномерности суммарной АЧХ и линейности ФЧХ в полосе пропуска­ния. Первое из этих требований обу­словлено резким ухудшением характе­ристик динамических головок на краях их номинальных диапазонов частот. Особенно это относится к средне- и высокочастотным головкам, у которых перекрытие номинальных диапазонов воспроизводимых частот, как правило, сравнительно невелико. Именно поэто­му разделительные фильтры для этих головок должны обладать АЧХ с кру­тыми скатами: при октавном (относи­тельно частоты раздела соседних полос) запасе по номинальному диапазону воспроизводимых частот необходимо применять фильтры с крутизной ската АЧХ не менее 12 дБ на октаву. Простейшие фильтры с крутизной 6 дБ на октаву можно использовать лишь в том случае, если запас по частоте составляет не менее двух октав.

Следует иметь в виду, что не все фильтры с высокой крутизной скатов АЧХ обеспечивают малую неравномер­ность суммарной АЧХ. С этой точки зрения наиболее подходят для приме­нения в многополосных громкоговори­телях так называемые фильтры Баттерворта первого (крутизна 6 дБ на октаву) и третьего (18 дБ на октаву) порядков, сопряженные по уровню -3 дБ (0,707). Часто используемые фильтры этого типа второго порядка (12 дБ на октаву) имеют недостаток: при синфазном включении соседних по частоте динамических головок в сум­марной АЧХ появляется провал до нуля, а при противофазном - выброс на 3 дБ.

Типовые разделительные фильтры даже с ровной суммарной АЧХ нередко являются причиной возникновения фа­зовых искажений, влияние которых на форму выходного сигнала особенно проявляется вблизи частоты раздела fр. Это наглядно видно из рис. 1, где показаны изменения, которые претерпевает сигнал в виде симмет­ричных прямоугольных импульсов дли­тельностью, примерно равной 1/f р, пройдя через разделительный фильтр с нелинейной суммарной ФЧХ (рис. 1,г). Если на частоте раздела средне-и высо­кочастотной полос эти искажения до­пустимы, так как мало сказываются на качестве звучания, то в области частот раздела средне- и низкочастотной полос их желательно устранить, поскольку именно здесь сосредоточены наиболь­шие среднестатические уровни реаль­ного сигнала, и к тому же чувствитель­ность слуха максимальна.

Для неискаженной передачи сигна­лов импульсного характера, кроме ров­ной суммарной АЧХ, необходимо обес­печить одинаковую временную задерж­ку t з всех составляющих сигнала при прохождении через разделительный фильтр. Форма выходного импульсного сигнала для фильтра с линейной сум­марной ФЧХ (ее, в частности, можно получить, используя фильтры первого порядка) показана на рис 1. д.

Не менее важной проблемой при со­гласовании усилителя мощности с гром­коговорителем являются интерферен­ционные искажения звукового поля в зоне прослушивания, неизбежные при воспроизведении двумя головками ко­ лебаний в общей полосе частот. Если в одной полосе частот работают не­сколько головок, то для уменьшения интерференционных искажений в гори­зонтальной плоскости их необходимо расположить на одной вертикальной линии. Интерференция в вертикальной плоскости скажется на качестве зву­чания меньше, если головки разместить на уровне головы слушателя и повозможности ближе одну к другой. К со­жалению, полностью избавиться от по­добных искажений не всегда удается даже при использовании в каждой по­лосе частот всего по одной головке. В этом случае интерференция возникает в области частоты раздела, где сигналы, излучаемые, например, средне- и низко­частотной головками, близки по уровню. Интерференционные искажения отчет­ливо слышны при перемещении слуша­теля относительно громкоговорителя, излучающего синусоидальный сигнал, частота которого находится в области частоты раздела полос.

Для уменьшения влияния интерфе­ренции. помимо соблюдения электри­ческой полярности сигналов, целесооб­разно размещать все головки громко­говорителя на одной вертикальной ли­нии возможно ближе одну к другой и стремиться к тому, чтобы их звуковые катушки находились в одной фронталь­ной плоскости. Если по тем или иным причинам смещать головки в глубину корпуса громкоговорителя нежелатель­но, следует выбрать частоту раздела низко- и среднечастотной полос не­высокой. В этом случае взаимные фа­зовые сдвиги излучаемых головками колебаний будут достаточно малы н на качестве звучания скажутся меньше. Что касается фазовых сдвигов в об­ласти частоты раздела средне- и высоко­частотной полос, то бороться с ними значительно сложнее. Тем не менее их влияние на качество зву­чания можно ослабить, применив филь­тры с большой крутизной скатов АЧХ и выбрав частоту раздела достаточно высокой, т. е. вне диапазона среднестатического распределения наиболь­ших уровней звукового сигнала и наи­большей чувствительности слуха.

Все рассмотренные проблемы реша­ются проще и с лучшим эффектом при использовании многополосных усили­телей мощности с активными RC -фильтрами на входе вместо пассивных филь­тров, применяемых в громкоговорите­лях, предназначенных для работы с ши­рокополосным усилителем. К сожале­нию, среди радиолюбителей распростра­нено мнение, что, например, трехполос­ный усилитель мощности, втрое слож­нее и дороже однополосного. Но, если говорить о действительно высококачест­венном звуковоспроизведении, это да­леко не так, в чем нетрудно убедиться, если проанализировать весь комплекс вопросов разработки высококачествен­ного звуковоспроизводящего комплек­са с широкополосным усилителем мощ­ности. В самом деле, кроме недостатков, вытекающих из сказанного выше,- сложность расчета и построения пассив­ных разделительных фильтров выше первого порядка с равномерной сум­марной АЧХ и линейной ФЧХ, слож­ность согласования каждой из голо­вок громкоговорителя с выходом уси­лителя для получения равномерной суммарной АЧХ по звуковому давлению (используемые иногда для этой цели резистивные делители снижают КПД комплекса и ухудшают демпфирование), снижение степени демпфирования низ­ко- и среднечастотной головок из-за включения активной составляющей фильтра последовательно с низкоомной звуковой катушкой, потери мощности в пассивном фильтре и, наконец, необхо­димость изготовления крупногабарит­ных катушек индуктивности и приобре­тения конденсаторов большой емкости для разделительного фильтра, - одно­полосному усилению свойственен и такой недостаток, как необходимость иметь большой запас по выходной мощности. Дело в том, что реальный максимально допустимый уровень низко- и среднечастотных составляющих при воспроиз­ведении звуковой программы оказыва­ется значительно меньшим,чем получен­ный при налаживании усилителя по си­нусоидальному сигналу.

Наложенные на составляющие низких частот средне- и высокочастотные составляющие пер­выми достигают границ динамического диапазона усилителя мощности, и для того, чтобы они были воспроизведены без ограничения, однополосный усили­тель должен иметь примерно двойной (по сравнению с многополосным) за­пас выходной мощности. Важно также, чтобы однополосный усилитель имел малые интермодуляционные и так на­зываемые динамические интермодуля­ционные искажения.Для уменьшения последних приходится ограничивать глубину общей ООС, а это приводит к росту нелинейных искажений, ухуд­шению степени демпфирования громкоговорителя (из-за увеличения выход­ного сопротивления усилителя). Устра­нение этих недостатков приводит к зна­ чительному усложнению усилителя. На­конец, применение в широкополосном усилителе ЭМОС требует (для обеспе­чения устойчивости) введения RC -цепи, ограничивающей диапазон ее действия. Для компенсации возникающего при этом подъема АЧХ на низших частотах требуется дополнительная частотная коррекция усилителя мощности.

Указанные недостатки проявляются значительно слабее, а некоторые из них полностью отсутствуют в многопо­лосных усилителях мощности с актив­ными разделительными фильтрами на входе. Простые расчеты показывают, что по сравнению с одним (широко­полосным) усилителем многополосный при той же выходной мощности поз­воляет использовать более низкое на­пряжение питания. Следствием этого являются уменьшение габаритов усили­теля (благодаря использованию срав­нительно небольших по размерам низ­ковольтных электролитических конден­саторов в фильтре выпрямителя и для связи с нагрузкой, а также меньшим размерам теплоотводов транзисторов оконечных каскадов), увеличение его КПД, более широкие возможности вы­бора (по напряжению эмиттер - кол­лектор и частотным параметрам) всех транзисторов усилителя. В частности, в оконечном каскаде низкочастотного канала можно использовать недорогие германиевые транзисторы типов П210, П217 и т п, достоинство которых - малое напряжение насыщения эммитер - коллектор.

В многополосном усилителе мощ­ности разделительный фильтр ограни­чивает уровень высокочастотных со­ставляющих сигнала, поступающих на входы низко- и среднечастотного каналов, что отвечает известным рекоменда­циям по уменьшению динамических ннтермодуляцнонных искажений. В то же время высокочастотный канал имеет большой запас линейности амплитуд­ной характеристики, так как после ФВЧ уровень высокочастотных составляю­щих в соответствии со статистикой ре­ального музыкального сигнала очень мал, и динамические искажения здесь практически не возникают. Благодаря этому во всех каналах можно использо­вать простые усилители мощности с глубокими ООС.

В многополосных усилителях нет потерь мощности в разделительных фильтрах, имеются широкие возможностн в реализации активных разделительных фильтров высоких порядков с равномерной суммарной АЧХ. Воз­можно построение фильтров выше пер­вого порядка с линейной суммарной ФЧХ. Благодаря непосредственному (без фильтра) подключению головок к выходу усилителя не возникает проблемы с их электрическим демпфиро­ванием и согласованием по уровню звукового давления в каждой полосе частот (последнее делают простой установкой требуемых коэффициентов усиления каждого из усилителей).

Принципиальная схема возможного варианта активного разделительного фильтра для трехполосного усилителя мощности показана на рис. 2.

Для раз­деления ннзко- и среднечастотной полос использованы ФНЧ и так называе­мый фильтр дополнительной функции (ФДФ) на транзисторе V1. Выходной сигнал этого фильтра представляет со­бой разность между входным сигналом и сигналом, прошедшим через ФНЧ. Достоинства такого способа разделения полос - простота настройки и стабиль­ность характеристик (вследствие их автоматического сопряжения), равно­мерные суммарные АЧХ и ФЧХ, а сле­довательно, и идеальное воспроизведе­ние импульсных сигналов; недостатки - малая крутизна ската АЧХ ФДФ (6 дБ на октаву независимо от порядка ис­пользуемого ФНЧ) и «выбросы» на ней вблизи частоты среза, если порядок ФНЧ выше первого. Для уменьшения «выбросов» сопротивления резисторов R1 , R 2 и емкость конденсаторов С1, С2 выбраны одинаковыми. Часто­та раздела

Для разде ления средне- и высоко­частотной полос применены ФНЧ и ФВЧ четвертого порядка. Каждый из них составлен из двух (на транзисто­рах V 2. V 3 и V 4, V 5) соединенных последовательно фильтров Баттерворта второго порядка. Частота раздела выбрана как среднегеометрическое ме­жду нижней границей номинального диапазона частот высокочастотной и верхней границей диапазона среднечастотной головок.

АЧХ зв еньев разделительного фильт­ра изображены на рис. 3. Суммарная АЧХ фильтра не имеет ни провалов, ни «выбросов». В области наибольших среднестатистических уровней сигнала и наибольшей чувствительности слуха суммарная ФЧХ линейна, что важно для хорошего воспроизведения импуль­сных сигналов.

При использовании резисторов и конденсаторов с допускаемым отклоне­нием от номинальных значений не бо­лее ±5% фильтр настройки не требу­ет. Группа ТКЕ конденсаторов CI , С2, С5-С12- М47, М75, М750, M1 500 (С1 и С2 - могут быть и группы Н30).

В разработанном авторами устройст­ве применен недорогой комплект дина­мических головок, тип и число кото­рых в каждой полосе выбирались из условия обеспечения равномерной сум­марной АЧХ по звуковому давлению при примерно одинаковом - для наи­более полного использования напряже­ния питания - выходном напряжении полосных усилителей мощности. В каж­дом стереоканале использованы одна низкочастотная головка 6ГД-2 (среднее стандартное звуковое давление Р срст = 0,3 Па, полное сопротивление звуко­вой катушки (Z) на частоте 1 кГц - 8 Ом, две параллельно включенные среднечастотные головки 2ГД-22 (Р срст =0,2 Па. |Z | =15 Ом) и две со единенные последовательно высокочас­тотные головки 1ГД-3 (Р срст =0,3 Па, \Z \ =12,5 Ом)

Звуковое давление Р на расстоянии l (в метрах) от геометрического цент­ра симметрии отверстия излучателя рассчитывалось по формуле

где Рэ - электрическая мощность в ват­тах. При возбуждении головок каждой полосы сигналом, соответствующим их номинальной мощности звуковые давления на расстоянии 1 м получились следующие:

В низкочастот­ной полосе (одна головка) - Р = 2,32 Па при 6,9 В; в среднечастотной (две головки) - Р=1,8 Па при 5,5 В; в высокочастотной (две головки) - Р -1,9 Па при 7 В. Для создания равномерного звукового давления пришлось уменьшить напря­жение, подводимое к низкочастотной головке до значения V = 6.9 х 1,8/2,32=5,4 В. включив последова­тельно с ней резистор цепи ПОС по току.

Для исключения взаимовлияния сред­не- и низкочастотной головок, облегче­ния борьбы с интерференционными ис­кажениями и обеспечения возможности поворота осей отдельных излучателей в горизонтальной плоскости было вы­брано акустическое оформление в виде трех поставленных друг на друга неза­висимых ящиков в каждом стереокана­ле. Громкоговоритель низкочастотной полосы - фазоинвертор. Его корпус с внешними размерами 345 х 295 х 635 мм изготовлен из древесностру­жечной плиты толщиной 20 мм. Все стенки, кроме передней, оклены изнутри рубероидом, поверх которого наклеены листы из пенополиуретана (поролона) толщиной 20 мм. Свободный внутрен­ний объем корпуса (без головки и тун­неля фазойнвертора - 36 дм 3 . Головка 6ГД-2 закреплена в верхней части пе­редней панели. Расстояние от центра ее диффузора до плоскости верхней стенки корпуса составляет 150, а до центра туннеля - 240 мм. Внутренний диаметр туннеля - 55, длина - 185 мм. Частота настройки - 30 Гц.

Акустическое оформление средне- и высокочастотного громкоговорите­лей - закрытые ящики из фанеры тол­щиной 8 мм с внешними размерами соответственно 310x250x210 и 95 х125x175 мм. Головки этих громко­говорителей установлены одна над другой. Корпус среднечастотного гром­коговорителя заполнен ватой.

С выходами полосных усилителей громкоговорители соединены короткими проводами большого сечения.

Благодаря разделению полос на вхо­де и использованию головок с хорошей отдачей оказалось возможным приме­нить сравнительно маломощные по­лосные усилители (6 Вт - на низких, 4 Вт - на средних и 2 Вт - на высоких частотах) при невысоком напряжении питания (±14 В). Каждый стереоканал обеспечивает уровень звукового давле­ния около 100 дБ на расстоянии 1 м от акустической системы. Качество зву­чания достаточно высокое.

Электронная часть описываемой си­стемы (два трехполосных стереоканала с активными фильтрами и теплоотводами транзисторов выходных каска­дов) выполнена в виде единого блока размерами 350x160x35 мм.

При использовании головок с мень­шим значением Р ср.ст выходную мощ­ность полосных усилителей для полу­чения того же уровня звукового давле­ния необходимо, естественно, увели­чить. Например, если для низкочастот­ной полосы выбрана головка 25ГД-26 (Р ср. ст =0,15 Па), то выходная мощ­ность соответствующего усилителя дол­жна быть не менее 24 Вт. Однако пре­имущества многополосного усиления мощности ощутимы и здесь, так как широкополосный усилитель (с учетом потерь в пассивном фильтре громко­говорителя и запаса мощности для не­искаженного воспроизведения всех со­ставляющих сигнала) в этом случае должен был бы обладать выходной мощностью вдвое большей (а это по­требовало бы увеличения напряжения питания и применения более дорогой элементной базы).

Итак, комплексное рассмотрение во­просов согласования усилителя мощ­ности с громкоговорителем показывает, что для достижения действительно вы­сококачественного звучания приходится идти на значительное усложнение широ­кополосного усилителя. Многополосные усилители в этом отношении значитель­но проще и, что очень важно для подав­ляющего большинства радиолюбите­лей, могут быть собраны из доступных деталей. Учитывая это. а также прини­мая во внимание тот факт, что высокие качественные показатели многополос­ных систем при воспроизведении реаль­ных сигналов можно получить значи­тельно проще, чем при использовании одного, широкополосного усилителя, можно сделать вывод, что затраты вре­мени и средств на изготовление много­полосной системы не превысят затрат на постройку широкополосного усили­теля с многополосиым громкоговори­телем.

г. Москва

ЛИТЕРАТУРА

Иофе В. К., Корольков В. Г., Сапожков М А.

Справочник по акустике. Пол общ. ред. М. А. Сапожкова М. Связь. 1979.

Эфрусси М. М Громкоговорители и их применение М, Энергия 076 |МРБ вып 919).

Левннзон Г Л, Логинов А. В. Высококачественный усилитель низкой частоты М Энергия 1977 (МРБ. вып 95П

Relnhard С . Auf dem Weg zumOptimaleu Laut sprechersystem.- Funkschau 1977. № 3 s 115- - 117 ы

Lautsprccherkomblnalioncn - eleklrl" Welchen, Phascnfehler.- Funkschau, 1978. H > я 969-972 Nt 24, s . 1209-1212

Салтыков О. ЭМОС или отрицательное а д мое сопротивление? - Радио, 1981. № l.c 41. "5

Тема сведения акустических систем довольно популярна среди радиолюбителей. Этому способствует не только желание созидать, благо динамиков нынче на любой бюджет, но также и неудовлетворительное качестве серийной акустики. Изготовление фильтров требует как правило большого опыта, отчасти эмпирического, так как строгий математический расчет в лице симуляций никак не отражает звучание, и тем более не может дать ответ как сводить. Примерная прикидка не всегда дает ожидаемые результаты.

Виной тому отсутствие внятной теории именно сведения, а не электрических фильтров, с ними все ясно, чего нельзя сказать про сведение, где все базируется на нюансах которые в литературе как правильно не описаны. Цель данной статьи поведать некоторые особенности проектирования фильтров на реальном примере. В этой статье, к величайшему сожалению, не будет полноценного расчета или инструкции как брать и делать, ибо каждый случай уникален и требует персонального рассмотрения, и в лучшем случае можно указать на что обратить внимание и задать вектор размышлений в целом.

Важные характеристики АС

Для начала разберёмся чем характеризуется акустическая система. Тут три характеристики: амплитудная, фазовая и импедансная .

• АЧХ считается наиболее важной, так как больше определяет звучание, впрочем не в ней счастье, ровная АЧХ еще не гарантия хорошего звука.
• ФЧХ сама о себе не слышна, может быть слышен резкий перегиб фазы в точке раздела.
• ИЧХ вовсе на звучание не влияет, зато влияет на усилитель, но не на каждый, а лишь на тот у которого высокое внутреннее сопротивление, в частности ламповые.

Из-за кривого импеданса многие колонки могут не спеться с лампой, вся неровность импеданса вылезет в АЧХ. В каком-то случае это может пойти на пользу, но надеяться на это не стоит, хотя бы потому, что такая акустика будет крайне чувствительна к усилителю, станут слышны лампы, их режимы, а сравнение с каменным усилителем становится вообще не корректным.

Потому, если задаться цель построить акустику мало чувствительную к усилителю, необходимо обеспечить постоянство импеданса во всем диапазоне частот, а это накладывает определенные ограничения. В частности это обязывает применять фильтра настроеные на равную частоту среза и имеющие равную добротность.

Это правило позволяет для настройки фильтра контролировать только линейность импеданса, что исключает необходимость измерения АЧХ фильтров и в случаи отсутствия хорошего микрофона в измерении ачх динамиков, то есть можно обойтись минимальным набором приборов: генератором (возможно программным) и вольтметром.

Практическая работа

Плавно переходим от теории к практике. Достались мне винтажные колонки под названием Kompaktbox B 9251. И первое что было сделано - произведено прослушивание.

С холодным камнем звук был в среднем не плох, а если говорить конкретно, то местами хороший, а местами как попало. С теплой лампой играть вообще отказались. На основе этих наблюдений был сделан вывод о наличии глубоко зарытого потенциала. Вскрытие показало, что немецкие инженеры решили обойтись одним единственным конденсатором последовательно с ВЧ головкой. Измерение АЧХ дало страшную картину. На рисунке АЧХ одной колонки, кривая с глубокой дыркой на 6 кгц из-за плохого контакта разъема, на нее внимание не обращать. АЧХ отдельно ВЧ и НЧ приведены ниже.

Частота раздела

Тут самое время задуматься о частоте раздела. Обычно частота раздела выбирается на ровных горизонтальных участках, вдали от резонансов и завалов, стараясь обойти внезапные неравномерности как потенциальные источники искажений... А если вспомнить что существует фаза, о которой мало известно, а если известно, то векторно ачх на бумажке не сложишь, а из-за кривизны фаз даже на идеально ровной ачх что-то вылезет, что-то провалится в большей или меньшей степени. Также надо помнить что может дать сам динамик, особенно ВЧ, скажем не надо заставлять дюймовый купольник играть от двух, а тем более одного килогерца, даже если он способен их отыграть по АЧХ.

Не забывайте, что большой ход порождает интермодуляционные искажения, поэтому каждому размеру динамика соответствует свой диапазон частот. В свете вышесказанного понятие частоты раздела размазывается на область, куда стоить сводить, а конечную точку подбирать иначе, например на слух. Или вовсе не подбирать, но про это чуть позже.

Итак, смотрим какие уникальные динамики нам достались. Высокочастотник начинает валить с 1,3 кгц, значит ниже его пускать нельзя. С другой стороны низкочастотник пытается играть по самые 10 кгц, с переменным успехом. Однако здравый смысл подсказывает, что выше килогерца его пускать плохая затея. И что спрашивается делать, если рабочие диапазоны динамиков не пересекаются?

Тут есть два варианта: если спады имеют адекватную крутизну, то лучше всего сводить в ямку, особенно если ямка получается широкой. В случае же нашем, когда спады круты как обрывы, надо держатся подальше от самого крутого из них. Чаще всего это может случится с высокочастотником, им всегда тяжко работать у нижней границы диапазона, поэтому им целесообразнее облегчить жизнь возлагая воспроизведение нижней части диапазона на НЧ динамик, который отыграет хоть плохо, но не нагадит. Поэтому ограничиваем диапазон участком от 1,5 кгц до 2,2 кгц.

Порядок фильтра и его добротность

Следующий параметр, с которым надо определиться - это порядок фильтра и его добротность. В данной статье будут рассматриваться два порядка, первый и второй.

• С первым все просто: есть катушка, есть конденсатор, считаем их параметры под требуемую частоту среза и при надобности корректируем значения до получения желаемой АЧХ, ФЧХ, ИЧХ.
• Со вторым порядком по-хитрее, там уже две катушки и два конденсатора. От значений номиналов зависит такой параметр как добротность, он определяет крутизну спада АЧХ и в некоторой степени сдвиг фазы. Поскольку влияние фазового сдвига и крутизны умозрительно не прикинешь, остается просто выбрать в какую сторону думать. А думать тут в сторону низкой добротности, читай больше индуктивности в катушках, меньше емкости в конденсаторах.

Как выбрать порядок. Тут руководствуются уже знакомыми соображениями о том, на что способны излучатели, в особенности высокочастотник. Если большой ход ему противопоказан (как в нашем случае) то предпочтение отдаем второму порядку.

Для полноты картины следует упомянуть, что порядок также определяет степень совместной работы динамиков, но это уже информация для самостоятельного размышления.

Импедансная характеристика динамиков

Когда с примерными параметрами все более или менее ясно, самое время переходить к практике. Снимаем импедансную характеристику динамиков. С целью оценки сопротивления на графике имеется лесенка с шагом в один Ом. Скачек на 110 герцах это переключение с 10 Ом на 20.

Разумеется с такими горбами ни один фильтр нормально, и уж тем более расчетно работать не будет, особенно фильтр НЧ. Фильтру ВЧ этот подъем работать в общем то не мешает, однако как упоминалось ранее такой подъем на конце диапазона приведет к подъему высоких частот, в случае если усилитель имеет высокое сопротивление. Это можно использовать и во благо, оставив подъем небольшим.

Для выравнивания этих подъемов применяют так называемую цепочку Цобеля. Она состоит из последовательно включенных резистора и конденсатора. Проще всего ее подобрать методом научного тыка: берется реостат, горсть конденсаторов, и все это двигается пока не получится ровная линия.

Для примерного представления что от чего зависит привожу набор графиков для различных емкостей и сопротивлений. Ступенька начинается с 10 Ом.

Зная минимальное сопротивление НЧ звена, нужно привести к такому же и ВЧ звено. Тут много вариантов как соединить два резистора и цепочку Цобеля, и каждый кто решился на такой отважный шаг как сведение сам способен определить вид подключения и номиналы резисторов, поэтому описывать данную процедуру здесь излишне. Конкретно в данных колонках по результатам предварительного прослушивания решено было оставить родные резисторы на 2,2 ома и цепочку Цобеля параллельно ВЧ динамику.

Сведение фильтров

Теперь начинается финальный этап - сведение фильтров. Пора намотать катушки... или не намотать? Мотать всегда лень, нет провода, каркасов, конкретных значений индуктивности. В виду этих причин поискав в хламе нашлись пары катушек на 0,8 мкг и 3 мкг - на них и пришлось строить. В крайнем случаи всегда же можно домотать или отмотать лишнее.

По графику видно, что раздел попал в район 1,8 кгц, что вполне вписывается в задуманные границы. Подбором конденсаторов удалось добиться следующего импеданса. На частоте раздела имеется два бугорка, но их высота меньше полу ома - это не критично. Это не конечный его вид, в последствии был несколько увеличен резистор в цепочке Цобеля пищалки.

На приведенных выше картинках АЧХ как самого фильтра, так и АЧХ динамиков с его включением.

Фазировка динамиков

На этом сведение подходит в концу. Остается только определиться с фазировкой динамиков. Тут есть как минимум три способа: на слух, по форме АЧХ и по фазовому сдвигу на частоте раздела. Если у динамиков АЧХ и ФЧХ в меру линейная, и фильтр фазу на разделе сильно не накручивает, то при смене правильной фазы на неправильную на частоте раздела появится глубокий провал, пропустить его сложно. В таком случае стоит подгонять фазу по по ее сдвигу. Сделать это можно осциллографом подавая на горизонтальную развертку сигнал с усилителя, а на вертикальное отклонение с микрофона.

Подают на вход усилителя синус с частотой раздела и не меняя взаимного расположения микрофона и колонки переключают ВЧ и НЧ динамики. По одинаковости фигур Лиссажу делается вывод о равенстве фаз излучателей. Этот метод хорошо подходит для фильтров первого порядка. С кривизной наших динамиков этот метод себя не оправдывает, поэтому сравниваем АЧХ при разной фазировке.

Второй вариант заметно хуже. Однако и первый не предел мечтаний, но так как двигать индуктивности катушек не просто, а ковыряться дальше уже лень, то все было оставлено как есть.

Сборка фильтров

В завершение пару слов про сборку. В фильтре применяются сравнительно большие емкости, 20 мкф, 27 мкф, а места в корпусе и так не много, бумаги или пленки не набрать. Приходится ставить электролиты. И если в фильтре НЧ звучание от их применения пострадает не сильно, а в цобеле их можно и вовсе не услышать, то в фильтре ВЧ звучанием конденсаторов пренебрегать опасно. Именно по этой причини были применены бумажный МБГЧ и пленочный К73-16, а все электролиты зашунтированы бумажными МБГО на 4 мкФ.

Не стоит увлекаться параллеленьем сильно разных конденсаторов. Основной критерий здесь тангенс угла потерь. Если к примеру поставить в шунт к бумажному конденсатору аудиофильский полипропилен, то скорее всего вылезут верха и будут они кислотные. Вероятно тут можно составить аналогию с внутренним сопротивлением, сравнив с ним тангенс угла потерь: чем он меньше, тем больше через конденсатор пройдет сигнала, а поскольку емкость у такого высококачественного конденсатора меньше, то через него пройдет только высокочастотная часть сигнала, отсюда и имеем повышенные уровень верхов. Но это только аналогия, для лучшего понимания влияния шунтов на звук.

Про то как надо разносить катушки и какой толщины применять провода статей написано предостаточно, повторяться здесь не буду. Проще показать картинку (тут неправильно припаян цобель высокочастотника, он должен стоять после резистора).

Звучание системы

И конечно же надо сказать про звук. Стало лучше, сцена получилась очень недурственная. Кривизна АЧХ особо не слышна, даже наоборот, подъем на середине поддает детальности, верхов как ни странно хватает. Был замечен интересный эффект на басу. Как можно заметить по АЧХ на сотне герц большой подъем, а за ним завал, разумеется качающего баса нет, но есть мид бас. К примеру партия гитары кажется немного просаженным, а нижний бас, партия бас гитары, переходит как бы в слышимую область и читается очень четко, создается впечатление наличия того самого низкого баса.

Конечно ящики маловаты, и порой слышно подбубнивание, для устранения этого эффекта в каждую колонку было добавлено по 30 грамм натуральней шерсти. В целом данная акустика играет тепло и мягко даже без лампового усилителя, сохраняя в звуке строгость и точность камня, а вот с теплой лампой получается перебор мягкости. Все же им нужен усилитель по-строже - триод или двухтакт, но это тема для следующих экспериментов. Специально для сайта - SecreTUseR.

Обсудить статью ФИЛЬТР ДЛЯ АКУСТИКИ

9. ДВУХ- И ТРЕХПОЛОСНЫЕ СИСТЕМЫ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ

Двух- и трехполосные системы громкоговорителей (агрегаты) да­ют возможность воспроизводить более широкую полосу частот со значительно меньшими частотными и нелинейными искажениями, чем это могли бы сделать широкополосные громкоговорители. К этому надо добавить, что двух- и трехполосные системы обеспечивают улучшение акустических показателей звуковоспроизводящего звена более дешевым образом, ибо широкополосная головка всегда будет стоить много дороже узкополосных. Разделение полного диапазона частот на две и три частотных полосы показано на рис. 55. Видны нижняя (f н ) и верхняя (f в ) границы воспроизводимой полосы ча­стот и частоты раздела (f Р , f P 1 и f P 2 ).

Рис. 55. Условное разделение воспроизводимой полосы ча­стот при двухполосной и трех­полосной акустических систе­мах

( f н и f в - соответственно низшая и высшая граничные частоты; f p , f pl и f р2 - частоты разделения).

Приведенные характеристики представляют собой уровни напряжения на выходе соответствующих разделительных фильтров. Более дорогой является трехполосная си­стема, она способна обеспечить воспроизведение более широкой по­лосы частот (особенно вниз) и с лучшей равномерностью частотной характеристики. Дпухполосные системы получили более широкое распространение. Выбор числа полос следует производить на основе акустических данных имеющихся в наличии головок и требований к неравномерности частотной характеристики системы. Частоты раз­дела выбирают, исходя из условий получения лучшей частотной ха­рактеристики системы (агрегата), т.е. меньших частотных искаже­ний. Это определяется частотными характеристиками головок. Известно также, что частотные искажения громкоговорителя минимальны до критической частоты диффузора , после которой он перестает колебаться, как поршень. Некоторое влияние на выбор частоты раздела могут оказать запасы мощностей у имеющих­ся головок. Кривые требующегося соотношения мощностей головок, приведенные на рис. 32, показывают, что при повышении частоты раздела, высокочастотная головка разгружается и увеличивается нагрузка низкочастотной головки. В некоторых случаях не рекомен­дуют частоту раздела выбирать между 1-4 кгц, так как это может несколько ухудшить слуховые ощущения из-за возможной заметности двух источников звука, работающих одновременно на частоте раздела, которая в этом случае была бы в области наибольшей чув­ствительности нашего слуха. Снижение частоты раздела уменьшает, кроме того, и интермодуляционные искажения. Таким образом, наи­более подходящими частотами раздела могут быть частоты, лежащие в области 400-800 гц и 4-5 кгц. Простейшим способом создания двухполосного агрегата является подключение одной или двух высо­кочастотных головок через разделительный конденсатор к имеюще­муся громкоговорителю.

Большинство диффузорных громкоговорителей мощностью 6- 10 ватт хорошо работают в диапазоне низших и средних частот, т.е. воспроизводят довольно широкую полосу частот. Большинство наи­более мощных наших громкоговорителей (5ГД-3РР3, 6ГД-1, 8ГД-РР3, 10ГД-28 и др.) имеют частоту основного резонанса в лучшем случае 45-50 гц (очень редко 42-40 гц), а снижение отдачи на высших частотах начинается с 5-6 кгц. Таким образом, рабочая полоса, в которой эффективней могут работать эти громкоговорители, простирается от 40-45 гц до 5 кгц. Для воспроизведения области частот выше 5 кгц должны применяться дополнительные небольшие громкоговорители, рассчитанные на воспроизведение полосы до 16- 20 кгц (например, 1ГД-1РР3, 1ГД-2, 1ГД-3). Частота раздела при указанных выше мощных головках должна быть около 5 кгц.

Рис. 56. Схемы присоединения громкоговорителей, воспроизводящих верхнюю полосу частот (условно показано по одной головке в каждой полосе).

а - при приблизительно равном сопротивлении громкоговорителей; б - при

различном сопротивлении; в - то же, но с отдельными трансформаторами в каждой полосе.

На рис. 56 показаны возможные схемы присоединения дополни­тельных высокочастотных головок. Мощность этих головок при такой частоте раздела может быть менее 0,1 от мощности основного громкоговорителя. Присоединение дополнительных головок не нарушит согласования нагрузки с выходным каскадом и даже улучшив его, так как на высших частотах растет полное сопротивление основного громкоговорителя и нагрузка усилителя падает.

Схема на рис. 56. а предназначена для присоединения высокочастотной головки, полное сопротивление которой приблизительно равно полному сопротивлению основного громкоговорителя. Схемы (рис, 56, б, в ) позволяют применять громкоговорители со значительно отличающимися полными сопротивлениями. Согласование нагрузки достигается или с помощью отводов в выходном трансформатор или отдельным трансформатором (автотрансформатором). Технически легче сделать два хороших выходных трансформатора, работающих каждый в узкой полосе частот, чем один высококачественный широкополосный. Это особенно важно при более мощном усилителе.

В этих схемах условно показано по одной головке в каждой полосе, тогда как в действительности могут быть подключены две го­ловки и более. Конечно, все головки должны быть правильно сфазированы и должно быть учтено их общее сопротивление. Емкость разделительного конденсатора определяется частотой раздела и мо­дулем полного сопротивления высокочастотной головки. На частоте раздела емкостное сопротивление конденсатора должно равняться модулю полного сопротивления головки, т. е.

где f Р - частота раздела; | Z ГР | - модуль полного сопротивления го­ловки на частоте раздела.

Рис. 57. Основные схемы разделительных фильтров.

Рис. 58. График для расчета величины разделительной емкости C в схемах на рис. 56 и емкости С 1 , в схемах на рис. 57, а, б.

Разделительный конденсатор, емкость которого рассчитана по этой формуле, дает затухание перед частотой раздела в 6 дб на ок­таву (0,5 f Р ).

Простейшим фильтром, при помощи которого к низкочастотной головке подводится напряжение только низших частот, а к высоко­частотной головке - только высших частот, являются схемы, приве­денные на рис. 57, а,б. Они рассчитаны на головки с одинаковым полным сопротивлением и имеют одинаковое входное сопротивление, равное полному сопротивлению одной головки, несмотря на то, что в первой схеме головки соединены последовательно, а во второй - параллельно. Емкость конденсатора и индуктивность дросселя определяются из условия, что их емкостное или индуктивное сопротив­ление равно на частоте раздела полному сопротивлению головки, поэтому к каждой головке будет приложена половина выходной мощности усилителя; таким образом,

Отсюда легко получаются расчётные формулы

Формула для расчета емкости конденсатора получилась одина­ковой с формулой для расчета емкости разделительного конденсатора высокочастотной головки, что совершенно закономерно, так как они отвечают одинаковым условиям.

Для удобства расчета фильтра на рис. 58 приведены кривые, позволяющие определить значения емкости и индуктивности в зависимости от модуля полного сопротивления головки для двух частот раздела.

Описанный фильтр дает затухание вблизи частоты раздела 6 дб на октаву (0,5 f p и 2 f p ). Однако предпочтительнее фильтры, обладающие более крутым срезом частотной характеристики затухания вблизи частоты раздела, т. е. большим затуханием на октаву. Это желательно для сокращения области частот, в которой одновременно работают (излучают) и низкочастотные и высокочастотные головки. Такие фильтры имеют схемы, приведенные на рис. 57, в, г: они дают затухание около 12 дб на октаву и также рассчитаны на головки с одинаковыми полными сопротивлениями. Входное сопротивление фильтров равно полному сопротивлению одной головки; условие расчета этих фильтров то же, что и у предыдущих: на частоте раздела подводимая мощность делится поровну между головками. В этом случае в последовательной схеме (рис. 57, в ) емкость и индуктивность определяются формулами

а в параллельной схеме (рис. 57, г )

До сих пор говорилось о фильтрах, рассчитанных на головки с одинаковым полным сопротивлением (в своих полосах частот). Очень часто используют головки с разным входным сопротивлением.

Если сопротивления звуковых катушек громкоговорителей раз­личны, их следует уравнять с помощью согласующего трансформато­ра. Такой трансформатор (или автотрансформатор) лучше приме­нять для высокочастотной группы и в зависимости от соотношения сопротивления звуковых катушек использовать либо на повышение (если сопротивление НЧ группы меньше), либо на понижение. Его коэффициент трансформации вычисляют по формуле

где | Z H | и | Z В | - модули полных сопротивлений низкочастотной и высокочастотной головок.

Рис. 59. Схема присоединения громкоговорителей с разными сопротивлениями через фильтры нижних и верхних частот.

Рис. 60. Схема для расчета коэффициен­тов трансформации.

Когда такое уравнение полных сопротивлений головок почему-либо невозможно, то можно подключить громкоговорители к разным отводам выходного трансформатора так, как это показано на рис. 59 (для случая, когда | Z Н | меньше, чем | Z В |). При этом номиналы эле­ментов разделительных фильтров рассчитываются, как для обычных простых фильтров нижних и верхних частот;

Здесь может быть уместно привести формулу для расчета ко­эффициента трансформации каждой отдельной обмотки или отдельного трансформатора (рис. 60, а ), учитывающего как полные сопро­тивления разных головок, так и их номинальные мощности:

где и - число витковпервичной и вторичной обмоток; P У - мощность усилителя; Z H - сопротивление нагрузки усилителя; P ГР - мощность громкоговорителя; Z ГР - полное сопротивление громкоговорителя (среднее значение).

Правильность рассчитанных коэффициентов трансформации мож­но проверить подсчетом общего сопротивления нагрузки по фор­муле

(R должно быть равно | Z H |).

У фабричных выходных трансформаторов, имеющих отводы для включения разных сопротивлений нагрузки (громкоговорителя), обычно обозначают выводы, как показано на рис. 60, б . Но эти же отводы позволяют присоединить нагрузку иного сопротивления на отдельные части обмотки. Определить сопротивление этих нагрузок для верхней секции и подобным же образом для остальных можно по формуле

Перейдем к расчету трехполосных систем. Несмотря на то, что приведенные выше расчетные формулы относятся к двухполосным системам, ценная особенность фильтров, схемы которых изображе­ны на рис. 57, в, г , состоит в том, что их входное сопротивление рав­но полному сопротивлению головки и позволяет успешно использо­вать такие фильтры и в трехполосной схеме. Единственным условием является то, чтобы все три головки имели одинаковые сопротивления в своих полосах частот. Схема фильтров для трехполосной системы показана па рис. 61, а. Она содержит две пары фильтров параллель­ного включения, соответствующих схеме на рис. 57, г . Первую пару фильтров ( L 2 и С 2) рассчитывают по приведенным выше формулам для более низкой частоты раздела (f Р1 ) и к одному из них (низко­частотному) присоединяют низкочастотную головку. Вторую пару фильтров присоединяют к высокочастотному фильтру первой ступе­ни, пропускающему сигналы с частотами выше частоты раздела. Эту пару фильтров (L " 2 и С" 2 ) рассчитывают по тем же формулам, что и первую пару, но для более высокой частоты раздела (f Р2 ). Таким образом, вторая пара фильтров делит область частот, находящую­ся выше первой частоты раздела (f Р1 ), на две полосы с частотой раздела f Р2 между ними. Не представляет трудностей составить такую же систему из двух пар фильтров последовательного включения, которые рассчитывают аналогичным образом, но по формулам, от­носящимся к схеме на рис. 57, в ; такая схема представлена на рис. 61, б. Она может представить интерес только тем, что в ней нужны другие значения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей, которые можно легче купить или сделать, чем те, которые требуются для параллельных схем.

Рис. 61. Схема включения фильтров в трехполосной системе громкоговорителей.

Рис. 62. Упрощенные схемы фильтров для трехполосной системы громкоговорителей,

а - с разделительным конденсатором; б - с последовательным контуром L 3 C 3 .

Имеется более простой вариант схемы включения громкоговори­телей в трехполосной системе. Он показан на рис. 62, а . Здесь при­меняется двухполосный фильтр с более низкой частотой раздела, а высокочастотная головка подключена к фильтру второй полосы с помощью разделительного конденсатора C 3 . Эта схема содержит только два полосовых фильтра и конденсатор вместо двух пар полосовых фильтров, описанных выше. Однако, строго говоря, схема на рис. 62 является двухполосной, к которой добавлена высокоча­стотная головка. В результате этого на высших частотах могут из­лучать как высокочастотная головка, так и среднечастотный громко­говоритель, что может увеличить неравномерность частотной харак­теристики вэтой области частот. Поэтому более эффективной сле­дует считать схему с фильтрами, разделяющими весь диапазон па три полосы. Существует еще одна разновидность трехполосной си­стемы, когда к двухполосной системе подключают дополнительный громкоговоритель последовательно с простым последовательным контуром. Такая схема показана на рис. 62, б . Этой схемой можно ком­пенсировать провалы в частотной характеристике громкоговорителя основной двухполосной системы. Иногда небольшой подъем отдачи и области средних частот (не более 8-10 дб ), создаваемый дополни­тельным громкоговорителем, значительно улучшает качество звуко­воспроизведения: лучше распознаются отдельные инструменты ор­кестра. Это особенно заметно при сравнении звучания с акустиче­ским агрегатом, у которого снижена отдача на средних частотах, даже если такое понижение не выходит из допусков.

Конденсатор и катушку индуктивности для полосового фильтра, которые включают последовательно с головкой, воспроизводящей средние частоты или компенсируют какой-либо провал в характе­ристике (рис. 62, б ), рассчитывают довольно просто. Из курса радио­техники известно, что для последовательного контура (LC ) сущест­вуют следующие соотношения:

И ,

где - угловая резонансная частота, гц; Z К - характеристиче­ское сопротивление контура, которому по отдельности равняются емкостное и индуктивное сопротивления конденсатора и дросселя при резонансной частоте, т.е.

Полагая величину Z K равной полному сопротивлению, которое имеет на частоте коррекции дополнительный громкоговоритель (Z К = Z ДОП ), включаемый через последовательный контур, можно под­считать нужные величины емкости конденсатора C 3 и индуктивности дросселя L 3

Следует иметь в виду, что ширину частотной области, в которой излучает дополнительная головка, можно расширить, уменьшив ве­личину индуктивности L 3 , как это следует из формулы

откуда

Здесь - ширина резонансной кривой па высоте 0,7 от макси­мума, гц; L 3 - индуктивность, гн; R ГР - активное сопротивление го­ловки, ом.

В связи с этим при желании расширить полосу частот, воспро­изводимых дополнительной головкой, следует уменьшить индуктив­ность L 3 против расчетной величины и во столько же раз увеличить емкость C 3 .

Такой метод коррекции частотной характеристики звукового давления громкоговорителя может быть успешно использован и для улучшения воспроизведения низших частот в этом случае дополни­тельный корректирующий громкоговоритель используют, главным образом, в области его основной резонансной частоты, на которую и рассчитывают последовательный контур, т. е.

Если дополнительный громкоговоритель аналогичен основному и отличается частотой основного резонанса не более чем на ±10 гц , то при установке его вблизи основного (рядом) получится повыше­ние уровня на 3 дб и улучшится согласование нагрузки с усилителем, так как на частоте основного резонанса входное сопротивление гром­коговорителя возрастает в 3-5 раз. Индуктивность дросселя и ем­кость конденсатора рассчитывают по вышеприведенным формулам для последовательного контура L 3 C 3 . Однако ввиду того, что резо­нансная частота контура соответствует частоте механического резо­нанса громкоговорителя, индуктивность по расчету получится значи­тельной. Рекомендуется уменьшить ее в 2-4 раза, увеличив во столько же раз емкость конденсатора.

Следует объяснить, почему от всех разделительных фильтров требуется, чтобы на частоте раздела они делили поровну мощность между головками, работающими в соседних полосах, т. е. снижали уровень напряжения на каждой головке на 3 дб. Эта величина выбрана потому, что, как будет показано дальше, сложение двух оди­наковых уровней, создаваемых двумя источниками звука, повышает общий уровень на 3 дб. Следовательно, снижение фильтрами на частоте раздела напряжения на головках (а также и звукового давления) приводит в результате сложения к последующему выравни­ванию общего звукового давления, конечно, если они включены синфазно и отдача обоих головок на частоте раздела одинакова. Однако, к сожалению, чаще имеет место различие в среднем стандартном звуковом давлении, создаваемом различными головками.

В связи с таким положением рекомендуется средне- и высоко­частотную головки присоединять к разделительным фильтрам через низкоомный ступенчатый аттенюатор с 3-5 ступенями регулировки, как это показано на рис. 63. Важной особенностью аттенюатора яв­ляется постоянство его входного сопротивления. Оно может быть сделано равным полному сопротивлению головки, на которое рассчитан разделительный фильтр. Каждая ступень регулировки долж­на давать снижение уровня (затухание) порядка 2 дб, что соответ­ствует уменьшению напряжения (и звукового давления) примерно на 20%, т.е. до 0,8 от исходной величины. Сопротивление последовательного (r 1 ) к параллельного (r 2 ) резисторов находят по фор­мулам

где Z ГР - полное сопротивление головки; k - коэффициент пере­дачи аттенюатора; мы выбрали для первой ступени k =0,8. При оп­ределении сопротивлений резисторов для второй и далее ступеней регулировки следует по рис. 1 определить значение k , которое для второй ступени, создающей общее затухание 4 дб, будет k =0,63, для третьей (6 дб) k =0,5 и т. д. Надо также иметь в виду, что сопротив­ления последовательного и параллельных резисторов могут созда­ваться либо отдельными резисторами независимо друг от друга, как это показано на рис. 63, б, либо с использованием резисторов предыдущей ступени (рис. 63, в ). Во втором варианте необходимо, рас­считав сопротивления резисторов для данного затухания, отнять от рассчитанной величины сумму сопротивлений резисторов, включен­ных между нулевым контактом и предыдущим тому, для которого ведется расчет (при этом расчет сопротивления r 2 ведут, начиная с максимального затухания). Иначе говоря, вычитанием определяется то сопротивление, которое надо добавить к уже подсчитанным, чтобы получить сопротивление, соответствующее данному затуханию. Для удобства определения сопротивления резисторов r 1 и r 2 в зависимости от полного сопротивления громкоговорителя для разных за­туханий и при условии равенства входного сопротивления аттеню­атора и полного сопротивления головки (r АТТ = Z ГР ) на рис. 64 приведены расчетные графики.

Рис. 63. Схемы включения аттенюатора.

а - принципиальная; б, в - практические варианты.

Конденсаторы во всех приведенных схемах разделения частот и разделительных фильтрах желательно иметь бумажные. Их но­минальное рабочее напряжение может быть выбрано минимальным. Можно применять электролитические конденсаторы, но из-за отсут­ствия в цепи постоянной составляющей необходимо взять два таких конденсатора, каждый вдвое большей емкости, и соединить их по­следовательно одинаковой полярностью. Такое включение конденса­торов называется биполярным, и оно иногда используется (напри­мер, в радиоле "Симфония") наряду со специальными типами бипо­лярных электролитических конденсаторов. Можно специально соз­дать схему с вспомогательным источником постоянного напряжения для поляризации электролитических конденсаторов. Однако выпуска­ется достаточный ассортимент необходимых типов и величин бумаж­ных конденсаторов сравнительно небольших размеров для рабочего напряжения 120-160 в, например типа МБГО. Их габариты к тому же не имеют существенного значения при размещении в ящике гром­коговорителя. Дроссели для схем разделительных фильтров лучше применять без стального сердечника, так как всегда имеется опас­ность появления дополнительных нелинейных искажений вследствие нелинейности кривой намагничивания сердечника. Лучше применять в качестве дросселей простые многослойные катушки без сердеч­ников.

Для уменьшения потерь звуковой энергии намотку дросселей, включаемых последовательно с громкоговорителями, следует выполнять достаточно толстым эмалированным проводом, чтобы активное сопротивление обмотки было в 10-20 раз меньше, чем сопротивле­ние всех громкоговорителей, работающих в данной полосе частот. Индуктивность многослойной катушки, изображенной на рис. 65, может быть подсчитана по формуле

где w - число витков; D - средний диаметр катушки, см; В - ширина намотки, см; А - высота намотки, см.

Рис. 64. Графики для расчета сопротивлений аттенюатора.

Если принять конфигурацию катушки такой, что d = A , A = 1,2 B , а D =2 A =2,4 B , то формула для индуктивности и расчет дросселя сильно упрощается:

Расчет дросселя ведется следующим образом: задаемся сопро­тивлением обмотки r др (r др =0,05/0,1 R ГР ) и шириной катушки B . Площадь сечения обмотки принятой конфигурации будет S 0 = AB =1,2 B 2 , a объем обмотки V 0 = S 0 3,14 D =9 B 3 . Определяем с помощью приведенной здесь табл. 2 число витков и сопротивление обмотки для подсчитанных S 0 и V 0 и какого-либо выбранного диаметра про­вода и сопоставляем сопротивление с требующимся, а по уклады­вающемуся числу витков обмотки подсчитываем индуктивность.

Таблица 2

Диаметр по меди	Число плотно намотанных витковна 1 см 2 сечения обмотки	Сопротивление кубического сантиметра непрерывной намотки, ом
		0,668
		0,28
		0,137
		0,076
		0,0444
		0,0284
		0,0189
		0,013
		0,00924
		0,00678

Рис. 65. Кон­фигурация катушки дросселя разделитель­ного фильтра.

Если рассчитанные индуктивность и сопротивление катушки оказываются меньше требующихся, тогда проделывают то же самое для меньшего диаметра провода. Если сопротивление обмотки увеличивать нельзя, то, сохраняя прежний диаметр про­вода, увеличивают размеры катушки, т. е. B , и тем самым возможное число витков. Обычно дроссели де­лают бескаркасными, т. е. обмотка наматывается на болванке со съемными щеками, которые по оконча­нии намотки удаляются, а обмотка для прочности стягивается лентой или ниткой в 4-5 местах по окружности.

Рассчитаем в качестве примера дроссель индуктивностью 30 мгн, сопротивлением 2,5-3,5 ом и шириной обмотки B =3 см. Площадь сечения обмотки равна S 0 =1,2 В 2 = 10,8 см 2 ; объем обмотки равен Vo =9 B 3 =243 см 3 . Находим с помощью таблицы, что из про­вода диаметром 1 мм обмотка будет иметь сопротивление 4,6 ом и количество витков 840. По формуле подсчитываем индуктивность.

Она будет равна:

Так как сопротивление получилось завышенным, а индуктив­ность близкой, увеличим немного размеры катушки (примем B = 3,4 см ) и диаметр провода (примем 1,2 мм ). Новая площадь се­чения обмотки и ее объем равны S 0 =13,9 см 2 ; V o =352 см 3 . Находим по таблице, что обмотка будет иметь 765 витков и сопротивление 3,25 ом; ее индуктивность составит L =32 мгн. Дроссель с такими индуктивностью и сопротивлением удовлетворяет заданию.