Попередній підсилювач для сабвуфера (схема, опис, харчування, печатка) в статті Попередній підсилювач для сабвуфера з коректором Лінквіца
Рис.1. АЧХ сабвуфера в корпусі типу закритий ящик (ЗЯ).
Ситуацію можна поліпшити в такий спосіб - ввести якусь еквалізацію в вихідний сигнал, грубо кажучи, підняти тембр низьких частот в підсилювачі сабвуфера таким чином, щоб компенсувати це саме зниження гучності. При правильному налаштуванні коректує ланцюга, спад на низьких частотах динаміка повністю компенсується і результуюча АЧХ виходить лінійної аж від 13 Гц! Головне тут правильно підібрати коригувальну АЧХ:
Мал. 2. Частотні характеристики сабвуфера, коректора і вийшла результуюча.
Цю коригувальну АЧХ можна отримати за допомогою простої і дотепною схеми, відомої як коректор (іноді його називають трансформатор, що не зовсім правильно) Лінквіца (Linkwitz transform), запропонований інженером Зігфрідом Лінквіца (Siegfried Linkwitz). Схема не тільки коригує потрібним чином АЧХ, але ще і имееет спеціалізовану ФЧХ - так, щоб "підкоригована" колонка повністю відповідала реальній, що має зовсім інші (набагато кращі) властивості:
Мал. 3. Принципова схема коректора Лінквітца.
Ця схема - просто спеціальний регулятор тембру і працює з сигналами малої амплітуди і маленької потужності! До неї динамік підключати не можна - згорить!
Сама схема підключається перед підсилювачем потужності. При цьому вона виконується як окремий блок, або вбудовується в уже наявну апаратуру.
Ось посилання (правда там все англійською мовою):
Природно, такі чудові характеристики, як і все на світі, даються не безкоштовно. Ціна розширення частотного діапазону вниз на 2-3 октави - або помітне зниження гучності при тій же потужності підсилювача, або зростання електричної потужності до динаміка при тій же його загальної гучності. Подивимося на червону лінію на малюнку 2: на частоті 30 Гц підйом АЧХ становить 10 дБ, значить потужність підвищується в 10 разів. На частоті 20 Гц: 15 дБ = 32 рази, на частоті 10 Гц: 20 дБ = 100 разів відповідно!
Це що, означає 300 ватний сабвуфер звучатиме як 10-ти ватний, або навіть 3-х ватний?
Ну не зовсім все так погано. Адже на частоті 30 Гц рівень сигналу менше, ніж на більш високих частотах, значить і перевантаження буде «не дуже». На частоті 20 Гц сигнал ще менше, а на 10 Гц так практично нічого і немає! На більш високих частотах де рівень сигналу більше - підйом АЧХ менше, що дає не таку вже сильну перевантаження, як здається на перший погляд.
Я спробував оцінити, наскільки ж реально зросте загальна потужність, що підводиться при використанні коректора Лінквітца. Для цього потрібно знати розподіл спектра, а це штука досить невизначена. Для спрощення завдання, я розділив її на дві різні частини: сабвуфер і "звичайна" колонка. Різниця між ними в тому, що сабвуфер працює у вузькому діапазоні частот, причому весь цей діапазон потрапляє в область дії коректора і збільшення потужності для нього буде більш істотним, ніж для широкосмугового колонки, у якій значна частка потужності, що підводиться ПриходТов на діапазон вище 100 Гц, де коректор практично і не працює.
Мал. 4. Спектр, використаний для оцінки перевантаження сабвуферів.
Третя крива на графіку - білий шум. Ом включений в "склад команди" з таких міркувань. Спектр звукового сигналу у всьому звуковому діапазоні частот розподілений приблизно за законом рожевого шуму, у якого амплітуда падає пропорційно частоті. На низьких частотах починає проявлятися зворотна тенденція - амплітуда падає з пониженням частоти. Якщо обидва процеси компенсують один одного, то як раз і виходить така рівна лінія. Зрозуміло, що ця залежність виявляється "притягнутою за вуха", але з іншого боку, вона зручна для оцінки - реальна перевантаження з великою часткою ймовірності буде значно менше, ніж для білого шуму. Всі ці криві досить умовні, але більш-менш, вони відображають усереднені реальні залежності.
Отже, що виходить з урахуванням наших спектральних розподілів? Реальна перевантаження така:
Перевантаження динаміка сабвуфера, раз
Тут враховано два моменти.
- Зверху частотний діапазон обмежений значенням 100 Гц. Вище сигналу немає взагалі (для нормальних сабвуферів це досить реалістично).
- Знизу частотний діапазон обмежений частотами 5 і 15 Гц, нижче яких починається спад амплітуди сигналу з нахилом 36 дБ / октава. Це також призводить модель у відповідність з життям. Яке значення використовувати - вибирайте виходячи з власного рівня оптимізму.
Згідно моєму погляду на життя, перевантаження моделируемого мною сабвуфера складе 4-5 разів для музики, і 10-11 раз в кіно. Дуже навіть оптимістично звучить на тлі перевантаження в майже 105 раз, обчисленою "в лоб"! Причому навіть в самій-пресамому гіршому випадку, перевантаження складе 15-20 разів - з цим вже можна жити!
Висновок: якщо я свій 60-ти ватний сабвуфер заміню 300 ватним, таким, як описаний вище, я буду мати при тій же приблизно гучності (і навіть трохи вище за рахунок відтворення більш низькочастотних складових) баси аж до 13 Гц. Ну-ка, догони!
Тепер розглянемо корекцію широкосмугового колонки.
Тилова колонка, описана в статті двохсмугові колонки. коригується і підключається ось до підсилювача потужності на TDA7294 підсилювача (з максимальною вихідною потужністю на навантаженні 8 Ом близько 25 Вт) через ось такий коректор:
Мал. 5. Частотні характеристики вихідної колонки, коректора і вийшла результуюча.
Добре видно, що маленька колонка повинна грати нормально від 30 Гц, а з деяким спадом гучності - так аж від 20!
Вихідні дані я вводив такі:
Частота зрізу вихідної колонки
Про точність відповідності номіналів деталей - дивимося ще нижче!
Я виготовив коректор і випробував його, але про це нижче, а поки подивимося на перевантаження. Тут використано інший розподіл спектра сигналу, ніж в сабвуфере:
Мал. 6. Спектр, використаний для оцінки перевантаження широкосмугових колонок.
На відміну від саба, тут частотний діапазон дорівнює 10 - 600 Гц. У цьому діапазоні зосереджено 70-80% звукового сигналу. Вид спектру кілька перебільшений в стророну збільшення вмісту низьких частот, однак фонограми з таким спектром напевно існують (я зустрічав). Це знову ж таки встановлює верхню планку, в реальності басів зазвичай менше.
Що виходить з перевантаженням? А ось що:
Перевантаження динаміка колонки, раз
Синусоїдальний сигнал при f -> 0
З урахуванням спектра сигналу
Опачки! Отримали таку купу басів практично безкоштовно - 4 рази не перевантажити! Перевіряємо все це на практиці.
Перше, що хочеться відзначити - корекція для слуху вийшла не оптимальною, а кілька надлишкової. А все через те, що я елементи ставити не підбираючи, а просто найближчі за номіналом (а у конденсаторів насправді розкид о-го-го!). Та й не варто було ставити результуючу добротність, рівну 0,8; а взяти б 0,7 або навіть 0,65. Після коригування еквалайзером вінампа, стало добре. Про те, наскільки важливі правильні номінали - нижче!
А скільки стало баса.
Причому його не стало більше. Його стало глибше! Збереглася пружність, соковитість, м'якість, поглибилася глибина (інакше не скажеш). Ніякого бурмотіння, ніякої нереальності. Просто немов колонку замінили помітно більшою за обсягом. Басові партії, де контрабас і бас-гітара грають від 40 Гц йшли на ура. На жаль, трохи встиг послухати.
Мінуси? Мінуси є, як же без них. Про головне мінусі в кінці. Деяка скутість як була, так нікуди і не поділася. Можливо це через обсяг всього лише в 8 літрів? Ще я не зовсім зрозумів як динамік працює нижче своєї резонансної частоти (= 49 Гц). З'явилося бажання підвищити вихідний опір підсилювача на 2-3 Ома, щоб зробити його "злегка джерелом струму". Мені здається, що тоді на найнижчих стало б краще. Хоча, можливо це особливість даного динаміка. Тим більше, що гарненько послухати і поганяти від генератора мені не вдалося.
Тепер про головне. Так, рівень максимальної неспотвореної гучності звучання знизився. Але не так, щоб дуже. Одна колонка з 13-ти сантиметровим динаміком і підсилювачем на 25 Вт грала досить голосно. Практично для дискотеки в кімнаті вистачило б.
Що цікаво. На цих же фонограмах я тестував свій сабвуфер Свен-620 після переробки. Так ось. Баси колонок з коректором Лінквітца звучали у чомусь цікавіше, ніж на сабвуфере (хоч в сабе немає такої скутості, але це його "ву-уф ву-уу-уф" не так добре, баси Не такі чіткі). Не скажу, що сабвуфер був дуже гірше, але був більш "розмазаним" і "одноманітним". Хоча "струшувачем стін" в цій парочці, все ж є сабвуфер. Маленька колонка його в цьому плані не замінила.
Експеримент N2. Я перерахував і переробив коректор, задавши нижню частоту 40 Гц і добротність, рівну 0,65. Таким чином умови для колонки вийшли більш "легкими". Крім того, я досить ретельно (але не супер) підібрав елементи схеми коректора. Що там з перевантаженням?
Перевантаження динаміка колонки, раз
Синусоїдальний сигнал при f -> 0
З урахуванням спектра сигналу
Ще я додав фільтр інфранизьких частот (сабсонік) 1-го порядку на частоту 30 Гц. Це ще більш полегшило життя колонці. Ось тут я послухав грунтовно. Це вийшло якраз те, що потрібно - і басів НЕ перебір, і вони є (розширення майже на октаву вниз), і перевантаження прийнятним. Але все ж чогось не вистачало. І тут я взяв резистор 2 Ом 5 Вт і підключив його послідовно з колонкою. Після цього все встало на свої місця (при цьому низькі довелося кілька опустити темброблоком, інакше виходив перебір, так як послідовний резистор збільшив добротність і кількість низьких). Правда на високому рівні гучності, все одно динамік намагається вийти з діапазону лінійного ходу, і на сильно басист записах колонка лажа навіть на НЕ очнь великій гучності.
- При використанні коректора Лінквіца реально знизити нижню робочу частоту колонки на 1-2 октави.
- Настає розплата за розширення частотного діапазону у вигляді збільшення потужності, що вимагається для "розкачки" колонки.
- Однак, це перевантаження не така вже й велика, як здається на перший погляд (але і не маленька - інакше було б все дуже просто).
- При використанні коректора обов'язково потрібен фільтр інфранизьких частот (сабсонік), причому добре б 2-го порядку - прибрати підйом від коректора і внести спад в сигнал нижче робочої частоти. Це особливо актуально - адже йде перевантаження, потрібно економити кожен ват потужності і кожен міліметр лінійного ходу дифузора динаміка.
- Навіть якщо перевантаження динаміка (і підсилювача) за потужністю не так вже й велика, не можна забувати про величину лінійного ходу дифузора динаміка. Лінійний хід "зжирає" коректором зі страшною силою. У моєму експерименті спотворення починалися саме з-за того, що динамік "вискакував" з діапазону лінійного ходу, так що екстрадлінноход - це те, що потрібно для такої справи (або динамік з хорошим запасом лінійного ходу, наприклад, набагато більшої потужності, ніж потрібно ).
- Якщо коригується широкосмугова колонка, то сильно "відтягувати" вниз її АЧХ не коштує. Максимум октава. Особливо, якщо нижня частота колонки виходить менше, ніж резонансна частота динаміка.
- Природу не обдуриш. Краще отримати хороші баси акустично. тобто обравши більш підходящі динаміки, корпус і акустичне оформлення.
- Збільшення вихідного опору підсилювача дуже допомагає динаміку "в скрутну хвилину", коли йому доводиться грати ті басові частоти, які йому щосили заважає грати акустика корпусу колонки.
- Знову ж для колонки не потрібно намагатися отримати результуючу добротність великий. Значення 0,55-0,6 цілком достатньо, макімум 0,65, не більше. Збільшуючи добротність ми покращуємо бас, але розплачуємося красою звуку. Вплив результуючої добротності Q на АЧХ показано на рис. 7.
- Якщо вихідна добротність колонки невелика, то найкращий спосіб корекції такої: спочатку збільшувати вихідний опір підсилювача до максимально можливого значення (виходячи за межі розумного), щоб зробити АЧХ макчімально рівною в області низьких частот. А вже потім докорректіровать АЧХ коректором Лінквітца.
Мал. 7. АЧХ колонок при різних значеннях результуючої добротності.
Трохи про розрахунки. Я злегка допрацював відомий розрахунок (виконаний за допомогою MS Excel), додавши туди всі ці спектральні і потужності обчислення, не змінивши нічого принципово. На першій сторінці крім параметрів коректора можна побачити коефіцієнти перевантаження. Завантажити файл можна з архіву Розрахунок коректора Лінквіца (Linkwitz) (архів ZIP
240 кБ). Є ще "файл для профі". Див. нижче.
У цьому файлі кілька листів. На першому (Linkwitz Transform Calculator) вводяться 2 головних для АЧХ параметра вихідної колонки: частота зрізу f (0) і добротність Q (0). І бажані результуючі параметри f (p) і Q (p). Там же побачите результат розрахунку - параметри деталей, АЧХ і перевантаження по потужності. Увага! Значення ємності конденсатора С2 задається вручну. Виходячи з неї вважаються всі інші ємності і опору. Намагайтеся, щоб значенняопорів лежали в межах 3-600 кОм, а ємностей - 0,001-10 мкФ. Якщо значення параметра k в рядку 12 негативно, значить схема не можна реалізувати (при цьому осередок, що містить параметр змінить колір з зеленого на червоний).
На останній сторінці (box) можна розрахувати колонку "на швидку руку" і, заодно, дізнатися параметри, які використовуються для розрахунку коректора. Увага! Якщо обсяг корпусу колонки вимірюється в літрах, то його значення потрібно вводити зі знаком "мінус". Введені параметри такі:
Пара слів з приводу конструкції коректора. Дуже важливо дотримати номінали деталей, які видаються розрахунком. Причому відхилення в невеликих межах опорів резисторів не так страшно, як відхилення ємностей конденсаторів.
Ось приклад. У першому варіанті коректора для широкосмугового колонки вийшли значення, досить близькі до стандартних. Я поставив найближчі, навіть не вимірюючи, що там насправді, і промахнувся - на слух звучало поганенько. Моделювання впливу точності деталей на точність АЧХ коректора:
Мал. 8. Зміна АЧХ і ФЧХ коректора Лінквітца при відхиленні номіналів деталей від розрахункових.
Тут зелена крива - вихідна, якщо використовувати деталі з точь-в-точь потрібними номіналами. Синя - номінали деталей в точності рівні найближчим стандартним. Червона - взяли реальні деталі з деяким розкидом (в межах ± 5% для резисторів і + -10% для конденсаторів). Все, як то кажуть, ясно без слів.
З приводу конденсатора 100 пФ. Він потрібен для поліпшення стабільності пристрою на високих частотах (више10 кГц). Його ємність і опір резистора R2 утворюють фільтр НЧ, який може обрізати високі частоти. З підвищенням опору R2 ємність потрібно зменшувати. Але брати її нижче, ніж 20 пФ не має сенсу - ємність стає сумірною з ємністю монтажу і перестає бути істотною. Для сабвуфера високі частоти можна і обрізати, а ось у колонки - не коштує.
Ємність конденсатора визначається так: якщо використовується широкосмугова колонка, то загасання
1,5-2 дБ на частоті 20 кГц буде при С [pF] = 7000 / R2 [кОм]. Для сабвуфера ємність можна збільшити в 3-5 разів.
Є ще більш точний і якісний розрахунок. Для цього використовується інший файл (більше, складніше і точніше). Як їм користуватися я написав в статті "Професійний" розрахунок коректора Лінквіца (Linkwitz transform). крім того, я в нього теж додав розрахунок середньої перевантаження динаміка для реального спектру сигналу. Я рекомендую використовувати саме цей, "професійний" розрахунок, так як він дає набагато більше корисної інформації. Крім того, для його схеми розроблена друкована плата, см. Попередній підсилювач для сабвуфера з коректором Лінквіца