Главная Контакт Ссылки
Однополосный или многополосный? Версия для печати
Написал Валентин и Виктор Лексины   
понедельник, 22 Сентябрь 2003

Вопрос, поставленный авторами в заголовке статьи, вообще говори, 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 доказывают авторы статьи, этот путь не самый простой и, главное, не самый эффективный. Верность звучания во многом зависит от громкоговорителя. А здесь достижения более скромны, чем в схемотехники 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 многоголосным громкоговорителям свойствен ряд существенных недостатков, обусловленных применением в них пассивных разделительных фильтров. в этой ситуации существенно улучшить качество звуковоспроизведения можно только при использовании многополосного усилителя с разделительными фильтрами на входе. Особо следует отметить и такое, пока что еще очень важное для радиолюбителей преимущество многополосных усилителей как возможность их изготовления из доступных деталей.

Приступая к разработке высококачественного звуковоспроизводящего комплекса, радиолюбители нередко сосредоточивают все усилия 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 невысоким. 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 реализуйся 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 головками 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 12дБ 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 fp. Это наглядно видно из рис. 1, где показаны изменения, которые претерпевает сигнал в виде симметричных прямоугольных импульсов длительностью, примерно равной 1/fp, 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 tзвсех 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, а.

Рис. 1Не менее важной проблемой при согласовании усилителя мощности с громкоговорителем являются интерференционные искажения звукового поля в зоне прослушивания, неизбежные при воспроизведении двумя головками колебаний в общей полосе частот. Если расстояния от звуковых катушек (вернее центров излучения) головок до слушателя отличаются на величину Dr, то в месте прослушивания наблюдаются интерференционные спады звукового давления при значениях Dr = u (2n+1)/2f = l(2n+1)/2. где u- скорость звука в воздухе, равная 343 м/с; l и f- соответственно длина волны и частота колебаний (на частоте 1 кГц l/2 = 0,143 м); n = 0,1,2... 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 по возможности 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 и на качестве звучания скажутся меньше. Что касается фазовых сдвигов в области частоты раздела средне- и высокочастотной полос, то бороться с ними значительно сложнее, так как на этих частотах Dr = l/2 очень малы. 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 свойствен 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 значительному усложнению усилителя.

Наконец, применение в широкополосном усилителе ЭМОС требует (для обеспечения устойчивости) введения RС-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 эмиттер - 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 интермодуляционных 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 возможности 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.

Рис. 2

Для разделения низко- 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 автоматической сопряжения). равномерные суммарные АЧХ н 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, R2 и емкость конденсаторов С1, С2 выбраны одинаковыми. Частота раздела fр1 = 1/4pR1С1 = 500 Гц.

Для разделения средне- и высокочастотной полос применены ФНЧ и ФВЧ четвертого порядка. Каждый из них составлен из двух (на транзисторах V2, V3 и V4, V5) соединенных последовательно фильтров Баттерворта второго порядка.

 Частота раздела выбрана как среднегеометрическое между нижней границей номинального диапазона частот высокочастотной и верхней границей диапазона среднечастотной головок.

Рис. 3АЧХ звеньев 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 C1, С2, С5-С12-М47, М75, М750, Ml 500 (С1 и С2 - могут быть и группы H30).

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, оклеены изнутри рубероидом, поверх которого наклеены листы из пенополиуретана (поролона) толщиной 20 мм. Свободный внутренний объем корпуса (без головки и туннеля фазоинвертора) - 36 дм3. 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 310 х 250 х 210 и 95 х 125 х 175 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.

При использовании головок с меньшим значением Рср.ст выходную мощность полосных усилителей для получения того же уровня звукового давления необходимо, естественно, увеличить. Например, если для низкочастотной полосы выбрана головка 25ГД-26 (Рср.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 многополосным громкоговорителем.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Иофе В. К.. Корольков В. Г.. Сапожков М. А. Справочник по акустике. Под общ. ред. М. А. Сапожкова. М., Связь, 1979.
  2. Эфрусси М. М. Громкоговорители и их применение. М., Энергия, 1976 (МРВ, вып. 919).
  3. Левинзон Г. Л., Логинов А. В. Высококачественный усилитель низкой частоты. М.. Энергия. 1977 (МРБ. вып. 951).
  4. Reinhard О. Auf dem Weg zumOptimalen Laut-sprechersystem.-Funkschau, 1977. № 3, s. 115- -117.
  5. Lautsprecherkombinationen - elektrische Weichen. Phasenfehler.- Funkschau, 1978, № 20, s. 969-972; №? 24. s. 1209-1212.
  6. Салтыков О. ЭМОС или отрицательное выходное сопротивление? - Радио, 1981, № 1, с. 40-45.

Радио № 4 1980г.

< 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.