Согласование громкоговорителей. Практически все современные высококачественные акустические системы (АС) являются многополосными, т. е. состоящими из нескольких громкоговорителей (чаще всего из трех), каждый из которых работает в своем диапазоне частот. Это обусловлено тем, что в силу ряда причин невозможно создать громкоговоритель (ГГ), обладающий хорошими характеристиками в широком диапазоне частот. Для распределения энергии звукового сигнала между громкоговорителями АС используют разделительные фильтры. Однако они оказывают существенное влияние на такие характеристики многополосной акустической системы, как амплитудно-частотную (АЧХ), фазочастотную (ФЧХ), групповое время задержки (ГВЗ), характеристики направленности, распределение мощности входного сигнала между излучателями, входное сопротивление АС, уровень нелинейных искажений [1] .
Создать разделительный фильтр, к которому предъявляются требования малой неравномерности суммарной АЧХ, линейности ФЧХ в полосе пропускании и высокой крутизны скатов АЧХ звеньев весьма не просто. 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 велико. Именно поэтому разделительные фильтры для этих головок должны обладать АЧХ с крутыми скатами: при октавном (относительно частот раздела соседних полос) запасе по номинальному диапазону воспроизводимых частот предпочтительнее применять фильтры с крутизной ската АЧХ не менее 12 дБ на октаву. Простейший фильтр с крутизной 6 дБ на октаву можно использовать лишь в том случае, если запас по частоте составляет менее двух октав [16].
Указанное условие в СЧ, ВЧ участках фильтра акустической системы 35АС-012 (S-90) разработчиком соблюдено. Высокочастотная головка 10ГД-35 включена через фильтр третьего порядка (С1, L2, С8, на схеме рис. 1, а первой части статьи) и обеспечивает затухание 18 дБ/окт. Полосовой фильтр СЧ головки 15ГД-11А состоит из двух звеньев – фильтра ВЧ второго порядка (С2, L3), для подавления частот нижнего диапазона с затуханием 12 дБ/окт., и фильтра НЧ первого порядка (L4) для подавления частот верхнего диапазона. Фильтр первого порядка состоит из одного реактивного элемента и обеспечивает затухание 6 дБ/окт. Такой фильтр удовлетворяет требования при работе с обычным динамиком 15ГД-11А, имеющего естественный спад в АЧХ звукового давления с 4,5 кГц (рис. 4). Если же головка имеет более широкую частотную полосу, то необходимо принять меры либо по повышению частоты среза, либо по изменению порядка фильтра.
Известно, что применение дополнительного конуса, который вставляется внутрь диффузора, повышает верхнюю границу частотного диапазона динамика до 10-12 кГц. В этом случае на высоких частотах основной диффузор перестает работать из-за относительно гибкого соединения его со звуковой катушкой, а в работу включается малый диффузор, достаточно жесткий и легкий [17]. Поэтому среднечастотная головка динамическая 15ГД-11А (20ГДС-1-8) c дополнительным звукоизлучающим рупором имеет лучшие характеристики по сравнению с обычной. А именно, верхняя граница воспроизводимых частот составляет 10 кГц вместо 4,5 кГц (рис. 6). Тем самым, увеличивается и зона ее совместного действия с высокочастотным излучателем 10ГД-35, что может привести к пикам и провалам в АЧХ громкоговорителя из-за различных фазовых характеристик ГГ и несколько худшему восприятию сцены. Причина этого заложена в конструкции фильтра акустической системы 35АС-012 (S90), не предусмотренного для СЧ динамика, работающего в диапазоне до 10 кГц.
Для повышения частоты среза между СЧ и ВЧ излучателями до 10 кГц выполняют изменения в фильтре по примеру М. Жагирновского и В. Шорова [18]. Для этого в кроссовере по схеме на рис. 1, а, отпаивают выводы катушки L4 (0,55 мГн) и снимают ее, а на освободившиеся место устанавливают катушку L2 (0,23 мГн), которую включают в фильтр вместо L4 (это повышает верхнюю границу рабочей полосы частот СЧ головки). Затем отматывают от катушки L4 115 витков (новая индуктивность – 0,1 мГн) и устанавливают ее на плату, подключают вместо катушки L2. Конденсатор С1 (2,0 мкФ) заменяют конденсатором на 1 мкФ, а С8 (1 мкФ) на 0,5 мкФ. Тем самым, отодвинув частоту раздела ВЧ фильтра от частоты основного резонанса высокочастотной головки 10ГД-35, улучшают качество ее звучания. Режекторный фильтр (L5, С12 на схеме рис. 11, а) в таком случае не применяется. Однако, доработанная АС вышеизложенным образом при хорошей АЧХ обладает и весьма существенным недостатком – заметно ухудшенной характеристикой направленности из-за повышения частоты разделения до 10 кГц [19].
Характеристика направленности, наряду с АЧХ звукового давления, является наиболее информативной с точки зрения оценки качества звучания АС. При некоторой частоте длина звуковой волны становится соизмерима с размером диффузора и даже меньше его. На практике это проявляется как сужение диаграммы направленности динамической головки с повышением частоты. То есть чем выше частота, тем ближе к оси головки должен находиться слушатель, чтобы услышать высокие частоты. Так для диффузора диаметром 125 см теоретическая максимальная частота, на которой диаграмма акустического излучения сжимается до узкого луча, равна 3316 Гц. Обычно на средних частотах конструкторы акустических систем стараются не заставлять головки работать выше этих частот и частоты разделения между СЧ, ВЧ излучателями более 6…8 кГц не принимают [15,20].
Производитель головок, завод "Красный Луч", рекомендовал включать 15ГД-11Б через разделительный фильтр, имеющий НЧ звено 3-го порядка – рис. 13. Аналогичная схема применена для головки 20ГДС-1Л-8 в акустической системе 35АС-001 Кливер.
Рис. 13. Схема разделительно фильтра, рекомендованного производителем головки 15ГД-11Б (из технической документации на изделие)
Для изменения порядка НЧ звена полосового фильтра 35АС-012 с 1-го на 3-й схему (рис. 11, а) дополняют конденсатором C'1 номиналом 10 мкФ и катушкой индуктивности L'1 – 0,22 мГн, как показано на схеме рис. 14 (изменения в схеме указаны красным цветом). Таким образом, динамики 10ГД-35 и 15ГД-11А разделяют высокочастотный фильтр 3-го порядка на C1, L2, С10 и низкочастотный фильтр 3-го порядка на L4, C'1, L'1. На частоте среза фильтр НЧ 3-го порядка дает запаздывание по фазе на 135˚, а фильтр ВЧ опережение на 135˚. В результате на частоте раздела при сложении в фазе и противофазе сигналы суммируются со сдвигом в 90˚. Суммарная АЧХ получается плоской. Сложение в фазе предпочтительнее, поскольку дает меньшие фазовые искажения. Скаты АЧХ третьего порядка имеют крутизну 18 дБ на октаву. С увеличением крутизны скатов сокращается область совместного излучения и ослабляется влияние задержек на суммарную АЧХ [21]. Поэтому головку 10ГД-35 включают синфазно с головкой 15ГД-11А.
Катушка индуктивности L'1 имеет 115 витков, намотанных медным обмоточным проводом толщиной (по лаку) 0,8 мм, на пластиковом каркасе внутренним диаметром 27 мм и шириной 15 мм. Использовать провод меньшего диаметра не рекомендуется, поскольку, в таком случае, сопротивление катушки будет больше 5% сопротивления головки, что не желательно. Провод большего сечения труднее наматывается. Для катушки можно применить каркас с другими размерами, оптимальными, исходя из отношения величины индуктивности катушки к ее сопротивлению. Рассчитать катушку индуктивности можно онлайн [22]. Конденсатор применяют с максимальным рабочим напряжением 160 В и более любой из типов К73-11, К73-16, МБГО-2, МБМ или другой неполярный либо соединенные параллельно несколько, рекомендованные для аудиоцепей.
Рис. 14. Схема фильтра АС 35АС-012 (S-90) с внесенными изменениями
В отличие от НЧ головки, у которой частота основного резонанса находится внутри воспроизводимого ею диапазона частот, резонансные частоты СЧ и ВЧ головок, как правило, лежат ниже воспроизводимого диапазона, и чем ниже, тем лучше. При снятии АЧХ громкоговорителя по звуковому давлению (т. е. при плавном изменении частоты сигнала и постоянном его уровне) резонансные свойства СЧ и ВЧ головок никак не проявляются. Реальный звуковой сигнал носит импульсный характер с широким динамическим диапазоном. Поэтому при резком уменьшении сигнала возникают условия для продолжения колебаний на частоте механического резонанса. Таким образом, резонансные свойства СЧ и ВЧ головок могут существенно влиять на качество звуковоспроизведения. Переходные искажения, особенно заметны на слух на средних частотах, обусловлены высокой добротностью подвижной системы головки на частоте основного резонанса. Они придают звучанию металлический оттенок, лишают его прозрачности [23].
Добротность СЧ головки довольно просто снижается применением панели акустического сопротивления [6], чего нельзя применить к ВЧ головке. К последней, для ослабления резонанса, используют режекторный фильтр (L5, C12) [10], элементы которого, в отличия от ПАС, влияют на ФЧХ – рис. 15. Применение в полосовом фильтре СЧ головки фильтра НЧ 3-го порядка позволит ослабить и это негативное влияние режектируючего звена на суммарную ФЧХ и АЧХ.
Рис. 15. АЧХ и ФЧХ режекторного фильтра
На частоте режекции реактивные сопротивления катушки и конденсатора равны по значению, но противоположны по знаку, общее сопротивление обращается в ноль. Этот фактор создает дополнительную нагрузку на усилительное устройство, несмотря на то, что фильтр вносит некоторое затухание сигнала на данном участке. Если усилитель не обладает достаточной мощностью и при работе на придельных уровнях срабатывает защита от перегрузок, необходимо последовательно контуру, в разрыв провода в точке А на схеме рис. 14, включить резистор, номиналом 5…10 Ом и мощностью 5…10 Вт. Последовательный RLC контор называют компенсатором резонансного пика ГГ. На частоте основного резонанса амплитуда колебания диффузора достигает своего максимума, сопротивление головки при этом во много раз превышает номинальное значение, нагрузка на головку возрастает. Использование компенсации (рис. 16) – средство не только по снижению искажений, но еше и защиты ГГ от перегрузок [21].
Рис. 16. Компенсация резонансного пика последовательным контуром
Описанный фильтр предоставляет возможность применить в АС и другую среднечастотную или широкополосную головку, подходящую по мощности, чувствительности и установочным размерам. Необходимо лишь подобрать RC-цепочку (R2, C11). А при использовании головок с большей чувствительностью необходимо еще и включить в цепь аттенюатор.
Для субъективной экспертизы порядков НЧ звена полосового фильтра схему дополняют двумя тумблерами. Один для переключения порядка фильтра, другой для отключения режекторного звена. Во время проигрывания музыкальных программ тумблеры поочередно переключат и останавливаются на наиболее верном звучании инструментов.
Сравнительное прослушивание АС с НЧ звеном разных порядков полосового фильтра показало, что предпочтительней третий порядок. Особых слышимых различий в звучании почти не проявляется. Однако в полосе раздела, звучание с фильтром 1-го порядка немного ярче выражено, СЧ и ВЧ излучатели, как бы "сближаются". Это обусловлено тем, что такой фильтр имеет малую крутизну ската и СЧ головка имеет возможность работать на ВЧ составляющей. Сигнал, излучающий ГГ в фазе, складывается и усиливается, в противофазе ослабляется.
Влияние режекторного фильтра на качество звучания в сторону ухудшения не прослушивается. Мнение радиолюбителей о том, что режекторный фильтр вносит искажения, которые проявляются в снижении звукового давления в нижней части ВЧ диапазона, является заблуждением.
Внешнее оформление АС. Электрическая схема модернизированной АС имеет подключение "би-вайринг", т. е. через две пары проводов к одной акустике. Реализовать такое решение, не нарушив аутентичности конструкции, просто. Следует найти клемники от старых аналогичных систем и вмонтировать их, как показано на рисунке 17. Паспортные данные, приведенные на дополнительных клемниках, во избежание путаницы, необходимо заклеить самоклеющееся пленкой соответствующего цвета или закрасить.
При подборе резьбовых приборных клемм, особое внимание необходимо обратить на материал, из которого изготовлена несущая часть. Изделия из стали или, еще хуже, силумина, широко представленные на ринке изготовителями азиатских стран, для применения непригодны. Наиболее распространенные в приборостроении клеммы из латуни, покрытой хромом. Ну и как лучший вариант – серебрённые и позолоченные.
а)
б)
Рис. 17. Задняя нижняя часть модернизированной АС 35 АС-012 (S-90): а – общий вид; б – приборные резьбовые клеммы
При подключении через резьбовые клеммы необходимо, также, обратить внимание на материалы контактных пар. Простое соединение проводников из различных материалов может само по себе вызвать гальваническую коррозию. Оксидная прослойка, образованная вследствие коррозии создает дополнительное сопротивление, нестабильный контакт, порождающий неприятные призвуки в АС и т. п. Так проявляет себя разница в электродных потенциалах материалов. Каждый проводник тока обладает определенным электрохимическим потенциалом. В присутствии атмосферной влаги, когда вода попадает между металлами, образуется замкнутый гальванический элемент, начинает течь ток и как в гальванической ванне разрушается один из электродов, так и в соединении разрушается один из металлов. Электрохимический потенциал каждого токопроводящего материала известен (табл. 3), и зная величину можно точно определить, какие материалы допустимо соединять между собой. Например, медь и алюминий соединяют либо пайкой, либо на болтовое соединение, через шайбы из углеродистой стали, дюралюминия или нержавейки и т. п. [24].
Анализируя таблицу 3, следует сделать вывод, что для хромированных клемм наиболее подходящая пара для соединения должна иметь либо хромированное покрытие, либо свинцово-оловянное.
Таблица 3. Электрохимические потенциалы (мВ), возникающие между соединенными проводами, клеммами и т. д. (проводниками)
Металл | Медь / ее сплавы | Свинцово-оловянный припой | Алюминий | Дюралюминий | Сталь | Нерж. сталь | Цинк покрытие | Хром покрытие | Серебро | Углерод (графит) | Золото / Платина |
Медь, ее сплавы | 0,00 | 0,25 | 0,65 | 0,35 | 0,45 | 0,10 | 0,85 | 0,20 | 0,25 | 0,35 | 0,40 |
Свинцово-оловянный припой | 0,25 | 0,00 | 0,40 | 0,10 | 0,20 | 0,15 | 0,60 | 0,05 | 0,50 | 0,60 | 0,65 |
Алюминий | 0,65 | 0,40 | 0,00 | 0,30 | 0,20 | 0,55 | 0,20 | 0,45 | 0,90 | 1,00 | 1,05 |
Дюралюминий | 0,35 | 0,10 | 0,30 | 0,00 | 0,10 | 0,25 | 0,50 | 0,15 | 0,60 | 0,70 | 0,75 |
Сталь мягкая | 0,45 | 0,20 | 0,20 | 0,10 | 0,00 | 0,35 | 0,40 | 0,25 | 0,70 | 0,80 | 0,85 |
Нерж. сталь | 0,10 | 0,15 | 0,55 | 0,25 | 0,35 | 0,00 | 0,75 | 0,10 | 0,35 | 0,45 | 0,50 |
Цинк покрытие | 0,85 | 0,60 | 0,20 | 0,50 | 0,40 | 0,75 | 0,00 | 0,65 | 1,10 | 1,20 | 1,25 |
Хром покрытие | 0,20 | 0,05 | 0,45 | 0,15 | 0,25 | 0,10 | 0,65 | 0,00 | 0,45 | 0,55 | 0,60 |
Серебро | 0,25 | 0,50 | 0,90 | 0,60 | 0,70 | 0,35 | 1,10 | 0,45 | 0,00 | 0,10 | 0,15 |
Углерод (графит) | 0,35 | 0,60 | 1,00 | 0,70 | 0,80 | 0,45 | 1,20 | 0,55 | 0,10 | 0,00 | 0,05 |
Золото / Платина | 0,40 | 0,65 | 1,05 | 0,75 | 0,85 | 0,50 | 1,25 | 0,60 | 0,15 | 0,05 | 0,00 |
Акустическая система 35АС-012 (S-90) имеет вес порядка 30 кг. В процессе доработки она приобрела хоть и небольшое, но прибавление к указанному весу. Поэтому для удобства в эксплуатации в каждую боковую стенку целесообразно врезать ручку карман (рис. 18, а), имеющую габаритные размеры 135 х 88 х 76 мм и посадочное место102 х 59 мм.
Отверстия под ручки вырезают на расстоянии 360 мм от нижней внешней грани корпуса и 70 мм от передней с таким расчетом, чтобы внутренние части ручек не касались бокса СЧ головки и порта фазоинвертора. Форма отверстия должна повторять форму ручки таким образом, чтобы ручка как можно плотнее прилегала к поверхности отверстия, но без натяжки. Для вырезания отверстия рекомендуется применять электролобзик с изменяемым углом режущей части. Вырезание следует проводить чуть меньше необходимых размеров. Затем отверстия доводят рашпилем, напильником и (или) наждачной бумагой до нужных размеров.
Перед установкой ручек и клемников на стенки снаружи, вокруг проделанных отверстий, наносят мастику герметизирующую нетвердеющую (липкая тягучая масса применяется в строительстве при монтаже элементов теплиц, конденционеров и т. п.). Изнутри корпуса щели между ручками и стенками заделывают пластилином. Ручку, внутри корпуса оклеивают вибропластом (рис. 2).
а)
б)
Рис. 18. Акустическая система 35АС-012 оборудованная ручками: а – ручка карман врезная; б – акустическая система
Литература
(продолжение, начало в первой части стати)
16. Лескины Валентин и Виктор. Однополосный или многополосный? – Радио №4. 1981.
17. Сапожков М. Акустика. Учебник для вузов. М., "Связь", 1978.
18. Жагирновский М. Улучшения звучания 35АС-1 и ее модификаций – Радио № 8, 1987.
19. Передереев И. Доработка 35АС-015 на основе лестничного фильтра – Радио №4, 1990.
20. Грудинин А. Динамические головки – Stereo&Video, №2, 2005.
21. Бать С. Любительские громкоговорители – 3 – М.: Техносфера, 2008.
22. http://www.aie.sp.ru/Calculator_inductance_coil.html
23. Петров А. Усилители, громкоговорители, кабели. – Радиоаматор № 7, 2001.
24. http://www.dpva.info/Guide/GuideTricks/Corrosion/CorrosionForElectrics/
Автор: Владимир Марченко, г. Умань, Украина