Динамики в акустических системах должны быть подключены таким образом, чтобы на каждый из них поступало напряжение только тех частот, которые он должен воспроизводить. Это достигается тем, что в звуковой тракт включается электрический фильтр, который обеспечивает подавление сигнала нежелательных частот. Применение фильтра в АС обусловлено необходимостью выполнения 2-х основных задач:

• ограничение полосы воспроизводимых частот, для устранения избыточного звукового давления;
• ограничение полосы частот, которая способна вызвать повреждение динамика (например, проникновение НЧ сигнала на ВЧ динамик);

Фильтры бывают пассивные и активные. Пассивные фильтры включаются между усилителем и акустической системой и монтируются внутри последней. Пассивные фильтры имеют фиксированные характеристики и не имеют возможностей регулировки параметров в процессе эксплуатации системы.

Активные фильтры (активные кроссоверы) включаются между источником сигнала и усилителем. К достоинствам активных фильтров можно отнести более гибкие возможности регулировки параметров. Среди недостатков – необходимость использования отдельного канала усиления для каждой отфильтрованной полосы частот.

В реальных звуковых комплексах часто комбинируют эти два типа фильтров.

Расчёт пассивного фильтра

Фильтр АС представляет собой совокупность электрических цепей предназначенных для ограничения определённых частот, поступающих на динамики.

Фильтры встречаются следующих типов (см. рис.1):

• Фильтр высоких частот (ФВЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика снизу;
• Фильтр низких частот (ФНЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху;
• Полосовой фильтр (ПФ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху и снизу;
• Комбинированный тип – представляет собой сочетание вышеуказанных типов.

Фильтр характеризуется частотой раздела и величиной порядка (1-го порядка, 2-го порядка и т.д.) Порядок фильтра определяет крутизну спада АЧХ в полосе заграждения, и определяется количеством реактивных элементов в электронной схеме. Каждый реактивный элемент, добавленный в схему, увеличивает порядок фильтра на единицу и, соответственно, крутизну спада характеристики на 6дБ/окт. Реактивные элементы фильтра представляют собой индуктивности (катушки) и емкости (конденсаторы), соединённые по определённой схеме. Номиналы реактивных элементов определяют частоту среза фильтра.

Для подавления избыточной чувствительности динамика в схему добавляется аттенюатор (делитель напряжения). Данная мера применяется для приведения чувствительностей динамиков в АС к единому уровню. Чувствительность НЧ динамика обычно может составлять 95-100дБ, в то время как типовое значение чувствительности ВЧ динамика может достигать 110дБ. Очевидно, что необходимо понизить чувствительность ВЧ динамика до уровня чувствительности НЧ. Если номинальные сопротивления НЧ и ВЧ динамиков равны, то необходимое подавление будет равно разности чувствительностей ВЧ и НЧ динамиков. Расчёт несколько осложняется, если номинальные сопротивления динамиков не равны, т.к. в этом случае следует пересчитать чувствительность ВЧ динамика для номинального сопротивления, равного номинальному сопротивлению НЧ. Принцип пересчёта будет рассмотрен ниже.

Расчёт фильтра для 2-х полосной акустической системы

Обратим внимание, что расчёты способны дать приближённый результат, который можно использовать в качестве исходного варианта для изготовления макета фильтра. Как правило, изготовленный на основании расчётов фильтр, требует доработки на реальной АС, которая заключается в более оптимальном подборе электрических компонентов. Окончательная оценка фильтра формируется на основании измерений АЧХ и в результате прослушивания АС на разных фонограммах.

Рассмотрим распространённый вариант фильтра, реализованный во многих 2-х полосных полнодиапазонных АС.

Электрическая схема акустической системы с таким фильтром представлена на рис.2.

Особенностью схемы является то, что НЧ динамик в такой АС работает «в широкую полосу», а диапазон воспроизведения ВЧ динамика ограничен со стороны низких частот с помощью ФВЧ 3-го порядка, что обеспечивает спад характеристики в полосе заграждения 18 дБ/окт. Резисторы R1 и R2 представляют собой делитель напряжения, обеспечивающий подавление избыточной чувствительности ВЧ динамика. Номинал R2 выбирается равным или в 2 – 3 раза больше номинального сопротивления ВЧ динамика (Zвч). Данная схема проста в реализации, имеет малый вес и габариты, низкую стоимость компонентов. Необходимо отметить, что данная схема может быть реализована, только при условии, что неравномерность АЧХ НЧ динамика не превышает допустимого значения во всём его рабочем диапазоне.

Обычно конструирование фильтра начинается с анализа АЧХ динамиков и выбора оптимальной частоты раздела. Расчёт фильтра сводится к определению номиналов элементов электрической схемы фильтра.

Расчёт фильтра включает следующие этапы:

1.Определение величины подавления избыточной чувствительности ВЧ (ослабление):

2.Расчёт номиналов элементов делителя:

3.Расчёт номиналов реактивных элементов:

4.Расчёт мощности, рассеиваемой на элементах:

Мощность используемых резисторов может быть меньше рассчитанных значений в 2-3 раза, т.к. паспортная мощность резисторов указывается для синусоидального сигнала.

Для удобства расчёта фильтров по описанному алгоритму на нашем сайте имеется специальный калькулятор. Используя его, вам не составит труда рассчитать фильтр для вашей АС. При расчёте используются исходные данные и выражения, которые рассматривались выше.

Номинальное сопротивление НЧ звена, Ом 8 Z_low 2 4 16 32

Чувствительность НЧ звена, дБ

Конструирование акустических систем по готовым чертежам дело, конечно, увлекательное, но элемент творчества при этом, как ни крути, отсутствует. Вот если бы овладеть основными принципами построения АС, а затем все самому рассчитать и сделать из того, что есть под руками, — вот был бы класс! Это возможно, если взять несколько уроков у опытного мастера. Сегодня — первое занятие.

Уроки труда,
или методика создания акустических систем

Все любители и специалисты, заинтересованные в достоверном воспроизведении звука, знают, что без хороших акустических систем не обойтись. Поэтому особенно озадачивают противоречия между различными взглядами на критерии качества АС. Ещё менее ясно, какие методы создания АС надежнее и приводят к приемлемым результатам.

Даже начального опыта прослушивания достаточно, чтобы заметить очень большую разницу между звучанием одной и той же музыки на разных моделях. При этом основной параметр - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - почти всегда близок к идеалу, если верить данным фирм-производителей.

Большинство меломанов не может самостоятельно измерить АЧХ и приходит к выводу: проблема АЧХ практически решена, качество воспроизведения звука зависит от конструкции и материалов динамиков, корпусов, кроссоверов. Например: катушка без сердечника - хорошо, с сердечником - хуже. Или: корпус весом в 40 кг лучше, чем 20-килограммовый, при тех же габаритах и т.д.

Разумеется, оспаривать влияние динамиков, корпусов, элементов кроссовера, кабелей внутренней разводки, звукопоглотителей и прочих составляющих было бы ошибкой, но всё ли в порядке с АЧХ? Независимые измерения, например, в хорошо оснащённых лабораториях авторитетных зарубежных и отечественных аудиожурналов, не подтверждают оптимистических параметров, заявленных производителями.

На практике каждая модель АС имеет свою кривую АЧХ, разительно отличающуюся от других разновидностей колонок, причем это относится к любой ценовой группе. Наблюдаемая разница многократно превосходит порог заметности, известный из психоакустики, ее просто невозможно не услышать. И слушатели её, конечно, замечают как различие тембрального баланса при воспроизведении одних и тех же композиций разными АС. Идентифицировать искажения тембра с проблемами равномерности АЧХ нелегко, ведь перед глазами - ровные, будто по линейке нарисованные характеристики от изготовителя.

Не факт, что эти изумительные графики - обман. Просто для рекламы измерения производятся по методикам, обеспечивающим «благообразный» вид кривых. Например, при повышенной скорости сканирования рабочего диапазона в сочетании с высокой инерционностью, то есть усреднением пиков и провалов при регистрации зависимости звукового давления от частоты.

Производителей можно понять, в конце концов, все мы хотим выглядеть несколько лучше, чем на самом деле, и поэтому причёсываемся, умываемся и т.д. перед ответственными встречами.

Гораздо интереснее другое: почему одна АС с «плохой» АЧХ звучит хорошо, а другая, может быть, обладающая менее безобразной характеристикой, - гораздо хуже? Независимые, более «честные» измерения выявляют несовершенство передачи тембрального баланса из-за особенностей АЧХ, но не помогают интерпретировать, расшифровать смысл «перегибов» и дисбалансов характеристик, раскрыть связь между поведением кривой и конкретными особенностями звучания АС. Вот подходящее сравнение: кардиограмма ничего не говорит обычному человеку, тогда как врач-специалист способен прочитать по ней состояние пациента.

Наша сегодняшняя задача - научиться анализировать АЧХ. Начнём с самого общего вопроса. Почему, обладая всем необходимым, разработчики не создают идеальной, одинаково хорошо звучащей акустики. Ведь идеал, эталон - только один! Очевидно, что все колонки, близкие к нему, будут звучать очень похоже. Существует ряд общепризнанных методик обеспечения «ровной» АЧХ, и одна из основных - настройка АС в заглушенной, безэховой камере. Есть и другие, вроде бы логичные и адекватные методы, например, настройка по импульсным сигналам. Но работая по одинаковым алгоритмам, специалисты каждый раз получают разный результат. Вспомните откровения авторитетных зарубежных мастеров, опубликованные в аудиопрессе: «… обеспечив идеальную АЧХ в звукомерной камере, мы потом «портим» эту характеристику для получения приемлемого звучания в обычных условиях…». Не пора ли прекратить молиться на равномерность АЧХ с точки зрения некой общеизвестной методики измерения?

Ведь любой способ измерения в науке и технике неизбежно даёт целый комплекс разносортных ошибок. В нашем случае самые вредные ошибки - методические, то есть связанные с несовершенством самого подхода. Например, где располагать микрофон относительно АС в звуковой камере? На акустической оси? А где эта ось? Перед ВЧ-динамиком? А если он воспроизводит начиная с 8 кГц? Тогда, видимо, точнее мерить на оси СЧ-динамика? А если сместить микрофон на 5 см выше? Получим совсем другую АЧХ. На какую ориентироваться? И почему мы думаем, что ухо слушателя окажется именно там, где находился микрофон?

Кроме того, на НЧ и нижней середине АС активно взаимодействует с полом, влияние которого в безэховой камере отсутствует.

Об интеграции излучения АС с помещением прослушивания в данный момент даже и разговор не будем начинать. Это взаимодействие очень сильно влияет на звучание, но его конкретные проявления бесконечно разнообразны, поэтому не умещаются в «ложе» какой-либо математической модели, с достаточной точностью необходимой для действительно высокого качества воспроизведения.

Ещё интересный факт: в реальном помещении суммарная АЧХ двух АС стереопары, даже при сильном усреднении, сильно отличается от АЧХ одной АС. Традиционные методики настройки АС не учитывают этого важного обстоятельства. Это недопустимо, так как главные персоны в музыке - солисты - чаще всего локализуются в центре звуковой сцены, то есть - воспроизводятся обеими АС.

Можно сделать вывод: при таком обилии методических ошибок обычные способы контроля АЧХ дают неправильную характеристику для реально очень ровных АС (например, Audio Note, Magnepan и т.д.). С другой стороны, крайне подозрительно выглядят полученные по ненадёжным методикам слишком гладкие АЧХ. В этом случае ошибки измерений скомпенсированы специально сформированной характеристикой, которую разработчик обеспечивает, слепо доверяя не оправдавшим себя на практике способам измерений.

Меньше всего мне хотелось бы заменять веру в одни несовершенные принципы верой в другие, мои. Они тоже далеко не идеальны, в них присутствуют заметные методические ошибки, только менее грубые.

Залог прогресса - понимание недолговечности роли достигнутых знаний и умений, готовность воспринимать, в процессе практической работы и исследований, новые открытия. Надо уметь пересматривать подходы к достижению лучших результатов, если количественный рост позволяет совершить качественный скачок.

Итог работы зависит от методов и развития личности создателя АС. Известны превосходные изделия, рожденные в рамках традиционных подходов, при условии высочайшего класса и опыта разработчиков.

Моя цель - вооружить всех желающих достаточно эффективной методикой создания АС с приемлемым звучанием. Длинное вступление было необходимо для того, чтобы обратить ваше внимание на факторы, мешающие развивать искусство настройки АС.

Мне бы хотелось передать свой опыт, не тратя на это непомерных «писательских» усилий. Поэтому буду рассказывать только о добытых на практике фактах и методах работы, без обоснований и теоретических объяснений. Мой принцип - уверенно излагать своё мнение можно, если имеется аудиосистема, хорошим звучанием подтверждающая рекомендации автора. Для доступности расчёты и приёмы настройки максимально упрощены, без существенного вреда для результата.

Урок первый. Корпус

В первую очередь ограничим необъятную тему. Рассмотрим разработку и настройку двух полосных АС с фазоинвертором (ФИ). Такой тип легче «поддаётся» новичкам. Договоримся, что озвучиваем жилую комнату 10 - 20 м². Это определяет выбор диаметра НЧ/СЧ-динамика. В этом случае оптимальный диаметр диффузора - 10 - 20 см (примерно). Паспортная мощность (100 часов разового шума без повреждения громкоговорителя) - 20 - 60 Вт. Чувствительность - 86 - 90 дБ/Вт/м. Резонансная частота (вне корпуса) - не выше 60 Гц. Если вас устроит нижняя граничная частота (готовой АС) 100 Гц, можно брать динамик с резонансом 80 - 100 Гц.

Кстати, если АС без завала воспроизводит хотя бы от 100 Гц, звучание вполне фундаментально и «весомо», только иногда исчезают некоторые необязательные, но очень желательные элементы звуковой картины. Их можно восстановить сабвуфером, но чтобы при этом не испортить звук, надо набраться опыта его согласования с сателлитами.

Не обольщайтесь по поводу паспортных данных недорогих АС, свидетельствующих о воспроизведении НЧ от 30 до 40 Гц. Реально в формировании звуковой картины участвуют только те низкие ноты, которые отыгрываются без «завала». Всё, что имеет спад хотя бы 4 - 5 дБ, маскируется «верхним басом» (80 - 160 Гц), поэтому для большинства АС воспринимаемый на слух диапазон начинается с 50 - 80 Гц. Мы же привыкли думать, что это 30 - 40 Гц, поскольку ориентируемся на паспортные данные с допустимым отклонением -8 - -16 дБ. Повнимательнее посмотрите в аудиопрессе на реальные частотные характеристики колонок. Отмерьте, в соответствии с приведённым масштабом, -3 дБ от среднего уровня, и вы увидите, что даже крупные напольные АС эффективно работают где-то от 50 Гц.

Если диаметр диффузора - 10 - 12 см, чувствительность - 86 - 88 дБ/Вт/м, а мощность - 20 - 30 Вт (типичные параметры недорогого динамика), то о «домашней дискотеке» придётся забыть. С другой стороны, громкоговорители минимального диаметра нередко имеют более равномерную АЧХ, чем большие.

«Малыши» лучше по ширине и равномерности диаграммы направленности. Интересно, что одна из высочайших по качеству АС фирма System Audio принципиально использует только маленькие мидбасовые динамики. Полная добротность современных небольших НЧ-головок обычно составляет 0,2 - 0,5.

Не надейтесь на расчёты низкочастотного оформления, практические результаты им соответствуют недостаточно точно. Опыт показывает: лучше выбрать динамики с добротностью больше 0,3 - 0,4, иначе, даже с фазоинвертором, трудно обеспечить приемлемый бас. Для таких громкоговорителей имеет смысл изготавливать корпуса объёмом, примерно равным эквивалентному объёму громкоговорителя.

10 см - ≈ 18 литров;

16 см - ≈ 26 литров;

20 см - ≈ 50 литров.

В качестве базисного варианта рассмотрим корпус с ФИ для громкоговорителя диаметром 16 см. Объём - 26 литров. Площадь сечения ФИ - 44 см². Длина трубы ФИ - 20 см. Частота настройки - около 40 Гц. Площадь сечения ФИ должна составлять 20 - 25% от площади диффузора Sд.

Sд = π (d/2)²,

где d - диаметр диффузора, ограниченный серединой подвеса (рис. 1).

Рис. 1

1. Громкоговоритель d = 9 см, Эквивалентный объём (Vэ) ≈ 8 л. 8 литров меньше 26 литров в 3,25 раза. Надо скомпенсировать разницу изменением длины (l) и площади (Sфи) трубы ФИ, иначе частота резонанса ФИ резко повысится.

Понижают частоту настройки Fфи увеличением lфи и снижением Sфи.

Sд = π (9 см/2)² = 3,14 (4,57 см)² ≅ 63,6 см²

находится в диапазоне:

Sфи ≈ 63,6 см²/5 … 63,6 см²/4 ≅ 13 см² … 16 см².

В данном случае уменьшение Sфи вносит вклад в понижение Fфи в

44 см²/(13 см² … 16 см²) ≈ 2,75 … 3,38 разa,

что вполне компенсирует изменение объёма АС в 3,25 раза.

Кстати, компенсировать снижение объёма увеличением длины трубы ФИ для маленького корпуса (V = 8 литров) невозможно. Тем более что от внутреннего среза трубы ФИ до ближайшего препятствия (до стенки корпуса АС) должно быть свободное расстояние не менее 8 см (в крайнем случае - 5 см). То есть один из габаритов корпуса (параллельный оси трубы ФИ) должен быть равен lфи (20 см) + 8 см (свободное пространство) + примерно 3 см (толщина двух стенок корпуса) = 31 см.

Для 8-литрового корпуса такой большой размер может быть только высотой. Возможная конструкция щелевого ФИ с прямоугольным сечением трубы показан на рис. 2а.

Рис. 2

Это очень непрактичная конструкция, так как требуется установка на специальную подставку, не загораживающую выход ФИ. Если вывести порт наверх, установка АС упростится, но вид сверху ухудшится, кроме того, колонка превратится в отличную ловушку для пыли, сора и мелких предметов.

Очень удобна конструкция, показанная на рис. 2б. Однако она требует увеличить высоту до 31 см + 8 см = 39 см. Это не всегда допустимо.

Можно изготовить корпус в виде глубокой «буханочки», с наибольшим размером - в глубину (рис. 2в).

Если не удаётся обеспечить нужную длину трубы, можно:

во-первых, выбрать минимальную

Sфи = Sд / 6; Sфи = 63,6 см² / 6 ≈ 10,6 см²;

во-вторых, несколько уменьшить lфи (≈ на 30 %), пожертвовав повышением Fфи до ≈ 50 - 60 Гц.

Уменьшение Sфи до 10,6 см² снизит эффективность ФИ и, соответственно, увеличит «завал» отдачи в диапазоне 40 - 60 Гц.

Рост Fфи при уменьшении lфи допустим, так как резонансная частота динамика диаметром 10 см выше, чем у громкоговорителя 16 см. Это значит, что ФИ с резонансом в 55 Гц не просуммирует свой подъём НЧ с резонансом динамика в ящике (≈ 70 - 90 Гц в данном случае) и не будет вредного для звучания подъёма на НЧ в области 50 - 100 Гц, который мог бы возникнуть, например, при укорочении ФИ для корпуса с динамиком 16 см.

Итак, для 8-литрового ящика и громкоговорителя диаметром 10 см вполне нормально выбрать lфи ≅ 14 см, Sфи ≅ 13 см².

2. Громкоговоритель d = 18 см, эквивалентный объём (Vэ) ≈ 50 л. 50 литров больше, чем 26 литров, в 1,92 раза.

Оптимальная Sфи для динамика площадью:

Sд ≅ 3,14 (18 см / 6)² ≈ 254,3 см²

находится в диапазоне

Sфи ≈ 254,3 см²/5 … 254,3 см²/4 ≈ 51 см² … 64 см².

Увеличение Vэ в 1,92 раза сильнее влияет, чем увеличение Sфи в 1,45 раза. В целом Fфи понижается ориентировочно до 35 Гц. Так как резонансная частота динамика (Fд) диаметром 20 см ниже, чем Fд диаметром 16 см, то снижение Fфи - положительный фактор. Не стоит компенсировать это уменьшением lфи.

Опытные профессионалы способны точно настраивать параметры фазоинверсного акустического оформления, добиваясь максимально плоской АЧХ в диапазоне от нижней граничной частоты АС до 125 - 200 Гц. Любителю или новичку не стоит тратить на это особых усилий.

В дальнейшем я поясню, как проконтролировать полученную АЧХ на НЧ и как устранить недопустимые отклонения, если таковые обнаружатся. Кроме того, влияние на звучание неидеальности характеристики в области НЧ сильно зависит от соотношения уровня воспроизведения баса по сравнению со средними частотами. Нельзя забывать, что из-за взаимодействия АС с реальным помещением АЧХ в нижнем регистре в любом случае будет очень неравномерной.

Главные усилия необходимо сосредоточить на настройке желаемой АЧХ в области СЧ и балансировке между НЧ, СЧ и ВЧ. На первом этапе создания АС - при разработке корпуса, достаточно учесть следующие рекомендации.

Корпус должен молчать. В идеале воспроизводят звук только громкоговорители, но в реальной жизни корпус откликается на их работу. Переизлучение звука стенками ящика вносит искажения.

Один из простейших способов улучшения виброзащиты корпуса - увеличение толщины стенок. Здесь следует знать меру, прослушивание показывает, что начиная с некоторого значения эта мера даёт незначительноё улучшение звучания. Для полочных АС вполне достаточно будет 16 - 8 мм ДСП или ДВП. Выгодно укреплять корпус изнутри рёбрами жёсткости. Вариант их практического использования показан в моей статье в «Практике» №2(4)/2002, июль).

• размещение звукопоглощающих материалов внутри корпуса;
• особенности изготовления фильтров;
• как самостоятельно сделать кабели для внутренней разводки очень высокого качества;
• требования к герметизации корпуса;
• минимальные сведения, необходимые для выбора типа конденсаторов.

В упомянутой статье также рассмотрены вопросы выбора динамиков и затронуты некоторые другие проблемы. Имеет смысл отнестись к этому как к части изложения моих методов работы, поэтому повторяться не стану.

Разумеется, существует много способов виброзащиты корпуса АС. Они приведены, например, в книге «Высококачественные акустические системы и излучатели» (И.А. Алдошина, А.Г. Войшвилло. - М.: Радио и Связь, 1985.). Практика показывает, что 16-миллиметровые стенки, укреплённые рёбрами жёсткости, обеспечивают достаточную виброзащиту.

Абсолютных истин нет. У акустически мёртвых корпусов есть альтернатива - использование массива различных пород дерева, каждая из которых обладает собственным звучанием. Это - трудный путь с технологическими и творческими проблемами. Он не для новичков, здесь требуется высшая квалификация в области деревообработки, тонкое восприятие музыки, упорство в поиске приемлемых вариантов исполнения корпуса. Иногда таким образом удаётся создать превосходные АС.

Урок второй. Фильтры

Если вы думаете, что фильтр это просто схема, разделяющая сигнал на несколько частотных полос для соответствующих громкоговорителей, то вынужден буду вас разочаровать. Всё гораздо сложнее. Простой кроссовер нужен для идеальных динамиков с ровной АЧХ по звуковому давлению, но таковых, к сожалению, не существует. В лучшем случае некоторые типы динамиков позволяют обеспечивать приблизительно приемлемую балансировку АЧХ при лобовом использовании кроссоверов.

Положение усложняется из-за сложного взаимодействия громкоговорителей в полосе передачи эстафеты от низкочастотного к более высокочастотному. Например, имеем замечательно ровные в своих полосах СЧ и ВЧ-головки с аккуратными спадами АЧХ вне полос, а при совместной работе получаем ужасную АЧХ. Особенно проблематично для новичка состыковать НЧ и СЧ-динамики. Приёмы такого бесшовного соединения - тема отдельной статьи. Для начала необходимо набраться опыта, настраивая двухполосную АС.

Даже самые простые фильтры - мощный инструмент в умелых руках, позволяющий приблизить АЧХ реальной АС к желаемому идеалу. Для НЧ/СЧ-головок фильтры первого порядка (катушка индуктивности, включенная последовательно с динамиком) чаще всего не подходят. Они недопустимо деформируют АЧХ в полосе пропускания, заваливают середину, делая звучание тусклым, неритмичным, монотонно гудящим. В некоторых случаях такой фильтр позволяет чуть скорректировать АЧХ в верхней части диапазона, воспроизводимого НЧ/СЧ-головкой. При этом частота среза такого фильтра близка верхней частоте динамика.

У редких головок наблюдается рост отдачи, пропорциональный повышению частоты сигнала на протяжении нескольких октав. Сбалансировать АЧХ в этих случаях можно индуктивностью фильтра первого порядка, но чаще для этого применяют фильтры второго порядка. Они позволяют исключить сильные искажения АЧХ в полосе пропускания.

Подбором сочетаний величин ёмкости и индуктивности фильтра второго порядка можно обеспечить в полосе около частоты среза спад или подъём АЧХ, используя схему в качестве эквалайзера. Это - один из методов оптимизации АЧХ.

На рис. 3 показан фильтр второго порядка. Ёмкость включена параллельно динамику.

Рис. 3

Первое приближение

Рассчитаем значения L1 и С1 для фильтра без подъёма или спада на частоте среза. Поверим значению импеданса, приведённому производителем. Если бумажек нет, померяйте сопротивление по постоянному току и умножьте результат на 1,25. Обозначим полученное значение просто R.

L1 = R / (2π Fc),

где Fс - частота среза,

C1 = 1 / ((2π Fc)² L1).

Например: R = 4 Ом, Fс = 1,6 кГц.

L1 = 4 / (6,28 1.6 10³) = 3,98 10 -4 H = 0,398 mH = 398 μH,

C1 = 1 / [(6,28 1,6 10³)² 3,98 10 -4 ] = 2,49 10 -5 F = 24,9 μF.

Для справки:

Fc = 1 / (2π √L1 C1 ).

В этом случае модули (величины без учёта фазы) сопротивления L1 и C1 на частоте Fс равны R, то есть 4 Ом. Кстати, на частоте среза модули сопротивления L1 и C1 всегда равны.

Если выравнивание АЧХ требует подъёма на Fc, скажем, на 1 дБ, то есть примерно но 10%, необходимо снизить модули сопротивления L1(|Z L1 |) и C1(|Z C1 |) примерно на 10% по сравнению с R = 4 Ом, то есть до 4 Ом x 0,9 = 3,6 Ом.

L1 = 3,6 / (6,28 1,6 10³) = 3,58 10 -4 H = 0,358 mH = 358 μH.

C1 = 1 / [(6,28 1,6 10³)² 3,58 10 -4 ] = 2,77 10 -5 F = 27,7 μF.

Частота среза остаётся прежней, но на Fс на головку подаётся ≈110% сигнала за счёт повышенного потребления тока от усилителя и преобразования его «звенящим» фильтром с добротностью больше единицы в форсированный сигнал на головке.

Если надо «завалить» область около Fc на 1 дБ, то нужно пересчитать фильтр, как будто его нагрузка - сопротивление динамика примерно 1,1 x 4 Ом = 4,4 Ом.

Проще получить нужные значения, увеличив L1 и уменьшив С1. Тогда Fc не изменится, а |Z L | и |Z C | будут равны 4,4 Ом.

L1 = 398 mН x 1,1 = 438 mН.

С1 = 24,9 mF x 1,1 = 22,64 mF.

Для справки:

|Z L1 | = 2π F L1, |Z C1 | = 1 / (2π F C).

Учтите, что при необходимости увеличения отдачи в области около FC придётся смириться с падением импеданса АС в этой же области.

Падение импеданса необходимо контролировать. Попробуйте следующий простой способ.

1 этап

Подключите к выходу вашего усилителя цепь, показанную на рис. 4а.

Рис. 4

На этом рисунке значок «+» соответствует красной клемме, а «-» - чёрной. На результаты измерений перемена полярностей не влияет.

Подайте на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 1 кГц от генератора. Регулятором громкости усилителя и регулятором выходного уровня генератора установите на выходных клеммах усилителя ≈1 В действующего напряжения. Для этого вам понадобится вольтметр, способный измерять действующее значение напряжения в области звуковых частот.

Переключите вольтметр для измерения напряжения на выходах резистора R2. Прибор покажет ≈38,5 мВ. Подрегулируйте уровень сигнала до показаний вольтметра ≈40 мВ.

2 этап

Подключите вашу АС вместо R2. Плавно изменяйте частоту сигнала на выходе генератора. Вы увидите, что показания вольтметра меняются. Эти изменения пропорциональны частотно-зависимому значению импеданса АС. Можно зарисовать измеряемую характеристику: по горизонтальной оси будет шкала частоты, по вертикальной - уровня напряжения. И то и другое выполняется в логарифмическом масштабе. (Пример пустого бланка будет опубликован в следующем номере «Практики AV».) Особенно внимательно ищите минимумы напряжения, плавно меняя частоту. Эти точки на характеристике соответствуют минимумам импеданса АС.

Например, 40 мВ соответствует 4 Ом, 30 мВ - 3 Ом. Если у вас нет чувствительного вольтметра, то поможет хороший тестер. В режиме измерения переменного напряжения тестер является вольтметром. Его показания верны до 2 - 5 кГц, выше может быть существенная погрешность. Сверьтесь с паспортом тестера. Кроме того, не все модели тестеров позволяют измерять с хорошей точностью сигналы величиной десятки милливольт. В этом случае можно установить на клеммах усилителя выходной сигнал не 1, а 10 В. В режиме наших измерений усилитель нагружен на сопротивление более 100 Ом. Такая высокоомная нагрузка позволяет развить 10 В действующего напряжения даже большинству маломощных усилителей, причём без перегрева.

К сожалению, при 10 В на выходе есть опасность сжечь резистор цепи, обеспечивающей устойчивость, который присутствует в схемах многих усилителей. Поэтому не стоит проводить измерения на частотах выше 3 кГц.

Понятно, что в режиме «10 вольт» на пробном резисторе R2 надо установить не 40 мВ, а 400 мВ. Соответственно, шкала напряжения будет проградуирована от 125 мВ до 6000 мВ (6 В). При этом показания вольтметра делим на 100 и получаем величину импеданса АС. Например, 400 мВ соответствует 4 Ом.

ПрактикаAV #3/2002

Страница 4 из 4

О работе громкоговорителя в области средних и высоких частот

Сглаживание АЧХ громкоговорителя по звуковому давлению в области низких частот - не единственная задача, которую приходится решать радиолюбителю при попытке улучшить параметры своей АС. Дело в том, что ни одна из созданных до настоящего времени динамических головок не в состоянии перекрыть весь звуковой диапазон, и поэтому все АС класса Hi-Fi выполняются по двух или трехполосным схемам, предполагающим наличие в них разделительных фильтров. Как правило, это пассивные фильтры первого (реже второго) порядка, влияние которых на характеристики громкоговорителей так же велико, как и самих динамических головок. Однако, судя по публикациям журнала “Радио”, это обстоятельство большинством читателей и авторов во внимание не принимается.

Проиллюстрируем сказанное примером, взятым из работы . На рис. 13 приведены АЧХ установленных в громкоговорителе 25АС-309 головок 25ГД-26, 15ГД-11 и 3ГД-31, включенных через заводской разделительный фильтр. Сплошной линией показана АЧХ НЧ и ВЧ головок (при отключенной среднечастотной), штриховой - АЧХ одной СЧ головки. На последней характеристике обращает на себя внимание подъем АЧХ вблизи частоты 100 Гц, достигающий 10 дБ. Этот подъем заметно увеличивает “бубнение” АС, что и побудило авторов переделать громкоговоритель.

Каковы причины возникновения этого нежелательного подъема АЧХ? Очевидно, что общая добротность СЧ головки достаточно велика и скорее всего больше 1.

Однако вместо того, чтобы сгладить характеристику если не отрицательным, то хотя бы нулевым выходным сопротивлением УМЗЧ, разработчики АС последовательно с головкой включили резистор сопротивлением 5,1 Ом, что и привело к увеличению подъема АЧХ не менее чем на 6 дБ. Отказаться от применения этого резистора нельзя, поскольку отдача СЧ головки 15ГД-11А (при одинаковой подводимой мощности) примерно вдвое выше, чем у 25ГД-26. Установленный в АС разделительный фильтр первого порядка, хотя и настроен на относительно высокую частоту (1600 Гц), не в состоянии достаточным образом ослабить сигнал СЧ головки на низких частотах. К тому же частота раздела находится в области максимальной чувствительности слуха к искажениям, что не могло не сказаться на качестве звучания.

Анализ характеристики ВЧ головки (сплошная кривая на рис. 13 в области от 5...20 кГц) показывает, что в сравнений с НЧ головкой ее отдача также слишком высока. В связи с этим последовательно с ней также пришлось включить резистор сопротивлением 5,1 Ом. Однако этого оказалось недостаточно и подъем АЧХ ВЧ головки на частотах 10...15 кГц остался неоправданно большим.

Указанные недостатки присущи как многим (если не большинству) серийно выпускаемым в стране АС [б], так и большинству трехполосных АС, изготовленных радиолюбителями (правда, о последнем можно говорить лишь предположительно, так как практически никто из радиолюбителей не обладает возможностью подобно авторам снять АЧХ своей АС в звуковой камере). Способы борьбы с этими недостатками, предлагаемые авторами , хотя и дают положительные результаты для конкретной АС, однако вряд ли могут быть рекомендованы на все случаи жизни, поскольку номиналы элементов фильтров сильно зависят от типов применяемых громкоговорителей и их акустического оформления. Настоящий пример демонстрирует, как пренебрежение хотя бы одним из звеньев звуковоспроизводящего комплекса делает качество звучания заметно хуже потенциально достижимого.

Из всего многообразия литературы, посвященной громкоговорителям, пожалуй, лишь в работе разделительным фильтрам уделено должное внимание. Поэтому прежде, чем обсуждать дальнейшие пути улучшения параметров громкоговорителей, нужно хотя бы вкратце познакомиться с современными воззрениями на роль разделительных фильтров в АС, типами применяемых фильтров, их достоинствами и недостатками.

Особенности работы фильтров в АС

Исследования 40-50-х годов показали, что при проектировании многополосных АС недостаточно учитывать только АЧХ фильтров и не принимай, во внимание их фазочастотные характеристики (ФЧХ). Предположим, что в имеющейся в нашем распоряжении двухполосной АС применены идеально согласованные по АЧХ фильтры. Иными словами, в области частоты раздела сумма амплитуд сигналов на выходах фильтров (при неизменной амплитуде на входах) постоянна и равна амплитуде сигнала на выходе любого из них в пределах его полосы пропускания. Если пренебречь неравномерностью АЧХ такой АС, обусловленной интерференцией звуковых волн в закрытом объеме, то, казалось бы, она должна быть горизонтальной в" области частоты раздела, без подъемов и провалов.

Однако получить такую АЧХ не удается. Причина - в различии ФЧХ НЧ и ВЧ фильтров. Если на одной из частот в области частоты раздела амплитуды сигналов на выходах НЧ и ВЧ фильтров примерно равны, но один из них задерживает сигнал на 90°, а на выходе другого он присутствует с опережением по фазе на такую же величину, то сигналы, воспроизводимые ВЧ и НЧ головками одновременно, будут не суммироваться, а вычитаться, в результате чего на АЧХ возникнет глубокий провал на упомянутой частоте. По этой причине далеко не все фильтры могут быть применены в высококачественных АС.

В настоящее время разработчиками большинства западных фирм, равно как и разработчиками лучших отечественных АС, используются всего несколько типов фильтров, получивших названия фильтров “постоянного входного сопротивления”, “всепропускающего типа” и “постоянного напряжения”.

Фильтры “постоянного входного сопротивления”, по существу, представляют собой фильтры Баттерворта соответствующего порядка. При равенстве и активном характере сопротивлений нагрузки НЧ и В Ч каналов их входное сопротивление постоянно. Фильтры четных порядков на частоте раздела создают на суммарной АЧХ АС по звуковому давлению подъем, достигающий 3 дБ, в связи с чем они не используются разработчиками высококачественных АС. Суммарная АЧХ АС, использующих фильтры нечетных порядков, не зависит от частоты, но эти фильтры имеют частотно-зависимый фазовый сдвиг как в ВЧ, так и в НЧ каналах. ФЧХ НЧ и ВЧ каналов фильтров Баттерворта нечетного порядка идентичны, но характеризуются фазовым сдвигом ВЧ сигнала относительно НЧ,

равным n * π/2, где n = 1, 3, 5,... Диаграмма направленности АС, использующей фильтры Баттерворта нечетного порядка, несимметрична в области частоты раздела вследствие упомянутого фазового сдвига.

Отметим факт, неизвестный большинству радиолюбителей и разработчиков АС: в фильтрах Баттерворта 3-го, 7-го и т. д. порядков противофазное включение головок разделяемых каналов предпочтительнее с точки зрения снижения фазовых искажений и несимметричности диаграммы направленности, в фильтрах Баттерворта 1-го, 5-го и т. д. порядков предпочтительнее синфазное включение.

Отличительная особенность фильтров “всепропускающего типа” - независимость их суммарной АЧХ от частоты для фильтров нечетных и четных порядков. Для фильтров четных порядков разность ФЧХ ВЧ и НЧ каналов равна n * (π/2), где n = 1, 2, 3,..., для нечетных - n * (π/2), где n = 1, 3, 5,... Упомянутыми свойствами обладают фильтры Баттерворта нечетных порядков, описанные выше. Таким образом, фильтры Баттерворта нечетных порядков одновременно принадлежат и к классу фильтров “постоянного входного сопротивления”, и к классу фильтров “всепропускающего типа”.

Но фильтры “всепропускающего типа” четных порядков уже не являются фильтрами Баттерворта, хотя и описываются передаточной функцией, представляющей собой возведенную в квадрат передаточную функцию фильтра Баттерворта вдвое более низкого порядка [З]. Фильтры “всепропускающего типа” четного порядка имеют симметричную диаграмму направленности в области частоты раздела (относительно оси, проходящей через центры динамических головок разделяемых полос). Для них тоже существуют свои правила фазировки динамических головок: для фильтров четных порядков, имеющих степень, равную 4 m, где m==l, 2, 3,... обязательно синфазное включение головок в разделяемых полосах. Если порядок равен 2(2m+1), где т==0, 1, 2,..., то допустимо только противофазное включение головок.

Третий класс фильтров - “постоянного напряжения” - используется реже первых двух и труден для расчета и реализации даже подготовленными радиолюбителями. Желающим познакомиться с этими фильтрами поближе, равно как и тем, кто хочет получить более полную информацию об описанных выше фильтрах, можно рекомендовать работу [З]. Мы же вернемся к вопросу о том, как с помощью схемотехнических доработок УМЗЧ можно повысить качество звучания АС.

О выборе фильтров для АС

Трудности, испытываемые разработчиками АС при выборе пары ВЧ-НЧ фильтров, имеющих плоскую суммарную АЧХ и удовлетворительную ФЧХ, в значительной мере обусловлены тем, что они должны удовлетворять еще одному требованию - включаться между УМЗЧ и динамическими головками, т. е. быть пассивными. Последнее условие ограничивает возможности разработчиков, поскольку исключает из рассмотрения так называемые фильтры дополнительной функции (ФДФ), в которых в один из каналов, например в низкочастотный, сигнал подается с выхода ФВЧ, а в другой (высокочастотный) поступает разность между входным сигналом и сигналом низкочастотного канала. В таком фильтре достаточно высоки требования к устройству, выделяющему разностный сигнал, в связи с чем его выполняют, как правило, на ОУ. Однако в этом случае для усиления разностного сигнала потребуется дополнительный УМЗЧ, поскольку сигнал с выхода ОУ широкого применения нельзя подавать непосредственно на динамическую головку сопротивлением несколько Ом. В результате усилитель превращается в многополосный, т. е. количество независимых УМЗЧ в стереофоническом комплексе вырастает с 2 до 4-6.

Такой вариант, как правило, неприемлем для фирм-разработчиков и изготовителей звуковоспроизводящей аппаратуры, поскольку стоимость дополнительных затрат в единице продукции не снижается с ростом выпуска. Иными словами, до тех пор, пока существует надежда найти пару ВЧ-НЧ фильтров с хорошо согласованными характеристиками, производители (из экономических соображений) будут придерживаться традиционной схемы построения такой аппаратуры: широкополосный высококачественный УМЗЧ - пассивные разделительные фильтры - динамические головки.

Для радиолюбителей подобный путь далеко не столь оптимален. Дело в том, что из-за отсутствия соответствующей измерительной аппаратуры подавляющее большинство радиолюбителей не имеет возможности достоверно судить о причинах низкого качества звучания своей АС и подобно целенаправленно выбрать пути их устранения, поскольку единственным способом оценки результатов доработки АС является для них оценка улучшения качества звучания, “на слух”.

В этом случае гарантированное достижение положительного результата возможно либо при повторении конструкций, предложенных высококвалифицированными специалистами, имеющими возможность объективной приборной оценки своей работы , , либо при выборе таких технических решений, которые дают результаты, близкие к расчетным.

По мнению автора статьи, к таким решениям, в первую очередь, относится замена однополосного УМЗЧ на многополосный, в котором для разделения полос используются активные фильтры и ФДФ. О преимуществах такого УМЗЧ многое сказано в , . Добавим к этому лишь следующее.

При намотке катушек фильтров для высококачественной АС, будь то фильтры “всепропускающего типа”, “постоянного напряжения” или “постоянного входного сопротивления”, радиолюбитель должен стремиться к тому, чтобы не только индуктивность, но и активное сопротивление катушки было равно расчетному. В противном случае изменяется добротность катушки, а следовательно, и тип фильтра. При применении активных фильтров эта проблема решается легко, поскольку добротность фильтра устанавливается, как правило, одним подстроечным резистором.

Установка пассивных фильтров предполагает использование в них элементов с разбросом номиналов 2...3 %. При выходе за границы этих допусков меняются частоты настройки каждого из фильтров пары ВЧ-НЧ и тип фильтров. АЧХ и ФЧХ АС при этом отклоняются от расчетных, что опять-таки снижает качество АС. Применение ФДФ снимает эту проблему, так как АЧХ и ФЧХ пары таких фильтров согласуются автоматически, причем для любого типа фильтров.

Применение пассивных фильтров и динамических головок с различающимися активными сопротивлениями и развиваемыми уровнями звукового давления требует использования балластных резисторов для согласования этих головок в АС. Как показано выше, это может привести к появлению на АЧХ АС подъема, обусловленного резонансом СЧ головки, подавить который не удастся даже отрицательным выходным сопротивлением УМЗЧ. Все эти проблемы автоматически решаются при использовании многополосного УМЗЧ с подстройкой усиления в каждой из полос и непосредственным подключением динамической головки к выходу УМЗЧ соответствующей полосы.

Как уже отмечалось, наибольшие искажения диаграммы направленности АС отмечаются вблизи частоты раздела, когда сигнал излучается одновременно двумя разнесенными в пространстве динамическими головками. Использование активных фильтров 3-го и 4-го порядков в многополосном УМЗЧ позволяет в несколько раз сузить эти области в сравнении с АС, использующими пассивные разделительные фильтры первого (реже второго) порядка.

Кроме того, сами динамические головки вносят свои фазовые сдвиги в излучаемые ими сигналы. Компенсация этих сдвигов при использовании пассивных фильтров в любительских условиях практически невозможна, так как требует большого количества сложных измерений и машинных расчетов. Использование многополосных УМЗЧ облегчает решение и этой задачи, поскольку в данном случае требуется корректировать систему усилитель - реактивный элемент на выходе, что сделать гораздо легче. Если к перечисленным преимуществам добавить легкость расчета правильно сконструированных активных фильтров высокого порядка и лучшее соответствие расчету реальных активных фильтров высого порядка (вследствии малого влияния одного звена на другого), становится очевидным, что для радиолюбителя, решившего создать действительно высококачевственную АС, но не имеющего в своем распоряжении аппаратуры для количественного анализа всех причин снижения качества ее звучания, оптимальным является использование многополосного УМЗЧ с активными фильтрами высокого порядка и ФДФ.

Многополосный УМЗЧ с распределительными фильтрами

На рис. 14 приведена схема устройства фильтрации и формирования отрицательного выходного сопротивления для трехполосного УМЗЧ, разработанного в соответствии с рекомендациями, приведенными в настоящей статье. Устройство подключается к выходу предварительного усилителя, после регуляторов громкости и тембра. Если выходное сопротивление предшествующего каскада достаточно велико, более 1 кОм, то к входу устройства необходимо подключить эмиттерный повторитель или (что лучше с точки зрения минимизации нелинейных искажений) умощняющий каскад на ОУ К574УД1 .

(крупнее)

Устройство состоит из трех фильтров Баттерворта 3-го порядка на транзисторах VT1 - VT3, двух ФДФ, на ОУ DA1, DA2, узла формирования отрицательного выходного сопротивления на ОУ DA4 и смесителя НЧ полосы на ОУ DA3. Сигнал ВЧ канала формируется фильтром дополнительной функции на дифференциальном усилителе DA1. На инвертирующий вход усилителя поступает весь входной сигнал, а на неинвертирующий - сигнал с выхода настроенного на частоту 6,5 кГц ФНЧ на транзисторе VT1. Выбранный порядок выделения полос оптимален с точки зрения снижения интермодуляционных искажений - гармоники высших порядков, возникающие в СЧ и НЧ каналах УМЗЧ, не могут попасть на УМЗЧ ВЧ канала. С этой же целью в качестве ОУ желательно использовать широкополосные ОУ (например, К574УД1 или К544УД2) с цепями коррекции для единичного усиления.

СЧ и НЧ составляющие входного сигнала, выделенные фильтром на VT1, поступают на инвертирующий вход дифференциального усилителя на ОУ DA2. На его неинвертирующий вход поступает сигнал с выхода ФНЧ на транзисторе VT2. Этот ФНЧ настроен на частоту 650 Гц, поэтому СЧ канал воспроизводит сигналы в полосе 650 Гц...6,5 кГц. НЧ составляющие входного сигнала, выделенные фильтром на транзисторе VT2, поступают на ФВЧ на транзисторе VT3, настроенный на частоту 30 Гц. Назначение ФВЧ - отсечь инфранизкие составляющие входного сигнала, перегружающие НЧ головку. С выхода ФВЧ сигнал поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя на ОУ DAS. На его неинвертирующий вход поступает сигнал с узла формирования сигналов ПОСТ и ООСН, выполненного на ОУ DA4. Фазировка каскада на ОУ DAS приведена для случая неинвертирующего УМЗЧ НЧ канала. При использовании инвертирующего УМЗЧ сигнал с выхода каскада на транзисторе VT3 необходимо подать на неинвертирующий вход ОУ DA3, а сигнал с выхода ОУ DA4 - на инвертирующий.

В качестве канальных УМЗЧ (А1 - A3) можно использовать усилители, описанные в , , или им аналогичные. При их выборе необходимо только помнить, что номинальная мощность УМЗЧ НЧ канала должна быть не меньше номинальных мощностей УМЗЧ ВЧ и СЧ каналов. Мощность УМЗЧ канала ВЧ может быть в 1,5...2 раза ниже мощности УМЗЧ канала СЧ. Желательно также, чтобы сумма максимальных мощностей УМЗЧ НЧ и СЧ каналов была бы в 3 3 = 9 раз выше той мощности, при которой предполагается эксплуатировать комплекс. Последнее определяется тем, что пик-фактор реального музыкального и речевого сигналов равен 3, т. е. максимальное значение выходного напряжения практически в любой фонограмме втрое выше среднего значения и для его неискаженного воспроизведения нужен трехкратный запас по амплитуде выходного сигнала, что эквивалентно девятикратному запасу по мощности.

В качестве ОУ DA2 - DA4 допустимо использовать любые ОУ широкого применения (с соответствующими цепями коррекции, если это необходимо). Транзисторы VT1 - VT3 могут быть любыми кремниевыми с максимально допустимым напряжением между коллектором и базой не менее 20 В и коэффициентом усиления по току не менее 200. Элементы фильтров и резисторы дифференциальных усилителей (за исключением подстроечных) желательно использовать с отклонением их сопротивлений и емкостей от номинальных значений не более 5 %. При настройке какого-либо фильтра на другую частоту необходимо уменьшить емкости соответствующего фильтра во столько раз, во сколько требуется увеличить частоту настройки (и наоборот).

Устройство, собранное без ошибок из исправных деталей, не требует налаживания. При подаче питания напряжения на эмиттерах его транзисторов должны находиться в пределах 0,6...0,7 В, а напряжения на выходах ОУ DA1 - DA3 (SA1 в нижнем по схеме положении) -1...+1В. Аналогичное напряжение должно установиться на выходе ОУ DA4 при замыкании накоротко резисторов R34 и R36. Фильтры не требуют какой-либо специальной настройки. Каналы ПОСТ и ООСН подстраивают аналогично описанным ранее. Движки подстроечных резисторов R29 и R30 устанавливают в такое положение, при котором уровень звукового давления, развиваемого АС на частотах 100, 300, 500 Гц (НЧ канал), 1, 2, 4 кГц (СЧ канал, резистор R30) и 10, 15,. 18 кГц (ВЧ канал, резистор R29), был примерно одинаковым. Уровень звукового давления измеряют с помощью микрофона с усилителем и вольтметром переменного напряжения на выходе при подводимой к УМЗЧ мощности не более 2...3 Вт на расстоянии 1...2 м от АС. Измерения необходимо сделать минимум на трех (лучше на пяти - семи) частотах в пределах каждой из полос из-за неравномерности АЧХ по звуковому давлению вследствие интерференции звуковых волн в закрытом объеме АС, форма которой отлична от сферической.

Необходимо также отметить, что использование резисторов R29 и R30 в качестве регуляторов тембра, как это предполагалось ранее рядом авторов, недопустимо. Это обусловлено высокой крутизной характеристики разделительных фильтров. Разбаланс уровней звукового давления в различных каналах при такой крутизне фильтров искажает звучание в значительно большей степени, чем акустические недостатки помещения.

Радиолюбитель, стремящийся создать высококачественную АС, должен принимать во внимание еще два момента. Во-первых, существенно сгладить АЧХ АС по звуковому давлению в области СЧ и ВЧ можно, закрыв СЧ и ВЧ головки защитными колпаками, форма которых должна быть как можно ближе к сферической . Во-вторых, для снижения фазовых искажений плоскости установки ВЧ, СЧ и НЧ головок в АС в общем случае должны быть различны. Наиболее полную с практической точки зрения информацию по этому вопросу можно найти в .

Измерение низкочастотных динамических головок и их акустического оформления

Наиболее удобным для радиолюбителей является метод определения параметров динамических головок из частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления головки. На рис. 15 приведена типичная зависимость модуля полного сопротивления | Z \ от частоты в свободном воздухе. Аналогичная форма зависимости наблюдается при установке динамической головки в закрытом ящике. Определив эти зависимости, можно получить Qa, Qe, V AS /V и f S , необходимые для расчета громкоговорителя.

Схема измерений приведена на рис. 16. Сопротивление токозадающего резистора R должно быть примерно в 150...200 раз больше сопротивления динамической головки ВА по постоянному току. При этом УМЗЧ превращается в генератор тока через динамическую головку и падение напряжения на ней, измеряемое с помощью вольтметра В, прямо пропорционально сопротивлению головки. Значение частоты отсчитывают по шкале генератора Г или более точно по шкале частотомера Ч.

Вначале необходимо произвести измерение параметров головки в свободном воздухе. Головку требуется поместить, по возможности, далеко от отражающих поверхностей, например, закрепить на жесткой штанге. Жесткость штанги должна быть такой, чтобы ее собственная резонансная частота была значительно выше fs. Построив кривую, аналогичную изображенной на рис. 15, определяют fs", f 1 , f 2 , Re, Res, Rs, K 1,2 = 0,71Rs. Q"a и Q"e, характеризующие головку в открытом воздухе, определяют из соотношений:

(апострофы в обозначении f", Qa " Qe" обозначают, что эти величины не учитывают измерений в присоединенной массе воздуха, возникающих при работе головки в акустическом оформлении).

Резонанс будет при этом наблюдаться на частоте f"" 3 по ф-лам (1) и (2) могут быть найдены величины Qa" и Qe". Точные значения параметров fs, Qa, Qe и V AS /V могут быть найдены из соотношений:

f S = f S " SQR.((f S "Qe") / (f S "Qe)), (3)

Qa = (Qa" f S)"/fs, (4)

Qe = (Qe" f S)"/fs, (5)

V AS /V = (f S ""/f S)2 - 1, (6)

Необходимо отметить, что при низкой собственной резонансной частоте головки потери в ящике могут исказить зависимость |Z| от частоты и на ней появится еще один максимум, который легко принять за основной. Поэтому при снятии кривой необходимо быть уверенным в том, что найденный максимум - основной.

Для этого необходимо измерить зависимости | Z | от f в диапазоне от 20 до 100 Гц, и если будет обнаружено несколько резонансных “горбов”, выбрать тот, у которого амплитуда максимальна.

Следует отметить, что крутизна зависимости | Z | от f в максимуме очень мала, поэтому точно, измерить частоту fs очень трудно. Для повышения точности измерений можно рекомендовать сделать не менее 5-7 измерений fs и в качестве базового результата взять среднее арифметическое приведенных измерений. После этого необходимо сравнить полученное значение fs с fs* = SQR(f 1 f 2), и если они различаются не более чем на 1... 1,5 Гц, то измерения fs на этом можно считать законченными. Если fs и fs* различаются более чем на 1...1,5 Гц, то измерения необходимо провести снова.

Более детальное описание техники измерений с численными примерами читатели могут найти в .

ЛИТЕРАТУРА

1. Максимов С. Еще раз об улучшении звучания 25АС-109.- Радио, 1991, № 1, с. 46.
2. Алдошина И, Войшвилло А. Высококачественные акустические системы и излучатели.- М.: Радио и связь, 1985.
3. Салтыков О., Сырицо А. Звуковоспроизводящий комплекс.- Радио, 1979, № 7, с. 28-31; № 8, с. 34-38.
4. Виноградова Э. Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками М* Энегия- 1978
5. Адаменко Б., Демидов О. Усачева Е. Громкоговорители для бытовой радиоаппаратуры.- Радио. 1979, № 1. с. 35.
6. Шоров В. Улучшение звучания громкоговорителя 25АС-309.-Радио, 1985. № 4, с. 30.
7. А. Сырицо. Усилитель мощности на интегральных ОУ.- Радио, 1984, № 8, с. 35.
8. Лексины В. и В. Однополосный или многополосный?- Радио, 1981, № 4, с. 35.
9. Чантурия А. Трехполосный усилитель.- Радио, 1981, № 5-6, с. 39.
10. Солнцев Ю. Высококачественный предварительный усилитель.-Радио, 1985, № 4, с. 32.
11. Гумеля Е. Простой высококачественный УМЗЧ.- Радио, 1989, № 1, с. 44.
12. Дольник А. Особенности работы головки громкоговорителя в акустическом оформлении.- ВРЛ, 1977, вып. 56, с. 34.
13. Жбанов В. О фазовых характеристиках громкоговорителей.-Радио, 1989. № 10, с. 58.

Ирина Алдошина

Дата первой публикации:

Разделительные фильтры в акустических системах.

Практически все современные высококачественные акустические системы являются многополосными, то есть состоящими из нескольких громкоговорителей, каждый из которых работает в своем диапазоне частот. Это обусловлено тем, что практически невозможно создать динамический громкоговоритель, который обеспечивал бы излучение в широком диапазоне частот с малым уровнем искажений (в первую очередь, интермодуляционных, а также переходных, нелинейных и др.) и широкой характеристикой направленности. Поэтому в акустических системах (как профессиональных, так и бытовых) используют несколько громкоговорителей (низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные, иногда супервысокочастотные), а для распределения энергии звукового сигнала между ними включают электрические разделительные фильтры.

Влияние разделительных фильтров на формирование характеристик акустических систем в предыдущие годы недооценивалось: им отводилась лишь роль ослабления сигнала за пределами рабочей полосы частот громкоговорителей. Однако развитие техники акустических систем категории Hi-Fi заставило пересмотреть взгляд на роль разделительных фильтров в акустических системах и на методику их проектирования. Многочисленные теоретические и экспериментальные работы, посвященные влиянию разделительных фильтров на коррекцию характеристик излучателей и формирование объективных и субъективных характеристик акустических систем, заставили считать разделительные фильтры одним из важнейших компонентов акустических систем, с помощью которого можно синтезировать многие необходимые электроакустические характеристики и добиться значительного прогресса в обеспечении естественности звучания.

Прежде чем переходить к анализу различных типов фильтров, применяемых в акустических системах, и методам их расчета, остановимся на определении основных параметров фильтров.

Параметры фильтров
Фильтром называется устройство, пропускающее определенные спектральные составляющие в сигнале и не пропускающее (ослабляющее) остальные. Фильтр может быть реализован в виде аналоговой схемы (пассивные и активные фильтры), а также реализован программно или в виде цифрового устройства (цифровые фильтры).

В современных акустических системах применяются как пассивные, так и активные фильтры (кроссоверы). Первые включаются после общего усилителя в каждом канале, вторые включаются до усилителя. Общая схема включения показана на рис.1. Активные фильтры имеют ряд преимуществ перед пассивными фильтрами, поскольку их значительно легче перестраивать, можно реализовать различными способами, в них отсутствуют потери мощности и т. д. Однако активные фильтры проигрывают пассивным по таким параметрам, как динамический диапазон, нелинейные искажения, уровень шумов и др. Методы проектирования активных фильтров широко освещены в специальной литературе, поэтому здесь остановимся только на методах проектирования пассивных фильтров, которые широко используются в современных акустических системах.

Основными параметрами, определяющими свойства фильтров, являются:
- полоса пропускания - область частот, в которой фильтры пропускают сигнал;
- полоса задерживания - область частот, где фильтры существенно подавляют сигнал;
- частота среза f ср - частота, на которой сигнал ослабляется на 3 дБ по отношению к среднему уровню в полосе пропускания.

По характеру расположения полосы пропускания и полосы задерживания фильтры разделяются на четыре основных типа.

Фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают низкочастотные составляющие в спектре сигнала (от нуля до частоты среза) и подавляют высокочастотные. Используются для низкочастотных громкоговорителей. Форма частотной характеристики показана на рис. 2.

Фильтры высоких частот (ФВЧ) пропускают высокочастотные составляющие (от частоты среза и выше) и подавляют низкочастотные. Применяются для высокочастотных громкоговорителей. Форма АЧХ показана на рис. 2.

Полосовые фильтры (ПФ) пропускают определенные полосы частот (от f ср1 до f ср2 ) и подавляют нижние и верхние частоты. Применяются для среднечастотных громкоговорителей, рис. 2.

Существуют также режекторные фильтры, которые представляют собой комбинацию низкочастотного и высокочастотного фильтров. Они подавляют спектральные составляющие сигнала в определенной полосе частот и пропускают в других полосах. Применяются иногда в акустических системах для вырезания отдельных пиков и провалов на АЧХ.

Кроме того, каждый из перечисленных фильтров характеризуется следующими параметрами: крутизной спада АЧХ при переходе от полосы пропускания к полосе задерживания, неравномерностью в полосе пропускания и задерживания, резонансной частотой и добротностью (Q). В зависимости от структуры фильтра и количества элементов в нем может быть обеспечена разная крутизна спада АЧХ. Обычно в акустических системах используются фильтры с крутизной спада 12 дБ/окт, 18 дБ/окт и 24 дБ/окт (рис. 3), которые, соответственно, называются фильтрами второго, третьего и четвертого порядков.

Простейшая структура LC-фильтра низких частот второго порядка показана на рис. 4. Она включает в себя следующие элементы: индуктивность L, реактивное сопротивление которой прямо пропорционально частоте (XL = 2πfL), и емкость C, реактивное сопротивление которой обратно пропорционально частоте (ХС = 1/2πfC). Поэтому представленная на рис. 4а цепь пропускает низкие частоты (поскольку сопротивление индуктивности L мало на низких частотах) и обеспечивает затухание высоких частот. Фильтр высоких частот имеет обратную структуру (рис. 4б) и, соответственно, пропускает высокие частоты и задерживает низкие.

Вид АЧХ фильтров высоких частот второго порядка при разных значениях добротности показан на рис. 5. Резонансная частота такого фильтра определяется как f=1/(LC)1/2 , а добротность как Q = [(R2 C)/L]1/2 .

Из рис. 5 видно, что изменения значения добротности меняет характер спада АЧХ от гладкого (при Q = 0.707) до спада с подъемом на частоте резонанса (Q = 1).

По имени ученых, которые математически описали передаточные функции фильтров (то есть их формы частотных характеристик), они получили разное название: фильтры с добротностью Q = 1 называются фильтрами Чебышева, Q = 0.707 - Баттерворта, Q = 0.58 - Бесселя, Q = 0.49 - Линквица-Риле. Каждый из указанных типов фильтров имеет свои преимущества и недостатки.

Передаточная функция

Под передаточной функцией фильтра понимается отношение комплексной амплитуды напряжения на выходе фильтра к комплексной амплитуде напряжения на входе. Обычно передаточные функции физически реализуемых и устойчивых линейных цепей описываются в виде математических формул, знаменатели которых являются выражениями следующего вида (полиномами): Gn(s) = an sn +a n-1 sn-1 +…….+a1 s+1. Порядок фильтра определяется степенью n от комплексной частоты s, которая связана с обычной круговой частотой как s = jω. (величина j называется мнимой единицей ). Выбор вида коэффициентов аn определяет принадлежность фильтров к типу Баттерворта, Чебышева и др. Например, полиномы Баттерворта разных порядков имеют вид В1 (s) = (1+s); B2 (s) = (1+1,414s+s2 ) и т. д.

В акустических системах проблема выбора фильтров усложняется тем, что необходимо выбрать три или два (в зависимости от количества полос) типа фильтров одинаковых или разных порядков, которые совместно с громкоговорителями обеспечивали бы суммарные характеристики акустической системы (такие как амплитудно-частотная характеристика - АЧХ, фазочастотная характеристика - ФЧХ, групповое время задерживания - ГВЗ, и др.) с требуемыми параметрами внутри эффективно-воспроизводимого диапазона частот.

История создания фильтров
История создания разделительных фильтров начинается одновременно с появлением многополосных акустических систем. Одну из первых теорий разработали в 30-е годы инженеры G. A. Campbell и О. J. Zobel из фирмы Bell Labs (США). Первые публикации относятся к этому же периоду, их авторы K. Hilliard и H. Kimball работали в звуковом отделе фирмы Metro Goldwin Meyer. В 1936 году в мартовском номере Academy Research Council Technical Bulletin была опубликована их статья "Разделительные фильтры для громкоговорителей". В январе 1941 года K. Hilliard в журнале Electronics Magazine также опубликовал работу "Разделительные фильтры громкоговорителей", содержавшую все необходимые формулы для создания цепей Баттерворта первого и третьего порядков (как для параллельных, так и для последовательных схем). К 50-м годам фильтры Баттерворта были признаны предпочтительными для разделительных целей акустических систем. Тогда же в 60-х J. R. Ashley и R. Small впервые описали свойства "всепропускающих" фильтрующих схем, а также линейно-фазовых цепей.

Выяснению количественного соотношения затухания, вносимого фильтрами вне полосы пропускания, и величины интермодуляционных искажений вследствие перекрывания полос акустических систем, была посвящена статья "Фильтрующие цепи и модуляционные искажения" (автор R. Small), опубликованная в JAES в 1971 году. В ней было показано, что минимальная величина затухания должна быть 12 дБ/окт, чтобы предотвратить искажения в полосе перекрытия. Тогда же Ashley и L. М. Неnnе исследовали "всепропускающие" и "фазокогерентные" свойства фильтров Баттерворта третьего порядка. В 1976 году S. Linkwitz исследовал полярную диаграмму направленности для двухполосных систем с разнесенными излучателями и убедился, что акустические системы с разделительными фильтрами Линквитца-Риле обеспечивают ее симметричность.

Чуть позднее P. Garde дал полное описание всепропускающих фильтров и их разновидностей. Используя его идеи, D. Fink в соавторстве с Е. Long развил метод коррекции горизонтального (то есть глубинного) смещения головок громкоговорителей в акустических системах путем введения линий задержки в фильтр. Существенный вклад в теорию фильтрации внесли W. Marshall-Leach и R. Bullock, которые впервые ввели понятие оптимизации фильтров по типу и порядку с учетом смещения головок по двум осям. В продолжение этих работ R. Bullock описал свойства трехполосных симметричных фильтров и доказал, что трехполосная система фильтров не может быть получена как простая комбинация двухполосных, вопреки бытовавшему мнению. S. Lipshitz и J. Vanderkooy в серии статей рассмотрели различные варианты построения фильтров с минимально фазовыми характеристиками.

Новый этап в исследовании и проектировании многополосных акустических систем с разделительными фильтрами наступил с началом активной компьютеризации расчетов на основе программ ХОРТ, CACD, CALSOB, Filter Designer, LEAP 4.0 и др.

До недавнего времени конструирование разделительных фильтров в акустических системах шло практически методом "проб и ошибок". Это объясняется тем, что все теоретические работы прошлых лет, посвященные расчету разделительных фильтров в акустических системах, исходили из условия идеальности самих громкоговорителей. При анализе свойств разделительных фильтров того или иного типа и рассмотрении их влияния на характеристики акустических систем пренебрегали направленными свойствами громкоговорителей и условиями их физического размещения в корпусе акустической системы. Считали, что громкоговорители обладают плоской АЧХ, не вносят фазовых сдвигов в воспроизводимый сигнал и имеют активное входное сопротивление. Вследствие сказанного разработчики часто сталкивались с тем, что разделительные фильтры, обеспечивающие в идеализированных условиях требуемые характеристики, оказывались неприемлемыми при работе с реальными громкоговорителями, имеющими собственные амплитудно-частотные и фазочастотные искажения, комплексное входное сопротивление и обладающими направленными свойствами. Это и явилось причиной интенсификации в последние годы работ по созданию оптимизационных методов расчета разделительных фильтров-корректоров.

Выбор частот разделения
Как уже было отмечено, разделительные фильтры оказывают существенное влияние на такие характеристики многополосных акустических систем, как АЧХ, ФЧХ, ГВЗ, характеристики направленности, распределение мощности входного сигнала между излучателями, входное сопротивление акустической системы, уровень нелинейных искажений.

Начальным этапом в проектировании разделительных фильтров в многополосных акустических системах является обоснованный выбор частот разделения (частот среза) низкочастотного, средне-частотного и высокочастотного каналов. При выборе частот разделения обычно используют следующие предпосылки.

1. Обеспечение возможно более равномерных характеристик направленности, то есть отсутствия "скачков" ширины диаграммы направленности при переходе от низкочастотного к среднечастотному и от средне- к высокочастотному громкоговорителю, поскольку в той области частот, где они работают вместе, при отсутствии фильтра, диаграмма направленности резко сужается за счет расширения площади излучения.

2. Сохранение плавного изменения ширины характеристики направленности (по той же причине). Громкоговорители стараются размещать как можно ближе друг к другу и располагать их друг над другом в вертикальной плоскости (что позволяет избежать искажений характеристики направленности в горизонтальной плоскости, так как это отрицательно сказывается на воспроизведении стереопанорамы). Если выбор частоты разделения и расстояния между громкоговорителями влияет на ширину характеристики направленности, то соотношение фаз и амплитуд сигналов разделяемых частотных каналов влияет на ориентацию характеристики направленности в пространстве. Различные типы фильтров, как будет показано далее, в разной степени влияют на наклон характеристики направленности в пространстве в области частот разделения.

3. Ослабление пиков и провалов на АЧХ громкоговорителей, возникающих из-за потери поршневого характера движения диффузора. Выбор частоты среза и крутизны спада АЧХ фильтров для низкочастотных и среднечастотных громкоговорителей стараются осуществлять таким образом, чтобы первые резонансные пики и провалы ослаблялись не менее, чем на 20 дБ.

4. Ограничение амплитуды смещения подвижных систем средне- и высокочастотных громкоговорителей в низкочастотной части излучаемого ими спектра (и, соответственно, подводимой мощности) до значений, определяемых их механической и тепловой прочностью, что повышает надежность их работы и снижает уровень нелинейных искажений. Эти задачи регулируются как выбором частоты среза, так и выбором крутизны среза, которая должна составлять не менее 12 дБ/окт.

5. Обеспечение требуемого уровня звукового давления, поскольку с повышением частоты среза в области высоких частот можно увеличить уровень подаваемого напряжения, например, на высокочастотный громкоговоритель (поскольку амплитуды смещения диффузора с повышением частоты понижаются). Это позволяет увеличить, соответственно, уровень звукового давления в высокочастотной части АЧХ.

6. Снижение уровня нелинейных искажений, в частности, за счет эффекта Доплера (возникающих при модуляции высокочастотных составляющих низкочастотными компонентами сигнала).

Как правило, частоты среза в современных трехполосных акустических системах находятся в пределах: для низкочастотного громкоговорителя - 500...1000 Гц, для среднечастотного - от 500...1000 Гц до 5000...7000 Гц, для высокочастотного - 2000...5000 Гц.

Влияние на суммарные характеристики
Анализ влияния разделительных фильтров на формирование суммарных АЧХ, ФЧХ и других характеристик акустических систем удобно производить на некоторой идеализированной модели, в которой предполагается, что громкоговорители имеют активное сопротивление и идеальные характеристики (плоская АЧХ, линейная ФЧХ, постоянный сдвиг фаз между излучателями и др.). При расчете фильтров необходимо предварительно выбрать частоту среза (как уже было показано ранее), порядок и тип фильтра (Баттерфорта, Чебышева, Линквитца-Риле или др.).

По получаемым суммарным характеристикам фильтры, обычно применяемые в акустических системах, можно разделить на три группы: фильтры линейно-фазовые (in-phase), фильтры всепропускающие-(all-pass) и все остальные.

Фильтры линейно-фазовые (in-phase) обеспечивают частотно-независимую суммарную АЧХ, линейную ФЧХ (точнее, равную нулю на всех частотах), а также равную нулю ГВЗ. Примером могут служить фильтры Баттерворта первого порядка. Суммарные характеристики для двухполосной системы с такими фильтрами показаны на рис. 6. Опыт их использования в акустических системах показал, что они обладают рядом недостатков: плохой избирательной способностью, большой неравномерностью характеристик мощности сигнала, плохой характеристикой направленности в полосе раздела и др. Поэтому в настоящее время они в акустических системах категории Hi-Fi не применяются.

Фильтры всепропускающие (all-pass) обеспечивают плоскую суммарную АЧХ, частотно-зависимые ФЧХ и ГВЗ. Требования к линейности ФЧХ является избыточным для акустических систем - достаточно, чтобы их ГВЗ были ниже порогов слышимости (как показывают результаты измерений, фильтры такого типа вносят искажения ГВЗ в полосе раздела, удовлетворяющие этим требованиям). К этому типу фильтров относятся фильтры Баттерворта нечетких порядков и фильтры Линквица-Риле четных порядков. При этом свойства фильтров реализуются при разной полярности включения каналов: для 2, 6, 10 порядков требуется включение каналов в противофазе, для 4, 8, 12 - нет. Для нечетных порядков: 1, 5, 9 должны включаться синфазно, 3,7… -противофазно. Суммарные и поканальные характеристики фильтров Линквица-Риле второго порядка и Баттерворта третьего порядка для двухканальной идеализированной акустической системы показаны на рис. 7 и рис. 8. Следует отметить (будет показано далее), что фильтры нечетких порядков создают поворот главного лепестка характеристики направленности в области частоты раздела.

Существует довольно большой класс фильтров, которые применяются в акустических системах, но они не относятся к "всепропускающему" типу. Сюда включаются фильтры второго и четвертого порядка Баттерворта, второго и четвертого порядка Бесселя, группа ассиметричных фильтров четвертого порядка Лежандра, Гаусса и др. Они не дают суммарную плоскую характеристику, но этот недостаток можно частично исправить, если сделать частоты среза между громкоговорителями несовпадающими. Например, на рис. 9а показаны характеристики фильтра Баттерворта четвертого порядка с пиком АЧХ в 3 дБ на частоте раздела, равной 1000 Гц. Если несколько разнести частоты, то есть сделать частоту раздела для НЧ 885 Гц, а для ВЧ 1138 Гц, то пик на АЧХ исчезает (рис. 9б).

Как уже было сказано, выбор типов фильтров для низко-, средне- и высокочастотного громкоговорителя кроме обеспечения плоской АЧХ в полосах раздела, определяется требованием к обеспечению симметричности характеристики направленности акустической системы.

Внутри полосы пропускания каждого фильтра характеристика направленности акустической системы определяется характеристикой направленности каждого громкоговорителя, но внутри полосы раздела (полосы перекрытия фильтров) они работают совместно, то есть имеются два излучателя (например, средне и высокочастотный), которые разнесены в пространстве и работают на одной и той же частоте раздела. Пример такой системы показан на рис. 10. Пусть для простоты это будут два одинаковых излучателя, работающих в поршневом режиме с одинаковыми характеристиками направленности. На оси OA сигналы приходят в одинаковой фазе и складываются. Если оценить звуковое давление на оси OA", где фазовый сдвиг за счет разности пути от одного и другого громкоговорителя составит φ=π (то есть 180 град), то сигналы будут складываться в противофазе и на характеристике направленности появится провал. При дальнейшем сдвиге от оси в точках, где разница фаз составит 2π (то есть 360 град), опять появится пик. В целом характеристика направленности будет иметь трехлепестковый характер (рис. 10).

Ширина главного лепестка характеристики направленности на частоте раздела зависит от отношения расстояния между громкоговорителями к длине волны, а наклон лепестка зависит от соотношения амплитуд и фаз разделяемых каналов, что определяется также и типом выбранных фильтров.

Для уменьшения этого явления надо стараться уменьшить расстояние между громкоговорителями (например, за счет применения коаксиальных громкоговорителей), уменьшить ширину полосы раздела (за счет выбора фильтров более высоких порядков) и, наконец, выбрать соответствующий тип фильтра, поскольку каждый фильтр вносит свои частотно-зависимые фазовые сдвиги.

Например, при использовании фильтров третьего порядка типа Баттерворта происходит поворот главного лепестка характеристики направленности вниз (при включении громкоговорителей в одинаковой фазе), рис. 11. При включении громкоговорителей в противофазе (то есть изменении их полярности) лепесток характеристики направленности смещается в другую сторону относительно оси.

Анализ фильтров различных типов и порядков показал, что фильтры четных порядков (всепропускающего типа) не изменяют симметричности направления лепестков, фильтры нечетных порядков поворачивают лепесток вниз или вверх. Симметричные характеристики направленности обеспечивают наибольшую равномерность излучаемой акустической мощности.

Помимо влияния на характеристику направленности по АЧХ фильтры могут оказывать влияние на фазочастотные характеристики и ГВЗ в полосе раздела. То есть характер переходных процессов, несмотря на симметрию АЧХ, может отличаться при одинаковых углах смещения в верхней и нижней полуплоскости, и ГВЗ, будучи ниже порогов слышимости на оси, могут превосходить пороги слышимости в других точках пространства, тем самым ухудшая качество звучания.

Следует еще раз напомнить, что все сделанные выводы относятся только к случаю идеальных характеристик громкоговорителей. Учет реальных характеристик производится с помощью современных компьютерных программ.

Расчет пассивных акустических фильтров
Приступая к расчету пассивных акустических фильтров, необходимо уже четко определиться с конфигурацией системы (количеством полос воспроизведения, типами головок громкоговорителей и их параметрами, видом оформления - корпуса), а также выбрать порядок и тип фильтров в зависимости от основных задач, которые должны решаться при проектировании акустической системы: плоская АЧХ, линейная ФЧХ, симметричная характеристика направленности и др.

Поскольку в настоящее время в акустических системах чаще всего применяются фильтры типа "всепропускающих" (all-pass) с плоской АЧХ, то приведем приближенный расчет такого типа фильтров (более точные расчеты выполняются компьютерными методами).

Сначала разделительные фильтры рассчитываются из условия, что они нагружены на чисто активное сопротивление и питаются от генератора напряжения с малым выходным сопротивлением. Затем принимаются меры для учета влияния комплексной частотно-зависимой нагрузки громкоговорителей.

Расчет начинается с определения порядка фильтров и расчета элементов фильтра-прототипа. Фильтром-прототипом называется фильтр лестничного типа, элементы которого нормированы относительно единичной частоты среза и единичной нагрузки. Затем рассчитывается фильтр нижних частот для реальной частоты среза и реальной нагрузки, а из него путем преобразования частоты находятся элементы фильтра верхних частот и полосового фильтра.

Нормированные значения элементов фильтров-прототипов с первого по шестой порядок приведены в таблице 1.

Значения этих элементов даны только для фильтров "всепропускающего" типа, для других типов фильтров значения элементов в таблице будут другими. Схема фильтра-прототипа шестого порядка представлена на рис. 12. Фильтры меньших порядков получаются путем отбрасывания соответствующих элементов α (начиная с больших).

Значения реальных параметров фильтров для заданного порядка, сопротивления нагрузки R н (Ом) и частоты среза f i (Гц) определяются следующим образом.

1. Для фильтра нижних частот:
- каждая индуктивность-прототип α1 , α3 , α5 (рис. 12) заменяется на реальную индуктивность по формуле L=αi Rн/2πf1 ,(1) где i=1,3,5, f1 - частота среза фильтра нижних частот;
- каждая емкость-прототип α2 , α4 , α6 заменяется на реальную емкость по формуле C=αi /2πf1 Rн,(2) где i=2,4,6.

2. Для фильтра верхних частот (расчет происходит наоборот):
- каждая индуктивность-прототип α1 , α3 , α5 заменяется на реальную емкость C=1/2πf2 Rнαi ,(3) где i=1,3,5, f2 - частота среза фильтра верхних частот;
- каждая емкость-прототип заменяется на реальную индуктивность L=Rн/2πf2 αi ,(4) где i=2,4,6.

3. Для полосового фильтра:
- каждая индуктивность-прототип α1 , α3 , α5 заменяется на последовательный контур из реальных L- и C-элементов, рассчитываемых по формулам:
L=αi Rн/2π(f2 -f1 ),(5) С=1/4π2 f0 2 L,(6)
где - средняя частота полосового фильтра;
- каждая емкость-элемент α2 , α4 , α6 заменяется на параллельный контур из реальных L- и C-элементов, рассчитываемым по формулам:
С=αi /2π(f2 -f1 )Rн,(7) L=1/4π2 f0 2 C.(8)

Пример расчета разделительных фильтров для трехполосной АС

Для расчета выбираем следующие параметры: фильтры всепропускающего типа второго порядка, то есть схема фильтра-прототипа будет включать только элементы α1 , α2 , Rн (рис. 12). Частоты раздела между низкочастотным и среднечастотным каналами равны 500 Гц, между средне- и высокочастотным каналами равны 5000 Гц. Сопротивление громкоговорителей (на постоянном токе): низкочастотного и среднечастотного Re=8 Ом, высокочастотного Re=16 Ом. Значение нормированных параметров элементов определим из табл. 1: α1 =2,0, α2 =0,5.

Значения реальных элементов фильтра нижних частот находим по выражениям (1) и (2):
L1НЧ = α1 Rн/2πf1 = 2,0∙8,0/(2∙3,14∙500) = 5,1 мГн,
C1НЧ = α1 /2πf1 Rн = 0,5/(2∙3,14∙500∙8,0) = 20 мкФ.

Значения элементов полосового фильтра (для среднечастотного громкоговорителя) определяем в соответствии с выражениями (5)... (8):
L1СЧ = α1 Rн/2π(f2 -f1 ) = 2,0∙8,0/2∙3,14 (5000 - 500) = 0,566 мГн,
C1СЧ =1/4π2 f0 2 L = 1/4∙3,142 ∙5000∙500∙5,66∙10-4 = 18 мкФ,
С2СЧ = α2 /2π(f2 -f1 ) Rн = 0,5/2∙3,14 (5000-500) ∙8,0 = 2,2 мкФ,
L2СЧ =1/4π2 f0 2 C2СЧ = 1/4∙3,142 ∙5000∙500∙2,2∙I0-6 = 4,6 мГн.

Значения элементов фильтра верхних частот определяем в соответствии с выражениями (3,4):
С1ВЧ = 1/2πf2 Rн α1 = 1/(2∙3,14∙5000∙2,0∙16) = 1,00 мкФ,
L2BЧ = Rн/2πf2 α2 = 16/(2∙3,14∙5000∙2,0) = 0,25 мГн.

Расчеты, выполненные по этим формулам, корректны, только если фильтры нагружены на активное (омическое) сопротивление. Чтобы согласовать параметры фильтров с реальным комплексным сопротивлением громкоговорителей, надо включить дополнительно параллельно каждому громкоговорителю согласующую цепь. Параметры такой цепи находятся из условия, чтобы комплексное сопротивление этой цепи Zсогл и комплексное сопротивление громкоговорителя Zгг компенсировали друг друга при параллельном включении и обеспечивали бы в сумме активное сопротивление, то есть 1/ Zсогл+1/ Zгг=1/Re.

Для расчета элементов такой цепи строится эквивалентная электрическая схема громкоговорителя (см. предыдущую статью в декабрьском номере МО за 2008 год), и по отношению к ней создается дуальная компенсирующая цепь. Схема эквивалентной цепи громкоговорителя и соответствующей компенсирующей цепи показаны на рис. 13. Для компенсации входного сопротивления низкочастотного громкоговорителя можно использовать упрощенную цепь (поскольку резонанс громкоговорителя находится значительно ниже частоты среза фильтра и не оказывает влияния на его параметры), состоящую из двух элементов Rk1 =Re и Ck1 =Lvc/Re2 , где Re и Lvc - сопротивление и индуктивность звуковой катушки громкоговорителя.

Для средне- и высокочастотного громкоговорителя полная компенсирующая цепь включается, только если частота среза и резонансы громкоговорителей находятся близко друг от друга - в противном случае достаточно применять упрощенную цепь (расчет параметров полной цепи приведен в книге Алдошина И. А., Войшвилло А. Г. "Высококачественные акустические системы"). Кроме того, в схему иногда включаются дополнительно режекторные фильтры, чтобы убрать отдельные пики на амплитудно-частотной характеристике.

Пример схемы фильтров для трехполосной акустической системы с учетом согласующих цепей режекторного звена для среднечастотного громкоговорителя и дополнительного Г-образного аттенюатора, состоящего из двух резисторов для выравнивания уровней по звуковому давлению между НЧ-, СЧ- и ВЧ-громкоговорителями, показан на рис. 14.

В настоящее время для расчета фильтрующе-корректирующих цепей используются компьютерные методы оптимального синтеза линейных электронных схем. Для этого задаются структура фильтра и начальные значения элементов, затем производится расчет суммарных выходных значений АЧХ, ФЧХ и ГВЗ с учетом реальных измеренных параметров громкоговорителей, размещенных в корпусе, и путем целенаправленного изменения элементов схемы минимизируется разница между реальными и заданными параметрами. Применение методов оптимального проектирования позволяет обеспечить наилучшее широкополосное согласование параметров фильтров и громкоговорителей и получить оптимально достижимое значение параметров акустической системы.

Сейчас активно проводятся исследования по применению цифровых фильтров-процессоров в акустических системах, что позволяет перестраивать параметры системы в реальном времени в зависимости от вида звукового сигнала, а также обеспечивать оптимальное согласование характеристик акустической системы с параметрами помещения, но эта техника находится еще в начале своего развития и пока не нашла широкого применения в промышленных разработках.

Предлагаю обсудить тему активных фильтров для АС . Просьба высказаться тех, кто имеет практический опыт изготовления и прослушивания таких фильтров , а я покажу, что получилось у меня.

Активные фильтры , на мой взгляд, предпочтительны именно двухполосные, но для трехполосных АС. Частота раздела двухполосных АС всегда находится в области максимальной чувствительности слуха – несколько кГц т. к. пищалки не могут работать до частоты 100…500 Гц, а басовики из-за большого диаметра диффузора выходят из поршневого диапазона и на частотах 4…6 кГц работают неважно.
Широкополосники – компромисс и для них желательны костыли сверху или снизу.

Итак, на частотах раздела порядка 2 кГц прилично работают пассивные фильтры , а при работе микросхем на этих частотах, а особенно порядка 6 кГц (раздел между СЧ и ВЧ), могут возникнуть трудности. На частотах раздела в сотни Гц обычные микросхемы в активных фильтрах работают очень хорошо.
Итак, делим звуковой диапазон на НЧ и СЧ-ВЧ на частотах 100…500 Гц, а СЧ-ВЧ делим простейшим пассивным фильтром первого порядка.

Изыскания и испытания

Измеренная АЧХ моих динамиков

Кроме того активные фильтры незаменимы при значительной разнице в чувствительности головок, они позволяют использовать низкочувствительные НЧ динамики с высокочувствительными СЧ-ВЧ головками.
Из АЧХ головки видно, что нет смысла ловить микроны и добиваться именно 150 Гц, вполне годится 100…250 Гц.

Окончательная подстройка должна производиться при прослушивании собранных колонок и измерении с помощью микрофона. Такую подстройку проще осуществить именно активными фильтрами, в чем я и убедился при настройке фильтров.
Сначала я снял ЧХ фильтра с рекомендованными номиналами деталей, вот что получил.

АЧХ оригинальной схемы фильтра

Практически прямая линия суммарной АЧХ , всё отлично!

Забыл сказать, что я и 0 дБ – это ноль, общее усиление системы около -1 дБ (минус 13%), небольшая волнообразность ниже 40 Гц из-за примененного усилителя на К174УН14, ею можно пренебречь. Недостаток – частота раздела стала 63 Гц вместо 150. Отсюда я сделал вывод, что надо установить конденсаторы мЕньшей ёмкости, в плате я предусмотрел отверстия для них, и заново произвести настройку.

Тем не менее, результат, особенно для испытаний меня устроил. По результатам испытаний я решу, стоит ли ловить блох в 1 дБ и стоит ли сама идея активных фильтров свеч. Промежуточный результат для R4=13 кОм и R5=16 кОм.

Без настройки впаял детали в другой канал, идентичность очень неплохая. Конденсаторы перед установкой я отбирал с точностью примерно 5%, резисторы не подбирал.

Уровень сигнала в СЧ-ВЧ канале больше примерно на 0,7 дБ, при суммировании я это учитывал. Окончательное выравнивание будет в оконечных усилителях.
Повторюсь, крутизна фильтров для СЧ-ВЧ небольшая, возможно, есть смысл в добавке конденсатора последовательно с СЧ-ВЧ головками, это покажет прослушивание.

Планы

Файлы