У попередньому матеріалі ми з шановним читачем разом, в ногу, так би мовити, йшли до думки про необхідність частотного поділу в акустичних системах. І прийшли. Всім хороша ідея відтворення звукового діапазону одним випромінювачем, і, як то кажуть, радий би в рай. але якості звучання, адекватного сучасним вимогам, від однополосной системи не отримати.
Сьогодні ми познайомимося з не менш важливими, ніж минулого разу, особливостями частотного поділу в многополосних АС; спробуємо розрахувати реальну багатосмужну систему; поговоримо про переваги і недоліки так званої активної фільтрації. Головний потік наших думок спрямований, зрозуміло, в бік автомобільного аудіо, однак і звичайне, домашнє, ображати не будемо, витоки все-таки там.
Два питання. Обидва - ребром
Скільки смуг потрібно? Де ділити звуковий частотний діапазон? Ці питання стійко стоять ребром, незважаючи на всі технологічні потрясіння, і вимагають обережного окремого обговорення. Спочатку розглянемо його в загальному, стосовно АС універсального призначення, а потім поставимо все з ніг на колеса.
Як тільки акустики навчилися абияк здійснювати частотний поділ в многополосних АС, море їм здалося по коліно, і стали з'являтися двох-, трьох-, чотирьохсмугові і т.д. системи. Нового Богу стали бити чолом так старанно, що в процесі расшібанія чола звучання ставало все гірше і гірше. Однак мисляча частина акустичної братії неухильно набирала статистику і намагалася під будь-яке її прояв підводити теоретичну базу, часом небезуспішно.
Шлях акустиков 60-70-х років був звивистий і тернистий, глибокі розкопки поєднувалися з пошуком під ліхтарем, відсутність адекватних моделей людського музичного слуху призводило до створення дивовижних по своїй бездарності громихалок (тут внесок в світовий процес зробила і вітчизняна промисловість). Але поряд з ними були і шедеври, про які хочеться згадувати до сих пір.
Уміння виробляти високоякісні широкосмугові головки кануло в літа разом з осколками Третього Рейху, головки ж, призначені для відтворення обмеженого частотного діапазону, явно не справлялися і з полегшеною завданням.
Радіоаматори зі стажем напевно згадають, який дивно кострубатою АЧХ відрізнялися дітища вітчизняного генія - головки 10ГД-30, 15ГД-11, і як сильна була ностальгія їх власників по томного і природному звуку 8ГД-1, 2А-9 і їм подібних.
Три частотні смуги в ті далекі часи здавалися розумним мінімумом, але навіть в трьохполосних системах НЧ-головка не справлялася з верхньою частиною відведеного їй діапазону. Двополосні системи хоч і випускалися, але взагалі ніяк не грали (деякий виняток - перші вітчизняні малогабаритні системи 10МАС і 6МАС).
Минув час, і з'ясувалося: більшість сучасних домашніх АС - двохсмугові. За обсягом випуску їм трохи поступаються трьохсмугові системи, чотирьохсмугові рідкісні, П'ятиполосний - екзотика чи марення, в залежності від марки.
Двосмугова акустика проводиться з припущенням, що покупець змириться з відсутністю баса. Жодна двухполосная система баса не забезпечує. Не думаю, що це неможливо, однак, не роблять. Чому - скажу, але трохи пізніше. Отже, двосмугова система має НЧ-головку, на яку подаються частоти від нуля до частоти розділу і ВЧ-випромінювач, що споживає все решта.
Фаза - для синусоїдального сигналу - аргумент, тобто те, що стоїть під знаком синуса. Різниця фаз двох сигналів - різниця аргументів. Поняття фази найбільш строго може бути введено тільки для синусоїдальних сигналів. Фільтри вносять зсув по фазі між синусоїдальним вхідним і вихідним напругою, який можна виміряти фазометром або зареєструвати Двопроменева осцилоскопом. Цей зсув залежить від частоти сигналу.
Частота - похідна фази по часу, простіше - швидкість зміни фази, та ще поділена на 2p (миттєва частота). Для синусоїдальних процесів - величина, зворотна періоду. Для несинусоїдальних - поняття частоти строго введено бути не може, тому що не існує строгого визначення фази.
Нерідко для будь-якого періодичного процесу за частоту приймають величину, зворотну періоду. Однак такий параметр характеризує процес лише в загальних рисах, поняття миттєвої частоти в даному випадку дуже розпливчасто. Іноді для складних процесів доводиться вводити поняття частость як параметр, пов'язаний з числом перетинів осі абсцис в одиницю часу: зрозуміло, що за відрізок періодичності процес може перетнути вісь абсцис скільки завгодно раз.
Фільтр - пристрій, що володіє залежністю будь-яких фізичних параметрів від частоти. Причому ця залежність може бути виявлена через зовнішні прояви. Фільтр електричний має залежність від частоти відносини нормованих амплітуд синусоїдальних сигналів на виході і вході (АЧХ), різниці фаз між синусоїдальними сигналами на виході і вході (ФЧХ) і ряду інших параметрів. Ці властивості фільтра і використовуються в інженерній практиці.
Фільтр нижніх частот (ФНЧ) - фільтр, який пропускає синусоїдальні сигнали до певної частоти, а потім починає пропускати їх з ослабленням, званим внесеним фільтром загасанням.
Фільтр верхніх частот (ФВЧ) - те саме, тільки навпаки.
Смуговий фільтр - пропускає або не пропускає сигнали, що лежать в певній смузі частот, тобто ті синусоїдальні сигнали, частота яких вище певної Fн, але нижчу від визначеної Fв. Може інтерпретуватися як сукупність ФНЧ і ФВЧ.
Всепропускающій фільтр - фільтр, що має плоску АЧХ у всьому діапазоні частот. Як фільтр, тобто, пристрій, призначений для частотної фільтрації, сенсу не має. Однак, володіючи певною ФЧХ, може використовуватися як фазовий коректор. В акустичних системах застосовуються всепропускающіе фільтри, але їх всепропускающіе властивості проявляються тільки після акустичного складання сигналів випромінювачів (динаміків) різних смуг, для яких фільтр виконує самі що ні на є звичайні, частотно-фільтруючі властивості.
Фазокогерентний фільтр - не зовсім коректне назву фільтрів, що мають нульову або постійну, або лінійно наростаючу ФЧХ. Знову-таки, в АС фазокогерентние властивості починають проявлятися лише після акустичного складання смугових сигналів. Кожен же смуговий сигнал (сабвуфер, мидбаса і т.д.), пройшовши через фільтр, отримує нелінійний фазовий зсув.
Тільки всепропускающій фазокогерентний фільтр не змінює форму несинусоидального сигналу. Людське вухо чутливо до форми музичного сигналу навіть за відсутності нелінійних спотворень.
Пасивний фільтр - фільтр з пасивних лінійних елементів - индуктивностей, ємностей, резисторів.
Лінійні елементи - утворюють лінійні електричні кола - ті, які не змінюють форму синусоїдального сигналу.
Активний фільтр - пристрій, що використовує підсилювальні елементи (лампи, транзистори, мікросхеми тощо) і що володіє частотно-виборчими властивостями, тобто певної АЧХ і ФЧХ. Як правило, застосовуються на низькому рівні потужності і дозволяють отримувати необхідні характеристики легше, ніж пасивні.
Те ж саме, тільки про автомобілі
Односмугові системи в автомобільній аудіотехніки протрималися помітно довше, ніж їм вдалося це зробити в домашньому Hi-Fi-аудіо. Причина проста: народ став замислюватися про автомобільний Hi-Fi як спосіб життя і комерційної ніші років 20 назад - і тут же з'явилися думки про необхідність многополосних систем в автомобілі. За великим рахунком (не зовсім політично коректно з точки зору нашого журналу) автомобіль - пристосування для їзди, а не для прослуховування фонограм. І тільки незмінно властиве людині прагнення до комфорту і досконалості призвело до появи такого дивного з точки зору розсудливої обивателя монстра, як автомобільний хай-фай і хай-енд. Однак ми відволікаємося.
Число смуг в автомобільних системах виходить з числа смуг в домашніх шляхом збільшення одиниці: дві + 1 або три + 1 смуги. Приплюсовується сабвуфер. В автомобілі він застосовується на додаток до наявних каналах завжди і є одним з компонентів многополосной системи. Про поділ смуг СНЧ / НЧ (сабвуфер - мидбас, якщо по-автозвуковому) ми вже говорили, і ще окремо поговоримо в майбутньому. А що стосується частот поділу НЧ / СЧ і СЧ / ВЧ, то наведені вище міркування залишаються справедливими. Деталі й подробиці, властиві тільки автозвуку, є, але різниця родинної злагоди і автомобільного аудіо не в різних частотах поділу, а в принциповій неможливості розмістити головки в автомобілі там, де це було б зробити з точки зору якості звучання - позначається наше зауваження про призначення авто - не слухати, а їздити.
До речі, якщо не їздити, то слухати можна набагато краще. Це зрозуміло всім, хто відвідував виставки і розглядав і обслушівал машини з рекордними установками. Однак це тема для іншої розмови. А зараз - до справи.
Незважаючи на те, що розробники фільтруючих систем докладають всіх зусиль, щоб захистити динамічну головку від необхідності
Досить серйозні фірми з усією відповідальністю підходять до розробки і виробництва фільтруючих систем для домашніх АС.
Розрахунок розділових фільтрів акустичних систем
Смію сподіватися, що наші довгі підступи не відбили у читача полювання роздобути в безроздільне користування ефективну методику розрахунку фільтрів. Однак викладений досі і, загалом, не найпростіший матеріал, напевно, не залишає сумнівів, що ми можемо уявити лише гранично спрощений спосіб розрахунку, тим не менш, в межах свого призначення дає дуже непогані результати. Причому вручну, без всяких комп'ютерних програм, як за старих часів.
Отже, основні допущення:
Перше. Ми однозначно визначаємося з типом фільтру, вибираючи всепропускающій варіант, тобто будуємо фільтри з плоскими АЧХ. Напевно, це непогано. Ознайомлені з першою частиною статті можуть пригадати, що такими є фільтри Баттерворта непарних порядків і фільтри Лінквіца - Райлі парних. Такий вибір однозначно визначає коефіцієнти в універсальній таблиці прототипів.
Друге. Ми будуємо односторонньо навантажені фільтри, причому навантаження їх активна. Це означає, що підсилювач низької частоти повинен мати низький вихідний опір, практично нульове, що майже завжди виконується для транзисторних УНЧ, а реактивність навантаження повинна або бути відсутнім, або компенсуватися.
Третє. Фільтри робимо симетричні, інакше: якщо робимо смуговий фільтр, то і зліва і справа крутизна спаду АЧХ буде однаковою.
Четверте. Частоти зрізу фільтрів збігаються при формуванні однієї частоти розділу. Це означає, що, розраховуючи фільтр-роздільник на частоті 1000 Гц, ми будуємо його на основі ФНЧ з частотою зрізу 1000 Гц і ФВЧ з частотою зрізу теж 1000 Гц. Можливість іншого варіанту обговорювалася статтею раніше, вона доступна при даній методиці, проте не будемо ускладнювати собі життя (завчасно).
П'яте і останнє. Смугові фільтри виконуємо на смугових елементах (паралельних і послідовних контурах). Такі фільтри легше розраховувати, наприклад, ніж ті, які складаються з каскадно включених ФНЧ і ФВЧ.
А тепер приступимо. Щоб бути в гущі життя - на конкретному прикладі класичної системи «дві смуги + сабвуфер», а головки виберемо «до смаку».
Застосовувані головки і їх параметри (Таблиця 1).
Більшість наведених у таблиці даних буде потрібно нам при розрахунку компенсуючих ланцюгів, однак такі характеристики, як опір звукової котушки постійному струму Re і вибрані частоти розділу F3 (80 і 1700 Гц), ми використовуємо найбезпосереднішим чином.
Застосовувані головки і їх параметри (Таблиця 1)
Тепер про розрахунок і, як кажуть фокусники, стежте за руками.
Універсальна таблиця прототипів (Таблиця 2).
Універсальна таблиця прототипів
Значення нормованих параметрів елементів фільтрів Zi
Перше. Складається схема-прототип. Нам з прототипу потрібні тільки елементи z1, z2 і z3, так як ми робимо фільтр третього порядку. Взагалі-то, вправо і вниз (по таблиці) прототип може розростатися необмежено (Малюнок 2).
Як жити далі? Активно.
Післямова:
Компенсація індуктивності звукової котушки.
Нам це треба?
Давайте подивимося. Ось зовсім реальна ситуація: 4-дюймова Мідбасові головка Polk Audio db4510. По калібру і звичкам відмінно працює і в ролі среднечастотной в трехполосной системі. Крива імпедансу, виміряна у цій головки, показана синім на рисунку 4.
Малюнок 4. Імпедансна крива динаміка
Polk Audio db4510 з компенсацією індуктивності і без.
Внизу - ясно, резонансний пік, що не про нього зараз мова. Подивіться вище за частотою: опір зростає, та ще й як! Якщо мовчки розрахувати розділовий фільтр, виходячи з номінального опору динаміка (4 Ом), він мало на що буде придатний: на частоті розділу, скажімо, 4 кГц опір динаміка більше 8 Ом, а вище - доходить до 20 Ом. Щоб привести імпеданс головки до тями, застосовують так звані ланцюги Цобеля (Малюнок 5).
Малюнок 5. Схема компенсаційної ланцюжка Цобеля.
Малюнок 6. АЧХ кросовера з фільтрами першого порядку
на частоту 3 кГц при активному навантаженні. Ідеальний випадок.
Всі шляхом: ФВЧ пропускає високі частоти, ФНЧ - нижні, за фахом, в сумі - горизонтальна АЧХ. Але це - результат моделювання при активному навантаженні, тобто обидва динаміка замінюються резисторами по 4 Ом на душу населення.
Тепер замінимо резистори еквівалентами реальних динаміків з індуктивностями звукових котушок 0,3 мГ для НЧ-головки і 0,2 мГ - для ВЧ. Значення не далекі від реальних. Ну, може, для пищалки трохи більше типового, але це - для наочності (Малюнок 7).
Малюнок 7. При реальному навантаженню від красивих АЧХ
не залишається і сліду.
Подивіться, що сталося. Фільтр нижніх частот, і так-то з не фантастичною крутизною, перетворився майже на фікцію: ослаблення на 10 кГц ледь 4 дБ. А ФВЧ, навпаки, став не в міру агресивним, поблизу частоти розділу крутизна наближається до характерної для фільтра другого порядку, тому що індуктивність головки починає працювати як частина фільтра.
А сумарна характеристика - сльози та й годі. Чи не про таке ми мріяли.
А ось що буде, якщо паралельно з обома головками включити компенсуючі ланцюжка Цобеля, розраховані, як говорилося: характеристики обох ланок фільтра приходять в норму, а сумарна АЧХ, нехай і не остаточно, але стає горизонтальною. Невелика нерівномірність - результат того, що наведена методика все ж спрощена. Але, як бачите, результат більш ніж вражаючий (Малюнок 8).
Малюнок 8. Компенсація індуктивності головок дозволяє привести характеристики розділових фільтрів до тями.
Тут виникає другий закономірне питання: якщо без компенсації так погано, а з нею так добре, чому такі ланцюжки зустрічаються не у всіх кроссоверах? Причин, як завжди, дві. Перша: деяким виробникам ліниво і / або дорого. Це - тривіально. Друге - менш тривіально. Є думка, детально обговорювати яке ми зараз не будемо, просто візьмемо до уваги, що компенсація індуктивності псує звук на реальному музичному матеріалі. Підстави для такої думки ось які: музичний сигнал по природі в основному імпульсний. А якщо паралельно з головкою включена ємність, то приходять імпульсом вона зарядиться, кілька змастивши фронт, а після закінчення імпульсу ємність буде розряджатися через динамік, затягуючи спад імпульсу. Тому деякі, цілком добросовісні, виробники акустики воліють ланцюжків не ставити, а нерівномірність АЧХ усувати, індивідуально підбираючи характеристики ланок фільтра. Хто правий? А в акустиці немає остаточних відповідей. Є погляди, думки і школи. Так що тут вже ви самі.
Костянтин НІКІТІН
(Журнал «Автозвук»)