Главная Контакт Ссылки
О повышении качества звучания АС Версия для печати
Написал А. Фрунзе   
понедельник, 07 Июнь 2004

Часть 1
Часть 2
Часть 3
Приложение

Вступление

Вопросы конструирования высококачественных звуковоспроизводящих систем попрежнему остаются в центре внимания многих радиолюбителей. Но, как и в прежние годы, занимаются они в основном совершенствованием усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Однако даже и сверхвысококачественные УМЗЧ, случается, разочаровывают своих создателей, если работать им приходится на такие посредственные АС, как 10МАС-1, 15АС-1, 25АС-1, 25АС-309, S-70, S-90 и т. д.

Объемы ящиков этих АС, значения добротности используемых в них динамических головок, параметры разделительных фильтров неоптимальны с точки зрения получения хорошей АЧХ комплекса по звуковому давлению. Да и качество исполнения корпусов самих АС оставляет желать лучшего [1]. Приобрести же высококачественные АС для многих радиолюбителей нереально из-за их высокий стоимости. В связи с этим в настоящее время весьма актуальна проблема улучшения качества конкретных имеющихся в распоряжении радиолюбителей АС. Сделать это можно различными способами.

Один из них, к примеру, предполагает совершенствование конструкции громкоговорителей АС вне связи ее с остальными элементами звуковоспроизводящего комплекса. Такое совершенствование может включать использование более удачных в конструктивном исполнении динамических головок, изготовление новых ящиков (как правило, увеличенных размеров в сравнении с прототипом), введение ПАС, оптимизацию параметров разделительных фильтров с помощью математического моделирования на ЭВМ [2]. К сожалению, такой путь оказывается непосильным даже для многих подготовленных радиолюбителей, не говоря уже о тех, чей радиолюбительский стаж еще незначителен.

Ниже предлагается иной способ улучшения АС. Он основан на учете воздействия параметров и конструктивного исполнения УМЗЧ на АС. Например, введение ЭМОС или цепей формирования отрицательного выходного сопротивления в УМЗЧ, грамотный выбор величины отрицательного выходного сопротивления позволяют избавиться от “бубнения” АС. Использование двух- или трехполосного усилителя (в зависимости от числа динамических головок в АС) не только повышает качество разделения сигналов, но и облегчает балансировку головок по звуковому давлению, улучшает согласование головок и УМЗЧ. Такой подход не потребует обязательной переделки ящика, замены динамических головок, введения труднорегулируемой и не контролируемой в любительских условиях ПАС, расчетов на ЭВМ.

Считаю, что подобный путь совершенствования АС в комплексе с УМЗЧ — оптимальный для радиолюбителей. Правильность этого вывода подтверждает и публикация в “Радио” [3].

Предлагаемый вниманию читателей материал состоит из трех частей.

Первая часть посвящена проблеме улучшения качества звучания АС в области низких частот. Даются рекомендации по улучшению конкретных АС с учетом квалификации и возможностей радиолюбителя,

Во второй части рассказывается о доработках УМЗЧ, позволяющих изменять его выходное сопротивление в пределах (от 0 до —4...5 Ом), которые необходимы для большинства способов улучшения АЧХ АС в области низких частот.

В третьей части рассматриваются проблемы фильтрации усиленного сигнала пассивными фильтрами АС. Показано, что применение многополосного усилителя с разделением сигнала на входе УМЗЧ позволяет создать звуковоспроизводящую систему, сопоставимую по качеству звучания с лучшими (и дорогостоящими!) отечественными и зарубежными АС.

В приложении приведена методика определения параметров динамической головки и ящика громкоговорителя АС. Эти параметры необходимы для таких доработок системы, которые требуют предварительных расчетов.

Охарактеристиках громкоговорителей в области поршневого действия

Наиболее существенный недостаток бытовых отечественных АС (равно как и многих, изготовленных радиолюбителями) — “бубнение” или “эффект монотонного баса”, возникающий из-за неравномерности (“горба”) АЧХ АС в области частоты их основного резонанса. Причины неравномерности довольно разнообразны — это и высокая добротность используемой НЧ головки, и неоптимально выбранный объем ящика громкоговорителей АС, и неправильная настройка фазоинвертора, и недостаточная жесткость стенок АС, и ряд других. Воздействие каждой из них на АЧХ громкоговорителя рассматривается ниже.

Для лучшего понимания способов борьбы с “бубнением” обратимся к современным способам описания АЧХ громкоговорителя в области низких частот. В работе [4] показано, что КПД громкоговорителя в области поршневого действия (т. е. в области низких частот, где длина волны значительно превышает диаметр диффузора головки громкоговорителя) можно представить

(f) =  η'(1/(1 + y1(fS/f)2 + y2(fS/f)4 + y3(fS/f)6 + y4(fS/f)8)) (1)

где

y1 = (1/Qt2) - 2[1 + VAS/V + (fB/fS)2], (2)
y2 = (1 + VAS/V)2 + 2(fB/fS)2 [2 + VAS/V + (fB/fS)2- (1/Qt2)], (3)
y3 = (fB/fS)2 [(1/Qt2) (fB/fS)2 - 2 - 2VAS/V - 2(fB/fS)2], (4)
y4 = (fB/fS)4, (5)

h ' - КПД динамической головки на частотах значительно превышающих частоту среза АЧХ;
fs - резонансная частота головки в свободном пространстве, Гц;
fb - собственная резонансная частота ящика-фазоинвентора, Гц;
f - частота сигнала подаваемого на динамическую головку, Гц;
Qt - общая добротность головки при работе от конкретного усилителя;
V - объём ящика фазоинвертора, М3;
Vas - объём воздуха, соответствующий акустической гибкости подвижной системы, М3.

Нормированная характеристика громкоговорителя равна отношению

h0(f) = h (f)/h' (6)

Из теории фильтров известно, что подобная характеристика описывает фильтр высоких частот (ФВЧ), порядок которого не выше четвертого. Иными словами, громкоговоритель по звуковому давлению представляет собой ФВЧ, пропускающий сигналы с частотой выше f3 и подавляющий сигналы с частотой ниже f3 (f3 — частота среза, на которой η уменьшается на 3 дБ в сравнении с h'). Как и всякому ФВЧ, ему присущи определенная неравномерность АЧХ на частотах, превышающих f3, и столь же определенная крутизна спада АЧХ на частотах ниже f3. Сказанное можно проиллюстрировать рис. 1, на котором приведены различные типы гладких (в области НЧ) частотных характеристик.

Кривые 1—3 описывают частотные характеристики фильтров соответственно Баттерворта 2-го порядка, квази-Баттерворта 3-го порядка и Баттерворта 4-го порядка. Крутизна спада этих характеристик на частотах ниже частоты среза составляет 12, 18 и 24 дБ/октаву. На частотах же выше частоты среза все они имеют гладкие частотные характеристики.

Кривая 4 описывает частотную характеристику фильтра Чебышева 4-го порядка. В отличие от трех первых характеристик, она имеет небольшую нормированную неравномерность (как правило, не более 0,5...2 дБ) в области частот выше частоты среза. Крутизна спада характеристики этого фильтра в среднем 24 дБ/октаву, причем вблизи частоты резонанса она выше, чем у фильтра Баттерворта 4-го порядка.

Каждая из приведенных на рис. 1 кривых характеризуется значениями констант y3 - у4, которые определяются через переменные Qt, VAS/V и fB/fS, в ляющиеся параметрами громкоговорителя и поддающиеся изменению или регулированию. Следовательно, меняя общую добротность головки Qt, частоту настройки фазоинвертора fB и выбирая объем V ящика громкоговорителя, можно синтезировать любую из приведенных на рис. 1 гладких частотных характеристик. Методика определения перечисленных параметров приводится в приложении.

Типы гладких частотных характеристик громкоговорителей в области низких частот и их синтез

Гладкой характеристикой 2-го порядка может обладать закрытая АС, т. е. закрытый ящик без фазоинвертора. У него fB/fS = 0, т. е. y3 = y4 = 0. Нормированный КПД громкоговорителя определяется в этом случае как

η(f) =   1/(1 + y1(fS/f)2 + y2(fS/f)4), (7)

На рис. 2 приведены зависимости нормированных КПД громкоговорителей от частоты для трех различных значений добротности Qt = 0,5; 0,707; 1. При Qt = 1 на кривой (3) появляется подъем в области частоты резонанса, которого нет на двух других кривых. Анализ показывает, что для отсутствия этого подъема Qt должна выбираться в пределах Qt <0,707. При значении Qt== 0,707 зависимость η0(f) (кривая 2) соответствует характеристике фильтра Баттерворта 2-го порядка:

η(f) =   1/((1 + VAS/V)2 (fS/f)4), (8)

При Qt<0,707 частота среза оказывается более высокой, чем fз, причем она растет о уменьшением Qt. Увеличение Qt снижает частоту среза. Очевидно, для закрытого ящика оптимальной можно считать характеристику, получаемую при Qt = 0,7...1.

Характеристика фильтра квази-Баттерворта 3-го порядка описывается уравнением

η(f) = 1/(1 + y3(fS/f)6 + y4(fS/f)8), (9)

Она получается при y1 = 0, y2 = 0. Такую зависимость η0(f) имеет фазоинвертор. Гладкая характеристика достижима при Qt<0,563. Она не единственная, так как равенство нулю двух коэффициентов y1 и у2 обеспечивается любой парой из трех параметров Qt, VAS/V, fB/fSпри произвольном значении третьего из них (с учетом ограничения на Q).

рис. 1рис. 2
рис. 1рис. 2

Характеристика фильтра Баттерворта 4-го порядка описывается уравнением:

η(f) = 1/(1 + (fS/f)8), (11)

Эта характеристика синтезируется при строго определенных значениях параметров: Qt = 0,383; Vas/V = 1,414; fB/fS = 1. Здесь частота среза равна резонансной частоте головки громкоговорителя в свободном пространстве, объем ящика должен быть в 1,414 раза меньше объема, эквивалентного гибкости головки VAS. Фазоинвертор должен быть настроен на частоту собственной резонансной частоты головки.

Аналитический вид характеристик фильтров Чебышева 4-го порядка сложнее характеристик фильтров Баттерворта и в настоящем обзоре опускается.

Отметим, что все характеристики фильтров Чебышева имеют неравномерность в рассматриваемом диапазоне низких частот (мы выбираем ее не превышающей 2 дБ). Для всех этих характеристик Qt >0,383; fB<fS VAS/V< 1,414. Все характеристики 4-го порядка описывают поведение громкоговорителя в ящике-фазоинверторе.

Поскольку расчет параметров громкоговорителей, обеспечивающих гладкую частотную характеристику, достаточно сложен и может потребоваться провести его не один раз, в работе [4] предложены номограммы, позволяющие выполнить этот расчет даже радиолюбителям с относительно низким уровнем квалификации. Одна из этих номограмм для громкоговорителей с малыми потерями в акустическом оформлении приведена на рис. 3. В верхней половине номограммы приведены зависимости отношения VAS/V от Qt, а в нижней — зависимости отношений f3/fS и fB/fS от Qt. Задавая один из параметров VAS/V, Qt или f3/fS можно с помощью этой номограммы найти два других, которые в совокупности с первым обеспечат получение гладкой частотной характеристики.

Потери в акустическом оформлении

До сих пор не говорилось о влиянии потерь в акустическом оформлении на форму АЧХ громкоговорителя, в связи с чем может создаться впечатление, что они влияют лишь на значение КПД η' на высших частотах. Но это в первом приближении справедливо лишь для закрытого ящика. АЧХ же фазоинвертора зависит от упомянутых потерь, в связи с чем представляется целесообразным охарактеризовать эти потери и показать, как их учесть при синтезировании АЧХ фазоинвертора.

Суммарные потери оцениваются величиной добротности ОB, в них входят три вида потерь: звукопоглощения (QA), щелевые (QL) и потери в трубе фазоинвертора QP ;

1/ОB = 1/QL + 1/ОA + 1/QP, (12)

Проблема оценки и учета потерь в настоящее время представляется наиболее сложной в конструировании АС. Измерения, проведенные различными авторами, показали, что добротность OB в корпусе, вдоль стенок которого размещен звукопоглощающий материал, лежит в пределах 30...50; добротность потерь в трубе фазоинвертора, не содержащей поглощающего материала QP, не ниже 50. Основной же вклад в общую добротность QB вносит добротность щелевых потерь - Q = 5...10. Щелевые потери возникают вследствие неплотного крепления громкоговорителя, через материал подвеса, сквозь крепежные винты и щели в ящике.

рис. 3рис. 4
рис. 3 рис. 4

Необходимо отметить, что с ростом частоты QP растет, а QA падает, вследствие чего их суммарное действие во всем диапазоне частот остается примерно постоянным. Следовательно, в нашем случае достаточно лишь оценить значение QL. Если в результате измерений окажется, что QL превышает 15, то для расчетов громкоговорителя достаточно номограммы, приведенной на рис. 3. (Q = oo). Если 5<QL<15, то для расчетов потребуются также номограммы, приведенные на рис. 4 (QL = 10) и 5 (QL = 5). О том, как пользоваться номограммами, будет сказано ниже. Ряд примеров их использования имеется также в [4].

Регулировка параметров имеющихся громкоговорителей АС

Приведенные выше рекомендации предполагают, что при совершенствовании громкоговорителей своей АС радиолюбитель пойдет по такому пути. Вначале измерит параметры НЧ головки, в первую очередь ее добротность и частоту собственного резонанса. Затем выберет тип акустического оформления — закрытый ящик или фазоинвертор. В случае закрытого ящика он в соответствии с формулой (9), задавшись резонансной частотой, определит объем ящика V. В случае фазоинвертора определит этот объем и частоту настройки фазоинвертора по номограммам. В обоих случаях после этого должны последовать изготовление ящика в соответствии с расчетом, сборка и испытание громкоговорителя, возможно, перерасчет и окончательная подстройка системы.

Трудоемкость этого пути весьма высока, и он отпугивает даже подготовленных радиолюбителей. Гораздо удобней было бы в максимальной степени использовать оформление уже имеющейся или созданной АС, и в первую очередь ее ящика — элемента, поддающегося регулировке в минимальной степени. Для этого необходимо научиться регулировать остальные параметры громкоговорителей AC (Qt и fB/fS).

Труба фазоинвертора

Частота настройки фазоинвертора fB связана с площадью сечения его трубы SV, эффективной длиной трубы LVE и объемом корпуса V соотношением

fB = c/2π SQR (SV/VLVE), (13)

где скорость распространения звука с==330 м/с; SV, м2; LVE - м; V - м3.

Эффективная длина LVE слагается из фактической длины LV и дополнительной, учитывающей краевые эффекты:

LVE = Ly+0,825 SQR (Sy), (14)

Из приведенных соотношений видно, что частоту настройки удобнее всего регулировать изменением длины трубы фазоинвертора LV. Можно, хотя и значительно сложнее, регулировать ее изменением площади сечения отверстия фазоинвертора SV. При этом только нужно иметь в виду, что длина трубы должна быть такой, чтобы в ней даже на самой низкой воспроизводимой громкоговорителем частоте не могли возникнуть стоячие волны. Другими словами, ее длина не должна превышать величину

LMAX < c fS , (15)

где fS — резонансная частота головки в свободном пространстве, Гц.

Установлено также, что скорость воздушного потока в трубе фазоинвертора не должна превышать 5 % скорости звука, так как в противном случае возникают нелинейные искажения и растут потери. Последнее условие накладывает ограничения на минимальное значение площади сечения трубы:

SMIN > 0,8 fBVD (16)

где fg — частота настройки фазоинвертора, Гц; VD — объемное смещение, м3 . Параметр VD определяется типом примененного громкоговорителя, точнее, его максимальной мощностью. Для динамической головки 25 ГД-26 он, например, равен 1,21 • 10-4 м3. Поскольку этот параметр, как правило, неизвестен, то в первом приближении его достаточно считать пропорциональным квадратному корню из паспортной мощности. Другими словами, для 50-ваттной головки VD увеличится (по сравнению с VD для 25 ГД-26) в 1,414 раза, для 10-ваттного — уменьшится в 1,6 раза.

После настройки фазоинвертора на требуемую частоту следует проверить выполнение соотношений (15), (16) при реальных значениях длины и сечения отверстия трубы фазоинвертора. Методика определения частоты настройки fB будет описана в приложении.

Объём ящика громкоговорителя АС

Эффективный объем ящика V громкоговорителя АС не всегда точно равен внутреннему его объему V^. Так, при заполнении корпуса звукопоглащающим материалом гибкость воздуха в нем возрастает, что эквивалентно увеличению V. Необходимо отметить только, что таким образом возможно увеличить V лишь на 10...15%.

Общая добротность головки

Общая добротность Ot головки определяется добротностями QM и QE обусловленными активными (на деформацию подвесов и на излучение звука) и механическими потерями и потерями, связанными с электронным торможением звуковой катушки в зазоре магнитной системы:

1/Qt = 1/QM + Re/Qe(Re - Rg), (17)

где Re — сопротивление звуковой катушки постоянному току. Ом; Rg — выходное сопротивление усилителя мощности ЗЧ (УМЗЧ), Ом.

Если выходное сопротивление усилителя равно нулю (это справедливо для большинства УМЗЧ), то выражение (17) принимает вид

1/Qt = 1/QM +1/Qe, (18)

Если сопротивление Rg будет отрицательным, но не превышающим по модулю Re, то знаменатель второго слагаемого в правой части ф-лы (17) уменьшится, что приведет к росту величины 1/Qt, а следовательно, к уменьшению Qt. Ясно, что Qt может стать меньше как QM, так и Qe. Значение Rg — отрицательного выходного сопротивления, обеспечивающего заданное значение Qt при известных QM и Qe, — определяется соотношением

Rg = Re[(QtQM ) / ((QM - Qt)Qe - 1)], (19)

Методика формирования отрицательного выходного сопротивления УМЗЧ будет приведена ниже.

Для увеличения Qt последовательно с головкой можно включить дополнительный резистор. Его сопротивление определяется соотношением:

R' = Re[((QtQM ) / ((QM - Qt)Qe) - (Re + Rg)/Re)], (20) 



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

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