Расчёт разделительных фильтров. Изготовление акустических систем своими руками Фильтр второго порядка для трехполосной акустики

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.)

Динамики в акустических системах должны быть подключены таким образом, чтобы на каждый из них поступало напряжение только тех частот, которые он должен воспроизводить. Это достигается тем, что в звуковой тракт включается электрический фильтр, который обеспечивает подавление сигнала нежелательных частот. Применение фильтра в АС обусловлено необходимостью выполнения 2-х основных задач:

• ограничение полосы воспроизводимых частот, для устранения избыточного звукового давления;
• ограничение полосы частот, которая способна вызвать повреждение динамика (например, проникновение НЧ сигнала на ВЧ динамик);

Фильтры бывают пассивные и активные. Пассивные фильтры включаются между усилителем и акустической системой и монтируются внутри последней. Пассивные фильтры имеют фиксированные характеристики и не имеют возможностей регулировки параметров в процессе эксплуатации системы.

Активные фильтры (активные кроссоверы) включаются между источником сигнала и усилителем. К достоинствам активных фильтров можно отнести более гибкие возможности регулировки параметров. Среди недостатков – необходимость использования отдельного канала усиления для каждой отфильтрованной полосы частот.

В реальных звуковых комплексах часто комбинируют эти два типа фильтров.

Расчёт пассивного фильтра

Фильтр АС представляет собой совокупность электрических цепей предназначенных для ограничения определённых частот, поступающих на динамики.

Фильтры встречаются следующих типов (см. рис.1):

• Фильтр высоких частот (ФВЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика снизу;
• Фильтр низких частот (ФНЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху;
• Полосовой фильтр (ПФ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху и снизу;
• Комбинированный тип – представляет собой сочетание вышеуказанных типов.

Фильтр характеризуется частотой раздела и величиной порядка (1-го порядка, 2-го порядка и т.д.) Порядок фильтра определяет крутизну спада АЧХ в полосе заграждения, и определяется количеством реактивных элементов в электронной схеме. Каждый реактивный элемент, добавленный в схему, увеличивает порядок фильтра на единицу и, соответственно, крутизну спада характеристики на 6дБ/окт. Реактивные элементы фильтра представляют собой индуктивности (катушки) и емкости (конденсаторы), соединённые по определённой схеме. Номиналы реактивных элементов определяют частоту среза фильтра.

Для подавления избыточной чувствительности динамика в схему добавляется аттенюатор (делитель напряжения). Данная мера применяется для приведения чувствительностей динамиков в АС к единому уровню. Чувствительность НЧ динамика обычно может составлять 95-100дБ, в то время как типовое значение чувствительности ВЧ динамика может достигать 110дБ. Очевидно, что необходимо понизить чувствительность ВЧ динамика до уровня чувствительности НЧ. Если номинальные сопротивления НЧ и ВЧ динамиков равны, то необходимое подавление будет равно разности чувствительностей ВЧ и НЧ динамиков. Расчёт несколько осложняется, если номинальные сопротивления динамиков не равны, т.к. в этом случае следует пересчитать чувствительность ВЧ динамика для номинального сопротивления, равного номинальному сопротивлению НЧ. Принцип пересчёта будет рассмотрен ниже.

Расчёт фильтра для 2-х полосной акустической системы

Обратим внимание, что расчёты способны дать приближённый результат, который можно использовать в качестве исходного варианта для изготовления макета фильтра. Как правило, изготовленный на основании расчётов фильтр, требует доработки на реальной АС, которая заключается в более оптимальном подборе электрических компонентов. Окончательная оценка фильтра формируется на основании измерений АЧХ и в результате прослушивания АС на разных фонограммах.

Рассмотрим распространённый вариант фильтра, реализованный во многих 2-х полосных полнодиапазонных АС.

Электрическая схема акустической системы с таким фильтром представлена на рис.2.

Особенностью схемы является то, что НЧ динамик в такой АС работает «в широкую полосу», а диапазон воспроизведения ВЧ динамика ограничен со стороны низких частот с помощью ФВЧ 3-го порядка, что обеспечивает спад характеристики в полосе заграждения 18 дБ/окт. Резисторы R1 и R2 представляют собой делитель напряжения, обеспечивающий подавление избыточной чувствительности ВЧ динамика. Номинал R2 выбирается равным или в 2 – 3 раза больше номинального сопротивления ВЧ динамика (Zвч). Данная схема проста в реализации, имеет малый вес и габариты, низкую стоимость компонентов. Необходимо отметить, что данная схема может быть реализована, только при условии, что неравномерность АЧХ НЧ динамика не превышает допустимого значения во всём его рабочем диапазоне.

Обычно конструирование фильтра начинается с анализа АЧХ динамиков и выбора оптимальной частоты раздела. Расчёт фильтра сводится к определению номиналов элементов электрической схемы фильтра.

Расчёт фильтра включает следующие этапы:

1.Определение величины подавления избыточной чувствительности ВЧ (ослабление):

2.Расчёт номиналов элементов делителя:

3.Расчёт номиналов реактивных элементов:

4.Расчёт мощности, рассеиваемой на элементах:

Мощность используемых резисторов может быть меньше рассчитанных значений в 2-3 раза, т.к. паспортная мощность резисторов указывается для синусоидального сигнала.

Для удобства расчёта фильтров по описанному алгоритму на нашем сайте имеется специальный калькулятор. Используя его, вам не составит труда рассчитать фильтр для вашей АС. При расчёте используются исходные данные и выражения, которые рассматривались выше.

Номинальное сопротивление НЧ звена, Ом 8 Z_low 2 4 16 32

Чувствительность НЧ звена, дБ

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

Страница 4 из 4

О работе громкоговорителя в области средних и высоких частот

Сглаживание АЧХ громкоговорителя по звуковому давлению в области низких частот - не единственная задача, которую приходится решать радиолюбителю при попытке улучшить параметры своей АС. Дело в том, что ни одна из созданных до настоящего времени динамических головок не в состоянии перекрыть весь звуковой диапазон, и поэтому все АС класса Hi-Fi выполняются по двух или трехполосным схемам, предполагающим наличие в них разделительных фильтров. Как правило, это пассивные фильтры первого (реже второго) порядка, влияние которых на характеристики громкоговорителей так же велико, как и самих динамических головок. Однако, судя по публикациям журнала “Радио”, это обстоятельство большинством читателей и авторов во внимание не принимается.

Проиллюстрируем сказанное примером, взятым из работы . На рис. 13 приведены АЧХ установленных в громкоговорителе 25АС-309 головок 25ГД-26, 15ГД-11 и 3ГД-31, включенных через заводской разделительный фильтр. Сплошной линией показана АЧХ НЧ и ВЧ головок (при отключенной среднечастотной), штриховой - АЧХ одной СЧ головки. На последней характеристике обращает на себя внимание подъем АЧХ вблизи частоты 100 Гц, достигающий 10 дБ. Этот подъем заметно увеличивает “бубнение” АС, что и побудило авторов переделать громкоговоритель.

Каковы причины возникновения этого нежелательного подъема АЧХ? Очевидно, что общая добротность СЧ головки достаточно велика и скорее всего больше 1.

Однако вместо того, чтобы сгладить характеристику если не отрицательным, то хотя бы нулевым выходным сопротивлением УМЗЧ, разработчики АС последовательно с головкой включили резистор сопротивлением 5,1 Ом, что и привело к увеличению подъема АЧХ не менее чем на 6 дБ. Отказаться от применения этого резистора нельзя, поскольку отдача СЧ головки 15ГД-11А (при одинаковой подводимой мощности) примерно вдвое выше, чем у 25ГД-26. Установленный в АС разделительный фильтр первого порядка, хотя и настроен на относительно высокую частоту (1600 Гц), не в состоянии достаточным образом ослабить сигнал СЧ головки на низких частотах. К тому же частота раздела находится в области максимальной чувствительности слуха к искажениям, что не могло не сказаться на качестве звучания.

Анализ характеристики ВЧ головки (сплошная кривая на рис. 13 в области от 5...20 кГц) показывает, что в сравнений с НЧ головкой ее отдача также слишком высока. В связи с этим последовательно с ней также пришлось включить резистор сопротивлением 5,1 Ом. Однако этого оказалось недостаточно и подъем АЧХ ВЧ головки на частотах 10...15 кГц остался неоправданно большим.

Указанные недостатки присущи как многим (если не большинству) серийно выпускаемым в стране АС [б], так и большинству трехполосных АС, изготовленных радиолюбителями (правда, о последнем можно говорить лишь предположительно, так как практически никто из радиолюбителей не обладает возможностью подобно авторам снять АЧХ своей АС в звуковой камере). Способы борьбы с этими недостатками, предлагаемые авторами , хотя и дают положительные результаты для конкретной АС, однако вряд ли могут быть рекомендованы на все случаи жизни, поскольку номиналы элементов фильтров сильно зависят от типов применяемых громкоговорителей и их акустического оформления. Настоящий пример демонстрирует, как пренебрежение хотя бы одним из звеньев звуковоспроизводящего комплекса делает качество звучания заметно хуже потенциально достижимого.

Из всего многообразия литературы, посвященной громкоговорителям, пожалуй, лишь в работе разделительным фильтрам уделено должное внимание. Поэтому прежде, чем обсуждать дальнейшие пути улучшения параметров громкоговорителей, нужно хотя бы вкратце познакомиться с современными воззрениями на роль разделительных фильтров в АС, типами применяемых фильтров, их достоинствами и недостатками.

Особенности работы фильтров в АС

Исследования 40-50-х годов показали, что при проектировании многополосных АС недостаточно учитывать только АЧХ фильтров и не принимай, во внимание их фазочастотные характеристики (ФЧХ). Предположим, что в имеющейся в нашем распоряжении двухполосной АС применены идеально согласованные по АЧХ фильтры. Иными словами, в области частоты раздела сумма амплитуд сигналов на выходах фильтров (при неизменной амплитуде на входах) постоянна и равна амплитуде сигнала на выходе любого из них в пределах его полосы пропускания. Если пренебречь неравномерностью АЧХ такой АС, обусловленной интерференцией звуковых волн в закрытом объеме, то, казалось бы, она должна быть горизонтальной в" области частоты раздела, без подъемов и провалов.

Однако получить такую АЧХ не удается. Причина - в различии ФЧХ НЧ и ВЧ фильтров. Если на одной из частот в области частоты раздела амплитуды сигналов на выходах НЧ и ВЧ фильтров примерно равны, но один из них задерживает сигнал на 90°, а на выходе другого он присутствует с опережением по фазе на такую же величину, то сигналы, воспроизводимые ВЧ и НЧ головками одновременно, будут не суммироваться, а вычитаться, в результате чего на АЧХ возникнет глубокий провал на упомянутой частоте. По этой причине далеко не все фильтры могут быть применены в высококачественных АС.

В настоящее время разработчиками большинства западных фирм, равно как и разработчиками лучших отечественных АС, используются всего несколько типов фильтров, получивших названия фильтров “постоянного входного сопротивления”, “всепропускающего типа” и “постоянного напряжения”.

Фильтры “постоянного входного сопротивления”, по существу, представляют собой фильтры Баттерворта соответствующего порядка. При равенстве и активном характере сопротивлений нагрузки НЧ и В Ч каналов их входное сопротивление постоянно. Фильтры четных порядков на частоте раздела создают на суммарной АЧХ АС по звуковому давлению подъем, достигающий 3 дБ, в связи с чем они не используются разработчиками высококачественных АС. Суммарная АЧХ АС, использующих фильтры нечетных порядков, не зависит от частоты, но эти фильтры имеют частотно-зависимый фазовый сдвиг как в ВЧ, так и в НЧ каналах. ФЧХ НЧ и ВЧ каналов фильтров Баттерворта нечетного порядка идентичны, но характеризуются фазовым сдвигом ВЧ сигнала относительно НЧ,

равным n * π/2, где n = 1, 3, 5,... Диаграмма направленности АС, использующей фильтры Баттерворта нечетного порядка, несимметрична в области частоты раздела вследствие упомянутого фазового сдвига.

Отметим факт, неизвестный большинству радиолюбителей и разработчиков АС: в фильтрах Баттерворта 3-го, 7-го и т. д. порядков противофазное включение головок разделяемых каналов предпочтительнее с точки зрения снижения фазовых искажений и несимметричности диаграммы направленности, в фильтрах Баттерворта 1-го, 5-го и т. д. порядков предпочтительнее синфазное включение.

Отличительная особенность фильтров “всепропускающего типа” - независимость их суммарной АЧХ от частоты для фильтров нечетных и четных порядков. Для фильтров четных порядков разность ФЧХ ВЧ и НЧ каналов равна n * (π/2), где n = 1, 2, 3,..., для нечетных - n * (π/2), где n = 1, 3, 5,... Упомянутыми свойствами обладают фильтры Баттерворта нечетных порядков, описанные выше. Таким образом, фильтры Баттерворта нечетных порядков одновременно принадлежат и к классу фильтров “постоянного входного сопротивления”, и к классу фильтров “всепропускающего типа”.

Но фильтры “всепропускающего типа” четных порядков уже не являются фильтрами Баттерворта, хотя и описываются передаточной функцией, представляющей собой возведенную в квадрат передаточную функцию фильтра Баттерворта вдвое более низкого порядка [З]. Фильтры “всепропускающего типа” четного порядка имеют симметричную диаграмму направленности в области частоты раздела (относительно оси, проходящей через центры динамических головок разделяемых полос). Для них тоже существуют свои правила фазировки динамических головок: для фильтров четных порядков, имеющих степень, равную 4 m, где m==l, 2, 3,... обязательно синфазное включение головок в разделяемых полосах. Если порядок равен 2(2m+1), где т==0, 1, 2,..., то допустимо только противофазное включение головок.

Третий класс фильтров - “постоянного напряжения” - используется реже первых двух и труден для расчета и реализации даже подготовленными радиолюбителями. Желающим познакомиться с этими фильтрами поближе, равно как и тем, кто хочет получить более полную информацию об описанных выше фильтрах, можно рекомендовать работу [З]. Мы же вернемся к вопросу о том, как с помощью схемотехнических доработок УМЗЧ можно повысить качество звучания АС.

О выборе фильтров для АС

Трудности, испытываемые разработчиками АС при выборе пары ВЧ-НЧ фильтров, имеющих плоскую суммарную АЧХ и удовлетворительную ФЧХ, в значительной мере обусловлены тем, что они должны удовлетворять еще одному требованию - включаться между УМЗЧ и динамическими головками, т. е. быть пассивными. Последнее условие ограничивает возможности разработчиков, поскольку исключает из рассмотрения так называемые фильтры дополнительной функции (ФДФ), в которых в один из каналов, например в низкочастотный, сигнал подается с выхода ФВЧ, а в другой (высокочастотный) поступает разность между входным сигналом и сигналом низкочастотного канала. В таком фильтре достаточно высоки требования к устройству, выделяющему разностный сигнал, в связи с чем его выполняют, как правило, на ОУ. Однако в этом случае для усиления разностного сигнала потребуется дополнительный УМЗЧ, поскольку сигнал с выхода ОУ широкого применения нельзя подавать непосредственно на динамическую головку сопротивлением несколько Ом. В результате усилитель превращается в многополосный, т. е. количество независимых УМЗЧ в стереофоническом комплексе вырастает с 2 до 4-6.

Такой вариант, как правило, неприемлем для фирм-разработчиков и изготовителей звуковоспроизводящей аппаратуры, поскольку стоимость дополнительных затрат в единице продукции не снижается с ростом выпуска. Иными словами, до тех пор, пока существует надежда найти пару ВЧ-НЧ фильтров с хорошо согласованными характеристиками, производители (из экономических соображений) будут придерживаться традиционной схемы построения такой аппаратуры: широкополосный высококачественный УМЗЧ - пассивные разделительные фильтры - динамические головки.

Для радиолюбителей подобный путь далеко не столь оптимален. Дело в том, что из-за отсутствия соответствующей измерительной аппаратуры подавляющее большинство радиолюбителей не имеет возможности достоверно судить о причинах низкого качества звучания своей АС и подобно целенаправленно выбрать пути их устранения, поскольку единственным способом оценки результатов доработки АС является для них оценка улучшения качества звучания, “на слух”.

В этом случае гарантированное достижение положительного результата возможно либо при повторении конструкций, предложенных высококвалифицированными специалистами, имеющими возможность объективной приборной оценки своей работы , , либо при выборе таких технических решений, которые дают результаты, близкие к расчетным.

По мнению автора статьи, к таким решениям, в первую очередь, относится замена однополосного УМЗЧ на многополосный, в котором для разделения полос используются активные фильтры и ФДФ. О преимуществах такого УМЗЧ многое сказано в , . Добавим к этому лишь следующее.

При намотке катушек фильтров для высококачественной АС, будь то фильтры “всепропускающего типа”, “постоянного напряжения” или “постоянного входного сопротивления”, радиолюбитель должен стремиться к тому, чтобы не только индуктивность, но и активное сопротивление катушки было равно расчетному. В противном случае изменяется добротность катушки, а следовательно, и тип фильтра. При применении активных фильтров эта проблема решается легко, поскольку добротность фильтра устанавливается, как правило, одним подстроечным резистором.

Установка пассивных фильтров предполагает использование в них элементов с разбросом номиналов 2...3 %. При выходе за границы этих допусков меняются частоты настройки каждого из фильтров пары ВЧ-НЧ и тип фильтров. АЧХ и ФЧХ АС при этом отклоняются от расчетных, что опять-таки снижает качество АС. Применение ФДФ снимает эту проблему, так как АЧХ и ФЧХ пары таких фильтров согласуются автоматически, причем для любого типа фильтров.

Применение пассивных фильтров и динамических головок с различающимися активными сопротивлениями и развиваемыми уровнями звукового давления требует использования балластных резисторов для согласования этих головок в АС. Как показано выше, это может привести к появлению на АЧХ АС подъема, обусловленного резонансом СЧ головки, подавить который не удастся даже отрицательным выходным сопротивлением УМЗЧ. Все эти проблемы автоматически решаются при использовании многополосного УМЗЧ с подстройкой усиления в каждой из полос и непосредственным подключением динамической головки к выходу УМЗЧ соответствующей полосы.

Как уже отмечалось, наибольшие искажения диаграммы направленности АС отмечаются вблизи частоты раздела, когда сигнал излучается одновременно двумя разнесенными в пространстве динамическими головками. Использование активных фильтров 3-го и 4-го порядков в многополосном УМЗЧ позволяет в несколько раз сузить эти области в сравнении с АС, использующими пассивные разделительные фильтры первого (реже второго) порядка.

Кроме того, сами динамические головки вносят свои фазовые сдвиги в излучаемые ими сигналы. Компенсация этих сдвигов при использовании пассивных фильтров в любительских условиях практически невозможна, так как требует большого количества сложных измерений и машинных расчетов. Использование многополосных УМЗЧ облегчает решение и этой задачи, поскольку в данном случае требуется корректировать систему усилитель - реактивный элемент на выходе, что сделать гораздо легче. Если к перечисленным преимуществам добавить легкость расчета правильно сконструированных активных фильтров высокого порядка и лучшее соответствие расчету реальных активных фильтров высого порядка (вследствии малого влияния одного звена на другого), становится очевидным, что для радиолюбителя, решившего создать действительно высококачевственную АС, но не имеющего в своем распоряжении аппаратуры для количественного анализа всех причин снижения качества ее звучания, оптимальным является использование многополосного УМЗЧ с активными фильтрами высокого порядка и ФДФ.

Многополосный УМЗЧ с распределительными фильтрами

На рис. 14 приведена схема устройства фильтрации и формирования отрицательного выходного сопротивления для трехполосного УМЗЧ, разработанного в соответствии с рекомендациями, приведенными в настоящей статье. Устройство подключается к выходу предварительного усилителя, после регуляторов громкости и тембра. Если выходное сопротивление предшествующего каскада достаточно велико, более 1 кОм, то к входу устройства необходимо подключить эмиттерный повторитель или (что лучше с точки зрения минимизации нелинейных искажений) умощняющий каскад на ОУ К574УД1 .

(крупнее)

Устройство состоит из трех фильтров Баттерворта 3-го порядка на транзисторах VT1 - VT3, двух ФДФ, на ОУ DA1, DA2, узла формирования отрицательного выходного сопротивления на ОУ DA4 и смесителя НЧ полосы на ОУ DA3. Сигнал ВЧ канала формируется фильтром дополнительной функции на дифференциальном усилителе DA1. На инвертирующий вход усилителя поступает весь входной сигнал, а на неинвертирующий - сигнал с выхода настроенного на частоту 6,5 кГц ФНЧ на транзисторе VT1. Выбранный порядок выделения полос оптимален с точки зрения снижения интермодуляционных искажений - гармоники высших порядков, возникающие в СЧ и НЧ каналах УМЗЧ, не могут попасть на УМЗЧ ВЧ канала. С этой же целью в качестве ОУ желательно использовать широкополосные ОУ (например, К574УД1 или К544УД2) с цепями коррекции для единичного усиления.

СЧ и НЧ составляющие входного сигнала, выделенные фильтром на VT1, поступают на инвертирующий вход дифференциального усилителя на ОУ DA2. На его неинвертирующий вход поступает сигнал с выхода ФНЧ на транзисторе VT2. Этот ФНЧ настроен на частоту 650 Гц, поэтому СЧ канал воспроизводит сигналы в полосе 650 Гц...6,5 кГц. НЧ составляющие входного сигнала, выделенные фильтром на транзисторе VT2, поступают на ФВЧ на транзисторе VT3, настроенный на частоту 30 Гц. Назначение ФВЧ - отсечь инфранизкие составляющие входного сигнала, перегружающие НЧ головку. С выхода ФВЧ сигнал поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя на ОУ DAS. На его неинвертирующий вход поступает сигнал с узла формирования сигналов ПОСТ и ООСН, выполненного на ОУ DA4. Фазировка каскада на ОУ DAS приведена для случая неинвертирующего УМЗЧ НЧ канала. При использовании инвертирующего УМЗЧ сигнал с выхода каскада на транзисторе VT3 необходимо подать на неинвертирующий вход ОУ DA3, а сигнал с выхода ОУ DA4 - на инвертирующий.

В качестве канальных УМЗЧ (А1 - A3) можно использовать усилители, описанные в , , или им аналогичные. При их выборе необходимо только помнить, что номинальная мощность УМЗЧ НЧ канала должна быть не меньше номинальных мощностей УМЗЧ ВЧ и СЧ каналов. Мощность УМЗЧ канала ВЧ может быть в 1,5...2 раза ниже мощности УМЗЧ канала СЧ. Желательно также, чтобы сумма максимальных мощностей УМЗЧ НЧ и СЧ каналов была бы в 3 3 = 9 раз выше той мощности, при которой предполагается эксплуатировать комплекс. Последнее определяется тем, что пик-фактор реального музыкального и речевого сигналов равен 3, т. е. максимальное значение выходного напряжения практически в любой фонограмме втрое выше среднего значения и для его неискаженного воспроизведения нужен трехкратный запас по амплитуде выходного сигнала, что эквивалентно девятикратному запасу по мощности.

В качестве ОУ DA2 - DA4 допустимо использовать любые ОУ широкого применения (с соответствующими цепями коррекции, если это необходимо). Транзисторы VT1 - VT3 могут быть любыми кремниевыми с максимально допустимым напряжением между коллектором и базой не менее 20 В и коэффициентом усиления по току не менее 200. Элементы фильтров и резисторы дифференциальных усилителей (за исключением подстроечных) желательно использовать с отклонением их сопротивлений и емкостей от номинальных значений не более 5 %. При настройке какого-либо фильтра на другую частоту необходимо уменьшить емкости соответствующего фильтра во столько раз, во сколько требуется увеличить частоту настройки (и наоборот).

Устройство, собранное без ошибок из исправных деталей, не требует налаживания. При подаче питания напряжения на эмиттерах его транзисторов должны находиться в пределах 0,6...0,7 В, а напряжения на выходах ОУ DA1 - DA3 (SA1 в нижнем по схеме положении) -1...+1В. Аналогичное напряжение должно установиться на выходе ОУ DA4 при замыкании накоротко резисторов R34 и R36. Фильтры не требуют какой-либо специальной настройки. Каналы ПОСТ и ООСН подстраивают аналогично описанным ранее. Движки подстроечных резисторов R29 и R30 устанавливают в такое положение, при котором уровень звукового давления, развиваемого АС на частотах 100, 300, 500 Гц (НЧ канал), 1, 2, 4 кГц (СЧ канал, резистор R30) и 10, 15,. 18 кГц (ВЧ канал, резистор R29), был примерно одинаковым. Уровень звукового давления измеряют с помощью микрофона с усилителем и вольтметром переменного напряжения на выходе при подводимой к УМЗЧ мощности не более 2...3 Вт на расстоянии 1...2 м от АС. Измерения необходимо сделать минимум на трех (лучше на пяти - семи) частотах в пределах каждой из полос из-за неравномерности АЧХ по звуковому давлению вследствие интерференции звуковых волн в закрытом объеме АС, форма которой отлична от сферической.

Необходимо также отметить, что использование резисторов R29 и R30 в качестве регуляторов тембра, как это предполагалось ранее рядом авторов, недопустимо. Это обусловлено высокой крутизной характеристики разделительных фильтров. Разбаланс уровней звукового давления в различных каналах при такой крутизне фильтров искажает звучание в значительно большей степени, чем акустические недостатки помещения.

Радиолюбитель, стремящийся создать высококачественную АС, должен принимать во внимание еще два момента. Во-первых, существенно сгладить АЧХ АС по звуковому давлению в области СЧ и ВЧ можно, закрыв СЧ и ВЧ головки защитными колпаками, форма которых должна быть как можно ближе к сферической . Во-вторых, для снижения фазовых искажений плоскости установки ВЧ, СЧ и НЧ головок в АС в общем случае должны быть различны. Наиболее полную с практической точки зрения информацию по этому вопросу можно найти в .

Измерение низкочастотных динамических головок и их акустического оформления

Наиболее удобным для радиолюбителей является метод определения параметров динамических головок из частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления головки. На рис. 15 приведена типичная зависимость модуля полного сопротивления | Z \ от частоты в свободном воздухе. Аналогичная форма зависимости наблюдается при установке динамической головки в закрытом ящике. Определив эти зависимости, можно получить Qa, Qe, V AS /V и f S , необходимые для расчета громкоговорителя.

Схема измерений приведена на рис. 16. Сопротивление токозадающего резистора R должно быть примерно в 150...200 раз больше сопротивления динамической головки ВА по постоянному току. При этом УМЗЧ превращается в генератор тока через динамическую головку и падение напряжения на ней, измеряемое с помощью вольтметра В, прямо пропорционально сопротивлению головки. Значение частоты отсчитывают по шкале генератора Г или более точно по шкале частотомера Ч.

Вначале необходимо произвести измерение параметров головки в свободном воздухе. Головку требуется поместить, по возможности, далеко от отражающих поверхностей, например, закрепить на жесткой штанге. Жесткость штанги должна быть такой, чтобы ее собственная резонансная частота была значительно выше fs. Построив кривую, аналогичную изображенной на рис. 15, определяют fs", f 1 , f 2 , Re, Res, Rs, K 1,2 = 0,71Rs. Q"a и Q"e, характеризующие головку в открытом воздухе, определяют из соотношений:

(апострофы в обозначении f", Qa " Qe" обозначают, что эти величины не учитывают измерений в присоединенной массе воздуха, возникающих при работе головки в акустическом оформлении).

Резонанс будет при этом наблюдаться на частоте f"" 3 по ф-лам (1) и (2) могут быть найдены величины Qa" и Qe". Точные значения параметров fs, Qa, Qe и V AS /V могут быть найдены из соотношений:

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

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

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

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

Необходимо отметить, что при низкой собственной резонансной частоте головки потери в ящике могут исказить зависимость |Z| от частоты и на ней появится еще один максимум, который легко принять за основной. Поэтому при снятии кривой необходимо быть уверенным в том, что найденный максимум - основной.

Для этого необходимо измерить зависимости | Z | от f в диапазоне от 20 до 100 Гц, и если будет обнаружено несколько резонансных “горбов”, выбрать тот, у которого амплитуда максимальна.

Следует отметить, что крутизна зависимости | Z | от f в максимуме очень мала, поэтому точно, измерить частоту fs очень трудно. Для повышения точности измерений можно рекомендовать сделать не менее 5-7 измерений fs и в качестве базового результата взять среднее арифметическое приведенных измерений. После этого необходимо сравнить полученное значение fs с fs* = SQR(f 1 f 2), и если они различаются не более чем на 1... 1,5 Гц, то измерения fs на этом можно считать законченными. Если fs и fs* различаются более чем на 1...1,5 Гц, то измерения необходимо провести снова.

Более детальное описание техники измерений с численными примерами читатели могут найти в .

ЛИТЕРАТУРА

1. Максимов С. Еще раз об улучшении звучания 25АС-109.- Радио, 1991, № 1, с. 46.
2. Алдошина И, Войшвилло А. Высококачественные акустические системы и излучатели.- М.: Радио и связь, 1985.
3. Салтыков О., Сырицо А. Звуковоспроизводящий комплекс.- Радио, 1979, № 7, с. 28-31; № 8, с. 34-38.
4. Виноградова Э. Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками М* Энегия- 1978
5. Адаменко Б., Демидов О. Усачева Е. Громкоговорители для бытовой радиоаппаратуры.- Радио. 1979, № 1. с. 35.
6. Шоров В. Улучшение звучания громкоговорителя 25АС-309.-Радио, 1985. № 4, с. 30.
7. А. Сырицо. Усилитель мощности на интегральных ОУ.- Радио, 1984, № 8, с. 35.
8. Лексины В. и В. Однополосный или многополосный?- Радио, 1981, № 4, с. 35.
9. Чантурия А. Трехполосный усилитель.- Радио, 1981, № 5-6, с. 39.
10. Солнцев Ю. Высококачественный предварительный усилитель.-Радио, 1985, № 4, с. 32.
11. Гумеля Е. Простой высококачественный УМЗЧ.- Радио, 1989, № 1, с. 44.
12. Дольник А. Особенности работы головки громкоговорителя в акустическом оформлении.- ВРЛ, 1977, вып. 56, с. 34.
13. Жбанов В. О фазовых характеристиках громкоговорителей.-Радио, 1989. № 10, с. 58.

Прежде подробного рассмотрения проблемы обрисуем круг задач, зная конечную цель, будет проще избрать нужное направление. Изготовление акустических систем своими руками нечастый случай. Практикуется профи, начинающими музыкантами, когда магазинные варианты не устраивают. Появляется задача встраивания в мебель или качественного прослушивания уже имеющейся медиа. Это типичные примеры, которые решаются набором общепринятых способов. Рассмотрением мы и займемся. Не рекомендуем листать по диагонали устройство акустической системы, вникайте!

Устройство акустических систем

Нет шансов сделать акустическую систему самостоятельно без понимания теории. Любителям музыки следует знать, что биологический вид Homo Sapiens слышит внутренним ухом звуковые колебания частот 16-20000 Гц. Когда дело касается классических шедевров, то разброс высок. Нижний край – 40 Гц, верхний – 20 000 Гц (20 кГц). Физический смысл этого факта заключается в том, что не все динамики способны воспроизвести сразу полный спектр. Относительно медленные частоты лучше удаются массивным сабвуферам, а пищание на нижней границе воспроизводят менее габаритные громкоговорители. Понятно, что для большинства людей это ничего не значит. И даже если часть сигнала пропадет, не будет воспроизведена, никто этого и не заметит.

Полагаем, что те, кто поставил целью самостоятельное изготовление акустической системы, должны критично оценивать звук. Полезно будет знать, что годная колонка имеет два и более динамиков, чтобы иметь возможность отразить звучание обширной полосы из слышимого спектра. А вот сабвуфер даже в сложных системах один. Это связано с тем, что низкие частоты заставляют вибрировать окружение, проникая даже сквозь стены. Становится непонятным, откуда именно несутся басы. Следовательно, и колонка НЧ одна – сабвуфер. А вот что касается прочего, то человек уверенно скажет, с какого направления пришел тот или иной спецэффект (луч ультразвука блокируется ладонью).

В связи со сказанным проведем делением акустических систем:

1. Звук в формате Моно непопулярен, поэтому избегаем касаться исторических экскурсов.
2. Звучание Стерео обеспечивается двумя каналами. Оба содержат низкие и высокие частоты. Лучше подойдут равноценные колонки, снабженные парой динамиков (басы и писк).
3. Звук Вокруг отличается наличием большего числа каналов, создающих эффект объемного звучания. Избегаем увлекаться тонкостями, традиционно 5 колонок плюс сабвуфер доносят гамму меломанам. Конструкция многообразна. Поныне ведутся исследования, ставящими целью улучшить качество передачи акустики. Расстановка традиционная такова: по четырем углам комнаты (грубо говоря) по колонке, сабвуфер стоит на полу слева или в центре, под телевизором помещается фронтальная колонка. Последняя в любом случае снабжается двумя динамиками и более.

Важно создать правильный корпус для каждой колонки. Низкие частоты потребуют наличия деревянного резонатора, для верхней границы диапазона — не важно. В первом случае бока ящика служат дополнительными излучателями. Найдете видео, демонстрирующее габаритные размеры, соответствующие длинам волн низких частот по науке, практически остается копировать готовые конструкции, дельной литературы тематика лишена.

Круг задач очерчен, читатели понимают — самодельная акустическая система строится следующими элементами:

• набор динамиков частот сообразно числу каналов;
• фанера, шпон, доски корпуса;
• декоративные элементы, краска, лак, морилка.

Проектирование акустики

Изначально выбираем количество колонок, тип, местоположение. Очевидно, изготавливать в большем числе, нежели имеет каналов домашний кинотеатр, неразумный тактический ход. Кассетному магнитофону хватит двух колонок. К домашнему кинотеатру выйдет уже не менее шести корпусов (динамиков будет больше). Согласно потребностям аксессуары встраиваются в мебель, качество воспроизведения низких частот хромает. Теперь вопрос выбора динамиков: в издании авторства Найденко, Карпова приведена номенклатура:

1. Низкие частоты – головка CA21RE (H397) посадкой на 8 дюймов.
2. Средний диапазон – головка MP14RCY/P (H522) на 5 дюймов.
3. Верхние частоты – головка 27TDC (H1149) на 27 мм.

Приводили базовые принципы конструирования акустических систем, предлагали электрическую схему фильтра, рассекающего поток на две части (выше дан перечень трех поддиапазонов), приводили название покупных динамиков, решающих задачу создания двух колонок стерео. Избегаем повторяться, читатели могут взять труд полистать раздел, найти конкретные названия.

Следующим вопросом будет фильтр. Полагаем, фирма National Semiconductor не обидится, если отскриним чертеж усилителя перевода Ридико. Рисунок показывает активный фильтр с питанием +15, -15 вольт, 5 однотипных микросхем (операционных усилителей), граничная частота поддиапазонов вычисляется формулой, приведенной на изображении (дублируем текстом):

П – число Пи, известное школьникам (3,14); R, C – номиналы резистора, емкости. На рисунке R = 24 кОм, С — замалчивается.

Активный фильтр, питаемый электрическим током

Учитывая возможности выбранных динамиков, читатель сможет подобрать параметр. Берутся характеристики полосы воспроизведения колонки, находится стык перекрытия между ними, туда выносится граничная частота. Благодаря формуле, вычисляем величину емкости. Номинал сопротивления избегайте трогать, причина: может (спорный факт) задавать рабочую точку усилителя, коэффициент передачи. На частотной характеристике, приведенной в переводе, которую опускаем, граница составляет 1 кГц. Давайте посчитаем емкость указанного случая:

С = 1 / 2П Rf = 1 / 2 х 3,14 х 24000 х 1000 = 6,6 пФ.

Не ахти какая большая емкость, выбирается из условия максимально допустимого напряжения. В схеме с источниками +15 и -15 В вряд ли стоит номинал, превышающий суммарный уровень (30 вольт), возьмите пробивное напряжение (справочник поможет) не менее 50 вольт. Не пытайтесь поставить электролитические конденсаторы постоянного тока, схема обретает шансы взлететь на воздух. Отсутствует смысл разыскивать исходную схему чипа LM833 по причине Сизифова труда. Некоторые читатели найдут замену микросхеме, отличающуюся… надеемся на понимание.

Насчет сравнительно небольшой емкости конденсаторов (рознично и суммарной) описание фильтра говорит: благодаря низкому импедансу головок без активных компонентов номиналы пришлось бы увеличить. Закономерно вызывая появление искажений, обусловленных наличием электролитических конденсаторов, катушек с ферромагнитным сердечником. Не стесняйтесь двигать границу деления диапазонов, общая пропускная способность остается прежней.

Пассивные фильтры соберет своими руками каждый обученный пайке, курс школьной физики. В крайнем случае заручитесь помощью Гоноровского, лучше некуда расписаны тонкости прохождения сигналов через радиоэлектронные линии, обладающие нелинейными свойствами. Приведенный материал заинтересовал авторов фильтрами низкой и высокой частоты. Желающие поделить сигнал на три части должны зачитываться трудами, раскрывающими базис полосовых фильтров. Максимально допустимое (или пробивное) напряжение выйдет мизерным, номинал станет значительным. Под стать упомянутым электролитическим конденсаторам емкости номиналом десятки микрофарад (три порядка выше используемых активным фильтром).

Новичков тревожит вопрос получения напряжения +15, -15 В питания акустических систем. Намотайте трансформатор (пример приводился, программа ПК Trans50Hz), снабдите двухполупериодным выпрямителем (диодный мост), профильтруйте, наслаждайтесь. Наконец, активный или пассивный фильтр прикупите. Называется указанная вещица кроссовером, внимательно подбирайте динамики, диапазоны точнее соотносите с параметрами фильтра.

Для пассивных кроссоверов акустических систем найдете в интернете множество калькуляторов (http://ccs.exl.info/calc_cr.html). Исходными цифрами программа расчета принимает входные сопротивления динамиков, частоту деления. Введите данные, программа-робот быстро снабдит величинами емкостей и индуктивностей. На приведенной страничке задавайте тип фильтра (Бесселя, Баттерворта, Линквица-Райли). На наш взгляд задачка для профи. Приведенный выше активный каскад образован фильтрами Баттерворта 2-го порядка (скорость снижения АЧХ 12 дБ на октаву). Касается частотной (АЧХ) характеристики системы, понятно только профессионалам. Если сомневаетесь, выбирайте золотую серединку. В прямом смысле ставьте галку на третьем кружке (Бессель).

Акустика компьютерных колонок

Довелось посмотреть на Ютуб видео: юноша объявил, что сделает акустическую систему своими руками. Отрок талантлив: раскурочил колонки персонального компьютера - ну, совсем никакие - извлек на свет Божий усилитель с регулятором, поместил в спичечный коробок (корпус акустической системы). Компьютерные динамики известны плохим воспроизведением низких частот. Сами устройства маленькие, легкие, во-вторых, буржуи материалами экономят. Откуда в акустической системе взяться басам. Юноша взял… читайте дальше!

Наидорожайший компонент музыкального центра. Акустика класса hi-end стоимостью обходит дешевую квартиру. Ремонт, сборка колонок неплохой бизнес.

Усилитель низкой частоты акустической системы соберет продвинутый радиолюбитель, никаких кулибиных не нужно. Из спичечного коробка торчит ручка регулятора громкости, вход с одной стороны, выход - с другой. Динамики старой акустической системы малы. Юноша раздобыл старенький громкоговоритель не сказочных размеров, но солидный. С колонки советских времен акустической системы.

Чтобы звук не тревожил воздух пищанием, умный отрок сколотил дюймовые доски ящиком. Динамик старенькой акустической системы поместил в размеров почтовой коробки, сместил, как это делается производителями современных сабвуферах домашних кинотеатров. Изнутри колонку звукоизолятором отделывать поленился. Желающий может использовать для акустической системы ватин, другой схожий материал. Маленькие динамики помещены вовнутрь продолговатых коробок, только-только вмещающих торцом громкоговоритель. Гордый отрок подключил один канал акустической системы на два маленьких динамика, второй - на один большой. Работает.

Юноша сказочный молодец, не пьет в подворотне, уподобляясь сверстникам, не портит в свободное время будущих невест, занят делом. Как говорил один знакомый: «Молодому поколению прощается недостаток знания и опыта, не избыток наглости, упроченного равнодушием».

Улучшения

Решили усовершенствовать методику, откровенно надеемся, дополнение поможет сделать акустическую систему самостоятельно несколько качественнее. Проблема? Понятие выдумано радиотехниками, создателями акустических систем — частота. Вибрация Вселенной имеет частоту. Говорят, даже ауре человека присуще. Каждая добротная колонка недаром вмещает несколько динамиков. Большие предназначены для низких частот, басов; прочие — для средних и высоких. Не только размер, а и устройство у них разное. Мы уже обсуждали этот вопрос и интересующихся отсылаем к написанным обзорам, где приводится классификация акустических систем, раскрываются принципы действия наиболее популярных.

Компьютерщикам известен системный зуммер, работающий по прерыванию BIOS, который способен вроде бы выдавать один звук, но талантливые программисты выписывали на нем вычурные мелодии, даже с попыткой цифрового синтеза и воспроизведения голоса. Однако при желании бас такая пищалка выдать не может.

К чему этот разговор… Большой динамик следовало бы не просто приспособить на один из каналов, а присудить специализацию басов. Как известно, большинство современных композиций (Звук Вокруг не берем) рассчитаны на два канала (стереовоспроизведение). Получается, что два одинаковых динамика (маленьких) играют одни и те же ноты, смысл в этом маленький. В то же время с этого же канала бас теряется, а высокие частоты гибнут на большом динамике. Как быть? Предлагаем внедрить в схему пассивные полосовые фильтры, которые помогут разбить поток на две части. Схему берем иностранного издания по той простой причине, что она первой попалась на глаза. Вот ссылка на исходный сайт chegdomyn.narod.ru. Радиолюбитель переснял из книги, приносим извинения автору, что не указываем первоисточник. Это происходит по той простой причине, что он нам не известен.

Итак, картинка. Бросаются сразу в глаза слова Woofer и Tweeter. Как не сложно догадаться, это, соответственно, сабвуфер для низких частот, и динамик для высоких. Охватывается диапазон музыкальных произведений 50-20000 Гц, причем на сабвуфер приходится полоса нижних частот. Радиолюбители могут сами по известным формулам просчитать полосы пропускания, для сравнения ля первой октавы, как известно, составляет 440 Гц. Считаем, что для нашего случая такое деление подойдет. Вот только хотелось бы найти два больших динамика, по одному на каждый канал. Смотрим схему…

Не совсем музыкальная схема. В положении, занимаемом системой, идет фильтрация голоса. Диапазон 300-3000 Гц. Переключатель подписан Narrow, переводится, как полоса. Чтобы получить Wide (широкое) воспроизведение, опускаем клеммы. Поклонники музыки могут выкинуть полосовой фильтр Narrow, любителям бороздить скайп рекомендуем избегать поспешного решения. Схеме напрочь исключит петлевой эффект микрофона, известный повсеместно: пронзительное гудение вследствие переусиления (положительной обратной связи). Ценный эффект, даже военный знает сложности использования громкой связи. Владелец ноутбука осведомлен…

Для устранения эффекта обратной связи изучите вопрос, найдите, на какой частоте резонирует система, отрежьте лишнее фильтром. Очень удобно. Касательно популярной музыки микрофон отключаем, уносим подальше от динамиков (случай караоке), начинаем петь. Фильтры верхних и нижних частот оставим неизменными, изделия просчитаны неизвестными западными друзьями. Испытывающим затруднения, читая иностранные чертежи, поясняем, схема изображает (полосовой фильтр Narrow отброшен):

1. Емкость 4 мкФ.
2. Неиндуктивные сопротивления R1, R2 номиналом 2,4 Ом, 20 Ом.
3. Индуктивность (катушка) 0,27 мГн.
4. Сопротивление R3 8 Ом.
5. Конденсатор С4 17 мкФ.

Динамики должны соответствовать. Советы указанного сайта. Сабвуфером пойдет МСМ 1853, пищалкой (слово не списали) послужит РЕ 270-175. Полосы пропускания посчитаете самостоятельно. Большая буква Ω означает кОмы — ничего страшного нет, поменяйте номинал. Напоминаем, емкости параллельно соединенных конденсаторов складываются, как последовательно включенные резисторы. На случай, если сложно достать подходящие номиналы. Вряд ли получится изготовить динамики своими руками, набрать небольшие номиналы сопротивлений реально. Не используйте катушки, вырезаем пластины нихрома, подобных сплавов. После изготовления резистор лакируется, большого тока не планируется, защищать элемент не следует.

Индуктивности проще намотать самостоятельно. Логично использовать онлайн-калькулятор, задав емкость, получим параметры: количество витков, диаметр, материал сердечника, толщину жилы. Приведем пример, избегая быть голословными. Посещаем Яндекс, набираем нечто вроде «онлайн калькулятор индуктивности». Получаем ряд ответов выдачи. Выбираем понравившийся сайт, начинаем думать, как намотать индуктивность акустической системы номиналом 0,27 мГн. Нам понравился сайт coil32.narod.ru, начнем работу.

Исходные сведения: индуктивность 0,27 мГн, диаметр каркаса 15 мм, проволока ПЭЛ 0,2, длиною намотки 40 миллиметров.

Сразу возникает вопрос, видя калькулятор, где взять номинальный диаметр изолированной проволоки… Потрудились, нашли на сайте servomotors.ru таблицу, взятую из справочника, которую приводим в обзоре, считайте на здоровье. Диаметр меди составляет 0,2 мм, изолированной жилы – 0,225 мм. Скармливаем смело величины калькулятору, вычисляя нужные величины.

Получилась двухслойная катушка, числом витков 226. Длина провода составила 10,88 метра сопротивлением порядка 6-ти Ом. Главные параметры найдены, начинаем мотать. Самодельная акустическая система выполняется в ручной работы корпусе, примостить фильтр место найдется. К одному выходу подключаем пищалку, к другому – сабвуфер. Пару слов касательно усиления. Может статься, каскад усилителя не потянет четыре динамика. Каждая схема охарактеризована некой нагрузочной способностью, выше нельзя подпрыгнуть. Устройство акустической системы рассчитано, учитывая фиксированный запас, чтобы согласовать нагрузку, часто применяется эмиттерный повторитель. Каскад, заставляющий схему работать, полная отдача на любой динамик.

Напутствие начинающим конструкторам

Считаем, помогли читателям понять, как правильно конструировать акустическую систему. Пассивные элементы (конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности) сможет достать, изготовить каждый. Осталось собрать корпус акустической системы своими руками. А за этим, верим, дело не станет. Важно понять, музыка сформирована гаммой частот, обрезаемых неправильным изготовлением устройства. Собравшись сделать акустическую систему, подумайте над этим, поищите компоненты. Важно передать великолепие мелодии, будет твердая уверенность: труд не пропал даром. Акустическая система прослужит долго, радость подарит.

Верим, изготовление акустических систем своими руками читателям будет в удовольствие. Грядущее время уникально. Поверьте, в начале XX века нельзя было черпать информацию тоннами ежедневно. Обучение выливалось тяжким кропотливым трудом. Приходилось обшаривать пыльные полки библиотек. Возрадуйтесь интернету. Страдивари пропитывал древесину скрипок уникальным составом. Скрипачи современности продолжают выбирать итальянские экземпляры. Вдумайтесь, прошло 30 лет, воз остался позади.

Нынешнему поколению известны марки клеев, наименования материалов. Необходимое продается магазинами. СССР лишил изобилия людей, снабдив относительной стабильностью. Сегодня преимущество описывается возможностью изобретения уникальных способов заработка. Профессионал-самоучка везде срубит капусты.