Мы расскажем как сделать акустику своими руками

Пути уменьшения габаритов акустических систем

 

При проектировании миниатюрных акустических систем (МАС) трудно обеспечить хорошее воспроизведение низших (20–30 Гц) звуковых частот. Связано это с тем, что КПД АС на этих частотах прямо пропорционален объему ящика. Ящик же МАС невелик. и чтобы получить достаточное звуковое давление, приходится увеличивать мощность подводимого к низкочастотной (НЧ) головке сигнала.

Это, в свою очередь, требует повышения электрической прочности ее звуковой катушки и увеличения зазора в магнитопроводе что, как известно, ведет к дополнительному снижению КПД и необходимости еще большего повышения подводимой к головке мощности. В результате внутри ящика МАС, создается значительное избыточное звуковое давление, что заставляет конструкторов увеличивать механическую прочность НЧ динамика.

Для получения высококачественного звучания МАС, как, впрочем, и акустика больших размеров, стремятся обеспечить гладкую АЧХ излучения в пределах всего воспроизводимого системой диапазона частот. Способность воспроизводить возможно более низкие звуковые частоты в МАС достигается обычно увеличением массы подвижной системы НЧ головки.

В результате их КПД оказывается малым не только на самых низких звуковых частотах, где он однозначно определяется внутренним объемом ящика, но и во всем воспроизводимом НЧ головкой диапазоне. Отсюда неоправданное увеличение рассеиваемой на ее звуковой катушке электрической мощности, особенно при воспроизведении НЧ головкой достаточно широкого диапазона частот.

Увеличение массы подвижной системы приводит и к другим неприятным явлениям: существенной неравномерности время-частотной характеристики (ВЧХ) излучения головки и росту группового времени запаздывания (ГВЗ) излучаемого ею сигнала. Хотя ГВЗ и не изменяет форму звукового сигнала в рабочей полосе частот одной головки, в многополосных АС, где используются головки с разными ГВЗ, это может привести к увеличению неравномерности их сквозной ВЧХ, которую приходится выравнивать соответствующим взаимным пространственным расположением головок.

В многополосных МАС из-за их малых размеров такой способ выравнивания сквозной ВЧХ излучения применить нельзя. Увеличение же неравномерности ВЧХ излучения НЧ головки с тяжелой подвижной системой и рост её ГВЗ отрицательно сказываются на верности воспроизведения звука.

Между тем существенного улучшения параметров МАС можно достичь не увеличивая, а уменьшая массу подвижной системы НЧ головки. На рис. 1 приведены АЧХ излучения двух АС закрытого типа (кривые 1 и 2), отличающихся только массой подвижной систем НЧ головки (обе системы оптимально задемпфированы, например, с помощью усилителя с отрицательным выходным сопротивлением).

АЧХ излучения двух акустических систем закрытого типа
Рис. 1. АЧХ излучения двух акустических систем закрытого типа

Из рисунка видно, что КПД обеих АС одинаковы, только ниже частоты f1, а на более высоких частотах они по этому параметру существенно различаются, причем КПД АС, содержащей НЧ динамик с более легкой подвижной системой, на частоте f2 и выше (f2/f1)4 раз превышает КПД АС с НЧ головкой, у которой система более тяжела, но зато последняя имеет горизонтальную АЧХ излучения вплоть до частоты f1.

Чтобы АС с легкой НЧ головкой воспроизводила низкие частоты в том же диапазоне, ее нужно подключить к усилителю НЧ, форма АЧХ которого имеет вид кривой 3 (рис. 1), или ввести в звуковоспроизводящий тракт электромеханическую обратную связь (ЭМОС). Правда, такая МАС будет способна работать только совместно со специально сконструированным для нее усилителем, но это не такой уж серьезный недостаток, если учесть, что в последнее время все большее распространение получают звуковоспроизводящие комплексы и активные АС, АЧХ усилителей которых можно скорректировать уже на стадии проектирования.

АС, работающая с корректирующим усилителем, имеет еще одно очень важное преимущество: при выполнении условия (f2/f1)2 >= 3–5 на звуковой катушке ее НЧ головки рассеивается значительно меньшая мощность, а при одинаковом уровне громкости музыкальной программы для такой АС требуется усилитель с вчетверо меньшей максимальной выходной мощностью.

Объясняется это тем, что появление в спектре музыкального сигнала двух близлежащих низкочастотных составляющих с максимальным уровнем маловероятно, а амплитуда составляющих с частотами f2 и выше на выходе усилителя с АЧХ, показанной на рис. 1 (кривая 3), в (f2/f1)2 раз меньше, чем на выходе усилителя с горизонтальной АЧХ.

В результате при подведении ко входу усилителя двух спектральных составляющих, например, с частотами f1 и f2 (рис. 2.а) максимальная амплитуда напряжения суммарного сигнала на выходе усилителя со скорректированной АЧХ (рис. 2.б) оказывается почти в два раза меньше, чем на выходе усилителя с горизонтальной АЧХ (рис. 2.в).

Амплитуда напряжения суммарного сигнала на выходе усилителя
Рис. 2. Амплитуда напряжения суммарного сигнала на выходе усилителя.

Требуемую форму АЧХ усилителя ЗЧ (рис. 1, кривая 3) можно получить с помощью корректирующего устройства (рис. 3), подключенного к входу усилителя мощности. Учитывая, что f1 соответствует нижней воспроизводимой АС частоте fH, а f2 — резонансной частоте головки в ящике в f0' [1], номиналы элементов коррекции можно найти, выбрав их попарно одинаковыми и задавшись сопротивлением резисторов R1 и RЗ (R1=RЗ). В этом случае R2=R4=R1f0'/fH; С1=С2=1/2πf0'/R1.

Корректирующего устройство для АЧХ
Рис. 3. Корректирующего устройство для АЧХ.
Гладкая АЧХ излучения АС вблизи частоты f0' получается при добротности системы усилитель — громкоговоритель, равной 0,5. Для сохранения высокого КПД регулировать ее следует изменением выходного сопротивления усилителя [1–3].

Рассмотренный способ коррекции АЧХ АС на низших частотах, а также применяемая для этих же целей ЭМОС легко реализуются только в АС закрытого типа. А было бы заманчиво применить их и в АС, выполненных в виде фазоинверторов.

Реализовать преимущества ЭМОС и фазоинвертора можно при использовании фазоинвертора с закрытым отверстием[4]. Сигнал обратной связи формируется в этом случае с помощью двух датчиков перемещений, один из которых устанавливается, как обычно, на активной НЧ головке, а другой — на пассивной. Сигналы с датчиков складываются в суммирующем устройстве в соотношении, обратно пропорциональном площади диффузора активной и пассивной головок, а затем вычитаются из входного сигнала. Разностный сигнал подается на вход усилителя мощности.

Чтобы получить горизонтальную АЧХ излучения АС с ЭМОС, снимаемые с датчиков сигналы должны быть пропорциональны ускорению подвижной системы головок, поэтому при использовании датчиков по скорости между сумматором и устройством вычитания необходимо включить дифференцирующую RC-цепь, с помощью которой сигнал, пропорциональный скорости, преобразуется в сигнал, пропорциональный ускорению.

Наибольший эффект от использования фазоинвертора в системе с ЭМОС достигается при настройке его на частоту fH.

Устойчивая работа системы с ЭМОС обеспечивается при такой коррекции АЧХ усилителя мощности, когда АЧХ усиления в петле ЭМОС на верхней и нижней частотах среза (fс.р.н. и fср.в. на которых петлевое усиление равно единице) имеет наклон около 6 дБ на октаву. На рис. 4 показан пример реализации требуемой формы АЧХ усиления по петле ЭМОС (кривая|1) коррекцией АЧХ усилителя мощности (кривая 2) при заданной форме АЧХ излучения АС (кривая 3), измерение которой в системе с ЭМОС не представляет трудностей[2].

АЧХ усилителя мощности с корректировкой
Рис. 4. Корректирующего устройство для АЧХ.

Приведенную на рис. 4 АЧХ усилителя мощности (кривая 2) можно получить с помощью корректирующего устройства по схеме на рис. 3. Номиналы элементов коррекции находят в этом случае, пользуясь следующими соотношениями:

С1=1/2πf0'/R1;

R2~=6R1;

С2=fH/12π(f0')2R3;

R4~=36(f0'/fH)2R3.

Гладкая АЧХ излучения АС в рабочем диапазоне частот НЧ головки обеспечивается при глубине ЭМОС на частоте fH около 6 дБ. Такой же или больше должна быть ее глубина и на частоте fВ НЧ головки. При использовании корректирующего устройства последнее условие выполняется, если fВ <= (f0')2/fH. Если же частота fH окажется ниже требуемой, то второй каскад корректирующего устройства следует заменить каскадом, формирующим «лестничную» АЧХ [2, 6] в диапазоне частот от f0' до fВ.

Выбирая частоту fВ необходимо следить за тем, чтобы частота fср.в. лежала в пределах диапазона поршневой работы диффузора НЧ головки, а фазовый сдвиг ее ФЧХ излучения на этой частоте не превышал —30...45°, иначе может нарушиться линейность АЧХ излучения системы или ее устойчивость.

АС с фазоинвертором представляет собой фильтр верхних частот 4-го порядка. поэтому описанное корректирующее устройство в ряде случаев может не обеспечить необходимого для устойчивой работы системы наклона АЧХ петлевого усиления на нижней частоте среза fср.н. и тогда на частотах ниже fH потребуется дополнительная коррекция АЧХ усилителя мощности (на рис.4 это показано штриховой линией). Она может быть достигнута введением в корректирующее устройство третьего каскада, аналогичного первому.

В полной мере реализовать преимущества рассмотренных типов МАС можно только при использовании НЧ головок, специально предназначенных для работы в таких системах. Они должны иметь легкую и одновременно прочную подвижную систему, электрически прочную звуковую катушку. Поскольку таких головок пока нет, особого внимания заслуживают способы уменьшения габаритов АС, которые дают хорошие результаты при использовании серийно выпускаемых головок.

Один из них — сдваивание головок[5]. С целью дальнейшего уменьшения объема ящика в блок можно устанавливать и большее число головок.

Работу блока из N головок в области низших частот можно пояснить следующим образом: N головок сообща преодолевают упругость заключенного в ящике воздуха и создают внутри него избыточное давление, в N раз большее, чем избыточное давление, действующее на каждую головку блока. Амплитуда колебаний подвижных систем головок при этом такая же, как при работе одной головки в ящике в N раз большего объема. Таким образом, работу блока головок можно сравнить с работой одной головки в ящике в N раз большего объема, с той лишь разницей, что к нему подводится сигнал мощностью в N раз больше, а его КПД во столько же раз меньше. Такова плата за уменьшение габаритов АС.

Сказанное справедливо при условии, что в блоке используются одинаковые головки и к ним подводятся сигналы равной мощности, а объем воздуха между диффузорами намного меньше общего объема, на который работают

Если указанное условие не выполняется, то выигрыш в уменьшении объема акустического оформления становится меньше. Например, если общий объем, на который работает блок из двух головок, и объем воздуха между ними одинаковы и равны V, то работа блока будет эквивалентна работе одной головки в объеме ЗV.

Иными словами, выигрыш в уменьшении объема АС составит всего 1.5 раза, а амплитуда колебаний подвижной системы внешней головки (при одинаковой подводимой мощности) будет в 1,5 раза превышать амплитуду колебаний подвижной системы внутренней. Если же на последнюю подать сигнал в два раза большей мощности, чем на внешнюю, то выигрыш в уменьшении объема АС составит 2 раза, но достигнут он будет уменьшением КПД громкоговорителя уже не в 2, а в З раза.

Максимальная мощность поступающего на сдвоенные головки сигнала в этом случае будет всего в 1,5 раза превышать максимальную мощность одной головки, а амплитуда колебаний подвижной системы внешней головки будет в 1,33 раза больше, чем у внутренней.

Приведенные примеры показывают, что наилучший эффект может быть получен только при полном соблюдении указанного выше условия. Обеспечиваемое при этом равенство амплитуд колебаний подвижных систем входящих в блок головок способствует и взаимному подавлению излучаемых ими четных гармоник, но только в том случае, если в блок будет установлено четное число расположенных симметрично головок, т. е. обращенных одна к другой либо диффузорами, либо магнитными системами.

Эффект подавления четных гармоник в блоке был проверен автором на сдвоенных головках 6ГД-2 и ЗГД-38. Измерения показали. что-даже без подбора головок уровень четных гармоник уменьшается в 5...10 раз, а суммарный коэффициент гармоник — в 2,5...3 раза.

Для пояснения электрических и механических характеристик блока головок его можно сравнить с одной головкой, у которой масса и механическая прочность подвижной системы, а также электрическая прочность звуковой катушки в N раз больше, а гибкость подвеса и КПД во столько же раз меньше, чем у каждой в отдельности головки блока. Однако сигналы, излучаемые блоком и одной головкой с эквивалентными ему параметрами, различаются.

Кроме уже указанного эффекта подавления четных гармоник, блок головок отличается более гладкой ВЧХ излучения, совпадающей с ВЧХ излучения одной головки блока, установленной в ящик в N раз большего объема.

Чтобы уменьшение КПД АС, наблюдаемое при установке головок в блок, было оправданным, выигрыш в снижении частоты fH должен быть значительным. Это возможно при выполнении условия V<=Vг/N, где V — объем ящика, Vг — эквивалентный объем одной головки, N — число головок в блоке.

С учетом указанных особенностей, в блок рекомендуется устанавливать головки с легкой подвижной системой и большой гибкостью подвеса, например 6ГД-2, ЗГД-38 и т. п.

Рассмотренные способы уменьшения габаритов АС связаны со значительными затратами, поэтому определенный интерес представляет использование комбинированных АС, состоящих из двух (четырех) средне-высокочастотных (СЧ-ВЧ) и одного НЧ громкоговорителя.

Частоту раздела в таких системах выбирают равной 90...150 Гц. Вызвано это тем, что форма ВЧХ излучения АС на более высоких частотах оказывает существенное влияние на верность звуковоспроизведения и лишь ниже 100 Гц это влияние ослаблено[7].

В НЧ громкоговорителе с верхней рабочей частотой 90...150 Гц могут быть использованы головки с более тяжелой подвижной системой без ухудшения качества звуковоспроизведения. Лучше, если НЧ громкоговоритель будет работать от отдельного усилителя, так как мощность подводимого к нему сигнала, особенно при использовании головок с тяжелой подвижной системой, довольно велика, а изготовить мощный усилитель, воспроизводящий только низкие частоты, несложно.

СЧ-ВЧ громкоговорители с нижней частотой воспроизведения 90...150 Гц могут иметь очень малые габариты, а благодаря использованию в них динамиков с легкой подвижной системой,— и достаточно высокий КПД. Это — немаловажное достоинство комбинированных АС, поскольку изготовить высококачественный широкополосный усилитель с меньшей выходной мощностью проще.

Литература

  1. Расчет характеристик громкоговорителя — Радио, 1981, № 10, стр. 32–34;
  2. Усилитель с ЭМОС по ускорению диффузора — Радио, 1981, № 9, стр. 42–44;
  3. ЭМОС или отрицательное выходное сопротивление? — Радио, 1981, № 1, стр. 40–44;
  4. Фазоинвертор с пассивным радиатором — Радио, 1974, № 1, стр. 29–30;
  5. О громкоговорителях со сдвоенными головками — Радио, 1983, № 2, стр. 53–54;
  6. ЧМ детектор с ФАПЧ приемника прямого преобразования — Радио, 1978, № 11, стр. 41–43;
  7. Блауэрт Й. Пространственный слух — Москва, Энергия. 1979.

Источник: Радио, 1987, №2, стр. 29–31.

 

Комментарии 

# Старик 12.05.2020 21:08
НЧ-динамики пропитывать не только можно, но и нужно, а в ряде случаев, это суровая необходимость. динамики для СЧ пропитываются, насколько понял, ради укрепления диффузора, как и ВЧ — для исключения радиальных изломов диффузора Ответить
# Павел Сайк 12.05.2020 21:10
Все верно. Ответить

Добавить комментарий

Что бы вы хотели почитать?

Итоги
Последние комментарии
Наверх