Главная Контакт Ссылки
О демпфировании динамических головок Версия для печати
Написал В. Жбанов   
Monday, 07 June 2004

При самостоятельном изготовлении акустической системы (АС) очень часто приходится снижать добротность входящих в нее головок, т. е. демпфировать их подвижную систему вблизи частоты основного резонанса. Известны три способа демпфирования: механический, акустический и электрический.

Механическое демпфирование достигается нанесением вязкой жидкости (смазки) на верхний подвес диффузора или заполнением ею зазора магнитной системы головки, акустическое — размещением звукопоглощающего материала вокруг головки или установкой в окнах ее диффузородержателя ПАС [1]. В обоих случаях снижается акустическая добротность головки, что проявляется в уменьшении ее входного сопротивления R0 на резонансной частоте fp до величины, сравнимой с сопротивлением постоянному току R0. КПД головки вблизи резонансной частоты снижается при этом в 5...10 раз, что приводит к увеличению рассеиваемой на звуковой катушке мощности.

Эффективность акустического демпфирования падает с ростом частоты, особенно при сравнительно большом расстоянии от поверхности диффузора до ПАС. По этой причине акустическое демпфирование головок с достаточно высокой частотой резонанса затруднено.

Электрическое демпфирование головки — это, в сущности, различные способы торможения ее звуковой катушки в магнитном поле. Такое демпфирование может быть достигнуто применением усилителя мощности ЗЧ (УМЗЧ) с отрицательным выходным сопротивлением [2], шунтированием головки последовательным LC-контуром, настроенным на ее резонансную частоту в акустическом оформлении [1, 3], и увеличением магнитной индукции в зазоре, например, с помощью дополнительного магнита.

Отличительная особенность всех разновидностей электрического демпфирования — снижение электрической добротности либо самой головки (увеличением магнитной индукции в зазоре), либо системы УМЗЧ — головка.

Последнее утверждение нуждается в пояснении. Дело в том, что под электрической добротностью подразумевают обычно такую се величину, которая получается при подключении головки к УМЗЧ с нулевым выходным сопротивлением. На практике же выходное сопротивление цепи, к которой подключена головка, часто отличается от нуля. В этом случае следует говорить уже об электрической добротности системы, например системы УМЗЧ — АС. Во сколько раз сумма выходного сопротивления цепи, к которой подключена головка, и активного сопротивления ее звуковой катушки отличается от активного сопротивления последней, во столько раз электрическая добротность системы отличается от электрической добротности головки.

С помощью последовательного LC-контура, настроенного на резонансную частоту головки в акустическом оформлении, демпфируют обычно СЧ или ВЧ головки, подключенные к разделительному фильтру, выходное сопротивление которого на резонансной частоте головки по отношению к сопротивлению ее звуковой катушки сравнительно велико. При этом электрическая добротность системы головка — разделительный фильтр приближается к электрической добротности головки [1]. Чтобы LC-цепь не была источником дополнительных призвуков, добротность контура, образованного ею и головкой, должна быть меньше 0,7, т. е. должно выполняться условие 1/2πRfpC = 2πfpL<0.7Rp . Если же выполняется условие 2πfpL<0,7R0, то можно быть уверенным, что никаких призвуков LC-контур вносить не будет,

Такое демпфирование применяется только в случае, если частота среза разделительного фильтра в 1.5...2 и более раз превышает резонансную частоту головки. Объясняется это тем, что LC-цепь одновременно является составной частью разделительного фильтра и вместе с его элементами образует режекторный фильтр, подавляющий подаваемый на головку сигнал вблизи ее резонансной частоты.

Демпфирование отрицательным выходным сопротивлением УМЗЧ наиболее эффективно для головок, резонансная частота которых лежит в рабочем диапазоне. Этот способ прост в реализации и настройке, поддается предварительному расчету, его эффективность не зависит от диапазона частот, в котором он используется.

Электрическое демпфирование не изменяет КПД головки. Снижение ее отдачи на резонансной частоте достигается уменьшением амплитуды подводимого напряжения, что приводит к снижению рассеиваемой на звуковой катушке мощности, а значит, к расширению динамического диапазона головки и работающего с ней УМЗЧ. Демпфирование с помощью УМЗЧ с отрицательным выходным сопротивлением имеет и еще одно важное преимущество. Дело в том, что напряжение обратной связи (ОС), снимаемое с включенного на его выходе моста, несет информацию об искажениях сигнала, возникающих из-за нелинейной зависимости деформации подвеса диффузора и центрирующей шайбы головки от приложенной силы, вклад которых в общие искажения излучаемого головкой сигнала, как указывалось в [4], может достигать 80 %.

При использовании УМЗЧ с отрицательным выходным сопротивлением достигается не только оптимальное демпфирование головки, но и снижение нелинейных искажений звукового сигнала вблизи резонансной частоты головки в акустическом оформлении, т. е. именно в той области частот, где они максимальны. Однако искажения снижаются только при условии, что верхняя граница полосы пропускания цепи ОС не менее чем в 3...5 раз превышает резонансную частоту головки в оформлении, в противном случае присутствующие в сигнале ОС гармонические составляющие (в основном вторая ч третья гармоники) значительно ослабляются и нелинейные искажения не уменьшаются.

С другой стороны, очень часто режим оптимального демпфирования (при котором АЧХ излучения АС на низших частотах имеет гладкую форму) достигается при глубине ОС, недостаточной для значительного уменьшения нелинейных искажений. При ее увеличении головка начинает работать в режиме передемпфирования, и в УМЗЧ приходится вводить корректор, восстанавливающий уровень излучаемого головкой сигнала вблизи ее резонансной частоты в оформлении.

При увеличении глубины ОС и одновременном расширении полосы пропускания реализующей ее цепи следует принять меры по предотвращению разбаланса моста на более высоких частотах из-за роста индуктивной составляющей входного сопротивления демпфируемой головки.

рис. 1а
рис. 1б
рис. 1в
рис. 1

Для этого либо шунтируют головку последовательной RC-цепью, либо вводят в одно из смежных головке плеч моста катушку индуктивности [4]. Первый способ предпочтительнее в том случае, если демпфируемая головка входит в состав многополосной АС, работающей с широкополосным УМЗЧ.

Сопротивление резистора RC-цепи выбирают равным сопротивлению головки постоянному току Ro. Для определения емкости конденсатора по АЧХ модуля полного входною сопротивления головки |Z| находят частоту f[ (рис. 1,а), на которой входное сопротивление головки равно l,4R0, а индуктивное сопротивление звуковой катушки — R0. Емкость конденсатора рассчитывают по формуле C = l/2πfLR0.

Сохранить баланс моста цепи ОС на высоких звуковых частотах особенно трудно при демпфировании НЧ головки в многополосной АС, подключенной к общему УМЗЧ, поскольку в этом случае входное сопротивление последней должно мало отличаться от величины R0 в широком диапазоне частот.

Чтобы неравномерность АЧХ УМЗЧ на высоких частотах не превышала 1 дБ, необходимо выполнить условия fгр >= f ср(A-l) и с<= 0,lR0/(A-l), где fср - частота среза ФНЧ цепи ОС;

fгр - частота, на которой должен обеспечиваться баланс моста с точностью 20 %; ΔRвх - допустимое отклонение входного сопротивления АС от значения R0 вблизи частоты fср, А - глубина ОС, равная R0/(R0+Rвых), где с - выходное сопротивление УМЗЧ. В диапазоне частот от f ср до fгр допустимое отклонение входного сопротивления АС от значения R0 плавно изменяется в пределах ΔRвх ...0,2R0.

При большой глубине ОС выполнить приведенные условия довольно сложно. К тому же приходится учитывать и тот факт, что сопротивление звуковой катушки, головки при воспроизведении сигналов разного уровня изменяется. Все это накладывает ограничения на отрицательное выходное сопротивление усилителя Rвых, его следует выбирать не более 0,8 R0, так как иначе форма АЧХ излучения АС в процессе работы будет существенно меняться.

Наиболее ощутимый эффект режим передемпфирования дает в громкоговорителях-фазоинверторах. Он позволяет дополнительно ослабить искажения, вызванные большой амплитудой колебаний диффузора головки в диапазоне частот ниже частоты настройки фазоинвертора fф.

Исследования особенностей работы головки в фазоинверторах показали, что на частотах (0.3.,.0,8) fф она вносит гармонические искажении почти вдвое большие, чем в закрытом ящике (при одинаковых амплитудах колебаний диффузора). Положение усугубляется еще и тем, что это равенство амплитуд достигается при разных уровнях. подводимых к головке напряжений: он (уровень) меньше в том случае, когда головка установлена в фазоинверторе.

Удвоение искажений объясняется тем, что гармонические составляющие, излучаемые тыльной стороной диффузора, фазоинверторным отверстием излучаются в фазе с составляющими, излучаемыми внешней стороной диффузора. На основной же частоте устанавливается режим акустического короткого замыкания, сопровождающийся увеличением амплитуды колебаний диффузора. когда сигнал основной частоты практически не излучается.

Для уменьшения амплитуды колебаний диффузора на низших частотах в [3] было предложено использовать ФВЧ второго порядка с частотой среза. равной частоте настройки фазоинвертора. Однако включение такого ФВЧ на входе УМЗЧ не позволяет значительно ослабить амплитуду колебаний диффузора в верхней части указанного выше опасного участка частот Если же заставить работать головку в режиме передемпфирования и подключить к ней корректор, восстанавливающий уровень сигнала вблизи высокочастотного максимума АЧХ модуля ее полного сопротивления, то подводимый к головке сигнал вблизи низкочастотного резонанса будет значительно ослаблен. Искажения же, которые все-таки возникнут в этом диапазоне и при меньшей амплитуде подводимого к головке напряжения, будут ослаблены достаточно глубокой ОС.

К примеру, если в режиме передемпфирования амплитуда поступающего на головку сигнала вблизи низкочастотного максимума АЧХ модуля полного входного сопротивления уменьшилась вдвое (коэффициент передемпфирования равен 2), то уровень гармоник снизится в 5...7 раз. А это означает, что при подведении к входу усилителя напряжения, соответствующего номинальной мощности головки на горизонтальном участке ее АЧХ излучения, уровень гармоник в диапазоне частот (0,3...0,8) 1ф уменьшается с 15...30 до 3...6 %. Столь резкий спад объясняется тем, что нелинейные искажения головки на низких частотах растут пропорционально квадрату приложенного к ней напряжения.

Настраивать АС, я которой предполагается использовать режим передемпфирования, рекомендуется в таком порядке. После настройки фазоинвертора (частота его настройки равна 0,63 fря где fря - резонансная частота головки в оформлении при закрытом отверстии инвертора) снимают АЧХ модуля полного входного сопротивления громкоговорителя (рис. 1.а) и по ней находят акустическую Qфа. электрическую Qфе и полную Qфп добротности системы головка — фазоинвертор [5].

Режим передемпфирования следует использовать только в случае, если Qфп <= 1,6...1,8. При Qфп >= 1,8 рекомендуется режим оптимального демпфирования [5|, поскольку передемпфирование достигается в этом случае при чрезмерно большой глубине ОС, что может привести к нестабильности формы АЧХ излучения АС.

В зависимости от достигнутой точности частотной балансировки моста цепи ОС задаются величиной отрицательного выходного сопротивления УМЗЧ — Rвых рассчитывают электрическую (Qеуф) и полную (Qпуф) добротности системы усилитель — головка — фазоинвертор: Qеуф = Qеуф (R0 + Rвых) / R0; Qпуф = Qаф Qеуф (Qаф + Qеуф) и находят коэффициент демпфирования Кд = Qпф / Qпуф. После этого, подключив к выходу усилителя АС, а к входу генератор ЗЧ, вблизи частоты fср балансируют мост цени ОС и измеряют выходное напряжение усилителя. Затем. перестроив генератор на частоту fрф и изменяя коэффициент передачи цепи ОС [2], добиваются уменьшения напряжения на выходе усилителя в Кд раз. При этом настройку усилителя мощности заканчивают и переходят к определению параметров корректора, выполненного, например, по схеме, приведенной на рис. 2.

рис. 2
рис. 2

Корректор состоит из настроенного на частоту fрф полосового фильтра и ФВЧ, ослабляющего самые низкие частоты. Для получения гладкой АЧХ излучения АС добротность корректора на резонансной частоте должна быть равна добротности резонансной характеристики режекции выходного напряжения усилителя (см. рис. 1,б), максимальный коэффициент его усиления — коэффициенту передемпфирования Кп (см. рис. 1, в), показывающему, во сколько раз добротность Qпуф меньше оптимальной. Величина последней для фазоинвертора равна единице [5], а потому Кп = 1/ Qпуф.

Для определения параметров корректора снимают АЧХ усилителя (см. рис. 1,6). При симметричности резонансной характеристики на частоте fрф ее добротность рассчитывают по формуле

Qp = v(Кд) fpф / (f2-f1) (1)

где f2и f1 частоты среза по уровню U1,2 = Uгор / SQR(Кд) (где Uгор - выходное напряжение усилителя на частотах, где сохраняется баланс моста); а если названная АЧХ несимметрична (искажен низкочастотный скат) по формуле

Qp = SQR(Кд) c f2 / [f22- (fpф)2] (2)

Фильтры корректора, представленного на рис. 2, выполнены на ОУ DA1 (ОУ DA2 - аналог индуктивности). Для ослабления взаимного влияния их характеристик добротность ФВЧ выбрана равной 0,5, а его частота среза (по уровню 0,5) 0,2 fpф .

Номиналы элементов корректора находят, приняв R1 = R2, R3 = R4, С1 = С2, и задавшись емкостью конденсаторов С1 и С3: R1 = 2,5 / π fpф С3 Qp; C4 = 4Qp 2C3; R3 = 1/4π fpф C3 Qp; R5 = 2R3 (Kп - 1).

Для примера рассмотрим порядок настройки УМЗЧ с отрицательным выходным сопротивлением, нагруженного головкой 30ГД-1, установленной в ящике от громкоговорителя 35АС-1.

По АЧХ модуля входного сопротивления головки в оформлении (см. рис. 1,а) находим: R0 = 3,3 Ом;

(fpф = 51 Гц; fL = 340 Гц; Qаф = 6; Qеф = 1,3; Qпф = 1,07.

Для предотвращения ослабления rapмоник в сигнале ОС частоту среза ФНЧ ее цепи принимаем равной 300 Гц.

Выходное сопротивление усилителя выбираем из условий получения достаточно глубокой ОС при сохранении стабильной формы АЧХ усилителя: Rвых = -0,67R0, тогда Qеуф = 1,3•3,3/(3,3 - 0,67•3,3) = 0,43; Qпуф = 6•0,43 / (64 + 0.43) = 0,4; Кд = 1,07/0,4 = 2,7.

Для сохранения баланса моста цепи ОС на высоких частотах параллельно головке включаем последовательную RC-цепь, составленную из резистора сопротивлением R=3,3 Ом и конденсатора емкостью С= 1/2•3,14•340•3,3 = 150 мкФ.

После этого подключаем АС к усилителю, на вход которого от генератора ЗЧ подан сигнал частотой 200... 300 Гц. Замкнув диагональ моста цепи ОС, устанавливаем выходное напряжение усилителя 2,7 В. Затем диагональ моста размыкаем и регулятором баланса моста вновь устанавливаем выходное напряжение 2,7 В. После этого, перестроив генератор ЗЧ на частоту 51 Гц, регулятором коэффициента передачи цепи ОС добиваемся уменьшения выходного напряжения усилителя в Кд раз, т. е. до 1 В.

Далее, изменяя в небольших пределах частоту генератора ЗЧ, находим частоты среза по уровню SQR(Кд) = 1,64 В (см. рис. 1,б): f1 = 32 Гц; f2 = 70 Гц. Если эти частоты удовлетворяют условию f1 / fpф = fpф / f2, то добротность режекции рассчитываем по ф-ле (1), а если нет — по ф-ле (2). В рассматриваемом примере следует воспользоваться ф-лой (2): Qp = 1.64•70•51 / (702 -512) = 2,55.

Найдя коэффициент передемпфирования Kд = l/0,4 = 2,5 и задавшись емкостью конденсаторов С1 = 0,33 мкФ и С3==0,018 мкФ, рассчитываем номиналы остальных элементов корректора:

R1 = 2,5 / 3,14•5I•0,33•10-6 = 48 000 Ом (47 к0м); C4 = 4•2,552•0,018 = 0,47 мкФ;

R3 = 1/4•3,14•51•18•10-9 • 2,55 = 34 000 Ом (33 к0м); R5 = 2•33(2,5 - 1) = 99 к0м (100 кОм).

После этого подключаем корректор к входу усилители мощности и по форме АЧХ выходного напряжения (см. рис. 1, б) оцениваем качество настройки усилителя в целом (на частоте fрф напряжение на выходе УМЗЧ должно быть в KД опт = Qпф раз меньше, чем на частотах горизонтального участка его АЧХ).

Приведенная методика настройки усилителя с громкоговорителем-фазоинвертором применима и при использовании громкоговорителя закрытого типа, с той лишь разницей, что коэффициент передемпфирования в этом случае находят по формуле: KД опт = 0,7 Qпуя , а все необходимые измерения проводят вблизи резонансной частоты головки в закрытом ящике fря

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы.

Демпфирование НЧ головки электрическим способом с помощью усилителя с отрицательным выходным сопротивлением позволяет значительно улучшить параметры громкоговорителя, особенно при использовании режима передемпфирования.

СЧ головку, подключаемую к усилителю через разделительный фильтр, можно демпфировать как акустически — с помощью ПАС, так и электрически — с помощью последовательного LC-контура, причем второй способ предпочтительнее, так как одновременно позволяет улучшить параметры разделительного фильтра. В многополосном электроакустическом тракте для демпфирования СЧ и ВЧ головок лучше использовать усилители с отрицательным выходным сопротивлением. ВЧ головку, подключенную к общему УМЗЧ, можно демпфировать с помощью последовательного LC-контура.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Повышение качества звучания громкоговорителей. - Радио, 1983, № 6, с. 50-53,
  2. ЭМОС или отрицательное выходное сопротивление? Радио, 1981, № 1, с. 40- 44.
  3. Звуковоспроизводящий комплекс.— Радио, 1979, № 7, с. 28—31; № 8, с. 34-38.
  4. И снова об ЭМОС.-- Радио, 1985. № 7, с. 33-35.
  5. Настройка фазоинвертора.— Радио. 1986, № 8, с. 51 -52.

Радио №4 1987г

< Пред.   След. >
up Главная | Новости | Усилители мощности | Предусилители | Акустика | Источники сигнала | FAQ | Форум | Карта сайта up
 

Mambo is Free Software released under the GNU/GPL License.