Главная Контакт Ссылки
ЭМОС в сабвуфере - generation next Версия для печати
Написал Н. Мухамедзянов   
пятница, 08 Январь 2010

1. Введение

Прошло достаточно много времени с момента написания статьи "Вниз по лестнице, ведущей вверх... или ЭМОС в низкочастотном звене АС", и нетрудно предположить, что столь многообещающее направление в конструировании НЧ-акустики, практически не имеющее альтернативы по сочетанию параметров, будет развиваться и далее, постепенно совершенствуясь.
Изменения в идеологии построения всей системы и отдельных узлов не были революционными :-), но позволили значительно улучшить параметры системы с ЭМОС и добиться большей повторяемости при изготовлении. Вот, по-порядку, и рассмотрим, над чем шла работа, и что из этого получилось. Иногда полезно приостановиться, оглянуться на сделанное и подвести промежуточный итог...

2. Немного теории

Современные методы разработки аппаратуры базируются, как правило, на предварительном моделировании прототипа устройства в различных симуляторах. Это позволяет быстро опробовать множество вариантов реализации как отдельных узлов, так и всего будущего изделия в целом, глубже разобраться в критических местах, выбрать оптимальную конфигурацию, сократить и упростить этап натурного макетирования. Симуляторы оперируют моделями элементов, и чем точнее будут эти модели, тем ближе к реальности получится результат. Оптимизация системы с ЭМОС стала возможна благодаря уточнению как общей концепции построения ЭМОС по ускорению, так и уточнению собственно модели "динамик в ЗЯ+пьезоакселерометр". Очень упрощенная модель этой связки выглядит так:

Рис.1
Рис.1

Она позволяет смоделировать импеданс головки, оценить АЧХ по звуковому давлению (SPL) и получить выходные сигналы, пропорциональные ускорению, скорости и смещению диффузора динамика. Параметр задержки в модели позволяет учесть конечную скорость механических/акустических процессов. Выходной сигнал скорости получается (по определению) через интегрирование сигнала ускорения, а выходной сигнал, пропорциональный смещению - интегрированием сигнала скорости. Если приближать эту модель к реальности, то надо учесть, как минимум, еще два паразитных фактора: резонанс самой конструкции датчика и влияние деформации диффузора при работе на выходной сигнал акселерометра. К сожалению, в модели трудно учесть эффекты, возникающие при выходе диффузора динамика из поршневого режима работы, поэтому результаты моделирования все равно будут несколько отличаться от результатов измерений реальной системы.

Рис.2
Рис.2

По графикам на рис.2 видно, что чем меньше добротность резонанса конструкции датчика и чем выше находится этот резонанс по частоте - тем лучше, так как для нейтрализации его влияния потребуются более простые схемотехнические решения.
Большой проблемой при реализации ЭМОС может стать "завязка" выходного сигнала датчика на деформации диффузора динамика из-за неидеальности конструкции. Дело в том, что сигнал, пропорциональный смещению диффузора, противофазен сигналу ускорения и, при замыкании петли ЭМОС, на ИНЧ возможно ухудшение устойчивости системы, так как ООС переходит в ПОС и при увеличении петлевого усиления система может стать нестабильной или даже возбудиться. Признаком хорошей развязки датчика от влияния деформации диффузора является отсутствие в его выходном сигнале "нуля" передаточной функции или его проявление на как можно более низкой частоте.
Анализ фазочастотных характеристик (Рис.1) показывает нам, что выходной сигнал ускорения имеет фазовый сдвиг от +180 градусов до нуля в интересующей нас полосе частот. Заведение такого сигнала в обратную связь приведет к тому, что на ИНЧ система просто возбудится.
Очевидно, что для правильного построения ЭМОС по ускорению нам необходимо в петлю ООС ввести корректирующее устройство, которое бы обеспечивало постоянный фазовый сдвиг в 90 градусов для создания запаса по фазе на ИНЧ, и имело спадающую к ВЧ АЧХ, чтобы обеспечить уменьшение петлевого усиления на верхней границе рабочего диапазона (сформировать правый склон АЧХ петлевого усиления). На эту роль лучше всего подходит обычный интегратор. Он позволяет автоматически сформировать и левый склон АЧХ петлевого усиления, так как второй порядок спада, обусловленный типом акустического оформления (ЗЯ), скорректируется интегратором до первого порядка. Исходя их вышесказанного, упрощенная функциональная схема ЭМОС приобретет следующий вид -

Рис.3
Рис.3

Как видно из графика, АЧХ динамика по SPL может быть линеаризована к ИНЧ до 5...10Гц. Поведение АЧХ реального динамика на частотах 400...1000Гц, естественно, отличается от теоретического, так как на этих частотах заканчивается поршневой диапазон работы диффузора.
Интересно посмотреть, как при моделировании будет вести себя в ЭМОС наша усложненная модель пьезодатчика:

Рис.4
Рис.4

Видим, что на АЧХ в ИНЧ-области появился небольшой горб, вызванный тем, что на этих частотах сигнал обратной связи с датчика отсутствует ("ноль" передаточной характеристики), на СЧ также несколько ухудшилась устойчивость. Но терпимо :-). Осталось выбрать оптимальную глубину ЭМОС и ограничить диапазон воспроизводимых сабвуфером частот как сверху, так и снизу.
Теперь подумаем, а нужна ли нам в реальной жизни акустика, воспроизводящая звук от 5Гц? Тем более обеспечение приемлимого звукового давления на этой частоте потребует как применения усилителя мощности с повышенной выходной мощностью, так и динамической головки с огромным объемным смещением. Максималисты так и могут сделать, нам же, реалистам :-), пока придется идти на компромисс - ограничивать снизу воспроизводимый звуковой диапазон частотами 16...20Гц. Если говорить честно, то столь низкие частоты с большой амплитудой достаточно редко встречаются в музыкальных записях, основная же причина, по которой желательно, чтобы акустика имела линейную АЧХ до этих частот, а при возможности и ниже - это уменьшение искажений огибающей НЧ-сигнала, напрямую связанное с ГВЗ системы. Несколько ранее в статьях "Групповое Время Задержки" и "Моделирование ФВЧ с аппроксимацией АЧХ по Баттерворту" я касался этого вопроса. Возвращаясь к компромиссу - ограничение снизу диапазона частот можно сделать несколькими способами, начиная с применения входного сабсоник-фильтра и заканчивая оптимальным распределением усиления в петле ЭМОС. Обратим внимание на введенное корректирующее звено - интегратор. Реально, получается там сделать только неидеальный интегратор, имеющий ограничение усиления на ИНЧ. Если недостающую добавку по усилению ввести в предусилитель пьезодатчика, то можно сформировать желательный ход АЧХ по звуковому давлению на ИНЧ (спад первым порядком с добротностью равной 0,5), при котором рост ГВЗ будет еще не столь значительным. Как это сделать будет рассмотрено несколько позже.
Несколько слов к целесообразности использования УМ типа ИТУН в системе с ЭМОС. Высокое выходное сопротивление ИТУНа не производит электрического демпфирования подвижной системы динамика. А оно в нашем случае и не нужно - контроль над перемещением диффузора производит ЭМОС. А так как ИТУН и динамик находятся внутри петли ООС, то образующийся при отсутствии электрического демпфирования резонансный горб на АЧХ эффективно линеаризуется этой силовой (электромеханической) обратной связью. При этом получается, что в резонансной области ИТУН просто отдает звуковой катушке динамика ровно столько тока, сколько надо для перемещения или торможения его диффузора. То есть, при работе динамика в ЭМОС без электрического демпфирования диффузора низким выходным сопротивлением усилителя просто нет излишней потери энергии ни в звуковой катушке, ни в оконечном каскаде этого УМ. А демпфирование диффузора есть :-) и немалое, так как датчик отслеживает попытки его неконтролируемого перемещения, вызывая появление компенсирующего сигнала ошибки.

Рис.5
Рис.5

Из результатов моделирования системы ЭМОС с ИТУНом видно, что на резонансной частоте выросла глубина ЭМОС, и как бонус - имеем улучшение устойчивости системы на СЧ за счет лучшей фазовой характеристики (исключено влияние индуктивности звуковой катушки динамика).
На этом, наверное, небольшую теоретическую часть можно закончить и перейти к практике.



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.