Трехполосный стереоусилитель

Трехполосный УНЧ позволяет избавиться от разделительных фильтров в АС, улучшить согласование УНЧ с головками, уменьшить частотные, нелинейные и фазовые искажения. Трехполосный УНЧ обеспечивает одинаковую с однополосным УНЧ громкость при меньшей мощности усилителей полос.

Однако никакого физического чуда ожидать не следует. В каждой полосе используются усилители достаточно малой мощности [7], которые необходимо нагружать на чувствительные головки. Особенно это касается НЧ полосы. Именно поэтому применение компрессионных головок нежелательно. Однополосные традиционные УНЧ для того и конструируются с повышенными мощностями, чтобы иметь возможность регуляторами тембра поднимать усиление по краям звукового диапазона, если низок КПД головок. Для трехполосного УНЧ наилучшими являются головки 6ГД2, 4ГД8Е, 2ГД36. В каждую АС следует устанавливать по две штуки каждого типа, соединяя их между собой последовательно. С каждой группой головок желательно включить последовательно потенциометр сопротивлением 10— 30 Ом для подстройки “на слух”.

В областях конструирования АС найдено множество оригинальных решений, значительная часть которых касается технологии изготовления головок. Радиолюбители смогут применить на практике только разработки, касающиеся совершенствования ящиков АС с целью линеаризации фазовой характеристики громкоговорителя. Электрическое фазирование головок АС является разумеющимся при изготовлении АС. Фазирование акустическое — это также необходимое мероприятие для адекватного преобразования электрического сигнала в звуковой.

На рис. 3 показано традиционное размещение головок на фронтальной доске АС. Очевидно, что геометрическое смещение D t СЧ и ВЧ головок относительно НЧ головки вызовет неодновременный приход компонентов звука сложного спектра к слушателю. Оценим влияние этой неравномерности.

Рис.3. Традиционное размещение головок на фронтальной доске АС

Рассмотрим сначала простой случай, когда к головкам СЧ и НЧ подведен синусоидальный сигнал, близкий по частоте к частоте раздела фильтров в АС (или в трехполосном УНЧ). Будем считать, что предыдущие звенья аппаратуры (УНЧ и фильтры) не изменили фазу сигналов, подведенных к головкам. Головка СЧ расположена ближе к слушателю. Очевидно, что звуковой сигнал, воспроизводимый СЧ головкой, достигнет слушателя раньше, чем такой же по форме сигнал от НЧ головки. Складываясь несинфазно, эти два сигнала создадут у слушателя неверное представление о чистоте тона, появится некоторая хриплость звучания.

Рис. 4. Схема ступенчатой АС

Более правильным способом испытания АС будет метод возбуждения громкоговорителя сигналом прямоугольной формы. Прямоугольный импульс можно представить в виде множества синусоидальных сигналов широкого спектра частот, заполняющего этот импульс, причем все синусоиды точно сфазированы между собой. Подадим электрический прямоугольный импульс на АС. Громкоговоритель преобразует электрическую энергию импульса в механическую энергию колебаний диффузоров головок, движения которых создадут колебания частиц воздуха. Этот, уже акустический импульс можно принять измерительным микрофоном и наблюдать на экране осциллографа. Очевидно, качество АС тем лучше, чем ближе сходство форм акустического и электрического импульсов. При расположении головок по схеме, показанной на рис. 3, нельзя надеяться на точное преобразование громкоговорителем сигналов электрических в акустические. Вероятно, сдвинув СЧ и ВЧ головки на некоторое расстояние, совместив их акустические центры (центры излучения) с акустическим центром НЧ головки, можно добиться одновременного прихода к слушателю отдельных составляющих спектра импульса. Схема такой АС показана на рис. 4. Исследованиями установлено, что передача таким линейно-фазовым громкоговорителем импульсного сигнала прямоугольной формы осуществляется значительно правильнее, чем АС по схеме, изображенной на рис. 3.

Люди, обладающие музыкальным или вообще тренированным слухом, имеют повышенную чувствительность к описанным искажениям. Критерий качества звучания связан прежде всего с точностью воспроизведения переходных процессов, свойственных самим музыкальным инструментам [8]. Переходные процессы, связанные с характером нарастания и спадания звука, передают слушателю наиболее полную информацию об инструменте и особенностях игры исполнителя. Поэтому АС с фазовой коррекцией имеют лучшее звучание.

Измерения параметров АС при испытании синусоидальным или шумовым сигналом не дают реального представления об их качестве при передаче музыкальной программы. Например, если в ящик поместить около 20 маленьких головок невысокого качества с относительно высокой резонансной частотой (150 Гц), то такая система будет работать, начиная с 20 Гц. Однако подобная АС не может воспроизвести последовательность прямоугольных импульсов с частотой повторения 50-100 с-1. Несмотря на линейность АЧХ по звуковому давлению, импульсы будут дифференцироваться и воспроизводиться в виде заостренных пиков.

Иная картина наблюдается при возбуждении такой АС синусоидальным сигналом. Расстояния между излучателями малы по сравнению с длиной излучаемой волны, поэтому каждый излучатель должен совершить работу по преодолению установившегося звукового давления, созданного всеми остальными излучателями. Эта работа значительно больше той, которую совершал бы одиночный излучатель, преодолевая лишь упругую реакцию среды (воздуха), соколеблющегося с одним диффузором. Поэтому систему таких излучателей можно уподобить одному излучателю большого диаметра, что и обеспечивает АС ровную АЧХ при стационарном сигнале (синусоида) с самых низких частот,

Однако из этого не следует, что звучание такой АС окажется удовлетворительным. Сумма посредственных излучателей принципиально не может дать высокого качества звучания, так как звуковые импульсы, возбуждаемые отдельными головками, подходят к диафрагмам других излучателей не одновременно вследствие ограниченной скорости звука и технологической неодинаковости резонансных частот головок и расстояний между излучателями. В результате звуковое поле, возбуждаемое такой АС от импульсного сигнала, будет соответствовать дифференцированному входному напряжению.

Поэтому иногда даваемые радиолюбителям рекомендации применения нескольких НЧ головок с относительно высокими резонансными частотами для замены одной качественной теоретически необоснованны.

Кроме того, в многополосных АС резонансные частоты СЧ и ВЧ головок также должны быть по возможности ниже частот разделения фильтров, чтобы не происходило дифференцирование импульсов.

Частота fВ, до которой работу динамической головки прямого излучения можно с некоторыми допущениями описать колебаниями поршня с площадью, равной эффективной площади диффузора, определяется [2]:

, (1)

где С — скорость звука в воздухе 330 м/с; D — диаметр основания диффузора, м; fВ — верхняя частота, Гц.

Эффективная площадь диффузора считается равной 50-58 % полной площади [9]:

, (2)

где K=0,5-0,58.

Для нахождения акустического центра динамической головки с конусным диффузором следует заменить объем, занимаемый конусом, на равный ему объем цилиндра с площадью основания, равной эффективной площади конуса диффузора. Геометрический центр этого цилиндра и есть акустический центр головки. Это справедливо в диапазоне частот, определяемых по формуле (1).

Найдем способ определения акустического центра применительно к головкам произвольных размеров. Известно, что объем усеченного конуса (в м3) определяется:

, (3)

где R, r — радиусы большего и меньшего оснований, м; HK — высота усеченного конуса, м. Объем цилиндра (в м3):

, (4)

где S — площадь основания, равная Sэфф, м2; HЦ — высота цилиндра, м.

Сформулированное условие отыскания акустического центра требует замены объема VК на равный VЦ:

Очевидно, что геометрический центр цилиндра лежит на середине его высоты и является акустическим центром (рис. 5).

Рис. 5. К расчету акустического центра

Расстояние от плоскости большого основания конуса диффузора до акустического центра назовем высотой акустического центра:

, (5)

где Dи d — диаметры большего и меньшего оснований; K=0,5-0,58.

Рис. 6. К расчету смещения головки СЧ

По формуле (5) можно найти высоту акустических центров СЧ и НЧ головок и вычислить величину смещения D h головки СЧ для совпадения hСЧ и hНЧ (рис.6):

D h = hНЧ — hСЧ. (6)

Поскольку базой, от которой измеряется h, является плоскость большого основания диффузора, то для совпадения hНЧ и hСЧ нужно сместить базовую плоскость СЧ головки относительно базовой плоскости НЧ головки на величину Δh, т.e. заглубить СЧ головку внутрь АС (либо выдвинуть НЧ головку).

Обычно для уменьшения неравномерности АЧХ рекомендуют устанавливать СЧ головки так, чтобы их базовые плоскости лежали в плоскости наружной части акустического экрана ящика АС. В то же время головки НЧ обычно крепятся к внутренней плоскости этого экрана. При толщине экрана 20—25 мм еще более возрастает несовпадение hНЧ и hСЧ, что увеличивает фазовый сдвиг воспроизводимых компонентов сигнала. Например, для головок 6ГД2 (Dэфф ~ 200мм) и 4ГД7 (Dэфф ~ 154мм) Δh~10мм = 0,01м. Такое сравнительно небольшое Δh является следствием близости геометрических размеров диффузоров.

Излучение СЧ головки доходит до слушателя с запозданием:

. (7)

С учетом толщины экрана Δt ~ 0,08мс. Для головок 6ГД2 и 4ГД8Е (Dэфф ~ 100мм) Δh = 20мм и Δt ~ 0,06мс, а с учетом экрана Δt ~ 0,12мс.

Однако не следует делать ошибочный вывод, что равенство диаметров НЧ и СЧ головок улучшит АС. Увеличение Dэфф снижает fв, определяемую формулой (1). При этом возникнут трудности ее согласования в зоне совместной работы с ВЧ головкой. Частоту, на которой происходит полное подавление сигнала в зоне совместной работы головок, можно определить [6]:

. (8)

Например, при Δt ~ 0,05мс для СЧ и ВЧ головок происходит спад высоких частот уже с 10 кГц.

Фазовый сдвиг, вызывающий частичное подавление некоторых частот, определяется [5]:

. (9)

Отрезок времени от момента возникновения сигнала до t ~ 0,5-1,0мс наиболее существен для восприятия тембра инструментов. На этом отрезке времени отдельные частотные компоненты, суммой которых можно представить результирующую форму сигнала, жестко связаны между собой, т.e. когерентны. Акустические свойства помещения еще не сказываются на восприятии сигнала. При монофоническом воспроизведении сигналы от НЧ до СЧ головок одной АС когерентны, практически тождественны и разделены для воспринимающих их органов слуха временем Δt. Время Δtслишком мало, чтобы сигналы воспринимались как два независимых [3]. Поэтому создается один кажущийся источник звука (КИЗ), тембральное звучание которого изменяется при изменении Δt [6], что вызвано интерференцией (взаимоуничтожением отдельных спектральных составляющих сложного сигнала аналогичными по амплитуде и частоте составляющими, но противоположными по фазе). При этом звучание становится более глухим, так как интерферируют в первую очередь ВЧ компоненты. В АЧХ громкоговорителя вследствие этого появляются глубокие провалы. Кроме того, в формуле (9) часть звуковых компонент, излучаемых головками со сдвигом фазы менее 180°, складываются, образуя новые созвучия, которые отсутствуют в реальном источнике программы, что ощущается в виде искажений. Причем, КИЗ становится размытым, менее локализуемым [3].

При стереофоническом воспроизведении сигналы от каждой пары (НЧ + СЧ) головок двух АС уже не тождественны. Отличия их временных структур используются органом слуха для уменьшения интерференционных искажений суммарного сигнала, формирующего слуховое ощущение [6]. При этом инструменты оркестра звучат более естественно. Это одно из основных достоинств стереофонии (кроме возможности локализации КИЗ).

Еще более снизить интерференционные искажения можно, уменьшив Δh головок. Вычислять Δh между СЧ и ВЧ головками по формуле (6) уже нельзя, так как не будет соблюдено условие (1), т.e. ВЧ головка не может быть представлена “поршнем”. Формула (5) может также служить лишь ориентиром для конструирования АС в пределах сделанных допущений (1) и (2).

Рис. 7. Блок-схема устройства для наблюдения формы импульса при

определении расположения ВЧ головки:

1 — генератор одиночных импульсов; 2 — трехполосный УНЧ; 3 —АС;

4 — измерительный микрофон; 5 — микрофонный усилитель;

6 — электронный ключ; 7 — осциллограф

Окончательное расположение СЧ и ВЧ головок по отношению к НЧ головке лучше выбирать, наблюдая форму импульса длительностью τ ~ 25мкс [3], воспроизводимого АС, по блок-схеме, изображенной на рис. 7. Электронный ключ 6 необходим для отпирания и запирания входа осциллографа на время следования импульса, чтобы устранить акустическое влияние помещения. Перемещая СЧ и ВЧ головки и наблюдая форму импульса, можно найти положение, когда отличие от подаваемого с генератора на АС прямоугольного импульса станет наименьшим. СЧ и ВЧ головки устанавливаются на верхней стенке ящика на подвижной подставке, обеспечивающей возможность независимого перемещения СЧ и ВЧ головок относительно НЧ головки.

Соединительные кабели между трехполосным УНЧ и АС должны иметь по возможности малое сопротивление постоянному току (0,1 Ом), а также малую емкость на единицу длины (15 пФ на 1 м).