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?

Разделительные фильтры с плоской АЧХ обладают рядом преимуществ перед фильтрами других типов, и являются наиболее употребляемыми в настоящее время в АС класса HI-FI. Поэтому в методике расчета будет рассмотрен только этот тип фильтров. Суть расчета состоит в том, что сначала разделительные фильтры рассчитываются из условия активной нагрузки и источника напряжения с бесконечно малым выходным сопротивлением (что справедливо для современных усилителей звуковой частоты). Затем принимаются меры, направленные на снижение влияния амплитудно-частотных и фазочастотных искажений громкоговорителей и комплексного характера их входного сопротивления на характеристики фильтров.

Расчет разделительных фильтров начинается с определения их порядка и нахождения параметров элементов лестничного фильтра прототипа нижних частот.

Фильтром-прототипом называется лестничный фильтр нижних частот, значения элементов которого нормированы относительно единичной частоты среза и единичной активной нагрузки. Рассчитав элементы фильтра нижних частот определенного порядка при реальной частоте и реальном значении сопротивления нагрузки, можно путем применения преобразования частоты определить схему и рассчитать значения элементов фильтра верхних частот и полосового фильтра соответствующего порядка. Нормированные значения элементов фильтра-прототипа, работающего от источника напряжения, определяются путем разложения в цепную дробь его выходной проводимости. Нормированные значения элементов фильтров-прототипов для расчета разделительных фильтров «всепропускающего типа с плоской АЧХ» 1…6-го порядка сведены в таблицу:

На рис.1 представлена схема фильтра-прототипа шестого порядка. Схемы фильтров прототипов меньших порядков образуются путем отбрасывания соответствующих элементов – α (начиная с больших) – например, фильтр-прототип 1-го порядка состоит из одной индуктивности α 1 и нагрузки R н .

Рис. 1. Схема односторонне нагруженного фильтра-прототипа нижних частот 6-го порядка

Значение реальных параметров элементов, соответствующих выбранному порядку разделительных фильтров, сопротивлению нагрузки R н (Ом) и частоте среза (разделения) f d (Гц) рассчитываются следующим образом:

а) для фильтра нижних частот:

каждый элемент α -индуктивность фильтра-прототипа переводится в реальную индуктивность (Гн), рассчитываемую по формуле:

L=αR н / 2πf d

каждый элемент α -емкость фильтра-прототипа переводится в реальную емкость (Ф), рассчитываемую по формуле:

C=α/ 2πf d R н

б) для фильтра верхних частот:

каждый элемент α -индуктивность фильтра-прототипа заменяется реальной емкостью рассчитываемой по формуле:

C= 1/ 2πf d αR н

каждый элемент α -емкость фильтра-прототипа заменяется реальной индуктивностью, рассчитываемой по формуле:

L=R н / 2πf d α

в) для полосового фильтра:

каждый элемент α -индуктивность заменяется на последовательный контур, состоящий из реальных L и C -элементов, рассчитываемых по формулам

L=αR н / 2π (f d 2 -f d 1 )

где f d 2 и f d 1 – соответственно нижняя и верхняя частоты среза полосового фильтра,

С= 1/ 4π 2 f 0 2 L

где f 0 =√ f d 1 f d 2 – средняя частота полосового фильтра.

Каждый элемент α -емкость заменяется на параллельный контур, состоящий из реальных L и C -элементов, рассчитываемых по формулам:

С=α/ 2π(f d 2 -f d 1 )R н ,

L= 1/ 4π 2 f 0 2 C

Пример. Требуется рассчитать значения элементов раздельных фильтров для трехполосной АС.

Выбираем разделительные фильтры второго порядка. Пусть выбранные значения частот разделения составляют: между низкочастотным и среднечастотным каналом f d 1 =500 Гц, между среднечастотными и высокочастотными f d 2 =5000 Гц. Сопротивление громкоговорителей на постоянном токе: низкочастотного и среднечастотного – 8 Ом, высокочастотного – 16 Ом.

Рис. 2. Пример расчета разделительных фильтров трехполосной АС а) АЧХ громкоговорителей без фильтров; б) АЧХ громкоговорителей с фильтрами, цепями согласования и коррекции; в) суммарная АЧХ АС на рабочей оси и при смещении микрофона на угол ±10° в вертикальной плоскости

Амплитудно-частотные характеристики громкоговорителей, измеренные в заглушенной камере на рабочей оси АС на расстоянии 1 м, изображены на рис.2, а) (низкочастотный громкоговоритель 100ГД-1 , среднечастотный 30ГД-8 , высокочастотный 10ГД-43 ).

Рассчитаем фильтр нижних частот:

Значение нормированных параметров элементов определим из таблицы: α 1 =2,0, α 2 =0,5.

Из рис.1 определяем схему фильтра-прототипа нижних частот: фильтр состоит из индуктивности α 1 , емкости α 2 и нагрузки R н .

Значения реальных элементов фильтров нижних частот находим по выражениям и :

L 1 НЧ =αR н / 2πf d 1 =2,0·8,0/(2·3,14·500)=5,1 мГн,

C 1 НЧ =α/ 2πf d 1 R н =0,5/(2·3,14·500·8,0)=20 мкФ.

Значения элементов полосового фильтра (для среднечастотного громкоговорителя) определяем в соответствии с выражениями …:

L 1 СЧ =α 1 R н / 2π (f d 2 -f d 1 )=2,0·8,0/2·3,14(5000-500)=0,566 мГн (сторона ВЧ)

С 1 СЧ = 1/ 4π 2 f 0 2 L 1 СЧ =1/4·3,14 2 ·5000·500·5,66·10 -4 =18 мкФ (сторона НЧ)

С 2 СЧ =α 2 / 2π(f d 2 -f d 1 )R н =0,5/2·3,14(5000-500)·8,0=2,2 мкФ (сторона ВЧ)

L 2 СЧ = 1/ 4π 2 f 0 2 C 2 СЧ =1/4·3,14 2 ·5000·500·2,2·10 -6 =4,6 мГн (сторона НЧ)

Значения элементов фильтра верхних частот определяем в соответствии с выражениями и :

C 1 ВЧ = 1/ 2πf d 2 α 1 R н =1/(2·3,14·5000·2,0·16)=1,00 мкФ,

L 2 ВЧ =R н / 2πf d 2 α 2 =16/(2·3,14·5000·2,0)=0,25 мГн.

Для согласования фильтров с входным комплексным сопротивлением громкоговорителей может применяться специальная согласующая цепь. При отсутствии этой цепи входное сопротивление громкоговорителя оказывает влияние на АЧХ и ФЧХ разделительных фильтров. Параметры элементов согласующей цепи, включаемой параллельно громкоговорителю, находятся из условия:

Y c (s )+ Y ГР (s )=1/ R E ,

где Y c (s ) – проводимость согласующей цепи, Y ГР (s ) – входная проводимость громкоговорителя, R E – электрическое сопротивление громкоговорителя на постоянном токе.

Схема согласующей цепи изображена на рис.3. Цепь является дуальной по отношению к эквивалентной электрической схеме громкоговорителя. Значения элементов цепи определяем следующим образом:

R K 1 = R E ,

C K 1 = L VC / R E 2

R K = R E 2 /R ES =Q ES R E /Q MS ,

C K =L CES / R E 2 =1/Q ES R E 2 π f s ,

L K =C MES R E 2 =Q ES R E /2 π f s ,

где L VC – индуктивность звуковой катушки, f s , C MES , L CES , R ES – электромеханические параметры громкоговорителя.

Для компенсации входного сопротивления низкочастотного громкоговорителя применяют упрощенную цепь, состоящую из последовательно включенных сопротивления R K1 и емкости C K1 . Это объясняется тем, что механический резонанс громкоговорителя не оказывает влияния на характеристики фильтра нижних частот и компенсируется только индуктивный характер входного сопротивления громкоговорителя. Целесообразность подключения полной согласующей цепи к высокочастотным и среднечастотным громкоговорителям оправдана в том случае, если резонансная частота громкоговорителя находится вблизи частоты среза фильтра верхних частот или нижней частоты среза полосового фильтра. В том случае, если частоты среза фильтров значительно выше резонансных частот громкоговорителей, включение упрощенной цепи является достаточным.

Рис.3 . Схема согласующей цепи для компенсации комплексного характера входного сопротивления громкоговорителя

Влияние входного комплексного сопротивления громкоговорителей можно рассмотреть на примере разделительных фильтров второго порядка верхних и нижних частот (рис.4).

Рис. 4. Электрическая эквивалентная схема громкоговорителя с разделительными фильтрами 2-го порядка: а – с фильтром нижних частот; б – с фильтром верхних частот; (1 – фильтр; 2 – громкоговоритель)

Параметры НЧ громкоговорителя выбраны таким образом, что его АЧХ соответствует аппроксимации по Баттерворту, т.е. полная добротность Q ts =0,707. Частота среза фильтра нижних частот выбрана в 10 раз больше резонансной частоты громкоговорителя f d =10f s . Индуктивность звуковой катушки выбрана из условия: Q VC =0,1, где Q VC – добротность звуковой катушки, определяемая как:

Q VC =L VC 2π f s / R E ,

где f s – резонансная частота громкоговорителя, R E – сопротивление звуковой катушки на постоянном токе, L VC – индуктивность звуковой катушки.

Значение Q VC =0,1 соответствует среднестатистическому значению индуктивности звуковой катушки мощных низкочастотных громкоговорителей. Вследствие этого можно считать, что индуктивность звуковой катушки L VC и активное сопротивление R E включены параллельно емкости фильтра C 1 и образуют в области частоты среза фильтра широкий максимум АЧХ входного сопротивления, за которым следует острый провал (рис.5,а). Соответствующие изменения АЧХ фильтра по напряжению заключаются в небольшом подъеме АЧХ на частоте f ≈ 2 f s (вследствие индуктивности звуковой катушки) и плавном провале, за которым следует резкий пик АЧХ из-за резонанса цепи, образуемой индуктивностью звуковой катушки и емкостью разделительного фильтра. Соответствующие изменения АЧХ и Z BX после включения согласующей цепи из последовательно включенного резистора и конденсатора показаны на рис.5,а (кривые 2, 4, 6). Включение согласующей цепи приближает характер входного сопротивления громкоговорителя к активному и АЧХ разделительного фильтра по напряжению к желаемому. Однако вследствие влияния индуктивности звуковой катушки АЧХ по звуковому давлению отличается от желаемой (кривая 4), поэтому даже после согласующей цепи иногда требуется небольшая подстройка элементов фильтров и цепи согласования.

Рис. 5 АЧХ и входное сопротивление разделительных фильтров 2-го порядка, нагруженных на громкоговоритель: а) фильтр нижних частот; б) фильтр верхних частот;

1. АЧХ по напряжению на выходе фильтра без согласующей цепи;
2. АЧХ по напряжению на выходе фильтра с согласующей цепью;
3. АЧХ по звуковому давлению без согласующей цепи;
4. АЧХ по звуковому давлению с согласующей цепью;
5. входное сопротивление фильтра с громкоговорителем без согласующей цепи;
6. входное сопротивление фильтра с громкоговорителем с согласующей цепью.

В случае фильтра верхних частот влияние комплексного характера входного сопротивления громкоговорителя на входное сопротивление и АЧХ фильтра носит иной характер. Если частота среза фильтра верхних частот находится вблизи частоты резонанса громкоговорителя f s (случай, иногда встречающийся в фильтрах для среднечастотных громкоговорителей, но практически невозможный для высокочастотных громкоговорителей), входное сопротивление фильтра верхних частот с громкоговорителем без согласующей цепи может иметь глубокий провал вследствие того, что на частоте резонанса громкоговорителя f s его входное сопротивление значительно возрастает и имеет чисто активный характер. Фильтр оказывается как бы на холостом ходу, из-за резкого возрастания сопротивления нагрузки и его входное сопротивление определяется последовательно включенными элементами C 1 , L 1 . Чаще встречается ситуация, когда частота среза фильтра верхних частот f d значительно выше частоты резонанса громкоговорителя f s . На рис.5,б дан пример влияния входного сопротивления громкоговорителя и его компенсации на АЧХ фильтра верхних частот по напряжению и звуковому давлению. Частота среза фильтра выбрана значительно выше частоты резонанса громкоговорителя f d ≈8 f s , параметры громкоговорителя Q TS =1,5 , Q MS =10, Q VC =0,08. Подъем АЧХ по звуковому давлению и напряжению в высокочастотной области, сопровождаемый провалом входного сопротивления, объясняется влиянием индуктивности звуковой катушки L VC . На более высоких частотах АЧХ падает, а входное сопротивление растет за счет возрастания индуктивного сопротивления звуковой катушки.

Кривые 2, 4, 6 на рис.5,б показывают влияние согласующей RC -цепи.

Выходное сопротивление разделительного фильтра верхних частот, растущее с понижением частоты, оказывает влияние на электрическую добротность громкоговорителя, увеличивая ее, и соответственно увеличивает полную добротность и форму АЧХ по звуковому давлению. Иными словами, имеет место эффект «раздемпфирования» громкоговорителя. Для набежания этого необходимо выбирать крутизну спада АЧХ фильтра и частоту среза фильтра верхних частот f d >> f s так, чтобы на частоте резонанса f s ослабление сигнала было не менее 20 дБ.

При расчете разделительных фильтров в примере, рассмотренном выше, принималось, что характер нагрузки – активный, поэтому рассчитаем согласующие цепи, компенсирующие комплексный характер входного сопротивления громкоговорителя.

Частота разделения низкочастотного и среднечастотного каналов f d 1 выбрана примерно на две октавы выше резонансной частоты среднечастотного громкоговорителя, а частота разделения среднечастотного и высокочастотного каналов f d 2 – на две октавы выше резонансной частоты высокочастотного громкоговорителя. Кроме того, можно принять, что индуктивность звуковой катушки высокочастотного громкоговорителя пренебрежимо мала в рабочем диапазоне частот и ей можно пренебречь (это справедливо для большинства высокочастотных громкоговорителей). В этом случае можно ограничиться применением упрощенной согласующей цепи для низкочастотного и среднечастотного громкоговорителей.

Пример . Измеренные (или определенные из кривой АЧХ входного сопротивления) индуктивности звуковых катушек: низкочастотного громкоговорителя L VC =3·10 -3 Г =3 мГн , среднечастотного громкоговорителя L VC =0,5·10 -3 Г=0,5 мГн . Тогда значение элементов компенсирующих цепей рассчитывают по формулам и :

для НЧ: R K 1 – R π =8 Ом; С К1 =L VC /R 2 E =3 ·10 -3 /64=47 мкФ

для СЧ: R’ K 1 = R E -8 Ом; С’ К1 =L VC /R 2 E =0,5 ·10 -3 /64=8,0 мкФ.

На АЧХ среднечастотного громкоговорителя имеется пик, увеличивающий неравномерность суммарной АЧХ АС (рис.2,а); в этом случае целесообразно включить амплитудный корректор. Режектирующее звено (рис.6) применяется для коррекции пиков АЧХ громкоговорителей или всей АС. Это звено имеет чисто активное входное сопротивление, равное сопротивлению нагрузки R H и поэтому может быть включено между фильтром и громкоговорителем с скомпенсированным входным сопротивлением. В случае включения режектирующего звена на входе АС схема может быть упрощена, так как отпадает необходимость в элементах C q , L q , R q , обеспечивающих активный характер входного сопротивления звена. Значения элементов рассчитываются по формулам:

R K ≈ R H (10 -0,05 N -1),

L K = R K ∆ f /2π f 0 2 ,

C K =1/L K 4π 2 f 0 2 ,

C q = L K / R H 2 ,

L q = C K R H 2 ,

R q = R H (1+ R H / R K ),

где R H – сопротивление громкоговорителя (скомпенсированное) или входное сопротивление АС (Ом) в области резонансной частоты режектирующего звена;

∆ f – полоса частот корректируемого пика АЧХ (отсчитывается по уровню – 3 дБ), Гц;

f 0 – резонансная частота режектора, Гц;

N – величина пика АЧХ, дБ.

Рис. 6. Режектирующее звено: а) принципиальная схема; б) АЧХ

Применим режектирующее звено, включенное между фильтром и среднечастотным громкоговорителем с согласующей цепью.

Из АЧХ среднечастотного громкоговорителя определяем ∆ f =1850 Гц, f 0 =4000 Гц, N =6 дБ. Сопротивление среднечастотного громкоговорителя с согласующей цепью R H =8 Ом.

Значения элементов режектирующего звена следующее:

R K ≈ R H (10 -0,05 N -1)=8(10 -0,05·6 -1)=7,96 Ом,

L K = R K ∆ f /2π f 0 2 =7,96·1850/2π (4000) 2 =0,147 мГн,

C K =1/L K 4π 2 f 0 2 =1/1,47·10 -4 (2π 4000) 2 =11мкФ,

C q = L K / R H 2 =1,47·10 -4 /64=2,3 мкФ,

L q = C K R H 2 =10,8·10 -6 ·64=0,7 мГн,

R q = R H (1+ R H / R K )=8(1+8/7,96)≈16,0 Ом.

В рассматриваемом примере АЧХ высокочастотного и среднечастотного громкоговорителя имеют средние уровни примерно на 6 дБ и соответственно 3 дБ выше, чем АЧХ низкочастотного громкоговорителя (запись звукового давления осуществлялась при подаче на все громкоговорители синусоидального напряжения одинаковой величины). В этом случае для уменьшения неравномерности суммарной АЧХ АС необходимо ослабить уровень среднечастотных и высокочастотных составляющих. Это можно сделать либо с помощью корректирующего высокочастотного звена первого порядка (рис.7), элементы которого рассчитываются по формулам:

R K ≈ R H (10 -0,05 N -1),

L K = R K /2π f d √(10 0,1 N -2), N ≥3 дБ,

Либо с помощью Г-образных пассивных аттенюаторов, обеспечивающих заданный уровень ослабления N (дБ) и заданное входное сопротивление R BX (рис.8). Значение элементов аттенюатора рассчитываем по формулам:

R 1 ≈ R BX (1-10 -0,05 N ),

R 2 ≈ R H R BX 10 -0,05 N /(R H – R BX 10 -0,05 N ).

Рис. 7. Звено 1-го порядка, корректирующее высокие частоты: а) принципиальная схема; б) АЧХ

Рис. 8. Пассивный Г-образный аттенюатор

Рассчитаем для примера значения элементов аттенюатора для ослабления на 6 дБ сигнала высокочастотного громкоговорителя. Пусть входное сопротивление громкоговорителя с включенным аттенюатором равняется входному сопротивлению громкоговорителя, т.е. 16 Ом, тогда:

R 1 ≈16(1-10 -0,05·6)≈8,0 Ом, R 2 ≈16·10 -0,05·6 /(1-10 -0,05·6)≈16,0 Ом.

Аналогично рассчитаем значения элементов аттенюатора для среднечастотного громкоговорителя: R 1 =4,7 Ом, R 2 =39 Ом. Аттенюаторы включаются сразу после громкоговорителей с согласующими цепями.

Полная схема разделительных фильтров изображена на рис.9, АЧХ АС с рассчитанными фильтрами – на рис.2,в.

Как было сказано выше, фильтры четных порядков допускают только один вариант полярности включения громкоговорителей, в частности, фильтры второго порядка требуют включения в противофазе. Для рассматриваемого примера низкочастотный и высокочастотный громкоговоритель должны иметь идентичную полярность включения, а среднечастотный – обратную. Требования к полярности включения громкоговорителей рассматривались выше на модели АС с идеальными громкоговорителями. Поэтому при включении реальных громкоговорителей, имеющих собственную ФЧХ≠0, (в случае выбора частот разделения вблизи граничных частот рабочего диапазона громкоговорителей или при большой неравномерности АЧХ громкоговорителей) условие согласования реальных ФЧХ каналов может не соблюдаться. Поэтому для контроля реальной ФЧХ по звуковому давлению громкоговорителей с фильтрами необходимо пользоваться фазометром с линией задержки или определять условие согласования косвенно по характеру суммарной АЧХ АС в полосах разделения каналов. Правильной полярностью включения громкоговорителей можно считать ту, которая соответствует меньшей неравномерности суммарной АЧХ в полосе разделения каналов. Точное согласование ФЧХ разделяемых каналов при удовлетворении всем остальным требованиям (плоская АЧХ и т.д.) осуществляется численными методами синтеза оптимальных разделительных фильтров-корректоров на компьютере.

Рис.9. Принципиальная электрическая схема АС с рассчитанными разделительными фильтрами (емкости в микрофарадах, индуктивности – в миллигенри, сопротивления – в омах).

В разработке пассивных разделительных фильтров важную роль играет их конструкция, а также выбор типа конкретных элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов, в частности, большое влияние на характеристики АС с фильтрами оказывает взаимное размещение катушек индуктивности, при их неудачном расположении вследствие взаимной связи возможны наводки сигнала между близко расположенными катушками. По этой причине их рекомендуется располагать взаимно перпендикулярно, только такое расположение позволяет свести к минимуму их влияние друг на друга. Катушки индуктивности являются одним из важнейших компонентов пассивных разделительных фильтров. В настоящее время многие зарубежные фирмы применяют катушки индуктивности на сердечниках из магнитных материалов, обеспечивающих большой динамический диапазон, низкий уровень нелинейных искажений и малые габариты катушек. Однако конструирование катушек с магнитными сердечниками связано с применением специальных материалов, поэтому до настоящего времени многие разработчики применяют катушки с воздушными сердечниками, основные недостатки которых – большие габариты при условии малых потерь (особенно в фильтре низкочастотного канала), а также большой расход меди; достоинства – пренебрежимо малые нелинейные искажения.

Конфигурация катушки индуктивности с воздушным сердечником, изображенная на рис.10, является оптимальной, так как она обеспечивает максимальное отношение L /R , т.е. катушка с заданной индуктивностью L , намотанная проводом выбранного диаметра, имеет при данной конфигурации намотки наименьшее сопротивление R или наибольшую добротность по сравнению с любой другой. Отношение L /R , имеющее размерность времени, связано с размерами катушки соотношением :

L /R =161,7alc /(6a +9l +10c );

L – в микрогенри, R – в омах, a , l , c – в миллиметрах.

Рис.10. Катушка индуктивности с воздушным сердечником оптимальной конфигурации: а) в разрезе; б) внешний вид.

Расчетные соотношения для данной конфигурации катушки: a =1,5с , l =c ; конструктивный параметр катушки c =√(L /R 8,66) , число витков N =19,88√(L / c ), диаметр провода в миллиметрах, d =0,841c /√ N , масса провода (материал – медь) в граммах, q = c 3 /21, длина провода в миллиметрах, B=187,3√ Lc . В том случае, если катушка индуктивности рассчитывается, исходя из провода данного диаметра, основные расчетные соотношения выглядят следующим образом:

конструктивный параметр c = 5 √(d 4 19,88 2 L /0,841 4)=3,8 5 √(d 4 L ) , сопротивление провода R =L /c 2 8,66 .

Найдем, для примера параметры катушки индуктивности рассчитанного ранее фильтра нижних частот. Индуктивность катушки составляет L 1НЧ =5,1 мГ . Сопротивление R катушки на постоянном токе определим из допустимого затухания сигнала, вносимого реальной катушкой на низких частотах. Пусть ослабление сигнала за счет потерь R в катушке составляет N ≤1дБ . Поскольку сопротивление низкочастотного громкоговорителя на постоянном токе составляет R E =8 Ом, то допустимое сопротивление катушки, определяемое из выражения R ≤R E (10 0,05N -1), составляет R ≤0,980 Ом ; тогда конструктивный параметр катушки c =√5100/0,98·8,66=24,5 мм ; количество витков N =19,8√(5100/24,5)=287 витков ; диаметр провода d =0,841·24,5/√287=1,2 мм ; масса провода q =24,5 3 /21,4≈697 г ; длина провода B =187,3√(85,1·24,5)≈46 м.

Другим важным элементом пассивных разделительных фильтров являются конденсаторы. Обычно в фильтрах используют бумажные или пленочные конденсаторы. Из бумажных наиболее употребляемые отечественные конденсаторы МБГО. Достоинством этих типов конденсаторов являются малые потери, высокая температурная стабильность, недостатком – большие габариты, снижение допустимого максимального напряжения на высоких частотах. В настоящее время в фильтрах ряда зарубежных АС используют электролитические неполярные конденсаторы с малыми внутренними потерями, объединяющие достоинства рассмотренных конденсаторов и свободные от их недостатков.

По материалам из книги: «Высококачественные акустические системы и излучатели»

(Алдошина И.А., Войшвилло А.Г.)

Предлагаю обсудить тему активных фильтров для АС . Просьба высказаться тех, кто имеет практический опыт изготовления и прослушивания таких фильтров , а я покажу, что получилось у меня.

Активные фильтры , на мой взгляд, предпочтительны именно двухполосные, но для трехполосных АС. Частота раздела двухполосных АС всегда находится в области максимальной чувствительности слуха – несколько кГц т. к. пищалки не могут работать до частоты 100…500 Гц, а басовики из-за большого диаметра диффузора выходят из поршневого диапазона и на частотах 4…6 кГц работают неважно.
Широкополосники – компромисс и для них желательны костыли сверху или снизу.

Итак, на частотах раздела порядка 2 кГц прилично работают пассивные фильтры , а при работе микросхем на этих частотах, а особенно порядка 6 кГц (раздел между СЧ и ВЧ), могут возникнуть трудности. На частотах раздела в сотни Гц обычные микросхемы в активных фильтрах работают очень хорошо.
Итак, делим звуковой диапазон на НЧ и СЧ-ВЧ на частотах 100…500 Гц, а СЧ-ВЧ делим простейшим пассивным фильтром первого порядка.

Изыскания и испытания

Измеренная АЧХ моих динамиков

Кроме того активные фильтры незаменимы при значительной разнице в чувствительности головок, они позволяют использовать низкочувствительные НЧ динамики с высокочувствительными СЧ-ВЧ головками.
Из АЧХ головки видно, что нет смысла ловить микроны и добиваться именно 150 Гц, вполне годится 100…250 Гц.

Окончательная подстройка должна производиться при прослушивании собранных колонок и измерении с помощью микрофона. Такую подстройку проще осуществить именно активными фильтрами, в чем я и убедился при настройке фильтров.
Сначала я снял ЧХ фильтра с рекомендованными номиналами деталей, вот что получил.

АЧХ оригинальной схемы фильтра

Практически прямая линия суммарной АЧХ , всё отлично!

Забыл сказать, что я и 0 дБ – это ноль, общее усиление системы около -1 дБ (минус 13%), небольшая волнообразность ниже 40 Гц из-за примененного усилителя на К174УН14, ею можно пренебречь. Недостаток – частота раздела стала 63 Гц вместо 150. Отсюда я сделал вывод, что надо установить конденсаторы мЕньшей ёмкости, в плате я предусмотрел отверстия для них, и заново произвести настройку.

Тем не менее, результат, особенно для испытаний меня устроил. По результатам испытаний я решу, стоит ли ловить блох в 1 дБ и стоит ли сама идея активных фильтров свеч. Промежуточный результат для R4=13 кОм и R5=16 кОм.

Без настройки впаял детали в другой канал, идентичность очень неплохая. Конденсаторы перед установкой я отбирал с точностью примерно 5%, резисторы не подбирал.

Уровень сигнала в СЧ-ВЧ канале больше примерно на 0,7 дБ, при суммировании я это учитывал. Окончательное выравнивание будет в оконечных усилителях.
Повторюсь, крутизна фильтров для СЧ-ВЧ небольшая, возможно, есть смысл в добавке конденсатора последовательно с СЧ-ВЧ головками, это покажет прослушивание.

Планы

Файлы

Первым делом снял все динамики. Отремонтировал и немного доработал все динамики. Настроил фазоинвертора для каждого низкочастотного динамика. Измерил параметры динамиков и на основе измерений рассчитал и изготовил новый кроссовер. Схема кроссовера необычна, в фильтре СЧ применен полосовой фильтр первого порядка и параллельный контур. Параллельный контур зашунтирован сопротивлением громкоговорителя, что дало нужную полосу пропускания.

фильтра №1 в процессе настройки

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

акустической системы с фильтром №1

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

Общее впечатления на слух низкие частоты зазвучали, необходимость выкручивать тембр НЧ до конца в плюс отпала, что очень хорошо. Сравнивая при прослушивании модернизированную АС с не модернизированной (с заводским фильтром и настроенным фазоинвертором), модернизированная АС звучала вяло не было живости и драйва. Хотя звук был сбалансирован и чист, но средние частоты звучали сами по себе, низкие сами по себе, высокие частоты сами по себе. Звуковая сцена раздроблена и нет локализации инструментов.
Принято решение сделать ещё несколько кроссоверов.

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ фильтра №2

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ акустической системы с фильтром №2

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ акустической системы с фильтром №3

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ фильтра №4

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ акустической системы с фильтром №4

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

Последняя схема, на мой взгляд, самая удачная для данной АС.
Звучание, сбалансированное живое, чистое, естественное и натуральное. При прослушивании сравнивали звучание на двух усилителях модернизированный и настроенный и модернизированный и настроенный . На усилителе разницу в звучании было очень трудно услышать она была не значительна в нюансах. На усилителе разницу в звучании всех экземпляров фильтров слышно сразу даже неподготовленному слушателю, отбор фильтров производился по звучанию на усилителе Radiotehnika 101.

На основе изготовленных, настроенных, и прослушанных фильтров можно сказать, что акустические системы с одним и тем же набором динамиков сильно отличаются по звучанию. И не равномерность частотной характеристики в приделах 5-10 дБл в рабочем диапазоне не является критерием качественного звучания. При изготовление фильтра нужно учитывать переходную и фазочастотную характеристики, групповое время запаздывания (ГВЗ), импеданс фильтра . Которые сильно влияют на воспроизведение музыкальных произведений при работе усилителя на сложную нагрузку (АС). Порой приходится оставить неравномерность АЧХ 10 дБл, но улучшить переходную и фазочастотную характеристики, что приведет к более естественному, натуральному и качественному звучанию.

Стоит заметить, что важную роль в воспроизведение музыкальных произведений играет усилитель и источник сигнала. Качество которых должно быть на высоком уровне, иначе разницы можно не услышать.

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

Главная » Автопроизводство » Фильтры трехполосной высококачественной акустической системы. Активный трехполосный фильтр на базе NM2116. Важные характеристики АС