Фазовое согласование динамических головок
18 Сентября 2006 Автор: Ю. Макаров
Трехполосный УНЧ позволяет избавиться от разделительных фильтров в АС, улучшить согласование УНЧ с головками, уменьшить частотные, нелинейные и фазовые искажения. Трехполосный УНЧ обеспечивает одинаковую с однополосным УНЧ громкость при меньшей мощности усилителей полос.
Однако никакого физического чуда ожидать не следует. В каждой полосе используются усилители достаточно малой мощности [7], которые необходимо нагружать на чувствительные головки. Особенно это касается НЧ полосы. Именно поэтому применение компрессионных головок нежелательно.
Однополосные традиционные УНЧ для того и конструируются с повышенными мощностями, чтобы иметь возможность регуляторами тембра поднимать усиление по краям звукового диапазона, если низок КПД головок. Для трехполосного УНЧ наилучшими являются головки 6ГД2, 4ГД8Е, 2ГД36.
В каждую АС следует устанавливать по две штуки каждого типа, соединяя их между собой последовательно.
С каждой группой годовое желательно включить последовательно потенциометр сопротивлением 10 – 30 Ом для подстройки “на слух”. В областях конструирования АС найдено множество оригинальных решений, значительная часть которых касается технологии изготовления головок.
Радиолюбители смогут применить на практике только разработки, касающиеся совершенствования ящиков АС с целью линеаризации фазовой характеристики громкоговорителя. Электрическое фазирование головок АС является разумеющимся при изготовлении АС. Фазирование акустическое – это также необходимое мероприятие для адекватного преобразования электрического сигнала в звуковой. На рис.
1 показано традиционное размещение головок на фронтальной доске АС. Очевидно, что геометрическое смещение Δt СЧ и ВЧ головок относительно НЧ головки вызовет неодновременный приход компонентов звука сложного спектра к слушателю. Оценим влияние этой неравномерности.
Рассмотрим сначала простой случай, когда к головкам СЧ и НЧ подведен синусоидальный сигнал, близкий по частоте к частоте раздела фильтров в АС (или в трехполосном УНЧ). Будем считать, что предыдущие звенья аппаратуры (УНЧ и фильтры) не изменили фазу сигналов, подведенных к головкам. Головка СЧ расположена ближе к слушателю.
Очевидно, что звуковой сигнал, воспроизводимый СЧ головкой, достигнет слушателя раньше, чем такой же по форме сигнал от НЧ головки.. Складываясь несинфазно, эти два сигнала создадут у слушателя неверное представление о чистоте тона, появится некоторая хриплость звучания.
Более правильным способом испытания АС будет метод возбуждения громкоговорителя сигналом прямоугольной формы. Прямоугольный импульс можно представить в виде множества синусоидальных сигналов широкого спектра частот, заполняющего этот импульс, причем все синусоиды точно сфазированы между собой. Подадим электрический прямоугольный импульс на АС.
Громкоговоритель преобразует электрическую энергию импульса в механическую энергию колебаний диффузоров головок, движения которых создадут колебания частиц воздуха. Этот, уже акустический импульс можно принять измерительным микрофоном и наблюдать на экране осциллографа.
Очевидно, качество АС тем лучше, чем ближе сходство форм акустического н электрического импульсов. При расположении головок по схеме, показанной на рис. 1, нельзя надеяться на точное преобразование громкоговорителем сигналов электрических в акустические.
Вероятно, сдвинув СЧ и ВЧ головки на некоторое расстояние, совместив их акустические центры (центры излучения) с акустическим центром НЧ головки, можно добиться одновременного прихода к слушателю отдельных составляющих спектра импульса. Схема такой АС показана на рис. 4.
Исследованиями установлено, что передача таким линейно-фазовым громкоговорителем импульсного сигнала прямоугольной формы осуществляется значительно правильнее, чем АС по схеме, изображенной на рис. 1. Люди, обладающие музыкальным или вообще тренированным слухом, имеют повышенную чувствительность к описанным искажениям.
Критерий качества звучания связан прежде всего с точностью воспроизведения переходных процессов, свойственных самим музыкальным инструментам[8].
Переходные процессы, связанные с характером нарастания и спадания звука, передают слушателю наиболее полную информации об инструменте и особенностях игры исполнителя. Поэтому АС с фазовой коррекцией имеют лучшее звучание.
Измерения параметров АС при испытании синусоидальным или шумовым сигналом не дают представления об их качестве при передаче музыкальной программы.
Например, если в ящик поместить около 20 маленьких головок невысокого качества с относительно высокой резонансной частотой (150 Гц), то такая система будет работать, начиная с 20 Гц. Однако подобная АС не может воспроизвести последовательность прямоугольных импульсов с частотой повторения 50-100 с-1.
Несмотря на линейность АЧХ по звуковому давлению, импульсы будут дифференцироваться и воспроизводиться в виде заостренных пиков. Иная картина наблюдается при возбуждении такой АС синусоидальным сигналом. Расстояния между излучателями малы по сравнению с длиной излучаемой волны, поэтому каждый излучатель должен совершить работу по преодолению установившегося звукового давления, созданного всеми остальными излучателями.
Эта работа значительно больше той, которую совершал бы одиночный излучатель, преодолевая лишь упругую реакцию среды (воздуха), соколеблющегося с одним диффузором. Поэтому систему таких излучателей можно уподобить одному излучателю большого диаметра, что и обеспечивает АС ровную АЧХ при стационарном сигнале (синусоида) с самых низких частот.
Однако из этого не следует, что звучание такой АС окажется удовлетворительным.
Сумма посредственных излучателей принципиально не может дать высокого качества звучания, так как звуковые импульсы, возбуждаемые отдельными головками, подходят к диафрагмам других излучателей не одновременно вследствие ограниченной скорости звука и технологической неодинаковости резонансных частот головок и расстояний между излучателями.
В результате звуковое поле, возбуждаемое такой АС от импульсного сигнала, будет соответствовать дифференцированному входному напряжению. Поэтому иногда даваемые радиолюбителям рекомендации применения нескольких НЧ головок с относительно высокими резонансными частотами для замены одной качественной теоретически необоснованны.
Кроме того, в многополосных АС резонансные частоты СЧ и ВЧ головок также должны быть по возможности ниже частот разделения фильтров, чтобы не происходило дифференцирование импульсов.
Частота /в, до которой работу динамической головки прямого излучения можно с некоторыми допущениями описать колебаниями поршня с площадью, равной эффективной площади диффузора, определяется[2]:
fB = C/1,25D (1)
где С-скорость звука в воздухе 330 м/с;. D-диаметр основания диффузора, м; /в-верхняя частота, Гц.
Эффективная площадь диффузора считается равной 50-58% полной площади[9]:
Sэфф = Kπ(D2/4) (2)
где K=0,5-0,58.
Для нахождения акустического центра динамической головки с конусным диффузором следует заменить объем, занимаемый конусом, на равный ему объем цилиндра с площадью основания, равной эффективной площади конуса диффузора. Геометрический центр этого цилиндра и есть акустический центр головки. Это справедливо в диапазоне частот, определяемых по формуле (1).
Найдем способ определения акустического центра применительно к головкам произвольных размеров. Известно, что объем усеченного конуса (в м3) определяется:
VK = (p /3)*HK* (R2 + r2 + Rr), (3)
где R, r – радиусы большего и меньшего оснований, м; Нк- высота усеченного конуса, м.
Объем цилиндра (в м3):
VЦ = SЭФФ * HЦ, (4)
где S-площадь основания, равная Sэфф, м2; Hц-высота цилиндра, м.
Сформулированное условие отыскания акустического центра требует замены объема Vк на равный HЦ:
VK = VЦ = (p /3)*HK*(R2 + r2 + Rr) = Sэфф*HЦ
Очевидно, что геометрический центр цилиндра лежит на середине его высоты и является акустическим центром (рис. 2).
Рис. 2. Расстояние от плоскости большого основания конуса диффузора до акустического центра назовем высотой акустического центра:
h = 0,5HЦ = (π/6)* (1/SЭФФ)*HK*(R2 +r2 + Rr) = (1/6) ∙ (HK /KD2) ∙ (D2 + d2 + dD), (5)
где D и d – диаметры большего и меньшего оснований; К = 0,5-0,58.
По формуле (5) можно найти высоту акустических центров СЧ и НЧ головок и вычислить величину смещения Δh головки СЧ для совпадения hСЧ и hНЧ (рис. б):
Δh = hСЧ – hНЧ (6)
Поскольку базой, от которой измеряется h, является плоскость большого основания диффузора, то для совпадения hНЧ и hСЧ нужно сместить базовую плоскость СЧ головки относительно базовой плоскости НЧ головки на величину Δh, т. е. заглубить СЧ головку внутрь АС (либо выдвинуть НЧ головку).
Обычно для уменьшения неравномерности АЧХ рекомендуют устанавливать СЧ головки, чтобы их базовые плоскости лежали в плоскости наружной части акустического экрана ящика АС. В то же время головки НЧ обычно крепятся к внутренней плоскости этого экрана.
При толщине экрана 20-25 мм еще более возрастает несовпадение hСЧ и hНЧ, что увеличивает фазовый сдвиг воспроизводимых компонентов сигнала. Например, для головок 6ГД2 (Dэфф~200 мм) и 4ГД7 (Dэфф ~154 мм) Δh ~10 мм = 0,01 м.
Такое сравнительно небольшое Δh является следствием близости геометрических размеров диффузоров. Излучение СЧ головки доходит до слушателя с запозданием:
Δt = Δh/C = 0,03 μρ (7)
С учетом толщины экрана Δt ~ O.08 мс. Для головок 6ГД2 и 4ГД8Е (Dэфф ~ 100 мм) Δh = 20 мм и Δt ~ 0,06 мс, а с учетом экрана Δt ~ 0,12 мс. Однако не следует делать ошибочный вывод, что равенство диаметров НЧ и СЧ головок улучшит АС.
Увеличение Dэфф снижает fв, определяемую формулой (1). При этом возникнут трудности ее согласования в зоне совместной работы с ВЧ головкой.
Частоту, на которой происходит полное подавление сигнала в зоне совместной работы головок, можно определить [6]:
fN = 1/(2*Δt), (8)
Например, при Δt ~ 0,05 мс для СЧ и ВЧ головок происходит спад высоких частот уже с 10 кГц.
Фазовый сдвиг, вызывающий частичное подавление некоторых частот, определяется [5]:
φ = 2*π*f*c
Отрезок времени от момента возникновения сигнала до t ~ 0,5 – 1,0 мс наиболее существен для восприятия тембра инструментов. На этом отрезке времени отдельные частотные компоненты, суммой которых можно представить результирующую форму сигнала, жестко связаны между собой, т. е. когерентны.
Акустические свойства помещения еще не сказываются на восприятии сигнала. При монофоническом воспроизведении сигналы от НЧ до СЧ головок одной АС когерентны, практически тождественны и разделены для воспринимающих их органов слуха временем Δt. Время Δt слишком мало, чтобы сигналы воспринимались как два независимых [3].
Поэтому создается один кажущийся источник звука (КИЗ) тембральное звучание которого изменяется при изменении Δt [6], что вызвано интерференцией (взаимоуничтожением отдельных спектральных составляющих сложного сигнала аналогичными по амплитуде и частоте составляющими, но противоположными по фазе).
При этом звучание становится более глухим, так как интерферируют в первую очередь ВЧ компоненты.
В АЧХ громкоговорителя вследствие этого появляются глубокие провалы. Кроме того, в формуле (9) часть звуковых компонент, излучаемых головками со сдвигом фазы менее 180о, складываются, образуя новые созвучия, которые отсутствуют в реальном источнике программы, что ощущается в виде искажений. Причем, КИЗ становится размытым, менее локализуемым [З].
При стереофоническом воспроизведении сигналы от каждой пары (НС+СЧ) головок двух колонок все же не тождественны. Отличия их временных структур используются органом слуха для уменьшения интерференционных искажений суммарного сигнала, формирующего слуховое ощущение [6]. При этом инструменты оркестра звучат более естественно.
Это одно из основных достоинств стереофонии (кроме возможности локализации КИЗ). Еще более снизить интерференционные искажения можно, уменьшив Δh головок. Вычислять Δh между СЧ и ВЧ головками по формуле (6) уже нельзя, так как не будет соблюдено условие (1), т. е. ВЧ головка не может быть представлена “поршнем”.
Формула (5) может также служить лишь ориентиром для конструирования АС в пределах сделанных допущений (1) и (2).
Рис. 3. Блок-схема устройства для наблюдения формы импульса при определении расположения ВЧ головки: 1 – генератор одиночных импульсов; 2 – трехполосный УНЧ; 3 – АС; 4 – измерительный микрофон; 5 – микрофонный усилитель; 6- электронный ключ; 7 – осциллограф.
Окончательное расположение СЧ и ВЧ головок по отношению к НЧ головке лучше выбирать, наблюдая форму импульса длительностью τ ~ 25 мкс [З], воспроизводимого АС, по блок-схеме, изображённой на рис. 3.
Электронный ключ 6 необходим для отпирания и запирания входа осциллографа на время следования импульса, чтобы устранить акустическое влияние помещения.
Перемещая СЧ и ВЧ головки и наблюдая форму импульса, можно найти положение, когда отличие от подаваемого с генератора на АС прямоугольного импульса станет наименьшим.
СЧ и ВЧ головки устанавливаются на верхней стенке ящика на подвижной подставке, обеспечивающей возможность независимого перемещения СЧ и ВЧ головок относительно НЧ головки.
Соединительные кабели между трехполосным УНЧ и АС должны иметь по возможности малое сопротивление постоянному току (0,1 Ом), а также малую емкость на единицу длины (15 пФ на 1 м).
Акустическая система VERNA 50-01 →← Ортодинамические излучатели
Источник: https://baseacoustica.ru/akustika/2-dinamicheskie-golovki/60-fazovoe-soglasovanie-dinamicheskih-golovok.html
Автомобильные эквалайзеры
Источник: http://soundbarrel.ru/amp_predvar/eq_sh03.html
аудиоТракТ
Известно, что характеристики динамических головок резко ухудшаются на краях их номинальных диапазонов частот, поэтому очень важно, чтобы на них поступало напряжение только тех частот, которые они могут воспроизвести с достаточной для слушателя верностью.
Поскольку идеальных широкополосных головок нет, эта задача решается введением в звуковоспроизводящий тракт пассивных или активных разделительных фильтров. Для разделения полос в последнем случае используют разные способы.
Например, предварительная фильтрация сигнала – разделения на НЧ и СЧ/ВЧ полосы – осуществляется фильтрами нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот, а в устройстве – с помощью ФНЧ и так называемого фильтра дополнительной функции.
Дальнейшее развитие сигнала (на СЧ и ВЧ полосы) обеспечивают в обоих случаях ФНЧ и ФВЧ.
Вниманию предлагается несколько иной способ разделения сигнала на НЧ, СЧ и ВЧ полосы. Крайние полосы выделяются обычными активными ФНЧ и ФВЧ, а средняя формируется, как разность исходного сигнала и сигналов, прошедших эти активные фильтры.
Достоинство такого способа разделения полос в том, что сигнал СЧ полосы точно дополняет сигналы ВЧ и НЧ полос (рис. 1).
А это позволяет снизить требования к точности подбора и стабильности элементов фильтров, недостаток – более пологие, чем у ФНЧ и ФВЧ скаты АЧХ СЧ полосы и в результате – увеличение неравномерности АЧХ по звуковому давлению и рост искажений СЧ головки.
Однако эти явления наблюдаются не вблизи частот раздела, а только на краях диапазона, воспроизводимого этой головкой, и их можно в значительной степени избежать, если она будет более широкополосной.
Теоретические сравнение традиционного (с помощью отдельных фильтров) и предлагаемого методов разделения сигнала ЗЧ, затруднительно, вследствие различной природы вносимых ими искажений сигнала.
Субъективная же оценка звучания акустических систем, работающих с одинаковыми усилителями ЗЧ, но с разными устройствами разделения, показала, что звучание АС с разностным СЧ фильтром более «чистое», чем с полосовым.
Основные технические характеристики:
Частоты разделения: 400 и 4000 Гц
Диапазон частот обрабатываемого сигнала: 20 – 35000 Гц
Входное сопротивление: 150 кОм
Чувствительность: 150 мВ
Коэффициент гармоник: 0,1 %
Питание: ±15 В
Принципиальная схема устройства приведена на рис. 2. Входной сигнал усиливается в 10 раз ОУ DA1.1 и поступает на входы формирователя СЧ сигнала, ФВЧ и ФНЧ. В состав первого из этих фильтров входят элементы С2, С3, R4, R5 и ОУ DA2.1, второго – R13, R14, C6, C7 и ОУ DA2.2.
Функции формирователя выполняет ОУ DA1.2, на неинвертирующий вход которого поступает весь входной сигнал ЗЧ, а на инвертирующий – сигналы с выхода ФНЧ (20-400 Гц) и ФВЧ (4000 – 35000 Гц).
Снимаемый с выхода этого каскада сигнал СЧ представляет собой разность исходного сигнала и его ВЧ- и НЧ-составляющих (400 – 4000 Гц).
Блок фильтров собран на печатной плате (рис. 3) из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. Она рассчитана на установку резисторов МЛТ и СП3-1А.
конденсаторов К21-5 и К22-5 (с допустимым отклонением емкости от указанных на схеме номиналов не более ±10 %). ОУ К157УД2 можно заменить на К544УД1, К544УД2 или К140УД8 с любым буквенным индексом.
Для питания необходимо использовать стабилизированный источник питания с малыми пульсациями выходного напряжения.
При налаживании на вход блока подают сигнал частотой 16-18 кГц и напряжением 150 мВ, и подстроечным резистором R7 устанавливают минимальное напряжение на выходе СЧ канала. Затем, понизив частоту сигнала до 50-100 Гц, того же результата добиваются резистором R16. Возможной самовозбуждение устраняют подбором конденсаторов С1, С4, С5 и С8.
Из журнала «Радио», А.Чантурия
Источник: http://audiotrakt.at.ua/index/blok_filtrov_trekhpolosnogo_usilitelja_zch/0-153
(нет голосов)
Загрузка...
detector