Вход/Регистрация
Вход через соц. сети
Хотите больше знать об акустике и о том, что с ней связано

Об искажениях частотных характеристик малогабаритных акустических систем и глубоких басах

Каждый радиолюбитель, кто хоть раз самостоятельно строил акустические системы знает, что даже точное испол­нение проекта, рекомендаций авторов конструкции не всегда приводят к получению желаемого результата. При всей сложности или просто невозможности оценки качества самодельных акустических систем в домашних условиях, кроме как «на слух», авторы конструкций часто не приводят ни методик оценки своих проектов, ни рекомендаций по их применению (размещению и подключению акустики). Бывает, что после повторения очередного «шедевра», когда проходит радость от окончания работ над ним, наступает период мучительных оценок и выводов. Энтузиазм и минутная эйфория часто сменяются почти разочарованием. Действительно, сложно уже в готовой конструкции искать причины неудовлетворительной работы, когда делалось «все как надо». А может быть конструкция хорошая, но усилитель «не такой» или другое... Знакомо?

Посмотрите в радиолюбительских журналах прошлых лет статьи, посвященные конструированию акустических систем. Уважаемые авторы создавали свои варианты практически всле­пую, без учета физики электромеханических преобразований и акустики как таковой. Бесспорно, ряд конструкций самодельных акустических систем, приемов доработок промышленных акустических систем и динамических головок - являются удачными и заслуживают внимания. Многие конструкции стали для любителей высококачественного звуковоспроизведения хорошей «школой» в бесконечном циклическом процессе создания или переделки акустической системы по принципу: «Вот-вот и станет совсем хорошо...». Но, заметьте, что авторы сравнивали свои разработки (максимум) с промыш­ленными образцами акустических систем заводов бывшего СССР. Попробова­ли бы они сравнить свои проекты с продукцией таких фирм как BOSE или JBL...

Возражение против покупки акустической системы импортного производства нижней и средней ценовой категории следующее: «А кто Вам сказал, что такая акустика в Вашей жилой комнате будет звучать, а не излучать сладкоголосые звуки?». Мотивы типа: «Все равно так не сделать» - не убеждают. Конечно, есть образцы фирменной акустики, которые бесподобны по своей конструкции и звучанию, но и стоимость их (как и всего ноу-хау) очень высока.

Даже сейчас, когда появилась реальная возможность использования качественных современных динамических головок, продолжают встречаться описания самодельных акустических систем (уже на новой элементной базе), наследующие ошибки конструкций предыдущих лет. Такое впечатление, что в нынешнем много­образии выбора исходного материала мы можем рассчитать и грамотно построить только корпус АС(ящик). На самом деле, не только объем акустической ситсемы является определяющим показателем качества. Иногда и правильно рассчитанный с точки зрения равномерной АЧХ корпус не звучит. При снижении основного недостатка существующих динамических головок - значитель­ной неравномерности АЧХ в средне- высокочастотном диапа­зоне, они мало чем будут уступать доброй трети импортных и на них можно построить акустическую систему, которая будет удовлетворять взыс­кательного слушателя.

Вся прелесть процесса самостоятельного создания акустической системы зак­лючена в свободе выбора конструкции и получении желаемо­го результата независимо (или почти независимо) от затрат, чего нельзя достичь в массовом производстве. А значит, был и остается смысл попытаться пополнить свои знания и начать сначала. Несмотря на то, что в этом материале конкретная конструкция акустической системы не приводится, некоторые аспекты работы низкочастотного звена акустической системы излагаются с практической точки зрения и доступны для повторения или самостоятельного анализа с достаточной точностью. Первое. Акустика помещения, а проще говоря жилой ком­наты, далека от совершенства. Если Вы не можете улучшить акустику помещения по всем правилам (пропорции «золотого сечения 0,618 :1 :1,618», разумного использования звукопог­лощающих материалов, выбора места размещения акустической ситсемы, выбо­ра точки прослушивания и т.д.), то Вам, действительно, стоит присмотреть мини-комплекс и успокоиться. В противном случае - идем дальше. С одной стороны, каждая комната звучит по-своему даже после внесения в обстановку всех разумных изменений. С другой стороны, каждый из нас знает особенности своего жилища, мы привыкли к «домашней» окраске звуков. Наш мозг подсознательно начинает трансформировать слышимое к его первоначальному колориту. Поэтому, что действительно необходимо попытаться сделать в комнате - это минимизировать стоячие волны, привести в приемлемое зна­чение уровень реверберации, убрать или задемпфировать резонирующие предметы (поверхности) и организовать правильную зону прослушивания.

Второе. Появление новых источников звука, основанных на цифровых технологиях, таких как видео Hi-Fi (с ЧМ записью звука) магнитофоны, ПК (MPEG), компакт- и мини-диски, предъявляет к акустической системе новые требования: повышенная равномер­ность фазо-частотной и амплитудно-частотной характеристик, широкий динамический диапазон, минимальные интермодуляционные искажения. Природа искажений в АС обусловлена физикой процесса звуковоспроизведения и настолько много­гранна, что все виды искажений вряд ли можно устранить на практике. Однако, часть из них хорошо изучена в радиолюби­тельском мире, а значит и поддается контролю в процессе конструирования. Главное правило должно быть таким: каждый вид искажений уменьшается индивидуально и тщательно.

Третье. Стоимость работ. В любом случае стоимость мате­риалов и комплектующих, затраченных на изготовление хоро­шей «домашней» АС, будет несоизмеримо меньше стоимости АС, которую бы Вы приобрели, будь такая возможность. Зна­чит, вкладывать в конструкцию свои знания, что называется «для себя» - очень выгодно.

Последнее. При покупке фирменной АС никто, кроме про­изводителя, не даст Вам рекомендаций по ее размещению и правильной «настройке» под конкретную обстановку. Этой информации ни у продавцов, ни в Интернете нет - только субъективные мнения «экспертов» из тех же магазинов. За исключением некоторых моделей АС, к которым приложены распечатки измеренных АЧХ и коэффициента гармоник в ра­бочей полосе частот - практически любую фирменную акустику мы вынуждены покупать по принципу «кота в мешке».

Начинаем с выбора динамических головок. Это определит тип АС, а именно, двухполосную или трехполосную конст­рукцию. По опыту скажу, что построить в домашних условиях трехполосную АС очень сложно. Затраты на исследования и эксперименты возрастают в два раза по сравнению с двухполосной АС. Попытайтесь подобрать динамические головки для двухполосной АС из расчета их акустических мощностей (но­минальная мощность с учетом чувствительности) НЧ-СЧ к СЧ-ВЧ как 1,5...3,0 к 1,0. Перекрытие частотных диапазонов голо­вок должно составлять не менее 2 октав (4 раза), иначе не удастся обеспечить точное согласование и плавность перехо­дов фазо-частотных характеристик головок в области частоты раздела фильтров. Разделительные фильтры желательно применять 2-го порядка для НЧ и третьего для ВЧ головок. Эти, казалось бы, тривиальные требования на самом деле выпол­нить сложно, но проще, чем сделать то же самое для трехполосной АС.

Следующий параметр, который влияет на подбор пары головок - диаметры их диффузоров. Известно, что чем больше эффективный диаметр излучателя (Dэфф.=Dг/sqrt(2), Dг-диаметр диффузора, измеренный по центру гофра), тем уже диаграм­ма направленности головки на верхней рабочей частоте. Известа формула, связывающая угол направленности излучения динамической головки с длиной излучаемой волны (l) и эффективным диаметром диффузора Dэфф. Излучение впе­ред в полупространство (п) обеспечивается при выполнении условия пи*Dэфф.Д=0,25 [1,6]. На высоких частотах диаграмма излучения еще больше сужается. Например, для НЧ голов­ки типа 6ГД-2 (Dэфф.=13 см) на частоте 7 кГц (предельной для головок этого типа, замеренной по оси излучения) диаграмма излучения имеет угол раскрытия порядка тс/24 по уровню -3 дБ. Такая направленность излучения для использования в жилом помещении неприменима (кроме Вас, сидящего в центре зоны прослушивания, никто ничего не услышит). Это обуславливает выбор частоты раздела полос НЧ-ВЧ для данной головки в районе 1500...2000 Гц, при этом обеспечивается угол раскрытия диаграммы излучения порядка тс/6.

При использовании НЧ головки с меньшим диаметром диф­фузора допустимая частота раздела полос может быть про­порционально повышена. Рассуждая аналогичным образом, выбор ВЧ головки следует сделать в пользу конструкций с ма­лым диаметром излучающей поверхности (6ГДВ-1, 6ГДВ-6, 10ГДВ-2 и др.). Также рекомендуется произвести доработку выбранных динамических головок с целью снижения призву­ков и паразитных резонансов диффузоров по методикам, нео­днократно приводимым в литературе [2]. Единственное, что не целесообразно, на мой взгляд, делать - это всеми путями снижать собственную добротность НЧ го­ловки. Конструктивные параметры выбранной головки гораз­до выгоднее измерить и учесть при расчете акустического оформления, выходных параметров усилителя мощности (УМ) и электрической схемы фильтров. В противном случае снижа­ется КПД головки на низких частотах, что еще больше услож­нит задачу согласования с ВЧ головкой для получения равно­мерной АЧХ акустической системы.

Применение способов сниже­ния собственной добротности низкочастотной головки имеет еще один существенный недостаток. Искажения фазы излуче­ния акустической системы, в которой установлена задемпфированная головка, на низких частотах имеет большую величину, нежели при ис­пользовании незадемпфированной головки и специальных цепей коррекции. Например, акустическая система на 6ГД-2, Qts=0,37 (задемп-фирована панелью акустического сопротивления) имеет ров­ную АЧХ, но сдвиг фазы на частоте 50 Гц - +пи/2, в то время как при Qts=0,71 (без ПАС) с коррекцией АЧХ в УМ - сдвиг фазы на той же частоте составляет всего +пи/6, т.е. в 3 раза меньше. Следующий шаг - выбор акустического оформления. Для упрощения настройки разделительных фильтров АС и обес­печения большей свободы при размещении систем в комна­те, рекомендуется выбрать конструкцию с отдельными корпу­сами для каждой из головок. Это позволяет перемещать ВЧ излучатель относительно НЧ по глубине для настройки фазы излучения в области частоты раздела фильтров, а в случае установки ВЧ головки в шарообразном корпусе на кольцевой подставке - направить акустическую ось ВЧ головки прямо на слушателя при любой ориентации корпуса низкочастотного звена. Сколько существует конструкций корпусов для одних и тех же НЧ головок. Казалось бы, все они рассчитаны по одним и тем же известным методикам, но как различны и по объему и по типам. Измерив параметры 7 головок 6ГД-2 различных лет выпуска, действительно поражаешся результатам. Значения резонансной частоты головок Fр находятся в пределах 31...55 Гц, эквивалентной добротности Qts - 0,62...1,38, эквивалент­ного объема Vаs - от 65 до 380 литров!

Можно для экземпляра головки с эквивалентным объемом 65 литров и добротностью 0,62 рассчитать оформление с приемлемыми для жилой ком­наты размерами, но для случая 300 литров и Qts=0,93 - вряд ли вас поймут семья и родные. В отношении компрессионных головок от 20ГДН-1 до 75ГДН-1 разброс параметров оказался меньше, но их значения сильно отличались от данных, приво­димых в технических паспортах. Приемлемым для домашней конструкции АС (с точки зре­ния толщины используемых материалов стенок корпуса, веса и размеров готовой АС, удобства размещения ее в комнате) является корпус объемом 30-45 литров. Причем корпус объе­мом 30-35 литров целесообразно выполнить с соблюдением внутренних размеров в пропорции «золотого сечения». Корпуса больших объемов целесообразно выполнить в виде на­польной конструкции с обязательной сшивкой противополож­ных боковых панелей распорками. Толщина материала корпу­са 16-25 мм с обязательным оклеиванием внутренней поверх­ности линолеумом и поролоновыми ковриками толщиной 15-30 мм или самодельными матами (вата+марля) толщиной 20-30 мм. НЧ головку размещают у верхнего края узкой боковой панели, которая будет являться передней. Нет никаких сомнений, что в большинстве случаев закрытая АС такого объема с установленной имеющейся в распоряже­нии низкочастотной головкой будет иметь результирующую добротность больше единицы, т.е. на АЧХ в районе резонанс­ной частоты будет наблюдаться «горб» +2...+6 дБ. Более того, нижняя граница воспроизводимых частот такой АС составит 75-100 Гц, что явно недостаточно.

Тем не менее, эти виды искажений АЧХ АС прекрасно моделируются математически [3] и могут быть предопределены выбором динамической го­ловки, легко измерены и минимизированы активными фильт­рами, включаемыми перед УМ или иным способом. О выборе типа корпуса. Да, закрытая акустическая система проще в изготов­лении, но позволяет использовать потенциал динамической головки в области НЧ только на 25-40% независимо от соб­ственной резонансной частоты головки! Причина этого кроет­ся в невозможности динамической головки развить требуемый уровень акустической мощности в области резонансной час­тоты из-за конструкционных ограничений хода диффузора и, как следствие, появления больших нелинейных и интермоду­ляционных искажений. При уменьшении частоты воспроизво­димого сигнала ниже 50-80 Гц большинство низкочастотных головок в закрытых акустических системах объемом 30-45 литров физически не могут обеспечить уровень акустического давления на уровне, создаваемого этой же головкой при номинальной подводимой электрической мощности на частотах 300-2000 Гц.

Спад мак­симальной акустической мощности (не путать с АЧХ) при умень­шении частоты ниже резонансной (Fs - резонансная частота головки в объеме корпуса акустической системы) почти линейный с наклоном 24 дБ на октаву. Предлагаю Вам пересчитать максимальный уро­вень акустической мощности закрытой акустической системы на частоте 30 Гц при Fs равной 60 Гц - получим аналог ... менее 1 Вт для 100-ваттной головки! Поэтому единственной приемлемой для со­здания «домашней» малолитражной акустической системы является конструкция с применением фазоинвертора (ФИ). На частотах воспроизводимого сигнала вблизи частоты на­стройки ФИ Fф амплитуда колебаний диффузора резко сни­жается. В результате этого уменьшаются нелинейные и интер­модуляционные искажения, обусловленные конструкцией под­веса диффузора, граничными размерами магнитной системы и звуковой катушки. Однако, нелинейные искажения, вызван­ные недостаточной жесткостью диффузора, наоборот - увели­чиваются.

Все это говорит в пользу применения т.н. компрес­сионных головок. При корректной конструкции акустической системы амплитуда колебаний подвижной системы головки на частоте настройки ФИ может быть в 25-30 раз меньше, чем на той же частоте в закрытом корпусе. Это значит, что на низких частотах акустической системы с фазоинвертор имеет гораздо больший динамический диапазон, нежели акустическая систма закрытой конструкции при сравнимых нелинейных и интер­модуляционных искажениях. Самое интересное заключается в выборе частоты настрой­ки фазоинвертора Fф. Классический способ настройки Fф на резонансную частоту головки в свободном пространстве в по­давляющем большинстве случаев оправдан. При этом дости­гается компромисс между равномерностью АЧХ и максималь­но возможной акустической мощностью АС на частотах близ­ких к резонансной (но не ниже Fф). Эквивалентная доброт­ность НЧ головки Qts для этого случая должна находиться в пределах 0,35...0,55. В случае использования в малогабаритной АС низкочастот­ных головок с высокой добротностью 0.15=0,65...1,5 - вообще сложно или невозможно получить ровную АЧХ в корпусе лю­бого объема. Поэтому целесообразно произвести настройку Fф на частоту в 2...3 раза (точнее - см. дальше) ниже резонан­сной частоты головки Fр. В то же время, АЧХ АС выше частоты Fф будет практически повторять АЧХ закрытой акустической системы такого же объема.

 

АЧХ

Чем ниже Fф, тем ближе сходство АЧХ. При низкой частоте Fф наблюдаются также меньшие фазовые искажения и меньшее групповое время задержки излучения АС на низ­ких частотах (рис. 1-4).

Головка 6ГД-2, Qts(5=0,62, Fр=31 Гц, Vаs=241 л, SPL=92,3 дБ/Вт*м. Расчетные данные при различном акустическом оформлении:

  1. Акустическая ситсема с фазоинвертором, оптимальный объем 550 литров, Fф=20 Гц
  2. Акустическая система с фазоинвертором, объем 32 литра, Fф=25 Гц
  3. Акустическая система закрытого типа, оптимальный объем 386 литров
  4. Акустическая система закрытого типа, объем 32 литра

Уровень 108 дБ обеспечивается головкой в широкой полосе частот 300-2000 Гц при номинальной подводимой мощности б Вт. Расчетные размеры ФИ следующие:

  • Для акустической системы объемом 550 литров - диаметр 15 см, длина 7 см
  • Для акустической системы объемом 32 литра - диаметр 5 см, длина 24 см

В результате опытов с реальными динамическими головка­ми удалось вывести приближенную формулу, по которой мож­но с точностью 10-15% рассчитать оптимальную (минимально возможную) частоту настройки ФИ (Fфи min) для конкретной низкочастотной головки. Иначе - это критерий определения частоты, начиная с которой конкретная динамическая головка (в АС с ФИ) способна обеспечить максимальное акустическое давление не меньшее, чем на средних частотах при подведе­нии к ней номинальной электрической мощности:

Fфи min=0,8/SQRT( Dг*sqrt(Nг)) * SPL/Хmax,

где Nг - число установленных в корпусе акустической системы однотипных головок Dг - диаметр диффузора (по центу гофра), см SPL- - чувствительность головки дБ/Вт*м Хmax - максимальное смещение диффузора (в одну сторо­ну), см. Главное, что частота Fфи min, ниже которой максимальное акустическое давление, создаваемое головкой, начинает рез­ко уменьшаться, практически не зависит ни от объема корпу­са, ни от собственной резонансной частоты головки. Таким образом, не имеет никакого смысла производить расчет кор­пуса с ФИ, настроенным на частоту ниже Fфи min - Вы не смо­жете получить приемлемую акустическую отдачу низкочастот­ной головки в корпусе акустической системы даже очень большого объема, хотя АЧХ акустической системы может быть оптимальной. Примеры:

  • 10ГД-34 (25ГДН-1-4): Fфи min = 0,8/sqrt10,5 * 84/0,6 = 35 Гц (98дБ)
  • 6ГД-2: Fфи min = 0,8/sqrt21 * 91,4/0,5 = 32 Гц (104дБ)
  • 10ГД-30 (20ГДН-1-4): Fфи min = 0,8/sqrt16,7 * 86/0,8 = 21 Гц (98 дБ)
  • 30ГД-2 (75ГДН-1-4): Fфи min = 0,8/sqrt21 * 86/0,8 = 19 Гц (105 дБ) 
АЧХ акустической системы

 

 

 Вы спросите: «Это секрет глубокого баса?» . Это реальные частоты настройки ФИ, вплоть до которых указанные головки могут обеспечить акустическое давление, соизмеримое с дав­лением на средних частотах при номинальной подводимой мощности. Дальше - все просто:

  1. Если головка имеет собственную резонансную частоту не ниже Fфи min и добротность Qts=0,3...0,5, то смело рассчи­тывайте корпус с ФИ по известной методике [3]. В результате получите оптимальную акустическую систему с плоской АЧХ без применения до­полнительной коррекции УМ.
  2. Если головка имеет собственную резонансную частоту не ниже Fфи min и добротность Qts=0,6...1,5 , то имеется шанс создать акустическую систему любого приемлемого объема с ФИ, настроенным на частоту Fфи min. В этом случае ровная АЧХ акустической системы может быть получена только с использованием соответствующей коррек­ции АЧХ УМ (корректор Линквица - см. ниже).
  3. Если головка имеет собственную резонансную частоту Fр < 0,85*Fфи min, то можно подумать об установке в акустической системе двух или более однотипных головок, а дальше по варианту 1 или 2 или вовсе отказаться от применения этого типа головок в низ­кочастотном звене Вашей АС.

Иные способы «заставить» низкочастотную головку работать на все 100% заключаются в построении двух-, трехобъемных акустических систем с размещением НЧ головки внутри корпуса с излучением через порт (порты) фазоинвертора. Подобную акустическую систему действительно сложно рассчитать в домашних условиях. Немного о конструкциях фазоииверторов. Стандартная конструкция трубчатого фазоинвертора должна удовлетворять следующим условиям: жесткость и отсутствие резонансных призвуков в материале трубы, диаметр отверстия (трубы) фазоинвертора следует вы­бирать не меньше 1/4 диаметра диффузора низкочастотной головки.

Поскольку фазоивертор как и динамическая головка является источником звуковых колебаний, труба фазоинвертора не должна созда­вать никаких дополнительных призвуков. Постучите каранда­шом по стенке трубы фазоинвертора. Если она «звенит», то обклейте вне­шнюю поверхность трубы ФИ в один слой резиной, линолеу­мом и/или обмотайте пластырем, изоляционной лентой (не скотчем) в 5-6 слоев. Отверстие фазоинвертора на лицевой панели акустической системы необходимо разместить не ближе 10-15 см от края низкочас­тотной головки. В принципе, выход фазоинвертора можно разместить на любой боковой или задней стенке корпуса акустической системы. Только в том случае, если акустическая система будет установлена в пространстве между ме­бельными секциями или вплотную к стене или к другим пред­метам, ограничивающим излучение сбоку или сзади - отвер­стие фазоинвертора  обязательно располагают на лицевой панели. При расчете длины трубы фазоинвертора исходят из того, что внутренний край трубы должен отстоять, по крайней мере, на расстояние ее диаметра от внутренней поверхности противоположной стен­ки корпуса акустической системы. Если это условие не выполняется, то произво­дят перерасчет фазоинвертора с меньшим диаметром. Вместо одного фазоинвертора можно применить два с внутренним диаметром 0,71 от рас­считанного одного. Полезно также скруглить торцы труб. Наполнение корпуса фазоинвертора звукопоглотителем - по желанию, ис­ключая область фазоивнртора, но не более 15 г/литр.

Еще один вид искажений, влияющий на качество звучания любой акустической системы - это потери дифракции звуковых воли. Этот тип искажений проявляется в частотной области 100-800 Гц и пред­ставляет собой плавное уменьшение акустического давления, создаваемогоакустической системы, ниже определенной частоты. Несмотря на то, что этот вид искажений хорошо известен, его описание в нашей радиолюбительской литературе было подано неверно, видимо при первых переводах зарубежных статей на русский язык. Этот вид искажений нам объяснялся как «Искажения АЧХ различных форм корпусов акустических систем». Тем не менее, при разме­щении акустической ситсемы «в стенке» искажения дифракции могут быть малы­ми при любой форме корпуса.

На самом деле, когда оклеива­ют внутреннюю поверхность стенок АС звукопоглощающим материалом можно сделать внутреннюю поверхность акустической системы по­чти сферической. Изменится ли, в принципе, поведение АХ такой акустической ситемы? - нет. Суть вот в чем. На низких частотах длина волны, излучае­мая акустическая ситсема гораздо больше физических размеров самой акустической системы, по­этому звуковые волны огибают корпус акустической системы, т.е. излучаются в пространство 2пи (вокруг). На высоких частотах, где длина из­лучаемой волны меньше размера передней панели акустической системы, излу­чение возможно только вперед, т.е. в полупространство [4]. Таким образом, при неизменной электрической мощности, под­водимой к акустической системе, и при горизонтальной АХ динамической го­ловки (а в области 200-500 Гц редкие экземпляры НЧ головок имеют аномалии), начиная с некоторой частоты АХ системы по оси излучения возрастает до уровня +6 дБ. Наиболее плав­ное поведение АХ наблюдается при отсутствии острых вне­шних граней в конструкции АС (рис.5). В случае стандартного корпуса АХ искажений дифракции имеет локальные миниму­мы и максимумы, но с увеличением частоты отдача АС по оси излучения все равно повышается в 2 раза (рис.б).

Средняя частота (Гц), на которой отдача акустической системы (в идеале) по­вышается на 3 дБ может быть рассчитана в Гц по следующей эмпирической формуле: Fd=115/W, где W-ширина передней панели акустической системы в метрах. Величина искажений, обусловленная потерями дифракции +6 дБ имеет место быть только при размещении акустической системы в свобод­ном пространстве, коим жилая комната не является. Низкоча­стотные звуковые волны, огибающие АС, в какой-то мере от­ражаются от стены, около которой обычно устанавливают акустической системы и приходят к слушателю. Таким образом, реально измерен­ное значение потерь составляет 3-4 дБ. О существовании ис­кажений дифракции можно убедиться по АХ промышленных акустической системы, приводимых изготовителями (рис.7-9): 

Сферическая акустическая система

Компенсировать эти искажения АХ довольно просто вклю­чением в звуковоспроизводящий тракт между предваритель­ным усилителем и усилителем мощности простейшей коррек­тирующей цепочки R4C4R5 (рис. 10). Выбрав отношение со­противлений R4=R5/2 (величина коррекции - около 3,5 дБ) и их номиналы в кОм, определяем емкость С4 в мкФ по форму­ле: С4=130/(R5*Fd).

  АЧХ

Пример расчета: 1.  Ширина передней панели акустической системы: 25 см 2.  Определяем частоту Fd= 115/0,25=460 Гц 3.  Выбираем R5=4,7кОм, R4=4,7/2=2,4 кОм 4.  Определяем С4=130/(4,7*460)=0,062 мкФ (62 нф) Необходимо отметить, что искажения потерь дифракции можно компенсировать один раз и навсегда для конкретных АС (или аналогичных им по размерам), после чего о суще­ствовании какой-либо коррекции можно просто не вспоминать. После применения такой коррекции к некоторым АС после­дние могут начать «бубнить». Это вполне нормально, т.к. ре­зультирующая добротность большинства акустических систем малого объема, построенных на распространенных НЧ головках, заведомо выше 0,71. Каждый любитель высококачественного звуковос­произведения мог заметить, что при размещении акустической системы на под­ставках высотой 0,4...0,7 метра, особенно если их еще и ото­двинуть от стены на 0,3...0,6 метра, заметно падает уровень отдачи акустической системы на НЧ. В этом случае интуитивно увеличивают уро­вень сигнала на НЧ регулятором тембра +3...+5 дБ и что на­блюдают?

Правильно - более «верное» звучание и, может быть, «бубнение». Регулятор тембра НЧ усилителя в этом случае уменьшает как раз искажения дифракции звуковых волн. Кста­ти, такое размещение акустической системы вдоль длинной стены комнаты явля­ется самым оптимальным с точки зрения минимизации влияния на АЧХ акустической ситемы акустики помещения. 

Корректирующая цепь Линквица

А теперь представьте АХ акустической системы, изображенных на рисунках 7-9, если бы конструкторы этих «бытовых» акустических систем позаботились о компенсации пассивными фильтрами такого вида искажений. Акустические ситсемы «Корвет» и «Вега» - «бубнили» бы, а «Эстония» - нет. Кста­ти, первая выполнена в закрытом корпусе, «Эстония» и «Вега» - с АИ, настроенным на 40-45 Гц. Анализ АХ этих АС показы­вает, что:

  • 15АС-111 «Вега» - из-за высокой добротности используе­мой в АС низкочастотной головки АХ имеет подьем на часто­те 80-90 Гц на 2-3 дБ (добротность АС равна 1,3). В любом случае наблюдается «бубнение» и требуется коррекция АХ активными фильтрами. Применение АИ, настроенного на 40 Гц, близко к оптимальному (35 Гц), но должно быть использо­вано не для коррекции АХ, а совсем для другой цели - обес­печивать максимальную акустическую мощность НЧ головки.
  • 35АС-021 «Эстония» - практически самая ровная АХ, но настройка АИ на частоту 45 Гц не позволяет полностью ис­пользовать потенциал НЧ головки. Было бы выгодно на 15-20% увеличить объем корпуса и снизить частоту настройки АИ до 21-27 Гц.
  • 75АС-001 «Корвет» - имеет не спад на частоте 180 Гц на 3 дБ, а подьем на частоте 90-95 Гц на 3 дБ, вызванный резуль­тирующей добротностью АС, равной 1,3-1,4 из-за малого объе­ма корпуса. Акустическая мощность АС на низких частотах обеспечивается только за счет качественной низкочастотной головки 100ГДН-3. Желательно применить АИ и корректор АХ. Таким образом, если результирующая добротность АС со­ставляет 1,1...2, т.е. на АХ АС наблюдается подъем +1...6 дБ в области 60-110 Гц (явные признаки «бубнения»), а объем АС по крайней мере в 2-3 раза меньше эквивалентного объема низкочастотной головки Vаs, то есть смысл применить коррек­цию АХ на активных фильтрах по схеме Линквица (Linkwitz Transform Circuit), пример схемы показан на рис. 10 (исклю­чая R4C4R5).
Корректирующая схема по Линквицу

Одновременно с коррекцией АХ схема обеспечивает ло­кальную коррекцию фазы сигнала в области ниже резонанс­ной частоты, что снижает фазовые искажения акустической системы. АХ и ФЧХ корректора показаны на рис. 11 и рис. 12. Характеристики рассчитаны для добротности акустической ситемы объемом 32 литра, равной 1,8 на частоте 98 Гц для получения горизон­тальной АХ по звуковому давлению от 500 до 32 Гц (-3 дБ) при результирующей добротности, равной 0,71 (НЧ головка 6ГД-2, Qts=0,62, Fр=31 Гц). АХ корректора имеет подъем крутизной 12 дБ на октаву в низкочастотной области для компенсации аналогичного по характеру спада АХ закрытой акустической системы. Но как раз на этих часто­тах перегрузочная способность закрытой акустической системы низкая. Поэтому оптимальным является применение такой коррекции АХ для акустической системы с фазоинвертором, настроенного на частоту Fфи min.

Определить это для готовой (или строящейся) акустической системы достаточ­но просто. Вначале закрываем и герметизируем отверстие фазоинвертора и замеряем модуль сопротивления низкочас­тотной головки в закрытом корпусе акустической системы. По максимальному значению модуля сопротивления определяем резонансную частоту низкочастотной головки Fs в корпусе акустической системы. Затем от­крываем отверстие фазоинвертора и вновь замеряем модуль сопротивле­ния головки. Определяем резонансную частоту фазоинвертора Fф по ми­нимуму модуля сопротивления. Обычно на частотах выше и ниже найденного минимума модуль сопротивления головки имеет явно выраженные пики. Если Fф выше или равна Fs, то фазоинвертор акустической системы настроен неправильно в любом случае. Если Fф выше, чем Fфи min, то увеличивают длину трубы фазоинвертора пропорциональ­но квадрату желаемого понижения Fф и настраивают фазоинвертор на частоту Fфи min. В случае, когда труба фазоинвертора расчетной длины физически не может быть установлена в корпусе АС, приме­няют трубу меньшего диаметра. Бытует мнение, что установка в акустическую систему еще одного фазоинвертора, анало­гичного уже имеющемуся, понижает частоту настройки фазоинвертора. Это мнение ошибочно.

На самом деле частота настройки фазоинвертора возрастает в sqrt2 раз при одновременном понижении скорости воздуха внутри фазоинвертора, что в некоторых случаях полезно (к тому же труба меньшего диаметра жестче). Другими словами, ус­тановка двух идентичных фазоивертора эквивалентна применению одно­го фазоинвертора такой же длины с внутренним диаметром в sqrt2 раз больше, чем диаметр трубы одного из фазоинверторов пары. Теперь необходимо определить результирующую доброт­ность НЧ головки на частоте Fs в акустической системе с фазоинвертором, настроенным на частоту Fфи min. В домашних условиях через непосредствен­ное измерение АЧХ акустической системы по звуковому давлению сделать это практически невозможно. Гораздо проще и точнее получить значение добротности акустической системы расчетным путем на ПК с использо­ванием специализированного программного обеспечения.

Од­нако, любые методы математического моделирования пред­полагают до 10-30 известных параметров конкретной динами­ческой головки, которые опять же в домашних условиях изме­рить сложно. Предлагаю очень простой способ определения доброт­ности акустической системы с точностью около 10-15%, для которого потребует­ся дополнительно любой электретный микрофон (МЭК-3) и предварительный усилитель для него с ровной АЧХ от 10 до 10000 Гц. Вновь закрывают и герметизируют отверстие фазоинвертора акустической системы (если таковое имеется). После этого размещают микро­фон в непосредственной близости 2-5 мм от диффузора низ­кочастотной головки на расстоянии 2/3 радиуса диффузора от его центра. К выходу микрофонного усилителя подключают вольтметр переменного напряжения и подают на головку сиг­нал от генератора ЗЧ (через УМ с ровной АЧХ). Мощность, подводимая к головке, не должна превышать 0,1-0,5 Вт. Изме­няя частоту генератора от 500 до 20 Гц, строят АЧХ акустической системы.

Убеж­даются в наличии «горба» в области Fs и спада АЧХ крутизной 12 дБ/октаву ниже этой частоты. Находят отношение макси­мального выходного напряжения на частоте близкой или не­много выше Fs к выходному напряжению на частоте 500 Гц. Полученное значение возводят в квадрат. Результат и будет равен значению добротности акустической системы с фазоинвертором. Приверженцы любых способов снижения добротности НЧ головки (ПАС, отрицательное выходное сопротивление УМ и др.) на этом этапе могут подобрать количество звукопоглоща­ющего материала в корпусе закрытой акустической системы (конструкцию ПАС, величину Rвых УМ) до получения желаемого значения доброт­ности. При использовании значительного количества звукопог­лощающего материала, но не более 15...23 г/литр, жела­тельно при помощи проволочного каркаса между фазоинвертора и низко­частотной головкой «организовать» свободное пространство объемом 3-5 литров. Для тех, кто может рассчитать или определить значение добротности низкочастотной головки (с известными измерен­ными параметрами), установленной в конкретный корпус акустической системы, существующие стандартные способы предпочтительнее. Ре­зультаты измерений добротности и резонансной частоты го­ловки в закрытой акустической системе (Fs) могут быть использованы для выбо­ра номиналов корректора (рис.10) только для случая, когда ФИ будет настроен на частоту Fфи min, как минимум в 2 раза ниже частоты Fs.

Приступаем к определению . Операционный усилитель рекомендуется 157УД2 (для стереофонического варианта корректора, цепи коррек­ции ОУ - для единичного усиления). Поскольку расчет элемен­тов корректора довольно сложен, результаты компьютерного расчета значений RC приведены в таблице 1 для различных значений добротности АС и частоты Fs=80 Гц. При других зна­чениях частоты Fs номиналы емкостей конденсаторов просто пересчитываются по формуле: С1'= 80 С1/Р'з. 

Номиналы RC корректирующе­го каскада

Аналогично пересчитываются емкости конденсаторов С2 и С3. Можно оставить емкости конденсаторов неизменными, а пересчитать таким же образом сопротивления В1-ВЗ. Един- ственное ограничение - сопротивление резистора В2 не дол­жно быть меньше 2 кОм, т.к. является основной нагрузкой ОУ на высоких частотах. При включении корректора перед УМ (перед темброблоком) реальная АЧХ системы по звуковому давлению будет горизон­тальной с допуском ±2 дБ до нижней рабочей частоты (указа­на в таблице, при условии Fфи min < F(-ЗдБ)), а эквивалент­ная добротность АС равна 0,71. Номиналы RC необходимо подобрать с точностью 1%. При значениях добротности АС, равной 1,6 и выше (4-5-6-7 строки таблицы 1), корректор имеет значительный подъем АЧХ на ча­стотах 30-20 Гц (13-16-20-24 дБ). Для предотвращения явной перегрузки УМ и АС реальным сигналом, снимаемым с выхо­да корректора, на входе УМ (или темброблока) желательно применить ФВЧ первого порядка с частотой среза 30-35 Гц. Это можно сделать заменой (или установкой) конденсатора на входе УМ, емкость которого в нФ рассчитывается по фор­муле 5000/Ввх., где Rвх. - входное сопротивление УМ (или темброблока), кОм. Звучание АС, АЧХ которой скорректирована двумя указан­ными способами, Вас не просто порадует - поразит. Вы нако­нец-то ощутите полное отсутствие окраски звука в НЧ диапа­зоне - «бубнения» не станет как такового. Регулировка темб­ров усилителя по НЧ будет наконец-то работать как ей и поло­жено-эффективно. Совершенно достаточной окажется глуби­на регулировки тембра по НЧ ±3-5 дБ. Отдача по звуковому давлению на нижней рабочей частоте АС будет максимально возможной для примененной низкочастотной динамической го­ловки. 

Моделирование акустической системы

 Моделирование и непосредственное измерение характери­стик головок и АС (для подтверждения результатов расчетов) выполнялось с помощью мультимедийного ПК класса Intel Pentium III с калиброванной звуковой платой (АЧХ 15...17000 Гц ±0,2 дБ). Использовалось различное свободно распрост­раняемое программное обеспечение, в том числе демонстра­ционные версии программ от фирм JBL, Blaupunkt и Peerless (эмуляторы генераторов сигналов, измерители АЧХ на «белом» шуме, 1/2-1/12 октавные анализаторы спектра на «розовом» шуме, программы для расчета параметров закрытых АС, АС с ФИ и др.) Настройками программного обеспечения устанав­ливалось частотное разрешение менее 0,3 Гц. Дополнитель­но использовались: УМ 60 Вт с незначительными искажения­ми в диапазоне 10-40000 Гц и электретный микрофон (в комп­лекте с предусилителем) с известной АЧХ в диапазоне 30-15000 Гц ±1,0 дБ.

Правильность выводов была про­верена экспери­ментально следу­ющим образом. Приобретенные «по случаю» зак­рытые  АС «Bifrons» (ВНР, г.Будапешт, завод «ВЕА6», 1975 г.в., объем 36 литров, многослойный корпус из массива с заполнением ва­той 12 г/литр, ус­тановлено 9 (!) широкополосных головок типа ВЕА6 НХ-125-8 номинальной мощностью 12 Вт каждая и резонансной частотой 68-71 Гц, Qts=1,02...1,08) прекрасно воспроизводили классическую му­зыку, джаз. Как только речь заходила о прослушивании рока или современной электронной музыки - колонки сразу «сдава­ли» свои позиции (это при 108 Вт номинальной мощности и чувствительности 88 дБ/Вт*м). Измерение параметров голо­вок НХ-125-8 и моделирование АС на ПК показало все минусы заводской разработки. При закрытой конструкции эти акустические системы прак­тически не могли выдать даже той мощности, которую разви- вает 10МАС-1 на частоте 60 Гц (спад АЧХ начинался с частоты 110 Гц).

Замена одного из 9 динамиков на фазоинвертор (см. фото), на­строенный на частоту 38 Гц, дала поразительные результаты. Колонки зазвучали. Не так важно сравнение результатов из­мерения АЧХ акустической системы до и после переделки (АЧХ практически не изменилась), как изменение характера звучания акустической системы - они ста­ли «всеядными». Даже на записях камерного оркестра и хора появилась не существовавшая ранее воздушность, глубина и четкость. Дополнительно АЧХ системы в области 35-200 Гц была скорректирована описываемым активным фильтром, включаемым на входе УМ. Благодаря коррекции АЧХ и, самое главное - ФЧХ, АС стали воспроизводить басовый регистр действительно с высокой верностью. В описании звучания акустической системы стало возможным использовать такие эпитеты, как «коррект­ность», «упругость», «мощь», «эмоциональность».

Например, при воспроизведении звука прилетающего вертолета в аль­боме «Стена» группы «Пинк Флойд» в комнате начинало виб­рировать все, что только могло. Это «творили» честные 10 Вт на частотах от 40 Гц. После указанных доработок АС заняли достойное «ведущее» место в системе домашнего театра (по­верьте, сабвуфер стал не актуален). Внимание! Если максимальная выходная мощность Вашего УМ превышает номинальную мощность низкочастотной головки АС в три и более раз, рекомендую защитить АС от перегрузки плавким предохранителем на ток, который можно рассчитать по формуле: 1=2^(Рном/Rг), где Рном - номинальная мощность НЧ головки, Rг - сопротивление головки постоянному току. 

Добавить комментарий

Что бы вы хотели почитать?

Итоги

Радиолюбителю

Новости

  • 22 Января 2015
    Первый в мире bluetooth-граммофон
    Gramovox — bluetooth-граммофон, работающий на одной зарядке 15 часов. Устройство оснащено металлическим горном,...
  • 05 Августа 2013
    Сумасшедшие колонки
    Уникальная акустическая система Xcellon DWS-100B удивит вас танцем воды и световым шоу. Две колонки, питающиеся от USB портов,...
  • 22 Октября 2012
    Обновление сайта
    Вот в очередной раз обновили сайт. Работ было много сделано в короткий срок, так что возможны разные баги на сайте. Что...
  • 05 Марта 2011
    Парящая акустика
    Внешний вид акустики Dome, состоящей из двух сателлитов и сабфуфера, весьма привлекательный за счет геодизайна. Корпуса и...
  • 05 Марта 2011
    Акустика из переработанной бумаги
    Эко меломаны будут обожать TAU акустику за их экологический состав. Сделаны из переработанных материалов, составляющих акустической...
  • Все новости

Последние комментарии

  • Сложно выбрать акустики, черт! Подробнее...
    By Павел Сайк
  • Замечательно выглядят Подробнее...
    By Павел Сайк
  • Конечно кабель влияет ну звук! Это очевидно для те... Подробнее...
    By Alex
  • Яплакалъ, столько трудов ради шмистаря говняного Подробнее...
    By Александр
  • Добрый день. Помогите с размером трубы для настрой... Подробнее...
    By вячеслав
Наверх