/
Автор: Афонин С.М.
Теги: электротехника общая радиотехника акустические системы радиоэлектроника
ISBN: 978-5-699-26450-6
Год: 2008
Похожие
Текст
<ТРОНИ
С. М. Афонин
Создание акустических
систем в домашних
условиях
«Эксмо» Москва 2008
, г УДК 621.37
ББК 32.84
А 94
Оформление серии Ю.В. Щербакова
Афонин С. М.
А 94 Создание акустических систем в домашних условиях / С. М. Афонин. - М. :
Эксмо, 2008. - 160с.: CD. - (Радиоэлектроника).
ISBN 978-5-699-26450-6
Сейчас в продаже можно встретить большое количество различной звуковоспроизводящей тех-
ники - от дешевых музыкальных центров до профессиональной звуковой аппаратуры. Однако первые
не обладают высоким качеством звучания, а вторые обывателю просто не по карману. Возникает воп-
рос: а нельзя ли самому создать акустическую систему, которая удовлетворяла бы нас по качеству, мощ-
ности, а главное - стоимости?
Можно! Компоненты акустических систем сегодня уже не являются дефицитом, а уровень разви-
тия техники позволяет вести разработку даже людям, не имеющим специальных знаний. Все, что вам
потребуется для создания акустической системы, - это компьютер, некоторое программное обеспече-
ние и вера в успех. Обо всем остальном рассказывается в этой книге.
На прилагаемом диске дано программное обеспечение, которое поможет при разработке, и
большое количество справочной информации.
УДК 621.37
ББК 32.84
ISBN 978-5-699-26450-6
© ООО «Издательство «Эксмо», 2008
Оглавление
Введение стр. 8
I
Гл а в а 1. Акустические системы, общие сведения стр. 9
1.1. Устройство низкочастотных динамических головок стр. 9 L
1.2. Среднечастотные динамические головки стр. 13
1.3. Высокочастотные динамические головки стр. 13 I
1.4. Широкополосные излучатели стр. 15
1.5. Головки для сабвуферов стр. 17
1.6. Критерии, по которым оценивается качество звучания стр. 18
акустических систем
1.7. Стандарты обозначения мощности стр. 19 I
1.8. Основные характеристики динамических головок j стр. 21
1.9. Как выбрать динамическую головку стр. 25
1.9.1. Можно ли применять автомобильные головки в домашней стр. 26
аппаратуре
1.10. Типы акустического оформления стр. 26 L
1.11. Типы акустических систем стр. 38
1.12. Многополосные акустические системы 1 стр. 39 I /р 1
1.12.1. Разделительные фильтры I стр. 40 |
4
с тр. 43 1.12.2. Стратегия проектирования разделительного фильтра
с Г тр. 44 1.12.3. Определение синфазного включения динамиков
5 тр. 44 1.12.4. Акустические системы с отдельным НЧ-излучателем (сабвуфером)
с тр. 45 1.12.5. Распределение мощности
с тр. 45 1.12.6. Несколько слов об акустических кабелях
< тр. 46 1.13. Конструкция коробов акустических систем
< тр. 48 1.13.1. Изготовление фазоинвертора
< тр. 50 1.14. Доработка заводских акустических систем
стр. 51 1.14.1. Демпфирование стенок ящика изнутри
< тр. 51 1.14.2. Набивка ящика звукопоглощающим материалом
< тр. 53 I 1.14.3. Установка распорок и ребер жесткости
< тр. 54 1.14.4. Изменение настройки фазоинвертора
< тр. 54 1.14.5. Изменение объема ящика
стр. 55 1.14.6. Замена динамической головки головкой другого номинала
стр. 55 1.14.7. Замена разделительного фильтра I
; < тр. 56 i_ Гл а в а 2. Усилители мощности
1 < тр. 58 i 2.1. Теория работы операционного усилителя
I стр. 59 г i ... । - - ! 2.1.1. Инверсная схема включения ОУ с биполярным питанием
! стр. 61 j 2.1.2. Неинверсная схема включения ОУ с биполярным питанием
5 Оглавление
1
2.1.3. Инверсная схема включения ОУ с однополярным питанием стр. 62
2.1.4. Неинверсная схема включения ОУ с однополярным питанием стр. 64
2.1.5. Мостовое включение операционных усилителей стр. 65
2.1.6. Обзор микросхемы TDA2030 стр. 67 i
2.1.7. Особенности микросхемы LM3886 i стр. 73
2.2. Теплоотвод стр. 74 | 1
2.3. Функциональные схемы построения звуковых усилителей стр. 77 1
2.4. Источник питания для звуковой аппаратуры стр. 81
2.4.1. Методика определения максимального тока стр. 83
2.4.2. Что делать, если нет подходящего трансформатора стр. 84
2.4.3. Где найти магнитопровод для мощного трансформатора стр. 86
2.5. Изготовление печатных плат | стр. 86
2.5.1. Что делать, если нет рейсфедера Гл а в а 3. Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем I стр. 88 v- —: !— L^90. J
3.1. Измерение АЧХ и КГИ акустических систем стр. 90 I L r-_j
3.2. Моделирование акустического оформления в программе JBL SpeakerShop Enclosure Module | стр.97 | ' I
3.2.1. Оптимальный закрытый ящик стр. 100
3.2.2. Закрытый ящик, параметры которого задаются вручную 3.2.3. Оптимальный ящик с фазоинвертором i стр. 100 । ‘ 1 J 1 1 4 стр. 100 |
Оглавление --------------------------------------- 6
I
стр. 100 3.2.4. Ящик с фазоинвертором, параметры которого задаются вручную
стр. 101 3.2.5. Ящик с пассивным излучателем
стр. 102 3.2.6. Параметры полосового излучателя
стр. 103 3.2.7. Фазоинверторы
Стр. 104 3.2.8. Параметры динамической головки
стр. 105 3.2.9. Инструмент Форма и объем ящика
стр. 105 3.2.10. Инструмент Калькулятор длины волны
стр. 106 3.2.11. Выбор графиков
стр. 10б I 3.3. Расчет индуктивности катушки
стр. 106 | 3.4. Программа моделирования электрических схем Multisim
стр. 109 I : 3.4.1. Описание элементов
! стр. 112 L-y—— 3.4.2. Описание измерительных инструментов
I стр. 113 ' I i 3.4.3. Моделирование работы источника питания
стр. 115 L 3.4.4. Моделирование работы усилителя мощности
стр. 117 3.4.5. Моделирование активного фильтра
стр. 120 3.4.6. Моделирование регулятора тембра
I стр. 120 Н—~ 3.4.7. Моделирование работы вращателя фазы
I стр. 122 ।— 1 — 3.4.8. Моделирование индикатора выходной мощности
' 3.4.9. Моделирование работы регулятора скорости вращения ротора
| электродвигателя
7
Оглавление
3.5. Моделирование разделительного фильтра в программе JBL SpeakerShop Crossover Module стр. 125
3.6. Измерение параметров Т-С с помощью программы JBS SpeakerShop Enclosure Module стр. 126
Приложение стр. 132
—
1. Пример разработки АС стр. 132
1.1. Расчет параметров источника питания 1 стр. 133 1
1
1.2. Расчет радиатора охлаждения . । стр. 133 1
1
1.3. Моделирование акустического оформления I стр. 134 |
L I
1.4. Расчет разделительных фильтров стр. 138
I I—
1.5. Окончательная настройка системы и результаты стр. 141 | Г
2. Справочный материал стр. 141
I
Глоссарий
Введение
С ейчас в продаже можно встретить большое количество раз-
I личной звуковоспроизводящей техники — от дешевых музы-
кальных центров до профессиональной звуковой аппаратуры. Однако
первые не обладают высоким качеством звучания, а вторые обывате-
лю просто не по карману. В связи с этим может возникнуть вопрос -
а нельзя ли самому создать акустическую систему, которая удовлетво-
ряла бы нас по качеству, мощности, а главное - стоимости?
Можно! Компоненты акустических систем сегодня уже не являются
дефицитом, а уровень развития техники позволяет вести разработку
даже людям, не имеющим специальных знаний. Все, что вам потребу-
ется для создания акустической системы, — это компьютер, некоторое
программное обеспечение и вера в успех. Обо всем остальном расска-
жу вам я.
Даже если вы не намерены что-либо разрабатывать, эта книга все
равно будет вам полезна. Вы узнаете принципы построения акустиче-
ских систем, что позволит не ошибиться при покупке.- Если у вас уже
есть акустика, то, прочитав эту книгу, вы, вероятно, отметите, что стали
по-другому относиться к ней и ее звучанию. Возможно, вам даже за-
хочется переделать систему или посмотреть, что у нее внутри.
Глава 1
Акустические системы, общие сведения
А
кустическая система (АС) - это комплекс аппаратных средств,
предназначенный для преобразования сигнала, записанного
на каком-либо носителе или взятого из любого другого источника, в
звуковой сигнал. АС может состоять из следующих блоков:
устройства чтения сигнала (CD-ROM);
устройства коррекции сигнала (шумоподавителей, эквалайзеров);
усилителя звуковой частоты;
устройства воспроизведения звука — акустической колонки.
В этой главе вы познакомитесь с основными типами акустических си-
стем, узнаете об устройстве акустических колонок и их особенностях. Об-
зор начнем с рассмотрения динамических головок, используемых в АС.
1.1. Устройство низкочастотных динамических головок
Типичные характеристики низкочастотных динамиков:
• диапазон воспроизводимых частот: 50—2000 Гц;
• мощность DIN: 5—100 Вт;
• мощность RMS: до 500 Вт;
• диаметр диффузора: 10-50 см.
Конструкцию низкочастотного излучателя мы рассмотрим на при-
мере конструкции отечественной головки 10ГД-34 (рис. 1.1).
На малых частотах (приблизительно до 200 Гц) подвижная система
динамика ведет себя подобно поршню, то есть диффузор рассматри-
вается как абсолютно жесткое тело, а скорость движения диффузора
значительно ниже скорости звука в воздухе. При движении диффузора
вперед с одной его стороны создается зона повышенного давления, а с
другой — зона пониженного давления. При движении диффузора в
обратную сторону зоны меняются местами. Такой режим работы дина-
мика называется поршневым режимом.
Если переднюю часть динамика не оградить от задней, то давле-
ние, создаваемое передней частью, будет компенсироваться давлени-
ем, создаваемым задней. Диффузор будет перемещаться, не возбуж-
дая в окружающем пространстве акустической волны. Такое явление
принято называть акустическим коротким замыканием (АКЗ). Для пре-
дотвращения АКЗ используют различные типы акустического оформ-
ления динамических головок, или, проще говоря, «ящики».
Глава 1
10
Акустические системы, общие сведения
Рис. 1.1. Конструкция динамической головки
10ГД-34: 1 - магнит, 2 - керн, 3 - гибкий
токоподвод, 4 - звуковая катушка, 5 - кар-
кас звуковой катушки, б - пылезащитный
колпачок, 7 - диффузор, 8 - центрующая
шайба, 9 - подвес, 10 - диффузородержа-
тель («корзина»), 11 - уплотняющее кольцо,
12 - крепежные отверстия. Элементы 4-9
представляют собой так называемую
подвижную систему динамической головки
С увеличением частоты, на
которой работает динамик, все
сильнее проявляются упругие
свойства диффузора - он пере-
стает двигаться как единое целое,
на поверхности образуются про-
дольные акустические волны,
формирующие зоны сжатия и
разрежения. Такой режим работы
динамика называется волновым
режимом.
Кроме того, начинают прояв-
ляться демпфирующие свойства
диффузора, выражающиеся в
том, что при движении от звуко-
вой катушки к подвесу амплитуда
продольной волны уменьшается.
Чем выше частота, тем сильнее
гасится волна. С увеличением ча-
стоты проявляются и инерцион-
ные свойства подвижной систе-
мы, которая из-за значительной
массы просто не способна коле-
баться на высоких частотах.
Вследствие того что диффузор
не является идеально жестким,
имеет демпфирующие свойства и
обладает значительной массой,
АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) низкочастотных динами-
ков ограничивается частотой 1-2 кГц (рис. 1.2).
По сравнению с излучателями СЧ и ВЧ излучатели НЧ имеют
ббльшую площадь диффузора. Чем больше площадь диффузора, тем
ниже частоты, которые способен воспроизводить динамик, и больше
мощность, с которой он может работать, но тем ниже верхняя граница
воспроизводимых частот.
Диффузор динамика НЧ обычно изготавливается из бумаги. Бу-
мажный диффузор не очень жесткий и хорошо работает в волновом
режиме, благодаря этому звук в низко- и среднечастотной области по-
лучается довольно естественным и без окраса. Скорость звука в бумаге
лежит в пределах 1000-1500 м/с. Однако бумага - довольно нена-
дежный материал: от перепадов влажности и температуры она легко
рвется и портится.
Этого недостатка лишены металлические диффузоры. Металл на-
много жестче, чем бумага, скорость звука в нем достигает 5000 м/с, а
11
Глава 1
Рис. 1.2. Типичная АЧХ НЧ-излучателя в ближнем поле. F1 - нижняя граница
воспроизводимых частот, F2 - верхняя граница воспроизводимых частот,
F - резонансная частота
Акустические системы, общие сведения
демпфирование практически отсутствует. Вследствие этого такой дина-
мик может работать только в поршневом режиме, который из-за высо-
кой скорости звука в металле расширяется до 400-600 Гц. Из-за резо-
нанса на более высоких частотах металлический диффузор начинает
звенеть, что называется, как лопата. Практически то же можно сказать
о пластмассовых диффузорах.
Золотой серединой между бумагой и металлом является кевлар -
композитный материал, похожий на стеклоткань с эпоксидной пропит-
кой. Кевлар не боится перепадов влажности и механических повреж-
дений. Обычно он бывает ярко-желтого или темно-серого цвета с ха-
рактерной плетеной текстурой. Кевлар более жесткий, чем бумага,
обладает меньшим демпфированием, и скорость звука в нем выше -
до 3000 м/с, что несколько расширяет диапазон воспроизводимых
частот в области ВЧ. Динамики с кевларовым диффузором обычно
звучат лучше, чем с бумажным, однако в области 3—4 кГц возможен
окрас звука, вызванный резонансом.
Подвес диффузора - также довольно важный элемент. Его зада-
ча - не только удерживать диффузор. Подвес обладает определенной
упругостью и вместе с массой диффузора образует колебательную си-
стему. От жесткости подвеса и массы диффузора практически полно-
стью зависит качество работы динамика в поршневом режиме. Обыч-
но чем мягче подвес, тем на более низкую частоту настроен динамик.
Подвес также обеспечивает линейность перемещения диффузора в
пределах рабочего хода подвижной системы. Обычно чем шире под-
вес, тем больше рабочий ход и более линейно перемещение диффу-
зора, то есть от ширины подвеса косвенно зависят мощность и качество
Акустические системы, общие сведения J
Глава 1 t--------------------------------------------------i 12
_________j L_____
работы динамика. Чаще всего подвес изготавливается из полимеров,
однако до сих пор можно встретить в продаже динамики, у которых
подвес и диффузор сделаны из бумаги и составляют единое целое.
Центрующая шайба применяется для центрирования катушки в
магнитном поле. Она также обладает упругостью, а значит, вносит свой
вклад в колебательную систему, образованную подвесом и диффузо-
ром. Вообще говоря, центрующая шайба также участвует в устранении
нелинейности перемещения диффузора и оказывает демпфирующее
действие. Центрующая шайба обычно изготавливается из ткани с про-
питкой или сухой прессованной ткани, реже - из полимеров.
Кроме защиты звуковой катушки от пыли, пылезащитный колпачок
участвует в воспроизведении высоких частот и добавляет массу к под-
вижной системе. Он изготавливается либо из того же материала, что и
сам диффузор, либо из металлической фольги. Такое решение не толь-
ко увеличивает массу подвижной системы, но и расширяет АЧХ в об-
ласть высоких частот.
На характеристиках динамика сказывается и такая мелочь, как ме-
сто крепления колпачка. Напомню, что из-за демпфирующих свойств
диффузора в волновом режиме интенсивность волны вдоль диффузо-
ра падает. Колпачок из-за своей куполообразной формы является
практически абсолютно жестким, то есть в нем не возникает волновых
эффектов. Если колпачок прикрепить непосредственно к звуковой ка-
тушке, где амплитуда колебаний максимальна, он будет двигаться
вместе с катушкой практически на любой частоте и принимать участие
в излучении звука.
Конструкция некоторых НЧ-излучателей такова, что колпачок кре-
пится где-то в середине диффузора или практически к подвесу, как в
75ГДН. Получается, что при этом колпачок движется синхронно не с
катушкой, а с подвесом, куда не доходят ВЧ-колебания. Такое реше-
ние, впрочем, вполне оправданно. Дело в том, что за счет больших
размеров колпачка и его формы жесткость и масса диффузора возрас-
тают, а это расширяет АЧХ в область низких частот и уменьшает гармо-
нические искажения.
Гибкие токоподводы используются для передачи тока от клемм ди-
намика к звуковой катушке. В хороших моделях токоподвод приклеен
или вообще вплетен в центрующую шайбу, благодаря чему уменьшает-
ся риск его обрыва.
Каркас звуковой катушки маломощных динамиков обычно выпол-
няется из бумаги, для более мощных используют алюминий или поли-
меры. Силы, возникающие в катушке, и температура в мощных дина-
миках порой достигают таких значений, что катушка "может распла-
виться, а каркас — оторваться от диффузора.
От диаметра катушки зависит эффективность работы динамика в
поршневом режиме. Чем больше диаметр катушки, тем сильнее созда-
13
Глава 1
ваемое ею магнитное поле. Типичный для НЧ-излучателя малой мощ-
ности диаметр - 1,5 дюйма (3,75 см). Излучатели большой мощности
обычно имеют катушку диаметром 2 дюйма (5 см) и более.
Магнит НЧ-излучателя также является немаловажным элементом.
По размерам магнита можно судить о чувствительности динамика, его
максимальной мощности и величине рабочего хода подвижной систе-
мы. Можно выделить следующие закономерности:
1. Чем больше магнит, тем выше его магнитная сила. Вследствие
этого возрастает чувствительность динамика и улучшается качество его
работы в поршневом режиме.
2. Обычно чем толще магнит, тем больше рабочий ход подвижной
системы динамика.
НЧ-динамики высокой мощности с высокой резонансной частотой
могут иметь маленький по сравнению с размером диффузора магнит.
Такие динамики обычно применяют в эстрадной акустике. Они не об-
ладают высоким качеством звучания, однако позволяют собрать до-
вольно мощную и дешевую двухполосную акустическую систему.
Хорошие НЧ-излучатели выглядят пропорционально. Нормальные
пропорции НЧ-динамика показаны на рис. 1.1 выше.
1.2. Среднечастотные динамические головки
Типичные характеристики СЧ-излучателей:
• диапазон воспроизводимых частот: 600-8000 Гц;
• мощность DIN: 3-30 Вт;
• диаметр диффузора: 2-10 см.
СЧ-излучатели устроены практически так же, как и НЧ, однако их
размеры и максимальная мощность ниже. Диффузор изготавливается
из плотной бумаги или полимеров. Подвес и диффузор обычно со-
ставляют единое целое. СЧ-излучатели работают только в волновом
режиме, и рабочий ход диффузора в них не превышает 1 мм.
Конструкцию СЧ-излучателя можно разобрать на примере широко-
полосного динамика 2ГДШ-4.
1.3. Высокочастотные динамические головки
Типичные характеристики ВЧ-излучателей:
• диапазон воспроизводимых частот: 2-20 кГц;
• мощность DIN: 2-10 Вт;
• диаметр диффузора: 2,5 см.
Акустические системы, общие сведения
Глава 1
14
Акустические системы, общие сведения
Рис. 1.3. Конструкция ВЧ-излучателя с
акустической линзой. 1 - магнит, 2 - магни-
топровод, 3 - звуковая катушка, 4 - каркас
звуковой катушки, 5 - диффузор, 6 - подвес
диффузора, 7 - корпус, 8 - крепежные
отверстия, 9 - резонатор (акустическая линза)
Рис. 1.4. Конструкция купольного излучателя.
1 - магнит, 2 - магнитопровод, 3 - звуковая
катушка, 4 - каркас звуковой катушки,
5 - диффузор, 6 - подвес, 7 - каркас,
8 - крепежное отверстие, 9 - резонаторная
камера .
ВЧ-динамики имеют заметные конструктивные отличия от всех
остальных типов излучателей (рис. 1.3). Разберем основные конст-
рукции.
Конструкция этого излучателя примечательна тем, что диффузор
полностью закрыт конструктивными элементами динамика, при этом
подвес принимает активное участие в воспроизведении звука. Практи-
чески половина всей мощности излучается с поверхности подвеса.
Кроме того, подвес, диффузор и каркас звуковой катушки выполнены
как единое целое.
Между диффузором и колпачком акустической линзы имеется не-
большой воздушный промежуток. Когда диффузор приходит в движе-
ние, промежуток изменяет свои размеры и тем самым втягивает или
выдавливает из него воздух. При определенном объеме этого про-
странства и частоте колебания диффузора движущийся воздух может
войти в резонанс и повысить КПД излучателя.
15----------------------------------------------- Глава 1
Диффузор подобных излучателей изготавливается из пластмассы.
Это не самый лучший материал для звуковоспроизведения, вдобавок
применение акустической линзы усиливает искажения звука, поэтому
такие ВЧ-головки в качественной аппаратуре используются редко.
Конструкция купольного излучателя (рис. 1.4) обладает рядом пре-
имуществ. Во-первых, диффузор ничем не закрыт, а это значит, что ис-
кажений в звуке будет меньше. Во-вторых, резонаторная камера уве-
личенного объема позволяет расширить АЧХ в область низких частот.
Применяемые материалы: пластмасса, металл (титан, алюминий),
синтетическое (капрон, стеклоткань) или натуральное волокно (шелк).
ВЧ-динамик с металлическим диффузором обычно обладает высо-
кой мощностью и чувствительностью, однако при этом качество вос-
произведения далеко от идеала. Звук такого излучателя сильно окра-
шен. Окрас можно охарактеризовать как жесткий, режущий.
Наиболее естественно звучат тканевые диффузоры, особенно шел-
ковые. Ткань представляет собой сплетенное волокно с пропиткой для
придания эластичности и сохранения купольной формы. Благодаря то-
му что ткань намного легче металла, при той же массе диффузор дина-
мика можно сделать ббльшим по площади, тем самым расширяя АЧХ в
область низких частот. Оптимальный диаметр купольного диффузора -
1 дюйм (2,5 см).
1.4. Широкополосные излучатели
Типичные характеристики широкополосных излучателей:
• диапазон воспроизводимых частот: 120—12000 Гц;
• мощность DIN: 5-100 Вт;
• диаметр диффузора: 10-50 см.
По конструкции широкополосные излучатели схожи с НЧ-
головками, однако имеются некоторые отличия (рис. 1.5).
Диффузор широкополосного динамика изготавливается из тонкой
бумаги и поэтому имеет небольшую массу. Подвес диффузора обычно
выполнен в виде жесткого гофра, вследствие этого резонансная часто-
та подвижной системы лежит в области 70-100 Гц, а добротность -
больше 1. АЧХ и ФЧХ (фазочасготная характеристика) имеют большую
неравномерность - это плата за широкий диапазон воспроизводимых
частот.
Область применения - комбинированные гитарные усилители и
эстрадная акустика. В высококачественной аппаратуре иногда приме-
няются в качестве СЧ-излучателя.
Магнит выполнен из магнитотвердого материала и защищен маг-
нитным экраном. Такая конструкция типична для маломощных СЧ- и
широкополосных излучателей.
Акустические системы, общие сведения
Глава 1
16
Акустические системы, общие сведения
Рис. 1.5. Конструкция динамической головки 2ГДШ-4. 1 - магнит,
2 - магнитопровод (магнитный экран), 3 - гибкий токоподвод,
4 - звуковая катушка, 5 - каркас звуковой катушки, 6 - пылезащитный
колпачок, 7 - диффузор, 8 - центрующая шайба, 9 - подвес в виде
гофра, 10 - диффузородержатель, 11 - уплотняющее кольцо,
12 - крепежное отверстие
В конструкции, представленной на рис. 1.6, есть две особенности:
1. Отверстие в керне для охлаждения звуковой катушки.
2. Наличие дополнительного диффузора. Он обладает большей
жесткостью, чем основной диффузор, и поэтому способен воспроиз-
водить высокие частоты.
Пылезащитный колпачок может быть выполнен из бумаги или из
ткани, как в 25ГДШ-12Д. Такое решение не только расширяет АЧХ в
области высоких частот, но и позволяет катушке лучше охлаждаться.
При рассмотрении конструкции может возникнуть закономерный
вопрос: если ВЧ-конус расположен на НЧ-диффузоре, не вызывает ли
это модуляции высокочастотного сигнала низкочастотным? Конус как
источник звука фактически закреплен на медленно движущемся осно-
вании, поэтому в нем возникает эффект Доплера, являющийся причи-
ной интермодуляционных искажений. Однако величина этих искаже-
ний мала и практически неощутима на слух.
ГлаваЛ !
I_______J
Рис. 1.6. Конструкция динамиче-
ской головки 25ГДШ-12Д.
1 - магнит, 2 - керн с вентиляци-
онным отверстием, 3 - звуковая
катушка, 4 - каркас звуковой
катушки, 5 - пылезащитный
колпачок, 6 - диффузор,
7 - центрующая шайба, 8 - подвес
в виде гофра, 9 - диффузородер-
жатель, 10 - уплотняющее кольцо,
11 - дополнительный диффузор
(дудка), 12 - крепежное отверстие
1.5. Головки для сабвуферов
Типичные характеристики:
• диапазон воспроизводимых частот: 20-200 Гц;
• мощность DIN: 30—200 Вт;
• мощность RMS: до 1000 Вт;
• диаметр диффузора: 20-50 см.
Сабвуфер - устройство, предназначенное для воспроизведения
самых низких звуковых частот. Зачастую очень мощные сабвуферы
способны воспроизводить даже инфразвук.
Устройство головки сабвуфера схоже с устройством НЧ-головки, од-
нако подвижная система у нее крепче, так как она рассчитана на значи-
тельные механические и температурные перегрузки. Для лучшего охлаж-
дения катушка часто наматывается с обеих сторон каркаса. Встречаются
также головки с двумя катушками (одна намотана поверх другой, либо
одна намотана на внешней стороне каркаса, а другая - на внутренней).
Глава 1
Акустические системы, общие сведения j
Рис. 1.7. Конструкция головки сабвуфера.
1 - магнит, 2 - керн, 3 - гибкий токоподвод,
4 - звуковая катушка, 5 - каркас звуковой
катушки, 6 - диффузор, 7 - центрующая шайба,
8 - подвес, 9 - диффузородержатель, 10 -
крепежное отверстие, 11 - вентиляционные
отверстия, 12 - магнитный экран, 13 - рас-
порки
Для раскачки диффузора две катушки позволяют использовать два от-
носительно маломощных усилителя вместо одного мощного.
Внешний вид головок, равно как и конструктивные особенности,
сравним с произведениями искусства (рис. 1.7). Если в классических
колонках динамики скрыты за фальшпанелью, то динамик сабвуфера
часто специально выставляется напоказ как воплощение силы акусти-
ческой системы. Хороший сабвуфер должен производить впечатление,
даже когда он не включен!
С точки зрения принципа работы головки сабвуферов полностью
идентичны обычным НЧ-излучателям,. поэтому в рамках этой книги
понятия «головка сабвуфера» и «НЧ-излучатель» следует восприни-
мать как синонимы, если не указано иное.
1.6. Критерии, по которым оценивается качество
звучания акустических систем
Наиболее важный показатель качества звучания акустической систе-
мы - ширина полосы воспроизводимых частот (см. рис. 1.2). Считает-
ся идеальным, если она составляет от 20 Гц до 20 кГц. При этом обычно
19 j---------------------------------------------i Глава 1
указывается, по какому уровню определяется АЧХ - по уровню -3 дБ
(ослабление сигнала в 1,5 раза) или по уровню -6 дБ (ослабление
сигнала в два раза). Также существуют другие параметры, отражающие
качество АС:
• неравномерность АЧХ - разница в амплитуде сигнала между
самой низкой и самой высокой точкой на характеристике АЧХ;
• коэффициент гармонических искажений (КГИ, Кг, THD). Этот
параметр показывает, какой процент мощности занимают гармоники
основного сигнала. Считается, что усилитель мощности должен обла-
дать КГИ менее 0,1%;
• КГИ+Шум (THD+N). Данный параметр указывает, какой процент
мощности занимают гармоники основного сигнала и другие посторон-
ние сигналы;
• фазовые искажения (Phase response) - отклонение фазы вы-
ходного сигнала от фазы входного сигнала. Фазовые искажения влия-
ют на передачу сцены;
• групповая задержка (Group delay) - время, на которое измене-
ние выходного сигнала отстает от изменения входного сигнала;
• верность, воспроизведения - комплексная оценка качества
звучания АС путем экспертного прослушивания. Это субъективная
оценка, результатом которой является письменное (реже - устное) ре-
зюме, отражающее основные критерии звучания.
В конечном итоге субъективное качество имеет большее значение,
чем объективное, ведь акустические системы создаются для человека,
а не для измерительных приборов. Более того, зачастую при эксперт-
ной оценке АС с худшими объективными показателями получают бо-
лее высокие баллы, чем АС с идеальными характеристиками. О при-
чинах этого до сих пор нет единого мнения.
1.7. Стандарты обозначения мощности
Отвлечемся немного от акустики. Представьте себе автомобиль. Что
это? Мощный спорткар? Может быть, большой внедорожник или
обычный легковой автомобиль? Какие параметры автомобиля нужно
знать, чтобы полностью его охарактеризовать? Количество дверей, раз-
мер и тип кузова, мощность и объем двигателя, количество цилиндров,
максимальную скорость. Можно назвать еще несколько. По этим пара-
метрам мы довольно объективно сравниваем автомобили, не боясь,
что под описание суперкара может попасть автомобиль, стоящий в га-
раже вашего пожилого соседа.
В акустике все происходит с точностью до наоборот. Что нам требу-
ется от акустической системы? Большинство сформулирует ответ при-
мерно так: «Чтобы колонки играли громко и качественно». Качество
Акустические системы, общие сведения
Глава 1---------------------------------------------20
Акустические системы, общие сведения
можно выразить с помощью коэффициента гармонических искаже-
ний (КГИ), а громкость — той максимальной подводимой к динамику
мощностью, при которой сохраняется приемлемое качество. Как же
эту мощность измерить? Я предлагаю вашему вниманию мини-обзор
трех отечественных и трех зарубежных стандартов обозначения мощ-
ности.
Паспортная шумовая мощность - мощность, при которой дина-
мик не разрушится в течение 100 ч испытаний. В качестве испытатель-
ного сигнала выступает розовый шум.
Типичные поломки — обрыв токоподводов, разрушение подвеса,
перегорание катушки или сползание ее витков. О качестве не сказано
ни слова. Паспортная мощность хорошо отражает надежность дина-
мической головки, при этом не упоминая о том, будет ли вообще эта
головка работать с такой мощностью и насколько данная мощность бу-
дет выше постоянной рабочей мощности.
Максимальная долговременная мощность - мощность, при ко-
торой динамик не разрушится в течение 1 мин испытаний. В качестве
испытательного сигнала выступает розовый шум. Очевидно, эта мощ-
ность будет выше паспортной. Что полезное несет нам знание этого па-
раметра? Кроме эффективности охлаждения катушки и крепости под-
веса - ничего.
Максимальная кратковременная мощность - мощность, при
которой динамик не разрушится в течение 2 с испытаний. В качестве
испытательного сигнала, как и в двух предыдущих случаях, выступает
розовый шум. По идее, следует измерять максимальную перегрузоч-
ную мощность испытуемого динамика, опять же ничего не сказано про
то, на какой же нормальной мощности должен работать этот динамик.
DIN power - электрическая мощность сигнала на частоте 1 кГц, при
которой КГИ не превышает 1%. Этот параметр уже учитывает качество
сигнала. КГИ в 1 % практически не воспринимаются на слух. Измерение
мощности в DIN подходит для СЧ, широкополосных и - с натяжкой -
для ВЧ-головок.
НЧ-головки помимо волнового режима, при котором снимаются
параметры DIN, работают и в поршневом, где смещение диффузора
намного больше. Поэтому максимальная мощность при измерениях на
частоте 1 кГц окажется губительной при частоте в 20 Гц.
Сабвуферы тестировать сигналом в 1 кГц вообще не имеет смысла,
так как на такой частоте они просто не работают. Зачем кормить дина-
мик тем, что он не ест?
RMS (Root Mean Squared) - среднеквадратическая мощность. Из-
мерения аналогичны DIN, однако КГИ принимается в 10%. Музыку с
такими искажениями слушать не захочется. 1 RMS ~ 3 DIN.
РМРО (Peak Music Power Output) - пиковая музыкальная мощность.
Испытания проводятся сигналом частотой около 250 Гц и длятся не бо-
21 --------------------------------------------- Глава!
лее 2 с. За это время динамик не должен выйти из строя. Что измеряет-
ся - снова не ясно. 1 РМРО - 16 DIN.
Это только официально признанные стандарты. Производители АС
в погоне за красивыми цифрами могут написать суммарную мощность
всех динамиков, мощность, потребляемую усилителем, или же приду-
мать собственную систему испытаний.
1.8. Основные характеристики
динамических головок
Чтобы получить первое представление о динамической головке, доста-
точно знать 3-4 ее параметра (тип головки, размер диффузора, мощ-
ность, диапазон воспроизводимых частот). Для более глубокого озна-
комления нужно оперировать большим числом параметров - электро-
механическими характеристиками и параметрами Тиля-Смолла (Т-С).
M-dia (mounting diameter) - монтажный размер головки. Обычно
соответствует внешнему диаметру головки (рис. 1.8).
P-dia (piston diameter) — эквивалентный диаметр излучающей по-
верхности. Подвес, как и диффузор, принимает участие в воспроизве-
дении звука, поэтому в данном параметре учитывается 1 /2 его ширины.
Акустические системы, общие сведения
Рис. 1.8. Размеры динамической головки
Глава 1
22
Акустические системы, общие сведения j
Re (Resistance) - сопротивление звуковой катушки постоянному
току. Если динамическая головка содержит две катушки, указывается
сопротивление только одной.
Z (Impedance) - импеданс, то есть полное комплексное сопротив-
ление звуковой катушки. Для НЧ-излучателей значение лежит в преде-
лах 4-8 Ом. Для СЧ и ВЧ может достигать 1 б Ом.
Le (Inductance) — индуктивность звуковой катушки. Обычно изме-
ряется в миллигенри (мГн) и лежит в пределах 0,4-1,5.
Ре (Power limit) - максимальная долговременная подводимая
мощность, не способная повредить динамик.
Fs (Resonance) - частота основного резонанса. Чем ниже эта частота,
тем ниже частоты, которые способен воспроизводить динамик. У сабву-
феров Fs лежит в пределах 20-45 Гц, у НЧ-излучателей - 30-60 Гц, у
широкополосных - 50-150 Гц, у СЧ - 300-600 Гц, у ВЧ - 1 -2 кГц.
Qms (Mechanical quality) - добротность динамика на резонансной
частоте, обусловленная только механическими потерями в магнитной
системе и демпфированием.
Qes (Electrical quality) - добротность динамика на резонансной ча-
стоте, обусловленная только электромагнитными потерями и демпфи-
рованием.
Qts (Total quality) - полная добротность, учитывающая механиче-
ские и электромагнитные потери. Этот параметр определяет наиболее
подходящее акустическое оформление для динамика. НЧ-динамики
имеют добротность от 0,2 до 0,7, широкополосные, СЧ и ВЧ — до 2.
SPL (Sensitivity) — чувствительность динамической, головки. Изме-
рения проводят при подаче на динамическую головку сигнала мощно-
стью 1 Вт или измеряют звуковое давление при напряжении 2,83 В на
расстоянии 1 м. Полученное значение сравнивается с давлением по-
рога слышимости (SPL) и выражается в децибелах. Если сравнивать
громкость звучания двух динамиков с разной чувствительностью, то
при одной и той же мощности громче будет звучать динамик с боль-
шей чувствительностью. Типичное значение 94-98 дБ.
Следующие параметры используются только для НЧ-динамиков:
Mms (Moving mass) - масса подвижной системы динамика;
Xmax (Excursion) - максимальное смещение подвижной системы
в одну сторону от положения равновесия. У НЧ-излучателей лежит в
пределах 10-20 мм. НЧ-излучатели с меньшим максимальным сме-
щением обычно обладают высокой резонансной частотой и имеют
жесткий подвес;
Vas (Equivalent volume) - эквивалентный объем. Этот параметр
учитывает жесткость подвеса диффузора и выражается в литрах. Под-
вес диффузора имеет такую же жесткость, какую имеет воздух в емко-
сти объема Vas. Физический смысл Vas представить очень просто: если
на диффузор динамика положить груз, то смещение подвижной систе-
23
Глава i
мы будет равно смещению поршня в цилиндре диаметром P-dia и объ-
ёмом Vas.
Кроме электромеханических параметров и параметров Т—С, кото-
рые в основном определяют работу динамика в поршневом режиме,
существуют и обобщенные характеристики, отражающие качество ра-
боты динамика в целом.
Основной характеристикой динамика является амплитудно-
частотная характеристика (АЧХ, Amplitude response), то есть зависи-
мость амплитуды изменения звукового давления от частоты подавае-
мого на динамик сигнала. По АЧХ судят о полосе воспроизводимых
частот и неравномерности АЧХ в полосе воспроизведения. Чем ровнее
АЧХ, тем выше качество акустической системы. Обычно чем шире АЧХ,
тем она менее равномерна.
Говоря об АЧХ, обычно указывают, в каком акустическом оформле-
нии находился динамик во время испытаний. Как правило, это сво-
бодное пространство, закрытый ящик или «бесконечный экран». О ме-
тодах снятия АЧХ написано в соответствующем разделе этой книги.
Фазочастотная характеристика (ФЧХ, Phase response - рис. 1.9) по-
казывает зависимость фазы волны, возбуждаемой диффузором, от
фазы подаваемого на динамик сигнала. Из-за инерционных свойств
подвижной системы динамика и особенностей работы диффузора в
волновом режиме ФЧХ динамика изменяется от 0° до 360° во всем
диапазоне воспроизведения. Если АЧХ влияет на верность воспроиз-
ведения, то от ФЧХ зависит ощущение сцены и пространственности
звучания. Чем меньше сдвиг фазы, тем точнее передается сцена.
Рис. 1.9. Типичная ФЧХ динамической головки
Акустические системы, общие сведения
Одним из немаловажных параметров является зависимость КГИ
(Total harmonic distortion - THD) от частоты. Чем ниже КГИ, тем выше
верность воспроизведения. Искажения ниже 1 % практически неуло-
вимы на слух (рис. 1.10).
Глава 1
24
Акустические системы, общие сведения Г
I
Рис. 1.10. Типичная характеристика КГИ. Тонкая линия -
АЧХ динамика, толстая линия - КГИ
Еще один параметр, характеризующий физическую ширину зоны
оптимального звучания АС, - диаграмма направленности. Она пока-
зывает, насколько изменяется интенсивность звука в зависимости от
расположения слушателя относительно оси излучения. Обычно чем
выше частота излучения, тем уже диаграмма направленности, и если
для сабвуфера она представляет собой практически круг, то для ВЧ-из-
лучателя это сектор с углом около 90° (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Типичная диаграмма направленности излучателей
25
Глава 1
1.9. Как выбрать динамическую головку
Итак, настал момент, когда вы решили начать работу над созданием
акустической системы. В магазинах представлены тысячи наименова-
ний динамических головок разных типов, размеров и мощности. Как
же выбрать среди такого изобилия то, что нужно?
Сначала следует определиться, для каких целей вы создаете акусти-
ку. Будут ли эти колонки озвучивать стадион, небольшой зал, или вы
делаете систему для домашнего кинотеатра? После этого необходимо
определиться с топологией системы (пара колонок, колонки с сабву-
фером или система для домашнего кинотеатра) и бюджетом (сколько
денег вы готовы в нее вложить). Если все это известно, можно присту-
пать к выбору динамиков.
Существует два подхода к выбору динамических головок - поиск
лучшего из возможного и поиск лучшего из доступного. Первый спо-
соб хорош, если вы не ограничены бюджетом и хотите собрать дей-
ствительно отличную систему. Его можно рекомендовать радиолю-
бителям, имеющим большой опыт в конструировании акустических
систем. Такой способ заключается в поиске информации о зарекомен-
довавших себя моделях динамических головок (обычно - в Интерне-
те) и способов их приобретения.
Плюсы этого метода: вы получите динамики с известными характе-
ристиками и сможете использовать чужие наработки. Часто выгоднее
повторить удачную конструкцию другого автора, чем городить свою.
В конце концов, готовую АС проще доработать, чем заново рассчи-
тать.
Минусы: продолжительное время поиска и доставки динамиков
заказчику. Кроме того, при пересылке динамики могут повредиться.
При поиске «лучшего из доступного» ваша задача упрощается. До-
статочно пройтись по магазинам, торгующим динамиками, посмотреть
на ассортимент и цены, запомнить или записать названия понравив-
шихся образцов. Если вы смогли выбрать шесть или более образцов,
значит, работа не пропадет зря. Зайдите в Интернет и попробуйте най-
ти официальную документацию к этим динамикам (например, на офи-
циальном сайте компании-производителя). Для НЧ-динамиков обяза-
тельно нужно найти параметры Т—С. Если для каких-то моделей этого
сделать не удалось, откажитесь от их покупки — скорее всего, это деше-
вая китайская продукция.
Определив параметры Т-С, смоделируйте работу динамиков в
программе JBL SpeakerShop. Найдите оптимальные размеры и кон-
струкцию ящиков и сравните их. После этого вам станет ясно, какие ди-
намики покупать, а какие - нет.
Следующий этап - поиск информации о практическом примене-
нии понравившегося динамика. Вы должны искать и положительные, и
Акустические системы, общие сведения
Глава 1
Акустические системы, общие сведения
---—,
26
отрицательные отзывы. Интернет - практически незаменимый помощ-
ник в решении подобных вопросов.
Итак, вы убедились в серьезности производителя (есть сайт произ-
водителя и документация на продукцию с указанием характеристик),
смоделировали работу динамика и «выслушали» мнения людей отно-
сительно него. Только после этого можно идти в магазин за покупкой.
Постарайтесь договориться с продавцом о возможности возврата по-
купки, если динамик вас не устроит.
После того как вы принесете динамик домой, снимите с него пара-
метры Т-С и АЧХ. В большинстве случаев они отличаются от заявлен-
ных производителем, причем, как правило, в худшую сторону. Заново
смоделируйте работу динамика в программе JBL SpeakerShop. Теперь
вы обладаете более-менее реальной характеристикой купленной вами
динамической головки.
Замечание. Методика выбора СЧ- и ВЧ-динамиков такая же, что и
НЧ, за исключением того, что для них не требуются параметры Т-С.
1.9.1. Можно ли применять автомобильные головки
в домашней аппаратуре
Можно, но следует учесть, что автомобильная акустика имеет ряд осо-
бенностей. Материалы, применяемые в автомобильных АС, приспосо-
блены для работы в экстремальных условиях - при высокой влажности
и в широком диапазоне температур. Типичные материалы - полимеры
и металл, а они далеко не самые «музыкальные». Автомобильная аку-
стика не разрабатывается для высококачественного воспроизведения,
ее основная задача - создавать высокий уровень громкости, способ-
ный «перекричать» уличный шум и гул двигателя. И последнее - пара-
метр добротности (Qts) у автомобильной акустики часто бывает очень
высоким, так как она приспособлена для работы без акустического
оформления. Такой динамик, помещенный в ящик, будет сильно резо-
нировать, вызывая «эффект бочки».
Отдельно нужно сказать про автомобильные сабвуферы. Они так-
же выпускаются для работы без ящика (free air) и в ящике. И те и другие
с успехом могут применяться в домашних сабвуферах. Использовать
их даже предпочтительнее, чем мощный НЧ-излучатель, так как авто-
мобильные сабвуферы более надежны.
1.10. Типы акустического оформления
Как говорилось выше, для предотвращения АКЗ используют разные
типы акустического оформления НЧ-излучателей. Наиболее простое -
закрытый ящик (ЗЯ, closed box - рис. 1.12). В таком случае ящик про-
27
Глава 1
сто изолирует заднюю часть диффу-
зора от передней для предотвраще-
ния АКЗ. Воздух, содержащийся в
ящике, обладает определенной уп-
ругостью, которая добавляется к
упругости подвеса динамика, увели-
чивая его добротность и резонанс-
ную частоту.
Для определения оптимального
объема ящика целесообразно ис-
пользовать специальные программы
моделирования, упрощающие про-
цесс разработки акустических систем.
В рамках этой книги рассматривается
одна из самых распространенных
программ — JBL SpeakerShop. Под-
робное описание ее работы и пример
расчета акустической системы будут
приведены позже.
Оформление типа ЗЯ является
наиболее простым в расчете, так как
мы оперируем только одним параме-
тром - объемом ящика. Ктому жеэтот
тип акустического оформления менее
критичен к отклонениям параметров динамика от номинальных. Други-
Акустические системы, общие сведения
ми словами, вероятность неудачного исхода при расчете минимальна.
Типичные характеристики колонки, выполненной в виде ЗЯ, пока-
заны на рис. 1.13. Они построены на примере динамика Kenwood KFC-
HQW300 в ящике объемом 20 л.
Как видно из графика АЧХ, частота среза на уровне -3 дБ составля-
ет 60 Гц, то есть начиная именно с этой частоты колонка уверенно вос-
производит звук. Фазовый сдвиг во всем диапазоне частот составляет
180°, но в рабочем диапазоне (60-2000 Гц) - только 100°. Время
групповой задержки - 4 мс. По графику импеданса можно качествен-
но судить об амплитуде колебания диффузора. Чем импеданс выше,
тем больше амплитуда.
Несколько слов о том, как анализировать эти графики. АЧХ - глав-
ный по значимости график, который показывает интенсивность звука в
зависимости от частоты подаваемого сигнала. При проектировании АС
нужно стремиться расширять АЧХ в область.низких и высоких частот и
добиваться ее равномерности. В идеальном случае АЧХ должна пред-
ставлять ровную горизонтальную линию.
- ФЧХ показывает, насколько отличается фаза колебания диффузора
(как и возбуждаемой им волны) от фазы подаваемого на динамик сиг-
Глава 1
28
Акустические системы, общие сведения
Рис. 1.13. Основные характеристики головки в оформлении ЗЯ
29-------------------------------------------------Глава 1
нала. В области ВЧ и СЧ фазовый сдвиг влияет на восприятие сцены.
Чем меньше фазовый сдвиг у отдельного излучателя и между излуча-
телями двух колонок, тем естественнее будет восприниматься звуча-
ние. В идеальном случае ФЧХ, как и АЧХ, должна представлять ровную
горизонтальную линию.
К сожалению, инструменты, позволяющие адекватно оценить фа-
зовые характеристики, найти не просто, а изготовить самому - и вовсе
практически невозможно, поэтому в радиолюбительской практике ис-
пользуются альтернативные методы определения фазы, о которых бу-
дет написано ниже.
Время групповой задержки показывает, насколько снятый с колон-
ки звуковой сигнал отстает во времени от поданного на нее электриче-
ского сигнала. Хотя считается, что задержка не воспринимается на слух,
все же большое время запаздывания влияет на динамичность звуча-
ния, делая звук размытым и вялым.
Характеристика импеданса используется при настройке АС после ее
сборки. Пик на данной характеристике вызван резонансом колебатель-
ной системы, образованной динамической головкой и ящиком. Начи-
ная с некоторой-частоты, при ее увеличении растет и импеданс дина-
мика. Это связано с тем, что звуковая катушка обладает определенной
индуктивностью. Поэтому с ростом частоты электрическое сопротивле-
ние катушки также увеличивается.
Объем ящика необходимо подбирать к параметрам динамической
головки для обеспечения оптимального режима ее работы. Как прави-
ло, оптимальный режим выбирается исходя из равномерности и ши-
рины АЧХ. Когда динамик работает в оптимальном режиме, говорят,
что он согласован с акустическим оформлением. На рис. 1.14 показа-
ны типичные кривые акустической системы при согласованном и несо-
гласованном режиме работы.
Как видите, при увеличении объема ящика АЧХ начинает спадать
раньше, чем в оптимальном объеме, кроме того, увеличивается время
групповой задержки. Можно также видеть, что импеданс при резонан-
се увеличивается, что свидетельствует об увеличении амплитуды коле-
бания диффузора. Так и должно быть, ведь компрессия воздуха внутри
ящика уменьшается. Подобный режим работы динамика называется
разгруженным. Он характерен небольшим подъемом АЧХ ниже часто-
ты резонанса, но спадом на частотах выше резонансной. Вреда от этого
больше, чем пользы. Во-первых, хоть подъем и есть, но он ощутим там,
где уровень громкости составляет -12 дБ, на общем фоне разница не-
заметна, однако повышается вероятность повреждения подвеса диф-
фузора или катушки из-за большого перемещения подвижной систе-
мы. Во-вторых, при больших перемещениях диффузора увеличивают-
ся гармонические и интермодуляционные искажения. Естественно,
качество звука при этом ухудшается.
Акустические системы, общие сведения
Глава 1
30
Акустические системы, общие сведения
Рис. 1.14. Основные характеристики головки при различных режимах работы.
Толстая линия - оптимальный объем, толстая пунктирная - меньше оптимального,
тонкая пунктирная - больше оптимального
31
Глава 1
При уменьшении объема ящика АЧХ сужается и приобретает нели-
нейность («горб»). Если увеличение объема ящика кардинальных из-
менений в звуке не вызывает, то уменьшение существенно его портит.
При таком виде несогласования звук колонки напоминает звук «из
бочки».
Многие производители акустических систем в погоне за прибылью
стремятся сделать колонки маленькими и мощными, корректируя
АЧХ всевозможными фильтрами, но, как говорится, природу не об-
манешь, и платой за маленький объем часто является низкое качество
звучания или преждевременный выход динамика из строя. Наиболее
частая поломка в этом случае - перегорание звуковой катушки.
Что касается оптимального режима работы, то и он далек от идеала:
как минимум половина мощности, которую излучает диффузор, рассеи-
вается внутри ящика, то есть КПД колонки падает примерно вдвое. Если
учесть, что КПД динамика и так составляет примерно 1%, становится со-
всем грустно. Такого недостатка лишены фазоинверсные типы акустиче-
ского оформления (рис. 1.15).
Колонки фазоинверсного типа (ФИ) отличаются от ЗЯ наличием от-
верстия — фазоинвертора (многие называют его вентиляционным от-
верстием и даже выхлопом, что, конечно же, неправильно). В зару-
бежной литературе фазоинвертор может называться «vent» или «bass
reflex», а тип акустического оформления - «vented box». Задача фазо-
инвертора - изменить фазу колебания волны, возбуждаемой тыльной
стороной диффузора, на 180° и выве-
сти ее наружу. Казалось бы, нарушая
герметичность ящика, мы провоцируем
АКЗ. Однако это не совсем так. Физику
работы ФИ обычно поясняют, используя
модель «груз-пружина». Хотя эта мо-
дель не совсем точна, зато весьма на-
глядна. Представьте себе груз, висящий
на пружине, или детскую игрушку «йо-
йо» (рис. 1.16).
Если пружину начать медленно под-
нимать и опускать, груз будет следовать
за пружиной, не растягивая и не сжимая
ее (рис. 1.16, а). При увеличении часто-
ты колебания (но сохранении амплиту-
ды) начинают проявляться инерцион-
ные свойства груза. При определенной
частоте наблюдается интересная карти-
на - амплитуда колебания груза оказы-
вается максимальной, однако он колеб-
лется в противофазе с воздействующей
Акустические системы, общие сведения
Рис 1.15. Ящик с фазоинвертором
Акустические системы, общие сведения
Глава 1
Рис. 1.16. Модель «груз-пружина»
силой (рис. 1.16, б)! То есть когда торец пружины перемещается вверх,
груз движется вниз, и наоборот. Это легко проверить в домашних усло-
виях — достаточно лишь найти эластичную резинку длиной около ме-
тра и пару тяжелых гаек. При дальнейшем увеличении частоты ампли-
туда перемещения груза падает вплоть до полной (визуально) оста-
новки (рис. 1.16, в).
Аналогично работает и акустическая колонка: в качестве воздей-
ствующей силы выступает энергия волны, возбуждаемой тыльной сто-
роной диффузора, в качестве пружины - упругость воздуха внутри
ящика, а в качестве груза - инерция воздуха в фазоинверторе.
Интересно отметить, что во время резонанса амплитуда колебания
диффузора оказывается минимальной, а не максимальной, как обыч-
но. Суть данного явления понять просто: если диффузор движется впе-
ред, создавая разрежение внутри ящика, то воздух в ФИ также должен
двигаться вперед, провоцируя еще большее разрежение. И действи-
тельно, на частотах, близких к резонансным, большая часть энергии
излучается именно фазоинвертором, а не диффузором динамика! Ра-
бота колонки в этом случае схожа с работой Механического редукто-
ра - небольшое перемещение диффузора с большой силой преобра-
зуется в большое перемещение воздуха в ФИ с меньшей силой.
Конструкция колебательной системы, состоящей из объемной ка-
меры и трубки, называется резонатором Гельмгольца и используется не
только в акустических колонках. К примеру, глушители для ДВС (двига-
теля внутреннего сгорания) работают по схожему принципу.
Если перенести модель резонатора Гельмгольца на колонку, на ча-
стотах ниже резонансной динамик разгрузится, а при совсем низкой
частоте наступит АКЗ, так как порт уже не будет работать как ФИ, а фак-
тически превратится в прореху в ящике. На частотах выше резонансной
33
Глава 1
ФИ, что называется, запрется, и работа динамика станет аналогичной
работе в ЗЯ (рис. 1.17).
Как же наличие фазоинвертора сказывается на работе динамика? Смо-
делируем работу динамика Kenwood KFC-HQW300 в ящике объемом 35 л.
Как видите, АЧХ стала шире почти на октаву, зато спад в области
низких частот оказался круче, чем в оформлении ЗЯ. Фазовый сдвиг во
всем диапазоне частот составляет уже 360°, но в рабочем диапазоне
(40-2000 Гц) только 140°, что не намного хуже, чем в оформлении ЗЯ.
Максимальное время групповой задержки составило 17 мс, что в че-
тыре раза больше, чем в ЗЯ. К сожалению, и это не предел: при раз-
личных неоптимальных режимах работы время может достигать 50 мс.
Характеристика импеданса имеет два пика («двугорбая»), между кото-
рыми находится минимум импеданса, показывающий резонансную
частоту ФИ. Однако значение импеданса в них ниже, чем в оформле-
нии ЗЯ, а значит, и амплитуда колебания диффузора меньше, несмотря
на то что АХЧ в этом случае шире.
Расчет колонки с ФИ сложнее, чем ЗЯ, так как мы оперируем уже
двумя параметрами — объемом ящика и частотой резонанса ФИ. Как и
в случае с ЗЯ, оптимальный режим выбирается исходя из ширины и
равномерности АЧХ, однако объем ящика может быть в несколько раз
больше, чем в ЗЯ, при этом разгрузка динамика не наступит.
Стратегия моделирования акустического оформления состоит в
следующем. Сначала вы определяете, какой объем ящика, сточки зре-
ния программы, является оптимальным (конечно, это не совсем кор-
ректный термин, ведь оптимальные параметры вычисляются по мате-
матическим формулам для обеспечения наиболее оптимального ре-
жима работы динамика). После этого увеличиваете объем ящика
примерно на 10% и, подбирая значение резонансной частоты, доби-
ваетесь ровной АЧХ. Затем повторяете процедуру. Необходимо найти
максимальный и минимальный объем ящика, при котором сохраняет-
ся согласование динамической головки и акустического оформления.
Именно в этом диапазоне нужно выбирать объем ящика.
Устанавливать максимальный объем обычно предпочтительнее,
чем минимальный, так как, во-первых, при этом расширяется диапа-
зон воспроизводимых частот, а во-вторых, уменьшается длина фазо-
инвертора, что удобно с конструктивной точки зрения. Однако с увели-
чением объема ящика увеличивается и время групповой задержки, а
значит, динамичность и упругость баса хуже.
Что же будет происходить, если динамик станет работать в неопти-
мальном режиме? На рис. 1.18 представлены графики для трех случа-
ев: при оптимальном режиме, когда частота настройки ФИ выше опти-
мальной и ниже.
При настройке ФИ на частоту выше оптимальной возникает нели-
нейность АЧХ и ее сужение. Такой ярко выраженный резонансный пик
2 Создание акустических систем в домашних условиях
Акустические системы, общие сведения
Акустические системы, общие сведения
| Рис. 1.17. Отличие характеристик головки в оформлении ЗЯ и ФИ.
! Толстая линия - ФИ, пунктирная - ЗЯ
Normalized Amplitude Response (dB/Hz)
35
Глава 1
Рис 1.18. Характеристики головки при различных режимах работы в оформлении ФИ.
Толстая линия - оптимальная частота настройки, толстая пунктирная - выше
оптимальной, тонкая пунктирная - ниже оптимальной
Акустические системы, общие сведения
Глава 1
36
Акустические системы, общие сведения
приводит к искажению звука в виде «эффекта бочки». Слишком низкая
частота настройки также приводит к нелинейности АЧХ. Кроме того,
время групповой задержки в этом случае может быть очень большим,
что сделает бас размазанным.
По поводу условий работы динамика в зоне оптимальных режимов
можно сказать, что они достаточно комфортны: на частотах, близких к
резонансной частоте ФИ, ход диффузора минимален; на частотах выше
резонансной ФИ динамик не разгружается. Такие условия работы не
только повышают КПД колонки, но и позволяют подводить довольно
большую мощность. Что касается разгрузки динамика на нижних часто-
тах, этот недостаток легко исправляется введением в усилитель филь-
тра, обрезающего инфранизкие частоты (subsonic filter - «сабсоник»).
Без применения такого фильтра при большой подводимой мощности
возможно повреждение подвеса или звуковой катушки динамика.
Заметим, что от диаметра фазоинвертора зависит качество работы
акустической колонки. В первую очередь это связано с тем, что скорость
движения воздуха в ФИ значительно выше скорости движения диффу-
зора. При скорости выше 30 м/с в трубе ФИ могут возникнуть турбу-
лентные явления, которые не только снижают КПД резонатора, но и
вносят в звук посторонние призвуки: субгармоники, рычание и даже
свист. Чтобы уменьшить вероятность возникновения турбулентности,
необходимо плавно увеличивать площадь сечения трубы ФИ на его
торцах, то есть снабдить их раструбами.
Вот признаки, по которым можно определить, что скорость движе-
ния воздуха в ФИ выше нормы:
• ощущается «ветер» на расстоянии, большем 0,5 м от ФИ;
• мелкие частицы (кусочки бумаги), помещенные около ФИ, вле-
тают в него, описывая спиральную траекторию;
• на частоте около 15 Гц из ФИ доносятся посторонние звуки (ры-
чание, свист).
При выполнении первых двух тестов целесообразно подавать на
колонку синусоидальный сигнал на частоте резонанса ФИ и мощности,
близкой к максимальной.
Чтобы максимально исключить вероятность возникновения турбу-
лентности, выведены минимальные рекомендованные диаметры ФИ в
зависимости от диаметра диффузора (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Зависимость минимального рекомендованного диаметра ФИ
от площади диффузора
Диаметр диффузора, дюймы Диаметр диффузора, мм Минимальный диаметр ФИ, мм Минимальная площадь ФИ, см2
3 75 22 3,6
4 100 32 8
5 130 42 14
37
Глава 1
Продолжение табл. 1.1
Диаметр диффузора, дюймы Диаметр диффузора, мм Минимальный диаметр ФИ, мм Минимальная площадь ФИ, см2
6 150 53 22
8 200 74 43
10 250 95 71
12 300 116 105
15 380 147 170
18 450 179 250
Разновидность фазоинверсных АС - колонка с пассивным излуча-
телем (passive radiator), который представляет собой динамическую
головку без магнитной системы. Задача пассивного излучателя анало-
гична задаче фазоинвертора. Преимущество пассивного излучателя
перед ФИ заключается в том, что на низких частотах динамик не раз-
гружается, однако АЧХ имеет еще более сильный завал в области НЧ,
чем колонка с фазоинвертором. Так как этот тип АС встречается крайне
редко, мы не будем подробно останавливаться на нем.
Наибольшим КПД обладают полосовые излучатели (band-pass -
«банд-пасс»). Из-за особенностей конструкции и узкого частотного
диапазона такой тип акустического оформления в основном исполь-
зуется для сабвуферов. Полосовой излучатель представляет собой
короб, разделенный внутренней
Рис. 1.19. Конструкция полосового излучателя переГОрОДКОЙ, НЭ КОТОрОЙ ЗЭКре-
Акустические системы, общие сведения
пляется динамическая головка.
Таким образом образуются две
резонаторные камеры (рис. 1.19)
вместо одной.
Тот факт, что банд-пасс со-
стоит из двух резонаторных ка-
мер, увеличивает КПД излучате-
ля по сравнению с ЗЯ до четырех
раз! Но, несмотря на это, расчет
такого излучателя и его настрой-
ка представляют определенную
трудность, так как мы должны
оперировать тремя или даже че-
тырьмя параметрами, в зависи-
мости от типа банд-пасса. Кро-
ме того, нет модели оптималь-
Глава 1
] 38 |
Акустические системы, общие сведения
ного режима работы для динамика в таком акустическом оформлении,
поэтому программа моделирования не подскажет наиболее подходя-
щих значений параметров резонаторных камер.
1.11. Типы акустических систем
Существующие акустические системы условно можно разделить на че-
тыре основные категории: для домашнего использования, кинотеат-
ров, использования на эстраде и в автомобиле. Каждому типу предъ-
являются разные требования.
Наиболее высокие требования предъявляются к домашней акустике.
Она должна воспроизводить звук с максимальной верностью, для этого
частотный диапазон должен быть как можно шире, а гармонические ис-
кажения — как можно меньше. Акустические системы высокого класса
воспроизводят звук в диапазоне от 20 Гц до 25 кГц с разбросом ±3 дБ и
КГИ менее 1 %. Если диапазон воспроизводимых частот уже 35 Гц -
20 кГц, такую акустику дома лучше не использовать. Кроме широкого
частотного диапазона, хорошая акустика должна иметь минимальные
фазовые искажения для передачи максимального стереоэффекта.
К акустическим системам, используемым в театрах, требования
практически аналогичны, за исключением того, что КГИ и фазовые ис-
кажения могут быть выше - в этом случае объемность звучания дости-
гается увеличением числа звуковых каналов и колонок на канал.
Наименьшие требования по качеству звука предъявляются к эстрад-
ной акустике, однако при этом повышаются требования к мощности и на-
дежности. Условия работы - большие залы или открытое пространство.
Эстрадные акустические колонки в основном строятся по двухполосной
схеме с простейшим разделительным фильтром в виде конденсатора. Ча-
сто в состав эстрадной акустики входят однополосные НЧ-, СЧ- и ВЧ-
колонки, содержащие несколько излучателей в одном корпусе. При этом
частотное разделение происходит в звукоусиливающей аппаратуре.
Основная задача эстрадной акустической системы - создание вы-
сокого звукового давления в рабочем частотном диапазоне, который
может быть достаточно узким, особенно на открытом воздухе. Прием-
лемым считается 40 Гц - 16 кГц, о неравномерности АЧХ, ФЧХ и КГИ
говорить вообще не приходится.
Автомобильная акустика представляет собой нечто среднее между
домашней (так как используется для индивидуального прослушива-
ния) и эстрадной (так как работает в жестких условиях и при высоком
уровне окружающего шума). Основное требование - создание высо-
кого звукового давления в рабочем частотном диапазоне, который мот
жет быть даже шире, чем для домашней акустики, однако фазовые ис-
кажения и КГИ примерно такие же, как у эстрадной. Кроме того, ав}
39
Глава 1
томобильный усилитель работает при напряжении в 12 В. Источник
питания такого усилителя преобразовывает низкое однополярное на-
пряжение аккумулятора в относительно высокое биполярное. Ток, по-
требляемый усилителем, может быть очень большим, поэтому усили-
тель подключается к аккумулятору проводами большого сечения. Для
снижения влияния, оказываемого сопротивлением аккумулятора, в
цепь питания устанавливают конденсатор (ионистор) емкостью до 1 Ф.
Особо мощные акустические системы вообще требуют установки на
двигатель дополнительного генератора.
1.12. Многополосные акустические системы
До этого момента мы говорили об акустических системах, содержащих
только один излучатель. Такие системы называют однополосными. Обыч-
ный динамик способен воспроизводить звук в частотном диапазоне ши-
риной примерно четыре-пять октав. Широкополосные излучатели могут
сыграть в семь октав. Нетрудно подсчитать, что в диапазоне 20 Гц -
20 кГц содержатся десять октав. Это значит, что ни один динамик не спо-
Акустические системы, общие сведения
Рис. 1.20. Многополосная акустическая
колонка в разрезе
собен воспроизвести весь частот-
ный диапазон, воспринимаемый
человеческим ухом, поэтому каче-
ственные акустические системы со-
стоят из двух или трех излучателей,
каждый из которых воспроизводит
только часть спектра подаваемого
на колонку сигнала. Такие акустиче-
ские системы называют двухполос-
ными, трехполосными и т.д. В зару-
бежной литературе их называют со-
ответственно two-band, three-band
ит.д. (рис. 1.20).
Размер короба акустической
системы практически полностью
зависит от используемой НЧ-голов-
ки и типа акустического оформле-
ния. Среднечастотные излучатели
работают в акустическом оформ-
лении ЗЯ и не требовательны к
объему ящика (обычно достаточно
1 — 2 л). Одна ко, если СЧ - излучатель
просто закрепить, как и НЧ-излу-
чатель, то возникающая в ящике
компрессия будет влиять на работу
1
40
Акустические системы, общие сведения
Глава 1 I-
__________I
СЧ-динамика, от чего тот может вы-
йти из строя даже при небольшой
подводимой мощности. Поэтому
для СЧ-звена жесткими перегород-
ками выделяют небольшой объем
пространства из основного объема
и набивают его звукопоглотителем
для лучшей работы динамика. Вы-
сокочастотные динамики не требу-
ют никакого акустического оформ-
ления, но их также нужно защищать
от компрессии. Для этого радиолю-
бители часто используют «чашеч-
ки», сделанные из трубки и закры-
вающей ее крышки (см. раздел
«Изготовление фазоинвертора»).
Также можно использовать доныш-
ки от пластиковых бутылок.
Излучатели располагаются на
одной стенке короба как можно бли-
же друг к другу. Чем ближе располо-
жены излучатели, тем больше ко-
лонка походит на точечный источник
звука и тем качественнее ее звуча-
ние. В основном это связано с тем,
что у близко расположенных излу-
чателей меньше проявляется интерференция. Близкое расположение из-
лучателей делает восприятие сцены более выразительным. Низкочастот-
ная составляющая сигнала не влияет на восприятие сцены, а из-за боль-
шой длины волны ФИ можно удалить от НЧ-излучателя без опасения
возникновения интерференции. Этим свойством НЧ-волн пользуются,
располагая порт ФИ на задней стенке акустической колонки (рис. 1.21).
Излучатели располагают по следующему принципу: чем выше ча-
стота излучения динамика, тем выше он располагается в колонке. Клас-
сическое расположение излучателей показано на рис. 1.22, а—в. Также
встречается расположение ВЧ- и СЧ-динамика между НЧ-излучателем
и фазоинвертором (рис. 1.22, г). Считается, что такое расположение
обладает лучшей передачей сцены и более естественным звучанием.
1.12.1. Разделительные фильтры
Представьте себе двухполосную колонку, в которой оба динамика
включены электрически параллельно. В этом случае часть сигнала, ко-
торый динамик не способен воспроизвести, рассеется на звуковой ка-
41
Глава 1
Акустические системы, общие сведения
тушке в виде тепла и не будет воспроизведена. При этом не только упа-
дет КПД, но и возникнет риск повреждения динамика.
Разделительные фильтры используют как раз для разделения сиг-
нала на составляющие. Низкочастотную составляющую выделяет
фильтр низких частот — ФНЧ, высокочастотную — фильтр высоких ча-
стот— ФВЧ. Если разрабатывается трехполосная акустическая система,
то для СЧ-излучателя используется полосовой фильтр, ограничиваю-
щий спектр «снизу» и «сверху» (рис. 1.23).
Фигурными скобками показаны зоны совместного действия излу-
чателей.
Рис. 1.23. АЧХ фильтров с зоной совместного действия
Глава 1
|-------------------------------------------------42
Ограничивая поступление «несъедобной» составляющей сигнала,
фильтр также может перераспределять поступление мощности к дина-
микам. Например, если в колонке используется ВЧ-динамик с мень-
шей чувствительностью, чем НЧ, в звуке будет ощущаться недостаток
высоких частот. Поэтому с целью выравнивания чувствительности ди-
намиков в фильтр вводят различные балластные сопротивления.
Схемно разделительные фильтры чаще всего реализуются в виде
LC-фильтров различных порядков. Напомню, что чем выше порядокфильт-
ра, тем круче спад его АЧХ и тем сложнее он в настройке (рис. 1.24).
Рис 1.24. Ширина зоны совместного действия фильтров разных порядков
Несколько слов по выбору порядка фильтра. Фильтры первого по-
рядка наиболее просты в конструировании и настройке. Настройка,
собственно, заключается в подборе номинала одного конденсатора и
индуктивности одной катушки. Фильтры первого порядка не обладают
колебательностью, следовательно, при переходных процессах меньше
искажений сигнала. Расплатой за это является широкая зона совмест-
ного действия излучателей, что может привести к провалам в АЧХ ко-
лонки из-за различных фазовых характеристик динамиков и несколько
худшему восприятию сцены.
Фильтры более высоких порядков сложнее настраиваются, но по-
зволяют сузить зону совместного действия, что, как правило, приводит
кхорошимрезультатам.
Фильтры делятся не только по величине порядка, но и по особен-
ностям передаточной функции. Наиболее распространены фильтры
Баттерворта, Бесселя и Чебышева (Butterworth, Bessel, Chebychev). Они
различаются по крутизне АЧХ и фазовым характеристикам. На практи-
ке не приходится задумываться о том, фильтр какого типа вы проекти-
руете, потому что из-за разброса параметров радиоэлементов и влия-
ния других факторов вы вполне можете получить характеристику Бес-:
43
Глава 1
селя, проектируя фильтр Чебышева. К тому же после расчета фильтра,
как правило, его параметры приходится подбирать, что называется,
«на слух», при этом характеристика фильтра будет отличаться от ти-
пичной.
Для облегчения расчета разделительных фильтров целесообразно
воспользоваться специальными программами, например JBL Speaker-
Shop Crossover Module. Ее описание и пример расчета будут изложены
позже.
Если вы никогда раньше не занимались проектированием многопо-
лосных АС, рекомендую начать с двухполосной системы и фильтра
типа «1+0» (для ВЧ-звена используется фильтр первого порядка (кон-
денсатор), а для НЧ-звена не используется фильтр).
1.12.2. Стратегия проектирования
разделительного фильтра
Для начала снимите АЧХ для динамиков и определите зону их совмест-
ного действия. Частоту разделения лучше всего выбрать на середине
зоны совместного действия, так как на ее краях качество работы дина-
миков падает. Затем внесите параметры динамиков в программу и
смоделируйте параметры элементов при выбранной вами частоте раз-
деления. С помощью программы Zcalc определите число витков и раз-
мер катушки для получения нужной индуктивности. Полученное число
витков умножьте на 1,2 и намотайте именно столько витков с отводами
от витка с нужной индуктивностью и витка с индуктивностью, на 20%
меньшей, чем расчетная.
Например, если число витков составило 100, на каркас нужно на-
мотать 120 витков с отводами от 80-го и 100-го витка.
Соберите фильтр, используя расчетные значения. После этого под-
ключите фильтр к колонке и снимите ее АЧХ. Затем подберите емкость
конденсатора таким образом, чтобы АЧХ стала наиболее линейной.
Запишите емкость конденсатора и номер витка катушки. Аналогичную
процедуру нужно проделать с большей и меньшей индуктивностью ка-
тушки.
На следующем этапе необходимо оценить качество звучания каж-
дого из этих фильтров уже на слух. Лучше всего это делать, сравнивая
звучание двух колонок с разными фильтрами.
Выбрав фильтр, который звучит наилучшим образом, подберите
значение добавочных резисторов и других корректирующих цепочек.
После этого полезно снова подобрать емкость конденсатора и индук-
тивность катушки. Таким образом, последовательно подбирая значе-
ния элементов, вы придете к их оптимальным значениям. Не забывай-
те только снимать АЧХ после каждого изменения элементов и записы-
вать их номиналы и оценку качества звучания.
Акустические системы, общие сведения
Глава 1---------------------------------------------44
Акустические системы, общие сведения
1.12.3. Определение синфазного включения динамиков
Определить синфазное включение НЧ-динамиков очень просто: до-
статочно соединить динамики параллельно и подать на них небольшое
постоянное напряжение (1—2 В). Если диффузоры динамиков при этом
перемещаются в одну и ту же сторону, значит, они соединены син-
фазно.
СЧ- и ВЧ-динамики фазируют по-другому: их соединяют парал-
лельно, располагают на одной плоскости близко друг к другу и пода-
ют сигнал немного выше резонансной частоты. При этом если дина-
мики работают синфазно, звук, исходящий из динамиков, не кажется
странным.
Если динамики работают в противофазе, может возникнуть впечат-
ление, что работает только один из них, причем какой именно — зави-
сит от положения слушателя. Если фазируются два разных динамика
(НЧ и ВЧ ил и СЧ и ВЧ), то это впечатление будет еще сильнее: находясь
на одной оси с ВЧ-излучателем, вы будете ощущать недостаток низких
частот, и наоборот.
1.12.4. Акустические системы с отдельным
НЧ-излучателем (сабвуфером)
Сабвуфер - компактное и дешевое решение для воспроизведения
низких частот. Сабвуфер может применяться в составе домашнего ки-
нотеатра для создания спецэффектов, известных как LFE - Low Fre-
quency Effect, а также для улучшения качества звучания двухканальной
акустической системы.
Идея отделить НЧ-звено от СЧ и ВЧ достаточно разумна — челове-
ческий слух не способен различить расположение источника НЧ-из-
лучения. Другими словами, слушателю все равно, один источник тако-
го излучения или два, и даже нет разницы, где он находится:.справа
или слева. Использование сабвуфера позволяет уменьшить размер
передних колонок и более рационально их разместить, а место для
сабвуфера найти проще, чем место для двух громоздких колонок. И это
еще не все. После отделения НЧ-звена от СЧ и ВЧ становится проще
расчет разделительных фильтров. Можно также сделать фильтр для
сабвуфера с регулируемой частотой среза — это позволит тоньше сты-.
ковать НЧ- и СЧ-звенья уже в процессе эксплуатации системы.
Основной недостаток сабвуфера - необходимость конструирова-
ния еще одного ящика и проектирование трехканального усилителя
при проектировании стереосистемы.
Конструктивно сабвуфер представляет собой обычную однополос-
ную акустическую колонку, выполненную в оформлении ЗЯ, ФИ или
полосового излучателя. Часто в сабвуферах, выполненных в оформле-
45
Глава 1
нии ФИ, динамик направлен в пол, а фазоинвертор выведен на перед-
нюю панель ящика. Сам же ящик располагается на высоте 5-10 см над
уровнем пола на ножках или выступающих боковых стенках. Такая кон-
струкция заодно работает как шейкер, передавая вибрацию в пол и
усиливая низкочастотные спецэффекты.
Существует мнение, что чем больше объем ящика и площадь диф-
фузора динамика, тем лучше. Однако это не совсем так. Действитель-
но, большой объем ящика и большая площадь диффузора позволяют
воспроизводить очень низкие частоты, но из-за большой инерции воз-
духа и подвижной системы излучателя бас размыт и не динамичен.
К тому же эффект удара в грудь возникает на частоте около 70 Гц. На
такой частоте большие сабвуферы могут оказаться даже менее эффек-
тивными, чем маленькие.
1.12.5. Распределение мощности
При конструировании АС пользуются простым правилом соотношения
мощности: ВЧ:СЧ:НЧ = 1:3:9, то есть, если мощность НЧ-излучателя
составляет 30 Вт, мощность СЧ-излучателя должна составлять 10 Вт, а
ВЧ - 3 Вт.
У разработчиков АС часто возникает вопрос: какова должна быть
мощность АС, чтобы она, с одной стороны, обеспечивала достаточную
громкость при сохранении высокого качества звучания, а с другой — не
была слишком большой, чтобы не вызвать повреждение здания либо
баротравмы. На этот вопрос однозначно ответить нельзя — все зависит
от чувствительности акустических колонок и особенностей помещения,
но опыт показывает, что стереосистемы с мощностью 30 Вт на канал
вполне достаточно для обычной квартиры. Сабвуфер в оформлении
ФИ должен быть около 50 Вт, в оформлении ЗЯ может быть более 100 Вт.
1.12.6. Несколько слов об акустических кабелях
Кабель, соединяющий акустическую колонку и усилитель, вносит опреде-
ленный вклад в звучание системы. В основном в связи с тем, что кабель
обладает определенным сопротивлением. Влияние этого сопротивления
не только сказывается на чувствительности АС, но и влияет на распределе-
ние мощности между излучателями в колонке. Чтобы максимально ис-
ключить данный эффект, площадь сечения провода должна быть как
можно больше, а длина - как можно меньше. Кроме того, необходимо,
чтобы для всех колонок АС длина и сечение провода были одинаковыми.
Также нельзя исключать и тот факт, что проводник обладает определенной
индуктивностью, а два близко расположенных проводника образуют ем-
кость. В связи с этим сдвоенный провод можно рассматривать как LC-
фильтр низких частот. То есть, чем длиннее провод, тем сильнее будут га-
Акустические системы, общие сведения
Глава 1---------------------------------------------46
Акустические системы, общие сведения
ситься высокие частоты. На практике влияние индуктивности провода
проявляется лишь при длине кабеля выше 50 м.
В связи с тем что кабель вносит свой вклад в звучание АС, раздели-
тельный фильтр нужно настраивать, подключая колонку кабелем, кото-
рый предполагается использовать в этой АС постоянно.
1.13. Конструкция коробов акустических систем
Корпус акустической системы (короб, ящик) представляет собой резо-
натор, и от его качества, то есть соответствия идеальной модели, зави-
сит качество акустической системы в целом.
Основное требование, которое предъявляется коробу, - его полная
герметичность. Для обеспечения герметичности при сборке все швы
короба должны быть проклеены, а разъемные места (например, съем-
ные стенки и места крепления динамиков) — уплотнены резиновыми
или тканевыми прокладками.
Второе требование — жесткость стенок, исключающая влияние их
вибрации на звук. Конечно, полностью избавиться от этого невозможно,
но можно предпринять меры по уменьшению паразитных вибраций.
Для увеличения жесткости стенок их выполняют из твердых мате-
риалов, чаще всего из ДСП или толстой фанеры. Для колонок неболь-
ших размеров - объемом около 20 л - подходит ДСП толщиной 15 мм.
Для колонок объемом до 100 л толщина ДСП должна составлять не
менее 20 мм. Также для увеличения жесткости стенки снабжают допол-
нительными ребрами жесткости и распорками, применяют демпфиро-
вание стенок (см. раздел, посвященный доработке АС). Особо экзоти-
ческие АС могут быть выполнены из твердыхлород дерева, мрамора и
даже особого типа бетона. Популярный нынче материал, известный
как MDF, похожий больше на толстый картон, из-за своей гибкости
плохо подходит для производства акустических колонок.
Третье требование — минимизация стоячих волн внутри ящика.
Стоячие волны возникают между параллельными стенками ящика и
вызывают паразитные резонансы. Для борьбы со стоячими волнами
создают ящики, где нет параллельных стенок (например, в форме пи-
рамид), устанавливают диагональные стенки внутри и набивают ящик
звукопоглотителем. Для минимизации стоящих волн НЧ-динамик раз-
мещают как можно дальше от геометрического центра ящика, смещая
его к одной из стенок (рис. 1.20, 1.52).
По степени подверженности возникновению стоячих волн формы
ящиков можно распределить следующим образом (в порядке возраста-
ния): ящики неправильной формы и без параллельных стенок, оптималь-
ный параллелепипед, произвольный параллелепипед, куб, шар. Шаро-
образные колонки, конечно, трудно представить, но теоретически их
Глава *1
можно изготовить из какого-нибудь
композитного материала. Стороны
оптимального параллелепипеда
относятся как 1,62:1:0,62.
Конструирование короба -
дело вкуса, главное, чтобы соблю-
дались все приведенные выше
требования. Для примера я пока-
жу два варианта, которые исполь-
зуются чаще всего: классический
ящик, собранный на брусках, со
съемными передней и задней
стенкой и «облегченный» ящик,
где съемной является только зад-
няя стенка (рис. 1.25). В принципе
можно изготовить ящик вообще
без съемных стенок - тогда все
динамики монтируются с внешней
стороны, а операции по сборке и
демпфированию выполняются че-
рез отверстия для динамиков.
Классический ящик состоит
собственно из ящика, собранного
на брусках, передней стенки, при-
тягиваемой гайками изнутри ящи-
ка, и задней стенки, прикручивае-
мой шурупами снаружи. Винты
(шпильки), за которые передняя
стенка притягивается к ящику,
должны быть «намертво» вклее-
ны, чтобы не допускать провора-
чивания. Такая конструкция по-
зволяет обтягивать колонку тка-
нью типа карпета (плотная ворси-
стая ткань, которой обтягивают автомобильные сабвуферы) или сукна
для придания эстетического вида. Приклеивать ткань к колонке можно
любым вязким клеем, например «Titan», немного разбавленным спир-
том, или клеем «Момент». ПВА может быть использован только для
легкой ткани вроде сукна, карпет им клеить трудно.
Для герметизации ящика можно применить замазки, состоящие из
клея и опилок, образовавшихся при распиливании ДСП. В качестве клея
удачным выбором будет клей ПВА, эпоксидная смола или «Titan».
Фазоинвертор, равно как и динамическая головка, является источ-
ником звука. Для максимального исключения явлений интерференции
Акустические системы, общие сведения
48
Акустические системы, общие сведения
Глава 1
ФИ нужно располагать как можно ближе к басовому динамику и на
расстоянии, не большем, чем излучаемая им длина волны. Если учесть,
что ФИ работает на частотах не выше 200 Гц, то максимальное «без-
опасное» расстояние будет составлять 1,8 м.
При размещении ФИ следует также помнить, что его внутреннее от-
верстие должно находиться как можно дальше от стенок, причем рас-
стояние до стенки должно быть не меньше, чем один диаметр трубки.
1.13.1. Изготовление фазоинвертора
В качестве фазоинвертора акустической колонки можно использовать
любые жесткие трубки. В любительской практике нашли широкое при-
менение пласгиковыетрубы, используемые для внутренней канализа-
ции. Диаметры таких труб стандартизированы: 32, 40, 50, 110 мм.
Однако иногда этого набора недостаточно, например, когда нужен фа-
зоинвертор какого-то конкретного диаметра. Тогда трубку придется из-
готовить самому.
Перед началом изготовления трубки рекомендую застелить стол, на
котором вы работаете, несколькими слоями газетной бумаги.
Для изготовления трубки нам потребуется:
• ватман, желательно лист А1;
• клубок ниток или несколько канцелярских резинок;
• эпоксидный клей;
• немного клея для бумаги;
• пара хозяйственных резиновых перчаток;
• оправка, внешний диаметр которой чуть-чуть меньше или совпа-
дает с внутренним диаметром будущей трубки. Оправку можно выто-
чить на токарном станке из дерева или же использовать подручные
предметы: стеклотару, алюминиевую банку и т.д.
Сначала на оправку нужно намотать три-четыре слоя тонкой бумаги
(подойдет и газета). Чтобы она не размоталась, шов необходимо за-
крепить клеем типа ПВА. Слои бумаги должны плотно прилегать к
оправке, между ними не должно быть воздуха или клея. Затем из листа
ватмана нужно вырезать полоску, ширина которой совпадала бы с дли-
ной будущей трубки. Длина полоски должна быть достаточной, чтобы
намотать ее на оправку в пять-шесть витков.
Затем следует подготовить эпоксидный клей, для этого смешайте
смолу и отвердитель в пропорции согласно инструкции (обычно 10:1).
Для точного определения объема клея и смолы можно использовать
шприцы емкостью в 10 мл. Чтобы компоненты не смешивались в их
емкостях, приготовьте отдельные шприцы для смолы и отвердителя.
49
Глава 1
Теперь наденьте перчатки и начните наматывать слои ватмана на
подготовленную оправку, проклеивая их эпоксидным клеем. Заметьте,
что первый виток не нужно приклеивать к оправке! Не жалейте клея,
между слоями не должно оставаться пустого пространства. Наносить
смолу можно непосредственно перчаткой: просто опускаете руку в клей
и наносите его на поверхность. Таким образом необходимо намотать
пять-шесть витков ватмана.
Чтобы слои крепче прилегали друг к другу, наденьте на изделие
канцелярские резинки или замотайте его нитью. Трубка должна сохнуть
в вертикальном положении в течение суток.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ. Компоненты эпоксидного клея токсичны в жид-
ком состоянии, поэтому работать с клеем нужно в хорошо проветриваемом по-
мещении или на открытом воздухе. При работе с клеем обязательно используйте
перчатки.
После высыхания клея нужно отделить трубку от оправки. Сделать
это бывает непросто. Сначала снимите с нее стяжки. Затем попробуйте
повернуть трубку относительно оправки. Если сделать это не удается,
попробуйте по частям вынуть бумагу, проложенную между трубкой и
оправкой. В конце концов, оправку можно просто разбить. Этот метод
хорош, если в качестве оправки используется стеклянная бутылка или
алюминиевая банка.
Трубка, изготовленная таким способом, достаточно прочна и в то же
время легко обрабатывается - ее можно обтачивать напильником, ре-
зать ножовкой по металлу или канцелярским ножом.
Подобным способом можно изготовить и раструб (рис. 1.26) для
фазоинвертора. Для этого оправка изготавливается из пластилина, на-
пример, на гончарном круге. Затем нужно охлаждать ее около 12 ч в
морозильной камере. После этого на оправку накладывают полоски
Рис. 1.26. Раструб
Акустические системы, общие сведения
Акустические системы, общие сведения Г
Глава 1 ' F---------------------------------------------j 50 :
ткани, пропитанные эпоксидным клеем или клеем «Titan». В зависимог
сти от размеров раструба в качестве ткани можно использовать марлю,
бязь, мешковину и др. Когда клей высохнет, пластилин легко отделится
от изделия.
Обратите внимание, что радиус кривизны раструба должен быть не
меньше радиуса самой трубки.
1.14. Доработка заводских акустических систем
Покупка новой акустической системы — это всегда дело радостное и не
лишенное приятных хлопот: вы ходите по магазинам в поисках именно
того, что вам нужно, и не важно, что именно вы ищете: аппаратуру для
домашнего кинотеатра или пару колонок в гостиную. Вы слушаете эк-
земпляр за экземпляром, оценивая качество звучания. Наконец оста-
навливаете свой выбор на образце, который звучит так или почти так,
как хотелось бы. Вы оцениваете глубину баса, чистоту «верхов», про-
рисовку сцены и воздушность в звучании. И вот эти колонки уже раду-
ют глаз и ухо (возможно, не только вам, но и дорогим соседям) дома,
и счастью не было бы предела, если бы через неделю вы не обнаружи-
ли, что бас не такой уж и глубокий, «высокие» могли бы быть и повы-
ше, с «серединкой» тоже что-то не так, а сцены как будто и не было.
Что же случилось? Первое впечатление от звучания аппаратуры за-
частую бывает обманчивым. Все нюансы игры раскрываются далеко не
сразу. Чтобы полностью оценить звучание колонок, может потребо-
ваться несколько дней и не один десяток композиций. Также играет
роль помещение, где происходит прослушивание. Зачастую колонки,
хорошо работающие в магазине, оказавшись в квартире, начинают
играть плохо.
Почему это происходит? Дело в том, что звук, который вы слыши-
те, - это не только звук от колонок, но и отраженный от стен комнаты и
окружающих предметов. При этом он приобретает окрас - изменение
АЧХ, ФЧХ, добавление гармоник и эха. Разумеется, в разных помеще-
ниях окрас звучания тоже разный. Поэтому совершенно не удивитель-
но, что дома колонки звучат иначе, нежели в магазине.
Что же делать? У вас есть два варианта: смириться или попытаться
переделать колонки, чтобы их звучание снова радовало вас.
ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ. Если звучание акустической системы вас полностью
устраивает, лучше воздержитесь от каких-либо изменений. Если вы все же реши-
лись переделать колонки, предусмотрите возможность возврата к их первона-
чальному состоянию. Рекомендуется также записывать все изменения, произво-
димые с колонками. До того как изменение было произведено, снимите АЧХ
колонки. После доработки снимите АЧХ повторно тем же микрофоном и в том
же помещении и сравните их.
51 j------------------------------------------—-j Глава 1
1.14.1. Демпфирование стенок ящика изнутри
Сложность: не требует специальных материалов и знаний. Низкая ве-
роятность отрицательного результата.
Демпфирование применяется для уменьшения искажений, вноси-
мых вибрацией стенок ящика. Чем тоньше материал, из которого из-
готовлен ящик, тем выше эффективность демпфирования. Демпфиро-
вание особенно эффективно, если ящик изготовлен из пластмассы.
В качестве демпфирующего покрытия можно применять резину,
линолеум или материалы, по свойствам на них похожие. Демпфирую-
щее покрытие приклеивается к стенкам ящика с внутренней стороны.
Клей нужно нанести равномерно по всей поверхности материала, что-
бы между ним и стенкой не оставалось воздуха. В противном случае в
этих местах может возникнуть дребезг.
Требование к клею: после застывания должен сохранять эластич-
ность. Идеально подходит клей «Момент».
После демпфирования стенок можно приступить к набивке ящика
звукопоглотителем.
1.14.2. Набивка ящика звукопоглощающим материалом
Сложность: не требует специальных материалов и знаний. Низкая ве-
роятность отрицательного результата.
Набивка ящика служит для двух целей: уменьшения жесткости воз-
духа внутри ящика и гашения стоячих волн. Понижение жесткости воз-
духа дает виртуальное увеличение объема ящика, вследствие чего
улучшается отдача на низких частотах и понижается нижняя граница
воспроизводимых частот. Гашение стоячих волн приводит к уменьше-
нию гармонических искажений и выравнивает АЧХ.
В результате бас становится более густым и воздушным, уменьша-
ется «эффект бочки». Однако будьте готовы к тому, что увеличение глу-
бины баса может произойти за счет некоторого уменьшения его дина-
мичности.
Не только НЧ, но и СЧ-звено можно подвергнуть набивке. При этом
естественность звучания «серединки» заметно улучшится.
В качестве звукопоглощающего материала используют синтепон
(искусственную вату). Натуральная или минеральная вата не рекомен-
дуется. Также плохо для этих целей подходит поролон.
Виртуальный прирост объема ящика и степень гашения стоячих
волн зависит от степени заполнения ящика звукопоглотителем. Суще-
ствует два основных метода заполнения ящика (рис. 1.27): легкая на-
бивка, когда звукопоглотитель слоем в 2—5 см приклеивается к стен-
кам ящика, и тяжелая набивка, когда все пространство ящика заполня-
ется звукопоглотителем.
Глава 1
52
Акустические системы, общие сведения
Рис. 1.27. Способы набивки ящика
Оптимальное количество звукопоглотителя определяется опытным
путем. Обычно, чтобы это определить, хватает трех сравнительных про-
слушиваний (с заполнением на 1/3,2/3 и полным заполнением). Я ре-
комендую сначала выполнить легкую набивку и сравнить звучание
этой колонки с колонкой без набивки. Если звучание доработанной ко-
лонки лучше, следует и вторую колонку набить этим же способом. За-
тем можно экспериментировать с количеством звукопоглотителя, за-
полняя им свободное пространство ящика.
Синтепон - волокнистый материал толщиной около 1 см в непрес-
сованном виде. Такой толщины недостаточно, чтобы обклеить стенки
ящика, поэтому нужно сшивать как минимум два слоя синтепона в не-
кое подобие подушечек, стараясь при этом не сжимать его, то есть
стремиться сохранить первоначальную плотность. Даже если вы будете
использовать один слой синтепона, его все равно рекомендуется про-
шить, чтобы материал не расслаивался от вибрации (рис. 1.28).
Клеить синтепон к стенкам ящика можно клеем «ПВА» — он быстро
сохнет и не испаряет токсичных веществ.
СОВЕТ. Звукопоглотитель не следует прессовать, иначе эффективность его
работы падает. Если вы не видите свободного места в ящике, он набит полно-
стью. Даже если звукопоглотитель хорошо поддается сжатию, делать этого не
следует.
53
Глава 1
Рис. 1.28. Способы прошивки синтепона
Акустические системы, общие сведения
СОВЕТ. Если внутри колонок нет звукопоглотителя, обязательно попробуйте
выполнить легкую набивку — в 90% случаев это улучшает качество звука.
ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ. При тяжелой набивке позаботьтесь, чтобы внутрен-
нее отверстие фазоинвертора не блокировалось звукопоглотителем и между ним
и динамиком оставалось немного незаполненного пространства.
1.14.3. Установка распорок и ребер жесткости
Сложность: трудоемкий процесс. Низкая вероятность отрицательного
результата.
Если стенки ящика достаточно тонкие, их можно укрепить распор-
ками (брус, скрепляющий две противоположные стенки) и ребрами
жесткости (брус, закрепленный вдоль укрепляемой стенки).
Этот метод укрепления ящика эффективен только в колонках боль-
шого размера и мощности - в сабвуферах и эстрадной акустике.
Между ребром жесткости и стенкой должен быть надежный кон-
такт, чтобы избежать дребезга, поэтому поверхности необходимо пол-
ностью покрыть клеем и зафиксировать саморезами. Аналогичные
требования предъявляются к креплению распорок.
Чтобы ребра жесткости и распорки были эффективны, размер бру-
ска должен быть не менее 3x3 см.
Отрицательный эффект применения распорок и ребер - уменьше-
ние внутреннего объема ящика, что может сказаться на глубине баса.
Акустические системы, общие сведения
Глава 1 ----------------------------------------------1 54 I
. I_____!
1.14.4. Изменение настройки фазоинвертора
Сложность: требует навыка настройки ФИ и измерения параметров
динамических головок. Есть вероятность отрицательного результата. /
Зачем, спросите вы, перенастраивать ФИ, если его настройка уже
осуществлена на заводе-изготовителе? Дело в том, что при серийном
изготовлении АС не учитываются отклонения в параметрах динамиче-
ских головок, которые изменяются от партии к партии и могут быть весь-
ма существенными. Другими словами, параметры устанавливаемых ди-
намиков отличаются от тех, под которые колонки были спроектированы.
В результате режим работы динамика может быть далек от наилучшего.
Чтобы это проверить, необходимо выполнить следующие действия:
1. Измерить частоту настройки ФИ колонки (по пику импеданса
НЧ-динамика, к примеру).
2. Снять параметры Т-С с НЧ-динамика.
3. Смоделировать наилучшую АЧХ для динамика в его ящике.
4. Смоделировать АЧХ при текущей настройке ФИ.
После этого можно принимать решение - настраивать ли ФИ или
оставить все как есть. Способ моделирования АЧХ и настройки ФИ
описаны в соответствующих разделах. Прежде чем начать настройку
фазоинвертора, запишите его прежние размеры: длину и диаметр,
чтобы в случае неудачи вернуться к исходному состоянию.
Если по результатам моделирования выяснилось, что динамик мог
бы работать лучше при большем объеме ящика, можно попробовать
его увеличить...
1.14.5. Изменение объема ящика
Сложность: весьма трудоемкая задача. Есть риск ухудшения внешнего
вида колонок. Кроме того, нужно обладать навыком конструирования
АС в оформлении ФИ. Есть вероятность отрицательного результата.
Зачастую производители АС для повышения потребительских ка-
честв колонок намеренно загоняют динамики в слишком маленькие
объемы. Ведь вероятность продать маленькие и «мощные» колонки го-
раздо выше, чем большие и действительно хорошие. Средний потреби-
тель, как правило, обращает внимание на внешний вид колонок, коли-
чество и размер динамиков, на большие цифры, в конце концов. Об
остальном ему просто неизвестно. Поэтому зачем делать хорошо, если
можно сделать плохо, но красиво, и это все равно будет продано?
Операция по изменению объема, наверное, самая сложная и спор-
ная из всех, которые можно себе представить по отношению к колон-
кам. Фактически нам придется изготовить новую колонку — от старой
останутся только динамики и разделительный фильтр.
Однако может потребоваться не только увеличение объема, но и
его уменьшение, например в случае замены динамика...
55
Глава i
1.14.6. Замена динамической головки головкой
другого номинала
Сложность: весьма трудоемкая задача. Необходимо иметь навык в
конструировании многополосных акустических систем. Высокий риск
неудачи.
При замене динамической головки нужно помнить о том, что:
1. Придется заново рассчитывать параметры разделительного
фильтра.
2. Придется заново рассчитывать параметры акустического оформ-
ления НЧ-звена, если выполняется замена низкочастотного динамика.
Подобную доработку можно рекомендовать, только если сгорел
один из динамиков и аналогичный найти не удается.
1.14.7. Замена разделительного фильтра
Сложность: достаточно длительный процесс. Требует навыка расчета
разделительного фильтра (кроссовера). Высок риск неудачи.
Подобную замену можно рекомендовать только в одном случае:
если кроссовер не подходит к установленным динамикам. Кстати, не-
правильная настройка разделительного фильтра встречается чаще не-
верной настройки ФИ. Это связано с тем, что если ФИ оказывается чув-
ствительным к изменению параметров только одного динамика (НЧ),
то разделительный фильтр часто восприимчив к изменению параме-
тров любого из двух или трех динамиков акустической системы. Вторая
причина неверной настройки состоит в том, что это попытка произво-
дителя сделать АС, способную произвести впечатление на покупателя.
Разделительный фильтр настраивается так, чтобы высокие частоты сде-
лать «еще выше». В магазине такая акустика звучит очень хорошо. Од-
нако по приезде домой высокие частоты начинают резать ухо или про-
сто звучать неестественно.
Если уж вы решились на замену разделительного фильтра, запом-
ните следующее:
1. Обязательно снимите АЧХ колонки до ее изменения.
2. Прежде чем отключать фильтр, зарисуйте, какие провода идут к
какому динамику, чтобы в случае неудачи можно было подключить
этот фильтр обратно.
3. Отключите фильтр и не производите никаких изменений над ним.
4. Снимите АЧХ каждого динамика в отдельности.
5. После подключения нового кроссовера снимите АЧХ колонки и
сравните с АЧХ колонки со старым разделительным фильтром.
Акустические системы, общие сведения
Глава 2
Усилители мощности
И
сточником сигнала для акустической системы обычно высту-
пает линейный выход магнитолы или звуковой карты компью-
тера. Максимальная амплитуда сигнала такого выхода составляет
1 В (0,707 В — действующее напряжение), а мощность — от 50 мВт до
1 Вт. Если этот сигнал подать непосредственно на вход акустической
колонки, то в лучшем случае вы услышите еле различимый звук, а в
худшем - выведете из строя выходной усилитель устройства. Чтобы
добиться высокой громкости воспроизведения, не испортив при этом
оборудование, нужно усилить сигнал по напряжению. Кроме того, уси-
литель должен обладать высоким входным сопротивлением, чтобы
оказывать минимальное воздействие на источник сигнала, и низким
выходным сопротивлением, чтобы обеспечить высокий выходной ток.
Такие усилители называют усилителями мощности.
Первые усилители для звуковой аппаратуры появились в начале
XX века после открытия вакуумных полупроводниковых приборов.
Ламповые усилители того времени были очень несовершенны. В пер-
вую очередь это было связано с низкой выходной мощностью, высо-
ким уровнем гармонических искажений и наличием фона. Кроме того,
ламповые усилители обладали очень низким КПД, они были довольно
громоздкими и менее надежными, чем усилители на полупроводни-
ковых элементах. Но несмотря на это, ламповые усилители произво-
дят до сих пор. Многие считают, что качество сигнала у ламповых уси-
лителей выше, чем у полупроводниковых. Впрочем, истинность такого
утверждения довольно спорна.
В середине XX века на смену ламповым усилителям начали при-
ходить усилители на полупроводниковых транзисторах. Они облада-
ли меньшими габаритами и лучшим качеством усиления. Однако рас-
чет параметров электрической схемы представлял определенные
трудности даже для опытных радиолюбителей. Дело в том, что тран-
зистор обладает нелинейными характеристиками, следовательно,
усиленный сигнал всегда будет искажен, и вопрос только в том, на-
сколько сильно. Чтобы снизить искажение сигнала, выбирают режим
работы транзисторов в участках характеристики, где она максимально
сохраняет свою линейность, и применяют цепи, компенсирующие ис-
кажения. Все это приводит к увеличению числа элементов схемы и
усложняет ее наладку.
57 ------------------------------------------------ Глава 2
Современные усилители все чаще собираются на основе полупро-
водниковых микросхем. Микросхема содержит в себе практически все
необходимые компоненты усилителя, причем их подбирают таким об-
разом, чтобы максимально упростить наладку схемы при сохранении
наилучшего качества усиления.
Представьте себе процесс конструирования усилителя на транзи-
сторах. Сначала необходимо составить электрическую схему усилите-
ля. После этого нужно выполнить сложный расчет всех элементов схе-
мы с учетом взаимного влияния и температурных режимов. Отлично,
на бумаге эта схема уже работает. Далее предстоит собрать ее из на-
стоящих компонентов. Заметьте, что электрические параметры эле-
ментов всегда имеют разброс. Это значит, что резистор номиналом в
1 кОм может иметь сопротивление от 950 до 1050 Ом, если его точ-
ность составляет 5%. Вдобавок сопротивление этого резистора зави-
сит и от его температуры. Таким образом, после сборки схемы для
обеспечения наилучшего качества звучания потребуется подкорректи-
ровать номиналы некоторых элементов. И до чего же будет обидно,
если качество работы усилителя даже после его наладки не будет вас
удовлетворять!'
Микросхема при прочих равных показателях содержит в себе боль-
ше элементов, чем усилитель на транзисторах. В первую очередь это
связано с тем, что себестоимость производства одной микросхемы
примерно такая же, как у одного мощного транзистора, поэтому в ми-
кросхеме целесообразно реализовать как можно больше полезных
функций. Во всех микросхемах, применяемых в звукоусилительной
аппаратуре, содержится большое количество корректирующих цепо-
чек, максимально устраняющих нелинейность сигнала. Часть из них
следит за тем, чтобы характеристики усилителя оставались в норме при
изменении температуры кристалла, питающего напряжения и сопро-
тивления нагрузки. Многие микросхемы имеют встроенную защиту от
короткого замыкания на выходе и от перегрева. Также встречаются
функции «mute» («интим»), индикация перегрузки, компенсация пуль-
сации питающего напряжения и др. Все эти функции непросто реали-
зовать на обычных транзисторах.
Таким образом, микросхема — это своего рода черный ящик, и вам
обычно не известно, что именно в нем находится. После производства
микросхема обязательно проходит проверку основных показателей.
Если эти показатели в норме, микросхему направляют для дальней-
шей реализации. Если характеристики отличаются от нормы, ее либо
уничтожают, либо маркируют как микросхему с худшими характери-
стиками.
В рамках этой книги мы будем рассматривать усилители низкой ча-
стоты, выполненные именно на микросхемах, как самые простые и в то
же время самые современные.
Усилители мощности
58
Глара 2-----------------------------------
2.1. Теория работы операционного усилителя
Усилители мощности
Рис 2.1.
Обозначение ОУ
Большинство микросхем, применяемых для усиле-
ния звука, являются операционными усилителями.
На схеме операционный усилитель (ОУ) обозначает-
ся треугольником. Самый простой ОУ имеет два сиг-
нальных входа, два входа для питающего напряже-
ния и один сигнальный выход (рис. 2.1).
Операционные усилители обладают рядом при-
мечательных свойств:
• входное сопротивление усилителя - от единиц
до десятков мОм;
• выходное сопротивление-от единиц до десятков Ом;
• коэффициент усиления в разомкнутом состоянии - сотни тысяч раз;
• рабочая частота - десятки МГц;
• выходная мощность — от единиц милливатт до десятков ватт.
У ОУ два входа, именуемых «прямой» (положительный) и «инверс-
ный» (отрицательный). Напряжение на выходе усилителя определяет;
ся выражением:
и = (и -и
вых ' прямое инверсное
(2.1)
Так как коэффициент усиления (1^) ОУ очень велик, практически
при любых входных напряжениях усилитель насытится, и выходное
напряжение примет либо максимальное, либо минимальное значе-
ние. Кроме того, при больших Ку микросхема может потерять устойчи-
вость и начать работать как генератор. Как говорят, начнет возбуждать-
Рис. 2.2. Общая схема биполярного источника
Глава 2
г~
I 59
ся. Вы, наверное, слышали свист, который возникает, если микрофон
поднести близко к колонке. В микросхеме может возникнуть подобное
явление, только на более высоких частотах. Чтобы этого не происхо-
дило, К усилителя снижают, вводя отрицательную обратную связь
(ООО.
Для питания ОУ обычно используется биполярный источник пита-
ния, в котором содержится положительное питающее напряжение
(+\/s), отрицательное (-Vs) и общий провод с нулевым потенциалом
(ground). Биполярный источник можно получить, последовательно
включив два однополярных с выводом от точки их соединения. Эта
точка называется «землей» или средней точкой (рис. 2.2).
Существуют также схемы включения ОУ с однополярным питанием,
однако в них больше недостатков, чем преимуществ. В основном это
связано с увеличением числа элементов схемы и ухудшением качества
ее работы.
Усилители мощности
2.1.1. Инверсная схема включения ОУ
с биполярным' питанием
Инверсная схема включения ОУ (рис. 2.3) является классической, она
обеспечивает максимальную устойчивость в работе и наименьшие ис-
кажения сигнала. Особенность этой схемы - нахождение выходного
сигнала в противофазе с входным (рис. 2.4).
При этом коэффициент усиления определяется по формуле:
(2.2)
Рис. 2.3. Схема включения ОУ
XDA1
Глава 2
60
Усилители мощности
Рис. 2.4. Осциллограмма входного и выходного сигнала
Входное сопротивление практически полностью определяется сопро-
тивлением резистора Rr Конденсатор С, используется для развязки уси-
лителя от источника сигнала по постоянному току. Если этот конденсатор
исключить, небольшой потенциал, который может быть на выходе источ-
ника сигнала, будет также усилен, что приведет к сужению динамического
диапазона усилителя или даже выходу усилителя из строя. Этот конденса-
тор называется проходным. От емкости и типа проходного конденсатора
зависит качество выходного сигнала. Очевидно, что этот конденсатор со-
вместно с резистором R, образует фильтр высоких частот (ФВЧ). В таком
случае чем ниже емкость проходного конденсатора, тем сильнее подавля-
ются низкие частоты и тем сильнее искажения (рис. 2.5).
От типа проходного конденсатора зависит и качество звучания на вы-
соких частотах. Наихудшие результаты показывают конденсаторы типа
КД-2, затем идут К10-17, а наилучшие результаты - у пленчатых конден-
саторов типа К73-17. В некоторых схемах в качестве проходного конден-
сатора используются электролитические типа К50-35. Такие конденсато-
ры использовать крайне нежелательно, ведь они, будучи нелинейными
элементами, вносят в звук довольно ощутимые искажения.
61
Глава 2
------ -------------------------------------------------------------——г
Рис. 2.5. АЧХ усилителя при различных значениях емкости проходного конденсатора
Усилители мощности
2.1.2. Неинверсная схема включения ОУ
с биполярным питанием
Неинверсная схема менее устойчива в работе, чем инверсная (боль-
шая склонность к самовозбуждению), однако имеет ряд примечатель-
ных особенностей. Первая особенность — выходной сигнал находится
в той же фазе, что и входной. Вторая особенность заключается в высо-
ком входном сопротивлении, которое практически полностью опреде-
ляется резистором R3 (рис. 2.6, 2.7).
Рис. 2.6. Схема включения ОУ
Глава 2
62
Усилители мощности
Рис. 2.7. Осциллограмма входного и выходного сигнала
Коэффициент усиления такой схемы определяется формулой:
R,
K-=t+1'
(2.3)
Операционные усилители, применяемые в качестве усилителей
мощности, в большинстве своем включаются именно по такой схеме.
Для увеличения устойчивости в них используются специальные кор-
ректирующие цепочки, тип и параметры которых зависят от конкрет-
ной модели микросхемы, и все они указаны в официальной докумен-
тации к таким микросхемам.
2.1.3. Инверсная схема включения ОУ
с однополярным питанием
В схеме с однополярным питанием средняя точка для ОУ берется как
’/2 от напряжения питания. Для получения средней точки проще всего
использовать делитель напряжения на двух резисторах.. Получается,
63 |------------------------------------------Глава 2
что в выходном сигнале усилителя содержится постоянная составляю-
щая, равная 1/2 напряжения питания. Для ее устранения к выходу уси-
лителя подключают еще один конденсатор (развязывающий), который
обычно является электролитическим (рис. 2.8, 2.9).
Усилители мощности
Рис. 2.9. Осциллограмма входного и выходного сигнала
Глава 2
64
Усилители мощности
Входное сопротивление практически полностью определяется со-
противлением резистора Rr Коэффициент усиления схемы определя-
ется по формуле:
(2.4)
Рис. 2.10. Блок конденсаторов
Ci
С2
100 nF
R,
Как уже говорилось ранее,
электролитический конденсатор в
звуковом тракте - это плохо, но
деваться некуда. Для максималь-
ного устранения нелинейности
можно использовать блок конден-
саторов, показанных на рис. 2.10.
На этой схеме два электроли-
тических конденсатора вдвое
большей емкостью, чем необхо-
димо, включены последовательно, одноименными выводами навстре-
чу. Такое включение компенсирует нелинейность, связанную с протека-
нием тока через конденсатор в обратном направлении. Неэлектроли-
тический конденсатор шунтирует электролитические для лучшей
работы на высоких частотах.
2.1.4. Неинверсная схема включения ОУ
с однополярным питанием
Такая схема также применяется для усилителей мощности, работаю-
щих там, где качество звучания не играет важной роли или где затруд-
нительно получить биполярное питание: в телевизорах, радиоприем-
никах, переносных устройствах (рис. 2.11,2.12).
65
Глава 2
Рис. 2.12. Осциллограмма входного и выходного сигнала
Усилители мощности
Входное сопротивление практически полностью определяется со-
противлением резистора R3. Коэффициент усиления схемы рассчиты-
вается по формуле:
R,
(2.5)
2.1.5. Мостовое включение операционных усилителей
В настоящее время можно найти ОУ с выходной мощностью до 100 Вт.
Обычно такой мощности достаточно для раскачки небольшого сабву-
фера, но что делать, если нужна ббльшая мощность? Выхода из этой
ситуации два: искать другое схемное решение для усилителя или ис-
пользовать мостовое включение усилителя. Мостовая схема представ-
ляет собой два одинаковых усилителя, выходной сигнал которых ин-
вертирован по отношению друг к другу, а нагрузка включена между
выходами усилителей. При этом выходная мощность усилителя воз-
растает вдвое.
3 Создание акустических систем в домашних условиях
Глава 2 ь-------------------------------------------------- 66
Е [ Требования, предъявляемые к ОУ, работающим в мостовом вклю-
о। чении:
g-j 1. ОУ должны работать в противофазе.
2. ОУ должны иметь одинаковый коэффициент усиления. Для обе-
s | спечения наилучшего качества звучания после сборки усилителя на-
5 I страивается путем подбора номинала резистора в обратной связи,
s! 3. Возможность выдерживать большой выходной ток. Мощные ОУ
5 способны долговременно выдавать ток в нагрузку до 10 А.
*** I Классическая мостовая схема включения ОУ показана на рис. 2.13.
i Встречаются и другие схемы. Например, в официальной докумен-
i тации к ОУ TDA2030 приведена схема, представленная на рис. 2.14.
i Официальная документация - это основной источник достоверных
сведений о микросхеме, поэтому важно обладать навыком чтения и
; анализа такой информации. К сожалению, документация выпускается
в основном на английском языке. Чтобы разобраться в ней, изучим ин-
i струкции к наиболее интересным микросхемам — TDA2030 и LM3886.
I На прилагаемом к книге компакт-диске файлы документации находят-
i
Рис. 2.13. Классическая мостовая схема включения ОУ
67
Глава 2
Рис. 2.14. Схема, предлагаемая производителями микросхем серии TDA
Усилители мощности
ся в папке datasheets. Название файла совпадает с названием микро-
схемы.
В следующих разделах мы приведем описание двух наиболее инте-
ресных микросхем, при этом будут использоваться сведения и обозначе-
ния, взятые именно из официальной документации. В связи с этим я ре-
комендую распечатать документацию к микросхемам, о которых будет
идти речь, и держать ее перед глазами при чтении данных разделов.
2.1.6. Обзор микросхемы TDA2030
Микросхема представляет собой ОУ с выходной мощностью до 14 Вт.
В таблице с названием «Absolute maximum ratings» указаны макси-
мальные значения некоторых параметров.
Vs — Supply voltage (напряжение питания). Максимальное напряже-
ние питания для этой микросхемы составляет ±18 В при биполярном
или 36 В при однополярном питании. При таком напряжении микро-
схема может работать только в отсутствие входного сигнала. Если по-
дать сигнал, микросхема, скорее всего, сгорит.
V. — Input voltage (входное напряжение). Максимальное входное
напряжение составляет ±18 В. При подаче ббльшего напряжения ми-
кросхема может сгореть.
Глава 2
68
Усилители мощности
lo — Output peak current (кратковременный выходной ток). Это ток,
который может выдавать нагрузку в усилитель в течение нескольких
миллисекунд без повреждения кристалла (локального перегрева).
Обычно в ОУ имеется защита от перегрузки по току (в том числе от КЗ)
для предотвращения выхода его из строя.
Ptot — Power dissipation (рассеиваемая мощность). Мощность, кото-
рая выделяется в виде тепла на корпусе микросхемы. Обычно эта мощ-
ность указывается вместе с температурой корпуса - Т^.
Tstg — Storage temperature (температура хранения) и Tj — Junction
temperature (температура кристалла). Эти параметры устанавливают
диапазон температур при хранении микросхемы и эксплуатации.
Typical application — типовая схема включения.
Pin connection - расположение выводов:
• +Vs - положительное напряжение питания;
• —Vs - отрицательное напряжение питания;
• Output — выход;
• Inverting input — инверсный вход;
• Non inverting input - неинверсный вход.
Test circuit - тестовая схема. Именно при ее использовании были
получены все параметры микросхемы, описанные в документации.
Обычно тестовая и типовая схемы совпадают, и все элементы схемы
имеют оптимальные параметры. Повторяя тестовую схему, вы с боль-
шей вероятностью получите стабильный усилитель с,хорошим каче-
ством усиления (рис. 2.15).
Несколько слов о назначении элементов схемы. Конденсатор С,
развязывает по постоянному току. Из схемы видно, что он электролити-
ческий. Как говорилось ранее, это не очень хорошо, поэтому если вы
будете повторять данную схему, замените его керамическим. Резистор
R3 задает входное сопротивление усилителя. Усилитель с высоким
входным сопротивлением вносит минимальное количество искажений
в сигнал, однако становится чувствительным к внешним помехам (от
сотового телефона, например), наводкам от электросети, а при очень
большом сопротивлении даже может потерять устойчивость. R, и R2
регулируют коэффициент усиления. С2, совместно с R2, образует ФВЧ,
и чем его емкость меньше, тем выше частота среза. Корректирующая
цепочка R4C7 компенсирует индуктивность звуковой катушки. Без этой
цепочки при высокой индуктивности усилитель может потерять устой-
чивость. Диоды D, и D2 нужны для гашения импульсов, которые могут
возникнуть при переходных процессах в звуковой катушке или разде-
лительном фильтре колонки. Если эти диоды исключить, теоретически
микросхема может выйти из строя, однако на практике такого не про-
исходит. Вообще говоря, диоды, будучи нелинейными элементами,
ухудшают качество сигнала, поэтому из схемы их можно исключить.
69
Глава 2
'силители мощности
Конденсаторы С3-С6 предназначены для фильтрации помех, которые
могут прийти по цепям питания.
Для улучшения стабильности в обратную связь усилителя часто вво-
дят еще одну корректирующую цепочку R5C8, которая является ФНЧ.
Таким образом, усилитель на ОУ представляет собой мощный полосо-
вой фильтр с большим Ку.
Thermal data — температурные данные.
Rthjcase “ Thermal resistance junction-case (температурное сопротив-
ление при переходе от кристалла к корпусу микросхемы). Размерность
этой величины — градус/ватт (°С/Вт), то есть насколько температура
кристалла выше температуры корпуса при выделении одного ватта
тепла. Например, если тепловое сопротивление составляет 3 °С/Вт, то
хилители мощности
Глава 2 )--------------------------------------------------! 70 I
___________i i______S
при выделении 20 Вт разница между температурой кристалла и корпу-
са будет составлять 60°. Аналогичные данные существуют для термо-
паст и радиаторов.
Electrical characteristics - электрические параметры. Для этой ми-
кросхемы электрические параметры сняты при следующих условиях:
• тестовая схема включения;
• напряжение питания ± 14 В;
• температура окружающей среды 25 °C
Данные, приведенные в этой таблице, являются эксплуатационны-
ми, в отличие от указанных в таблице «Absolute maximum ratings».
Обозначение параметра дается в столбце «Symbol», а название - в
столбце «Parameter». В столбце «Test conditions» указываются условия,
при которых было получено значение параметра. Большинство пара-
метров имеет три значения: типичное (Тур. — Typical), минимальное
(Min. — Minimum) и максимальное (Мах. — Maximum). В отдельном
столбце указаны единицы измерения параметра - Unit.
Vs — Supply voltage (напряжение питания). Рекомендуемое напря-
жение питания для микросхемы обычно используется в тестовой схеме
и для TDA2030 составляет ±14 В.
Id - Quiescent drain current (ток покоя). Ток, который потребляет уси-
литель при отсутствии входного сигнала.
Ib - Input bias current (входной ток). Ток, который протекает через
сигнальный вход микросхемы.
Ро - Output power (выходная мощность). Выходная,мощность за-
висит от напряжения питания, сопротивления нагрузки и требований к
качеству звучания. Коэффициент гармонических искажений (КГИ) ука-
зывается в параметре d (distortion), а сопротивление нагрузки - в па-
раметре R, (load resistance). Например, для этой микросхемы при КГИ
0,5%, напряжении питания 14 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом вы-
ходная мощность составляет 14 Вт (или минимум 12 Вт).
В — Power Bandwidth (полоса пропускания усилителя по уровню
-3 дБ). Чем шире полоса пропускания, тем выше качество звучания. Уси-
лители высокого класса имеют полосу пропускания от 20 Гц до 100 кГц.
Rj - Input resistance (входное сопротивление). Чем выше входное
сопротивление усилителя, тем сильнее его работа будет похожа на
идеальную модель ОУ.
Gv - Voltage gain, open loop (К в разомкнутом состоянии). Чем выше
Ку усилителя, тем больше его работа будет похожа на идеальную мо-
дель. Ку в 90 дБ составляет примерно 32 000.
eN — Input noise voltage (уровень собственного шума микросхемы).
Чем ниже уровень шума, тем выше качество работы усилителя. Учтите,
что уровень шума указывается для Ку = 1. Если усилитель имеет Ку = 30,
то уровень шума на выходе в 30 раз выше.
Т — Thermal shut-down junction temperature (температура отключе-
ния кристалла). При достижении этой температуры выходные транзи-
!
Глава 2
71
поры (основной источник тепла) отключатся, предотвратив перегрев
кристалла. Конечно, такой экстремальной температуры допускать не
следует.
Кроме основных параметров, много полезной информации пока-
зано на графиках.
Figure 1. Output power vs. supply voltage — зависимость выходной
мощности от напряжения питания. Этот график снят при КГИ = 0,5% и
для сопротивлений нагрузки 4 и 8 Ом.
Figure 2 — отображает ту же самую зависимость, но при КГИ = 10%.
Figure 3. Distortion vs. output power — зависимость КГИ от выходной
мощности. График снят для нагрузки сопротивлением 4 Ом на частотах
1 кГц и 15 кГц.
Figure 4. Distortion vs. output power — зависимость КГИ от выходной
мощности. График снят на частоте 1 кГц для нагрузок 4 и 8 Ом.
Figure 5. Distortion vs. output power — зависимость КГИ от выходной
мощности. График снят для нагрузки сопротивлением 8 Ом на частотах
1 кГц и 15 кГц.
Figure 6. Distortion vs. frequency — зависимость КГИ от частоты. Гра-
фик снят для нагрузки 4 Ом.
Figure 7. Distortion vs. frequency — зависимость КГИ от частоты. Гра-
фик снят для нагрузки 8 Ом.
Figure 8. Frequency response with different values of the rolloff capaci-
tor C8 — АЧХ усилителя при различных значениях емкости конденсато-
ра С8.
Figure 9. Quiescent current vs. supply voltage — зависимость тока по-
коя от напряжения питания.
Figure 11. Power dissipation and efficiency vs. output power — зависи-
мость рассеиваемой мощности и КПД от выходной мощности.
Figure 12. Maximum power dissipation vs. supply voltage (sine wave
operation) — зависимость максимальной рассеиваемой мощности от
напряжения питания (синусоидальный входной сигнал).
Figure 13. Typical amplifier with split power supply - типовая схема
включения усилителя с биполярным питанием.
Figure 14. Р. С. board and component layout for the circuit of fig. 13
(scale 1:1) — печатная плата и размещение элементов схемы 13 (мас-
штаб 1:1).
Figure 15. Typical amplifier with single power supply - типовая схема
включения усилителя с однополярным питанием.
Figure 16. Р. С. board and component layout for the circuit of fig. 15
(scale 1:1) — печатная плата и размещение элементов схемы 15 (мас-
штаб 1:1).
Figure 17. Bridge amplifier configuration with split power supply - мо-
стовая схема включения усилителя с биполярным питанием.
Усилители мощности
Глава 2 I-----------
72
Усилители мощности Г
Таблица. 2.1. Назначение элементов схемы
Эле- мент Рекомендован- ное значение Назначение Больше рекомендованного значения Меньше рекомендованного значения х
R< 22 К Регулирование 1^ Увеличение Ку Уменьшение Ку
r2 680 Ом Регулирование Уменьшение Ку Увеличение Ку
R3 22 К Входное сопро- тивление Увеличение входного сопротив- ления Уменьшение входного сопротив- ления
R, 1 Ом Частотная стаби- лизация Опасность возбуждения (потери устойчиво- сти) на высоких частотах при подключении нагрузки с высокой индуктивностью
r5 3R2 ФНЧ Ухудшение звучания высоких частот Опасность возбуждения
c, 1 мкФ Развязка по по- стоянному току — Ухудшение звучания низких частот
c2 22 мкФ ФВЧ - Ухудшение звучания низких частот
C3, C4 0,1 мкФ Шунт питающего напряжения — Опасность возбуждения
c5,c6 100 мкФ Шунт питающего напряжения - Опасность возбуждения
^7 0,22 мкФ Частотная стаби- лизация — Опасность возбуждения
^8 1/2nxBxR1 . ФНЧ Уменьшение частоты среза Увеличение частоты среза
d,.d2 Защита от бросков напряжения на выходе микросхемы
Figure 20. Output power and drain current vs. case temperature (R, =
= 4 Ом) — зависимость выходной мощности и тока от температуры
корпуса микросхемы при нагрузке 4 Ом.
Figure 21. Output power and drain current vs. case temperature (R, =
= 8 Ом) — зависимость выходной мощности и тока от температуры
корпуса микросхемы при нагрузке 8 Ом.
Figure 23. Example of heat-sink — пример конструкции теплоотвода
(радиатора).
73
Глава 2
2.1.7. Особенности микросхемы LM3886
Микросхема представляет собой ОУ с максимальной выходной мощ-
ностью в 68 Вт. Из полезных функций можно отметить:
• функцию «интим» (mute);
• защиту от КЗ на землю или цепи питания;
• защиту от бросков напряжения на входе;
• защиту от превышения напряжения питания;
• защиту от перегрева.
Усилители мощности
Таблица 2.2. Назначение выводов микросхемы
Вывод Назначение
1 Положительное питающее напряжение
2 Не используется
3 Выход
4 Отрицательное питающее напряжение
5 Положительное питающее напряжение
6 Не используется
7 Общий провод (земля)
8 Сигнальный вход «mute»
9 Инверсный вход
10 Неинверсный вход
11 Не используется
Рис. 2.16. Типовая схема включения микросхемы LM3886
Глава 2
74
Усилители мощности Г
Типовая схема включения показана на рис. 2.16.
Обратите внимание на функцию «mute». Если вывод 8 не подклю-
чен, усилитель будет находиться в режиме «mute». Чтобы усилитель
заработал, необходимо, чтобы через вывод 8 протекал ток не менее
0,5 мА. Часто схемы, собранные с использованием ОУ с такой функци-
ей, не начинают работать сразу, поскольку разработчики забывают или
просто не знают особенностей этой функции.
Конденсатор Ст устанавливает время реакции на функцию «mute».
Также он обеспечивает «бесшумное» включение усилителя: «mute» от-
ключается уже тогда, когда все переходные процессы в источнике пита-
ния заканчиваются.
Нормальное напряжение питания для этой микросхемы составляет
±35 В при нагрузке 8 Ом и ±28 В при нагрузке 4 Ом. Если вы исполь-
зуете нагрузку сопротивлением 4 Ом, напряжение питания не должно
быть выше ±28 В, иначе усилитель может сгореть. Даже если он не сго-
рит, сработает защита от перегрузки, и качество сигнала ухудшится. Это
справедливо практически для всех мощных ОУ, поэтому перед проек-
тированием усилителя внимательно ознакомьтесь с документацией и
выясните допустимое напряжение для этой микросхемы при выбран-
ном сопротивлении нагрузки.
2.2. Теплоотвод
ОУ, выходная мощность которых превышает 1 Вт, обычно требуют уста-
новки теплоотвода (радиатора) для охлаждения кристалла. Напомню,
что усилитель, работающий в режиме АВ, имеет КПД около 50%. Это
означает, что он выделяет столько же мощности в виде тепла, сколько
отдает в нагрузку. Поэтому для охлаждения кристалла микросхемы
(транзистора) необходимо использовать теплоотвод.
Максимальная температура, при которой кристалл близок к разру-
шению, но еще сохраняет работоспособность, составляет 150 °C. При
этом температура корпуса ниже в связи с тепловыми потерями при пе-
реходе от кристалла к корпусу и, как правило, не превышает 100 °C.
Нормальная температура кристалла составляет 75 °C, а радиатора -
50—60 °C. Такая температура соответствует болевому порогу кожи че-
ловека, поэтому есть очень простое правило: если вы не обжигаетесь,
коснувшись радиатора рукой, его температура находится в норме (ко-
нечно, при условии хорошего контакта между радиатором и тепловы-
деляющим элементом).
Стоит также отметить, что срок службы микросхемы напрямую за-
висит от ее температуры. Существует правило, гласящее, что при уве-
личении температуры кристалла на 10 °C срок его службы падает
вдвое. Это значит, что при увеличении температуры кристалла с 60 до
75
Глава 2
100 °C срок его службы снизится уже в 16 раз! Поэтому эффективное
.охлаждение - залог надежной и долгой работы устройства.
Радиаторы, используемые для охлаждения радиоэлементов, клас-
сифицируются по строению на:
• ребристые (рис. 2.17, а);
• игольчатые (рис. 2.17, б).
'силители мощности
Рис. 2.17. Радиаторы
а б
По типу вентиляции:
• с естественной вентиляцией;
• с принудительной вентиляцией.
Эти типы радиаторов отличаются плотностью расположения ребер
или игл. Для радиаторов с естественной вентиляцией расстояние меж-
ду ребрами (иглами) должно быть не менее 4 мм. К тому же такие ра-
диаторы рассчитаны для работы только в вертикальном положении,
когда воздух под действием естественных сил движется между ребра-
ми. Если расстояние между ребрами (иглами) составляет около 2 мм,
то такой радиатор рассчитан на принудительную вентиляцию и требует
установки вентилятора.
По применяемым материалам:
• цельные алюминиевые;
• цельные медные;
• алюминиевые с медным основанием.
Существуют методики точного расчета радиаторов, учитывающие
рассеиваемую мощность, параметры окружающей среды, конфигура-
цию, материал радиатора и т.д. Однако эти методики нужны на этапе
проектирования теплоотвода. Радиолюбители редко самостоятельно
изготавливают радиаторы, чаще используя готовые, взятые из старой
радиоаппаратуры. В конечном итоге нас интересует только один пара-
метр - максимальная рассеиваемая мощность для этого радиатора.
Чтобы определить его, достаточно знать всего две характеристики: тип
Глава 2
Усилители мощности Г
вентиляции и площадь рассеивающей поверхности (проще говоря,
площадь радиатора).
Площадь ребристого радиатора вычисляется как сумма площадей
всех его ребер и площади основания. Заметьте, что у одного ребра две
излучающие поверхности. Это значит, что ребро размером 1 х1 см име-
ет площадь 2 см2. Площадь игольчатого радиатора вычисляется как
сумма площадей всех его игл и площади основания. Площадь одной
иглы можно вычислить по формуле:
игл бок “верш
л- (d. + d,)-1 л-d,
------1----2---+------2
(2.6)
где d, - диметр основания иглы, d2 - диаметр вершины иглы, I - дли-
на иглы.
После этого допустимая рассеиваемая мощность может быть оце-
нена по формуле:
(2.7)
где Р - допустимая рассеваемая мощность, Вт; S - площадь радиато-
ра, см2; к — коэффициент, учитывающий тип вентиляции. Для есте-
ственной вентиляции к = 33, для принудительной вентиляции к = 11.
Тепловое сопротивление радиатора может быть оценено по фор-
муле:
где Rth — тепловое сопротивление радиатора в °С/Вт, S — площадь ра-
диатора в см2, к — коэффициент, учитывающий тип вентиляции.
В последние годы в радиолюбительской практике все чаще применя-
ются системы охлаждения для процессоров персональных компьютеров
(cooler — кулеры). Кулеры современных процессоров рассчитаны на
рассеивание мощности около 100 Вт даже при небольшой вентиляции.
Для крепления микросхемы к основанию радиатора можно ис-
пользовать шурупы с плоской шляпкой либо, при наличии метчика, на-
резать резьбу в радиаторе и закрепить микросхему винтом. Между
основанием радиатора и корпусом микросхемы обязательно должен
быть слой термопасты для улучшения теплопроводности. Наилучшие
показатели теплопроводности показывают пасты типа КПТ-81или
«Алсил-3». Их можно купить в любом компьютерном магазине или
магазине радиодеталей. Теплопроводность термопаст составляет при-
77
Глава 2
мерно 0,7--- с учетом того, что площадь контакта — 1 —2 см2, тепловое
м2К
сопротивление термопасты — примерно 10-4 °С/Вт (несоизмеримо
мало по сравнению с тепловым сопротивлением перехода кристалл-
подложка либо радиатора и окружающей среды), поэтому при тепло-
вом расчете системы охлаждения этой потерей можно пренебречь.
2.3. Функциональные схемы построения
звуковых усилителей
Рассмотрим универсальные схемы построения усилителей для акусти-
ческих систем трех типов: двухканальный усилитель (стереоусилитель,
система 2.0), трехканальный усилитель для двух фронтальных коло-
нок и одного сабвуфера (система 2.1) и усилитель для сабвуфера.
Функциональные схемы представлены в виде блоков, на входе и
выходе которых действует линейный сигнал (максимальное амплитуд-
ное напряжение не выше 1 В). Исключение составляет усилитель мощ-
ности (УМ), на выходе которого присутствует усиленный сигнал и нор-
мирующий усилитель. Напряжение на входе последнего зависит от
типа источника сигнала. Блоки, отмеченные знаком «х», могут быть ис-
ключены из схемы без потери функциональности.
Обзор начнем с двухканального усилителя (рис. 2.18).
Усилители мощности
Рис. 2.18. Функциональная схема
двухканального усилителя
МЗикатор
^диктор
Глава 2 :------------
78
Усилители мощности Г
Нормирующий усилитель служит для приведения входного сигна-
ла к стандартному значению или для уменьшения влияния схемы на
источник сигнала.
Корректор АЧХ используется для исправления недостатков акусти-
ческих колонок, подключенных к усилителю, или для настройки АС под
АЧХ помещения. В качестве корректора АЧХ часто выступает эквалайзер
либо корректор Линквица, расширяющий АЧХ колонок в область низ-
ких частот. Заметьте, что любой корректор АЧХ не устраняет проблем
акустических колонок, а лишь маскирует их. Скорректированная АЧХ
может быть достаточно ровной, однако КГИ колонки часто значительно
возрастает вместе с фазовыми искажениями, поэтому в высококаче-
ственной аппаратуре коррекция АЧХ практически не применяется.
Регулятор громкости чаще всего выполняется в виде делителя на-
пряжения на переменном резисторе. Также для управления громко-
стью могут использоваться специальные микросхемы (в том числе и
УМ), в которых уровень выходного сигнала регулируется напряжени-
ем. Это очень удобно при построении многоканальных АС. В зарубеж-
ной литературе такая функция носит название DC volume control.
Усилитель мощности представляет собой мощный ОУ, включенный
обычно по типовой схеме.
Индикатор служит для контроля выходной мощности усилителя.
Чаще всего индикатор выполняется в виде сегментных столбиков или
индикатора перегрузки.
Функциональная схема универсального усилителя для сабвуфера
представлена на рис. 2.19. Универсальность заключается в том, что в
качестве входного сигнала может использоваться как л инейный стерео-
сигнал, так и специальный сигнал канала для сабвуфера. Кроме того,
входным сигналом можно считать уже усиленный сигнал, который по-
дается на колонки основной АС.
Переключатели П1 и П2 шунтируют резисторы, изменяющие сте-
пень подавления входного сигнала. В случае подачи линейного сигна-
ла переключатели должны быть замкнуты, а если подается усиленный
сигнал — разомкнуты.
Сумматор складывает сигналы правого и левого каналов.
Рис. 2.19. Функциональная схема усилителя для сабвуфера
Ммхр
79
i------------
। Глава 2
I____________
Фильтр низких частот обрезает высокочастотную часть сигнала. Ча-
стота среза зависит от частоты, на которой основные колонки начинают
уверенно воспроизводить сигнал, и обычно лежит на уровне 60—120 Гц.
Крутизна затухания у фильтра должна быть не меньше 12 дБ на октаву
(фильтр второго порядка), а желательно - 24 дБ на октаву (фильтр
четвертого порядка).
Сигнал, взятый из канала для сабвуфера, по сути, неплохо подго-
товлен, и его остается только усилить. Однако иногда полезно подкор-
ректировать данный сигнал с учетом особенностей сабвуфера, поэтому
подключите его переключателем ПЗ к корректору, а не к УМ.
Фильтр высоких частот обрезает АЧХ сабвуфера в области низких ча-
стот. Казалось бы, сабвуфер предназначен для воспроизведения как раз
низкочастотной составляющей сигнала. Зачем же его обрезать? Все дело
в том, что диапазон воспроизводимых частот сабвуфера очень узок — от
20 до 120 Гц, и его нижняя граница находится на пороге восприятия.
Звук частотой ниже 20 Гц не воспринимается человеческим ухом и носит
название инфразвук. Инфразвук большой мощности вреден для чело-
века и может вызвать чувство страха, головокружение, приступы мор-
ской болезни и даже повреждение внутренних органов. Кроме того,
энергия волны (как и громкость звука) прямо пропорциональна квадра-
ту частоты при неизменной амплитуде. Это значит, что если для получе-
ния определенного звукового давления на частоте 80 Гц перемещение
диффузора должно составлять 0,5 мм, то для получения такого же дав-
ления на частоте 40 Гц перемещение должно быть уже 2,5 мм, а на ча-
стоте 20 Гц - 10 мм. Если продолжить этот ряд в инфразвуковом диа-
пазоне, то на 15 Гц перемещение диффузора составит 16 мм. Чтобы
раскачать диффузор на такую амплитуду, требуется большая мощность,
часть которой будет расходоваться зря, выделяясь в виде тепла на звуко-
вой катушке и усилителе. Кроме того, большие перемещения диффузо-
ра могут вызвать повреждение подвеса или катушки.
В связи с вышеизложенным может возникнуть естественный во-
прос: если инфразвуковые частоты так пагубно влияют на человека и
аппаратуру, почему же их не обрезают на студии звукозаписи? Суще-
ствует множество причин, по которым инфразвуковая составляющая
может проникнуть в звуковой тракт:
1. Если рассматривать спектр сигнала на правом и левом канале по
отдельности, то в них вряд ли найдется субзвуковая составляющая. Од-
нако характер сигнала может быть таков, что при сложении каналов
будут возникать биения на субзвуковых частотах. При воспроизведе-
нии такого сигнала парой колонок инфразвуковая составляющая поя-
вится в окружающем пространстве при сложении двух акустических
волн. Причем динамики АС не будут испытывать перегрузок. При вос-
произведении НЧ-сигнала одним излучателем инфразвуковая состав-
ляющая возникает уже в сумматоре.
Глава 2
80
Усилители мощности |
2. Существуют музыкальные композиции, в которые специально вво-
дят очень низкие частоты, чтобы произвести впечатление на слушателя.
3. Спецэффекты в фильмах могут записываться с использованием
очень низких частот, которые воспроизводятся, например, шейкерами.
Итак, мы приходим к выводу, что инфразвуковая составляющая
сигнала может попасть в звуковой тракт и принести массу неприятно-
стей. Чтобы этого не происходило, используют фильтры инфранизких
частот, именуемые сабсониками (subsonic - инфразвуковой). Такие
фильтры должны иметь частоту среза около 15-20 Гц и крутизну зату-
хания не менее 12 дБ на октаву (фильтр второго порядка).
Регулятор фазы используется для синфазной работы основных коло-
нок и сабвуфера в зоне совместного действия. Если колонки будут рабо-
тать не синфазно, то звук исказится. На слух это может проявляться по-
разному: от простого провала АЧХ до ощущения дискомфорта и даже
отвращения к прослушиваемой фонограмме. Обычно используют либо
плавное регулирование фазы в пределах 0-180°, либо, что проще, сту-
пенчатое переключение: 0 или 180°. Последнего можно добиться путем
изменения полярности подключения динамика к усилителю.
И наконец, если вы проектируете систему 2.1 (или с большим числом
каналов), она может быть воплощена по схеме, показанной на рис. 2.20.
В этой схеме для точного определения зоны совместного действия в
усилитель фронтальных колонок введен ФВЧ.
Рис. 2.20. Функциональная схема системы с сабвуфером
Индикатор
Индикатор
81
i Глава 2
2.4. Источник питания для звуковой аппаратуры
Чтобы усилитель акустической системы мог работать от бытовой сети,
нужно использовать источник питания, который понижает сетевое на-
пряжение до нужного значения и преобразует переменное напряже-
ние в постоянное - выпрямляет его. Для этого используют два основ-
ных типа источников — импульсные и трансформаторные.
Импульсные источники, получившие широкое распространение в
вычислительной технике и бытовой радиоаппаратуре, очень сложны в
разработке и наладке, поэтому в рамках этой книги подробно рассма-
триваться не будут. Кроме того, импульсные источники менее надеж-
ны, чем трансформаторные, и могут иметь «грязное» выходное напря-
жение, то есть содержать высокочастотный паразитный сигнал, что
может сказаться на качестве звука. Также импульсные источники плохо
переносят перегрузки, а некоторые типы могут выйти из строя при от-
сутствии нагрузки. Если вы все же решили применить импульсный ис-
точник, убедитесь, что он разработан специально для звуковоспроиз-
водящей аппаратуры.
Трансформаторные источники менее капризны (рис. 2.21), чем
импульсные, проще в расчете и более надежны. Однако основной их
недостаток — большие габариты и вес.
Лучше всего использовать унифицированные силовые трансфор-
маторы серий TH, ТПП, ТС и др.
Методика расчета элементов схемы такова. Сначала нужно опреде-
литься, какое напряжение и какой максимальный ток должен выдавать
источник, а затем по формуле (2.9) вычислить мощность трансформа-
тора. Методика определения максимального потребляемого тока бу-
дет дана немного позже.
Усилители мощности
Рис. 2.21. Схема нестабилизированного источника питания
Глава 2
----------------1 82.
(2.9)
Усилители мощности Г
Р = IU,
где Р — мощность трансформатора, I — выходной ток, U — выходное
напряжение.
Далее определяем необходимое напряжение на вторичной обмот-
ке трансформатора (2.10):
U fi
обм
+ 2U ,
пад'
(2.10)
где Uo6m - напряжение на обмотке трансформатора в режиме холосто-
го хода (без нагрузки), 11вых - выходное напряжение источника пита-
ния, II — падение напряжения на одном диоде выпрямительного мо-
ста. Если 11пад неизвестно^ то его значение можно принять за 1.
Далее выбираем по справочнику выпрямительный мост, рассчи-
танный на ток, не меньший, чем выходной ток источника, и обратное
напряжение, не меньшее, чем 11обм. Рекомендую выбрать мост с пара-
метрами на 20% больше расчетных.
При выборе моста обратите внимание на его температурный ре-
жим. При высоких токах и без должного охлаждения мост может пере-
греться и сгореть, что повлечет выход из строя питающейся от источни-
ка схемы.
Теперь остается только выбрать емкость электролитического кон-
денсатора выпрямителя. Точные методики расчета их емкости очень
сложны, поэтому можно воспользоваться приблизительной формулой
(2.11):
C = 2500xl, (2.11)
где С — емкость конденсатора в мкФ, I - максимальный ток источника в А.
Напряжение конденсатора нужно выбрать не меньшим, чем 11вых.
Рекомендую, однако, увеличить его на 20% из соображений надеж-
ности.
Параллельно электролитическому конденсатору подключают кера-
мический или пленочный малой емкости. Это делается в связи с тем,
что с увеличением емкости конденсатора возрастает его сопротивле-
ние переменному току. То есть внутреннее сопротивление источника
питания будет увеличиваться с ростом частоты потребляемого от него
тока. В звуке это проявится как искажение или подавление высоких ча-
стот.
Чтобы максимально снизить сопротивление источника при любой
частоте потребления, рекомендуется вместо одного электролитическо-
го конденсатора устанавливать два или три меньшей емкости. При этом
пропорционально увеличивается импульсный (кратковременный) ток
источника, что также хорошо сказывается на звучании акустической
системы. Кроме того, параллельно с электролитическими конденса-
г
торами подключают дополнительные конденсаторы в 10, 100, 10ОО
и т.д. раз меньшей емкости, вплоть до 0,1 мкФ. Например, если в источ-
нике используются конденсаторы с максимальной емкостью в 4700 мкФ,
то параллельно им можно включить следующие номиналы: 470 мкФ +
+ 47 мкФ+ 4,7 мкФ + 0,47 мкФ + 0,1 мкФ. Источник с такой батареей
конденсаторов будет отдавать нужный ток при любой разумной часто-
те потребителя.
После сборки источника испытайте его — подключите к источнику
мощный резистор (не менее 10 Вт), через который тек бы ток, в два
раза меньший максимального, проверьте тестером выходное напря-
жение, осциллографом — напряжение пульсации (должно быть мак-
симум 5% от постоянного напряжения), температуру диодного моста и
трансформатора. Чтобы нагрузочный резистор не перегрелся, погру-
зите его в емкость с водой. Если при половине мощности источник ве-
дет себя нормально, подключите к нему полную нагрузку и снова про-
верьте все параметры источника.
2.4.1. Методика определения максимального тока
Ток, потребляемый усилителем мощности, не бывает постоянным и за-
висит от громкости воспроизведения и спектра воспроизводимых ча-
стот. Чем выше общая громкость и ниже частоты, воспроизводимые
акустической системой, тем выше потребление мощности. Также в схе-
ме усилителя обычно присутствуютблоки, потребляемая мощность ко-
торых остается постоянной, - фильтры, предусилители, декоративная
подсветка, вентилятор охлаждения и т.п. Исходя из этого, максималь-
ный ток в самом плохом случае, когда все компоненты усилителя по-
требляют полную мощность, равен сумме токов всех потребителей.
Основным потребителем тока в усилителе являются мощные вы-
ходные усилители. Напомню, что КПД усилителя мощности равен при-
мерно 50%, то есть сколько мощности он выдаст в нагрузку, столько же
выделит в виде тепла на своем корпусе. Поэтому не стоит забывать, что
если микросхема имеет выходную мощность в 30 Вт, то потребляемая
будет не ниже 60. Отсюда — первый критерий оценки максимального
тока потребления: по сумме потребляемой мощности усилителей. Если
в усилителе установлены две такие микросхемы, то максимальная по-
требляемая мощность будет составлять 120 Вт.
Второй метод заключается в определении не максимальной мощ-
ности, которую мы можем выдать в нагрузку, а мощности, на которой
реально будут без искажений работать колонки. Допустим, к этому уси-
лителю подключены колонки мощностью 25 Вт, значит, максимальная
потребляемая мощность усилителя составит 100 Вт.
Источник, способный постоянно выдавать максимальную мощ-
ность, будет гарантировать высокое качество воспроизведения любой
Усилители мощности
J_________
I Глава 2
I
84
Усилители мощности
музыки при любой громкости. Однако, как показывает практика, по-
тенциал такого источника никогда не используется на 100%. В основ-
ном это связано стем, что спектр частот композиций не бывает ровным,
а также с тем, что основной потребитель - НЧ-излучатель — не работа-
ет непрерывно. Поэтому мощность трансформатора, используемого в
источнике, может быть на 20—50% меньше максимальной потребляе-
мой мощности усилителя. Единственное требование к нему - макси-
мально низкое сопротивление вторичной обмотки.
| 2.4.2. Что делать, если нет подходящего трансформатора
! Если вам не удалось найти трансформатор с подходящим выход-
| ным напряжением, попробуйте найти подходящий по мощности транс-
| форматор с целой первичной обмоткой, вторичные обмотки достаточ-
i но просто намотать самому. Конечно, можно намотать и первичную, но
при этом возрастает вероятность ошибочного расчета и выхода транс-
форматора из строя. Хуже всего, когда ошибки в расчетах или короткое
замыкание первичной обмотки приводят к возгоранию.
Итак, предположим, что вам удалось найти подходящий по мощ-
ности трансформатор. Сначала необходимо смотать с него все вторич-
i ные обмотки, оставив только первичную. Добытую из трансформатора
проволоку лучше больше нигде не использовать, так как покрывающий
ее лак трескается при сгибании/разгибании.
Затем на трансформатор нужно намотать обмотку из 30—50 витков
провода любого сечения, включить трансформатор в сеть и измерить
напряжение на получившейся обмотке. Разделив полученное значение
на количество витков, мы получим количество витков на вольт для это-
। го трансформатора. Узнав это, можно определить количество витков
] вторичной обмотки для получения любого напряжения. Минималь-
' ный диаметр провода определяется по табл. 2.3.
Таблица 2.3. Параметры проводников
Диаметр провода, мм Удельное сопротивление, Ом/м Макс, ток, мА при плотности тока 2А/мм2
0,05 9,15536 4
0,1 2,277446 17
0,2 0,566527 60
0,3 0,251056 150
0,4 0,140927 250
0,5 0,090048 400
0,6 0,062451 575
85
Глава 2
Продолжение табл. 2.3
Диаметр провода, мм Удельное сопротивление, Ом/м Макс, ток, мА при плотности тока 2А/мм2
0,7 0,045832 750
0,8 0,035056 1000
0,9 0,027675 1300
1 0,0224 1600
1,2 0,015535 2300
1,4 0,011401 - 3100
1,6 0,00872 4000
1,8 0,006884 5100
2 0,005572 6400
2,5 0,00356 9800
3 0,002469 14 200
Усилители мощности
Запомните, что провод меньшего диаметра не рекомендуется ис-
пользовать из-за увеличения сопротивления обмотки, что может по-
влечь за собой перегрев трансформатора или ухудшение работы ис-
точника.
Если провода подходящего диаметра не нашлось, можно намотать
две или три обмотки с одинаковым напряжением и включить их па-
раллельно. При этом ток в каждой обмотке будет уменьшаться пропор-
ционально количеству обмоток, включенных в параллель. Однако мо-
жет возникнуть очень неприятная ситуация. Если напряжение в обмот-
ках будет отличаться (даже на 0,1 В), между ними образуется ток, а так
как сопротивление обмоток очень низкое, он может быть довольно
значительным. Чтобы избежать токов утечки после намотки, соедините
одни концы обмоток вместе, другие - через амперметр, как показано
на рис. 2.22. Желательно подобную проверку устроить и под нагруз-
кой. Однако перед подключением амперметра подключите вольтметр
Рис. 2.22. Схема проверки тока утечки и нормальное включение обмоток
Усилители мощности
Глава 2 -------------------------------------:--------86
и убедитесь, что он показывает значение около 0. Если напряжение вы-
сокое, вы перепутали начало и конец на одной из обмоток. Во время
проведения испытаний последовательно с первичной обмоткой транс-
форматора желательно подключить лампу накаливания, чтобы в слу-
чае перегрузки обмотки не сгорели. В холостом режиме нить лампы не
светится вовсе или светится незначительно. Если без нагрузки нить
светится ярко, скорее всего, неисправен трансформатор или замкнуты
вторичные обмотки.
Если ток утечки меньше 1 % от максимального выходного тока ис-
точника, все в порядке. Если ток больше, нужно уменьшить или увели-
чить количество витков в одной из обмоток. Обычно достаточно убрать
или добавить 1 или даже 0,5 витка.
Общие рекомендации по намотке обмоток трансформатора:
• намотку ведите «виток к витку»;
• между слоями обмотки прокладывайте бумагу или изолирую-
щую ленту;
• если вы наматываете трансформатор с U-подобным сердечни-
ком и двумя первичными обмотками, обязательно намотайте две вто-
ричные обмотки, чтобы равномерно нагрузить первичные обмотки;
• чтобы трансформатор меньше гудел, изолирующую ленту и обмот-
ку нужно покрыть жидким парафином. После опробования трансформа-
тора его можно также погрузить в горячий парафин примерно на час.
2.4.3. Где найти магнитопровод для мощного
трансформатора
Трансформатор мощностью до 200 Вт можно найти в старом лампо-
вом телевизоре. Такие трансформаторы имеют маркировку ТС-200,
ТСШ-170 и т.д., где число означает мощность трансформатора в ват-
тах. Неплохое «железо» можно добыть из неисправного источника
бесперебойного питания для компьютера. В таких источниках приме-
няют трансформаторы мощностью до 300 Вт. Трансформатор мощно-
стью до 1000 Вт можно найти в СВЧ-печах.
Мощность трансформатора зависти от размеров сердечника, она мо-
жет быть оценена с помощью программы «Трансформаторный калькуля-
тор», которая находится на компакт-диске, сопровождающем эту книгу.
2.5. Изготовление печатных плат
Для изготовления печатной платы нам потребуется:
• рисунок печатной платы на бумаге с отметками всех отверстий и
проводников;
• скотч;
87
Глава 2
• лист фольгированного стеклотекстолита (гетинакс использовать
не рекомендуется);
• канцелярский нож с широким лезвием;
• линейка;
• напильник*1;
• тиски*;
• микродрель с цанговым патроном, способным зажимать сверла
диаметром 0,6—1,2 мм;
• сверло для изготовления отверстий под выводы радиоэлементов;
• керн;
• маленький молоток весом 75—100 г*;
• самая мелкая наждачная бумага («нулевка»), например GRIT
№ 2000;
• кусок ваты;
• игла для шприца;
• увеличительное стекло’;
• флакон нитролака или нитроэмали;
• рейсфедер;
• растворитель для промывки платы и рейсфедеров;
• 10-процентный водный раствор хлорного железа;
• емкость для хлорного железа (ванночка для проявления фото-
графий или лоток для кошачьего туалета).
Сначала необходимо вырезать из листа текстолита заготовку будущей
платы. Для этого удобно использовать канцелярский нож. Резать нужно
начать со стороны фольги. После того как фольга и часть текстолита будут
прорезаны, можно сделать несколько разрезов с противоположной сто-
роны. Заметьте: сквозь разрез в фольге проходит свет, этим можно вос-
пользоваться для точного совмещения бороздок с двух сторон платы.
Сделав бороздки, по ним, подобно долькам шоколада, можно от-
ломить часть текстолита.
ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ. При работе с канцелярским ножом будьте предель-
но аккуратны, так как его лезвие очень острое и может нанести серьезные раны.
При отламывании кончика лезвия берегите глаза.
Края вырезанной заготовки можно обработать напильником.
Вымойте руки с мылом и вытрите их насухо, затем фольгированную
часть заготовки следует до блеска зашкурить. Под плату нужно подло-
жить лист чистой бумаги, а после этого — снова вымыть руки.
К ошкуренной заготовке со стороны фольги скотчем приклейте ри-
сунок печатной платы и аккуратно наметьте керном центры всех буду-
щих отверстий. Старайтесь выбирать такую силу удара, чтобы оставить
на фольге глубокий след, но не допустить расслоения текстолита под
фольгой. Признак расслоения — белое пятно на противоположной сто-
роне платы. Если текстолит все же расслоился, будьте готовы к тому, что
в этом месте отслоится и фольга.
Усилители мощности
Глава 2---------------------------------------------88
Усилители мощности
Наметив отверстия, просверлите их тонким сверлом, не снимая бу-
маги. Снимите бумагу и при необходимости рассверлите отверстия до
большего диаметра. На этом этапе полезно снять фаски у больших от-
верстий, особенно со стороны фольги.
Итак, заготовка платы почти готова. Повторно ошкурите фольгиро-
ванную часть платы, чтобы удалить мелкие заусенцы и случайно по-
павшую грязь. Теперь заготовку нужно намылить и промыть в проточ-
ной воде. Это делается для полного удаления грязи и жира. Пользо-
ваться техническими растворителями для этого не рекомендуется, так
как в них могут раствориться вещества, которые осядут на плате и по-
мешают нормальному травлению.
Промыв плату, вытрите ее кусочком ваты. Убедитесь, что в отвер-
стиях не осталось влаги. После этого не прикасайтесь к фольге, чтобы
на ней не оставалось отпечатков пальцев!
Теперь плата готова к нанесению будущих дорожек. Наполните
рейсфедер краской и обрисуйте все отверстия под элементы. Этим вы
создадите контактные площадки. Вторым этапом нарисуйте все корот-
кие дорожки. Длинные дорожки рисуются в последнюю очередь. Если
в процессе нанесения краски некоторые дорожки или контактные пло-
щадки слились, не трогайте их до полного высыхания краски.
После того как все дорожки были нарисованы, а краска высохла,
внимательно осмотрите рисунок на плате. Если вы где-то заметили
слившиеся дорожки, удалите часть краски между ними иглой от шпри-
ца. Особое внимание уделите местам установки микросхем.
Теперь плата готова к травлению. Налейте раствор хлорного железа
в пластмассовую или стеклянную емкость и положите на поверхность
жидкости плату фольгой вниз. Несмотря на то что плата плотнее трави-
теля, за счет поверхностного натяжения она будет держаться на по-
верхности. Через некоторое время непокрытая фольга растворится, и
на плате останутся только нужные дорожки.
После травления плату нужно промыть в проточной воде, раство-
рителем снять лак, а все дорожки залудить (покрыть тонким слоем
припоя). Если не делать последнего, то через неделю дорожки окис-
лятся, а это плохо скажется на их проводимости.
СОВЕТ. Для сверления отверстий под элементы лучше выбрать сверло диа-
метром 0,8—1,0 мм. Для микросхем подойдет сверло 0,6—0,7 мм.
2.5.1. Что делать, если нет рейсфедера
Хороший рейсфедер можно изготовить из иглы для одноразового
шприца. Я советую купить несколько шприцов разного объема, так как
они пригодятся вам не только для разрисовки плат.
Для изготовления рейсфедеров понадобятся шприцы, перечислен-
ные в табл. 2.4.
89
Глава 2
Таблица 2.4. Параметры игл для одноразовых шприцов
Объем шприца, мл Длина иглы, мм Внешний диаметр, мм Диаметр отверстия, мм
1 16 0,47 0,13
2 29 0,68 0,22
5—10 38 0,72 0,41
Чтобы иглой можно было рисовать, избавьтесь от острия. Делать
это можно в три этапа: сначала откусите острие кусачками, затем под-
точите смятый кончик иглы напильником, чтобы просвет иглы имел
ровную круглую форму. Когда это будет сделано, отшлифуйте кончик
иглы мелкой наждачной бумагой. В противном случае острые кромки
и бороздки, оставленные напильником, будут царапать фольгу и пре-
пятствовать нормальному нанесению краски. Когда игла будет подго-
товлена, ее можно немного согнуть, чтобы удобнее было рисовать.
Усилители мощности
Глава 3
Программное обеспечение, используемое
при разработке акустических систем
В
наши дни вести разработку акустических систем стало намно-
го проще, чем даже 10 лет назад, и в первую очередь это свя-
зано’с появлением специального программного обеспечения. Сейчас
уже мало кто составляет передаточные функции на бумаге, при расчете
фильтров и акустического оформления динамических головок не ре-
шают дифференциальные уравнения. Большинство расчетов проводят
на компьютере и используют компьютерное моделирование, что было
недоступно раньше.
3.1. Измерение АЧХ и КГИ акустических систем
«Настоящая наука начинается там, где начинаются измерения», — от-
мечал Д.И. Менделеев, а так как акустика — наука, граничащая с ис-
кусством, без измерений нам тоже не обойтись. Как уже говорилось
ранее, АЧХ — это зависимость амплитуды сигнала от частоты. Самый
простой способ снять АЧХ - взять генератор и подключить к нему ис-
следуемую АС. Затем необходимо расположить микрофон с подклю-
ченным к нему осциллографом вблизи от колонки. Далее остается
только регистрировать амплитуду сигнала на выходе микрофона при
разных частотах, плавно изменяя частоту генератора. В результате мы
получим таблицу значений, по которым сможем построить график АЧХ
(рис. 3.1).
Рис. 3.1. Амплитудно-частотная характеристика
I
91--------------------------------------------Глава 3
Для автоматизации этого процесса можно использовать специаль-
ное ПО, ускоряющее процедуру снятия АЧХ на порядок. Одной из та-
ких программ является RightMark Audio Analyzer (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Главное окно программы
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
После установки программы установите русский язык интерфейса,
выбрав меню Display => Language. После этого в разделе Устройства
воспроизведения/записи и режимы укажите источник и приемник
сигнала (вашу звуковую карту). Для тестирования акустических систем
нужно использовать частоту дискретизации не ниже 44 кГц и разряд-
ность не ниже 16 бит. Наиболее достоверные результаты получаются
при частоте дискретизации 96 кГц и разрядности 24 бит. Список до-
ступных режимов можно посмотреть, щелкнув по кнопке Режимы. Ре-
жимы, отмеченные буквой «D», вы можете использовать (рис. 3.3).
Глава 3
92
Рис. 3.3. Режимы
Supported soundcard modes (STEREO) El
Рис. 3.4. Результат проверки выбран-
ного режима: ОК
После выбора режима проверьте,
действительно ли он поддерживается
вашей звуковой картой, щелкнув по
кнопке Пинг (рис. 3.4):
Хочу отметить, что качество измере-
ния будет зависеть от используемой вами
звуковой карты. Встроенные в материн-
скую плату звуковые карты обычно обла-
дают плохим качеством воспроизведе-
ния и высоким уровнем шума. Также не
все PCI-звуковые карты обладают хорошим качеством. Мне попадалась
звуковая карта C-media с полосой пропускания 60-18 000 Гц по уровню
-6 дБ! Разумеется, на такой звуковой карте не то что измерения проводить
нельзя, музыку не послушаешь. Наилучшие результаты показывают звуко-
вые карты фирмы Creative вроде Sound Blaster Live! или Audigy.
В главном меню программы можно выбрать режимы тестирования.
Для нас наибольший интерес представляет режим Частотный диапа-
зон (плавающий тон). В этом режиме снимается АЧХ и КГИ акустиче-
ской системы.
Настроив программу, установите регулятор громкости Windows и
акустической системы в среднее положение. Зайдите в свойства записи
(Параметры => Свойства => Запись), в зависимости от того, к какому
входу подключен микрофон, выберите Microphone либо Line-in и уста-
новите регулятор громкости записи в среднее положение (рис. 3.5).
93
Глава 3
Рис. 3.5. Громкость воспроизведения и записи
Й, Record Control
Расположите микрофон на расстоянии 1 м от колонки (рекоменду-
ется располагать микрофон на оси излучения ВЧ-динамика) и щелкни-
те по кнопке Воспроизведение/запись. Появится окошко, в котором
отображается уровень записываемого сигнала и его спектр (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Сигнал и его спектр
Регулируя громкость записи, добейтесь уровня входного сигнала
примерно -3 дБ и щелкните по кнопке Начать тест. При выставлении
уровней следите, чтобы нигде не началось ограничение сигнала (при
этом будет загораться индикатор «зашкаливание»). После окончания
теста будет предложено дать ему имя (рис. 3.7).
Глава 3
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Рис. 3.7. Окошко с названием теста
Выбор слота ,
1: lEnoty]
2: [Empty]
3: [Empty]
' 4: [Empty]
a# $ •'<
V "s / A Jr.'..........'...'.......
vOww- < l[MME] Sound faster Live! 24Ы
! ,| Отмана
-----------------------94
В окне Результаты теста вы
можете пометить и сравнить до
четырех тестов (рис. 3.8).
В правой части окошка рас-
полагается столбец кнопок. Щел-
кнув по одной из них, вы перей-
дете к просмотру графиков, соот-
ветствующих выбранному тесту
(рис. 3.9).
На графике «Частотный диа-
пазон» отображается АЧХ (Fre-
quency response) и КГИ (THD).
Кнопка А сглаживает графики,
Рис. 3.8. Результаты тестов
Результаты теста
дБД, / 1,
ДВА,
Новый тест J [Emptyl
I&npty]
[Empty]
Г"
УЙйЙгаог,-..
' 'П-B^W
И
кнопка с изображением стрелок обновляет их, кнопка с изображением
дискеты позволяет сохранить результат в виде файла. Меню Scale по-
зволяет изменить режим отображения графика: линейный (Linear),
логарифмический (Log) или «музыкальный» (Mel).
Кроме снятия АЧХ, программа может быть использована как спек-
троанализатор. Чтобы произвести анализ спектра аудиофайла, доста-
точно щелкнуть по кнопке Анализатор спектра в главном окне про-
граммы и выбрать файл. В окне Анализатор спектра путем изменения
размера семпла выберите нужное разрешение анализа (рис. 3.10).
Технология измерения АЧХ, думаю, стала понятна, осталось лишь
определиться, в каких условиях и каким микрофоном нужно ее изме-
95
Глава 3
Рис. 3.9. График «Частотный диапазон»
рять. Очевидно, если мы будем измерять АЧХ акустической системы в
помещении, то само помещение будет вносить свой вклад в характе-
ристику, поэтому многие рекомендуют снимать АЧХ в заглушенных
Рис. 3.10. Настройки анализатора спектра
Анализатор спектра
Размер [l€9B4семп...
Разреше.,. 2.7 Гц
Вставка '|ыопе Ч
Перекрытие |т5% Я
Оюннвя ГкЬ1зег .***1
Параметр окна [~9™^ф- 20)
комнатах (без эха) или на откры-
том воздухе. С одной стороны, это
правильно. Зная «чистую» АЧХ са-
мой колонки, мы можем оценить,
насколько хорошо она может иг-
рать. С другой стороны, как бы хо-
рошо колонка ни играла на улице,
в помещении она в любом случае
заиграет по-другому. Исходя из
этого акустику можно разделить
на два типа: «выездную», которая
может оказаться в любом поме-
щении (эстрадная акустика, аку-
стика для продажи или участия в
конкурсах), и «домашнюю», кото-
рая не будет покидать своего ме-
ста обитания. При конструирова-
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
нии первого типа желательно снимать «чистую» АЧХ и стремиться сде-
лать ее как можно более ровной. В таком случае сводится к минимуму
риск того, что АЧХ помещения, сложившись с АЧХ акустической систе- J
мы, создаст сильные провалы или подъемы некоторых частот. При кон-
струировании «домашней» акустики, напротив, лучше снимать АЧХ
вместе с АЧХ комнаты. В таком случае вы уже заранее настроите аку-
стику под особенности помещения и получите наилучшее качество зву-
чания.
Лучше всего выбрать специально аттестованный для акустических
измерений микрофон. Такие микрофоны имеют собственный разброс !
АЧХ в 3 дБ в диапазоне от 20 Гц до 20-25 кГц. Если подобного найти
не удалось, можно воспользоваться капсюлем конденсаторного ми-
крофона (электретным микрофоном). Такие капсюли стоят очень не-
дорого, но их собственная АЧХ может быть довольно неровной. Заме-
чено, что конденсаторные микрофоны, даже очень плохие, имеют ров-
ную АЧХ в диапазоне от 20 Гц до 7 кГц. Также известно, что чем меньше
диаметр капсюля, тем выше верхняя граница линейного участка АЧХ у
микрофона. Например, если диаметр капсюля составляет 7 мм, то
верхняя граница находится на уровне 12-16 кГц; при диаметре в 5 мм
верхняя граница достигает 18—25 кГц.
Конденсаторный капсюль для своей работы требует усилителя, ко- ,
торый можно собрать по схеме, приведенной на рис. 3.11.
Output
Даже если вам попался микрофон с плохой АЧХ, не расстраивай-
тесь: попробуйте найти заводскую АС с хорошими параметрами и снять
с нее АЧХ этим микрофоном. Теперь от проектируемой вами АС нужно
лишь добиться приблизительно такой же АЧХ.
97--------------------------------------------Глава 3
3.2. Моделирование акустического оформления
в программе JBL SpeakerShop Enclosure Module
Программа JBLSS (рис. 3.12) уже де-факто является стандартом в раз-
работке акустических систем. Несмотря на то что этой программе уже
более 10 лет и она была написана для Windows 3.11, она по-прежнему
остается лучшей в своем классе.
Рис. 3.12. Главное окно программы
SpeakerShop Enclosure Module 1.0
IS В
Rle Hdst Loudspeaker Box Graph Test Options Help
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Главное окно программы содержит меню, типы акустического
оформления, основные параметры динамической головки и область
для отображения графиков.
Сразу после установки программы зайдите в меню Edit и выберите
пункт Preferences (рис. 3.13).
В этом меню устанавливаются параметры программы по умолча-
нию. Вам необходимо установить метрическую систему мер (Units =>
=> Metric) и единицы измерения объема (Volume Units => Liters).
Остальные параметры оставьте без изменений. Для сохранения на-
строек щелкните по кнопке Save.
Стоит отметить интересную особенность программы: в некоторых меню
можно изменять размерность параметра, дважды щелкнув по нему.
4 Создание акустических систем в домашних условиях
98
Глава 3
L____
Рис. 3.13. Настройки программы
Перед началом работы с программой необходимо выбрать динамик,
для которого будет рассчитываться акустическое оформление. Сделать это
можно в меню Loudspeaker => Load from database (рис. 3.14).
В меню Manufacturer вы выбираете производителя головки, а в
меню Model Name — ее модель. После выбора модели динамика в
левой части окна появляются параметры этого динамика и дается оцен-
ка типа оформления, к которому тяготеет данный динамик. Если инди-
катор находится ближе к слову «Vented», динамик будет лучше рабо-
тать в оформлении типа ФИ, а если к слову «Closed» - в оформлении
типа ЗЯ. Выбрав динамик, щелкните по кнопке Load.
После того как вы выберете динамик, программа автоматически
предложит оптимальные параметры для ящиков типа ФИ и ЗЯ. Щел-
кнув по кнопке Plot, вы сможете построить АЧХ для каждого типа
оформления и сравнить их (рис. 3.15). Если при этом был поставлен
флажок с изображением автомобиля, АЧХ будет построена с учетом
влияния кузова автомобиля. Кнопка Clear стирает графики.
Программа дает возможность моделировать шесть независимых
конструкций:
• Vented box Optimum - оптимальный ящик с ФИ;
• Vented box Custom — ящик с ФИ, параметры которого задаются
вручную;
о
ф
а
0
0
W
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Глава 3
100
ё
s
v
X
s
X
• Vented box Band-Pass — полосовой излучатель;
• Passive Radiator — ящик с пассивным излучателем;
• Closed box Optimum - оптимальный ЗЯ;
• Closed box Custom — ЗЯ, параметры которого задаются вручную.
Щелкнув по соответствующей кнопке, вы перейдете к настройкам
конструкции.
3.2.1. Оптимальный закрытый ящик
Рис. 3.16. Параметры оптимального ЗЯ
Рис. 3.17. Параметры произвольного ЗЯ
Custom Closed Sox
Sox Damping (011)“”
@None О Minimal'
О Normal. О Heavy
В этом меню вы задаете тип заполне-
ния ящика — Box Damping (от
«None» — без заполнения до
«Heavy» - полное заполнение) и до-
бротность, от которой зависит харак-
теристика АЧХ и ФЧХ (рис. 3.16).
3.2.2. Закрытый ящик,
параметры которого задаются
вручную
В этом меню вы можете задать тип
заполнения ящика и его объем — Vc.
(рис. 3.17)
3.2.3. Оптимальный ящик
с фазоинвертором
В данном меню вы задаете тип за-
полнения, а также добротность резо-
натора QL (рис. 3.18).
3.2.4. Ящик с фазоинвертором,
параметры которого задаются
вручную
. Ус? Ml 'liters "
Ofc? 0,7284566 , .
Accept I cancel
Это самое интересное меню, дающее
возможность детально настроить па-
раметры резонатора. Здесь вы може-
те задать тип заполнения, объем
ящика Vb, тут же получив его резо-
нансную частоту F3. Или же наобо-
рот — задать частоту и получить объ-
101
Глава 3
Рис. 3.18. Параметры оптимального ФИ
Рис. 3.19. Параметры произвольного ФИ
Custom Vented Box
ем ящика. Чтобы выполнился
перевод, достаточно поставить
курсор на другое поле либо на-
жать клавишу Tab. Также в этом
меню можно задать резонансную
частоту ФИ - Fb. Добротность ре-
зонатора QL лучше оставить по
умолчанию — 7 (рис. 3.19).
Щелкнув по кнопке Extended
Bass, вы получите оптимальные,
сточки зрения программы, пара-
метры ящика. При щелчке по
кнопке Optimum Fb будет вы-
полнен подсчет резонансной ча-
стоты ФИ для обеспечения мак-
симально согласованного режи-
ма работы головки.
----;—~ —век —: ;
W Nor»' О Minimal • О Кеппа. Q.Hew ’
W?'206,5823' *' ОЯ F3?;2t2201 “ ' Hz
bpamufnFt>|. ' W?- 227409 ' Hz
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
3.2.5. Ящик с пассивным излучателем
В этом меню вы можете задать тип заполнения ящика, его объем — Vb,
эквивалентный объем пассивного излучателя Vap и резонансную ча-
стоту Fp (рис. 3.20).
Глава 3
102
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Рис. 3.20. Параметры ящика с пассивным
излучателем
3.2.6. Параметры полосового
излучателя
В данном окне вы должны вы-
брать тип ящика, тип заполнения
и параметры резонаторных ка-
мер. Полосовой излучатель состо-
ит из задней (Rear Chamber - 1) и
передней резонаторной камеры
(Front Chamber — 2). У каждой из
этих камер существует три пара-
метра: объем — Vb, частота резо-
нанса камеры - Fb и частота ре-
зонанса ФИ - F3 (рис. 3.21).
Если число используемых го-
ловок кратно двум, можно вы-
брать трехкамерный излуча-
тель — Triple Chamber. В этом же
Рис. 3.21. Параметры полосового излучателя
103
Глава 3
окне есть предварительный просмотр АЧХ полосового излучателя. Ва-
рьируя объем камер и их резонансные частоты, вы можете добиться
желаемой АЧХ.
3.2.7. Фазоинверторы
Размеры фазоинверторов задаются в окне Vent Dimensions, которое
можно вызвать, щелкнув по полю Dv или Lv, а также в меню Box =>
=> Vent... (рис. 3.22).
В этом меню вы можете задать количество фазоинверторов, а так-
же, указав его диаметр (Dv), получить длину (Lv) либо наоборот - за-
дав длину, получить диаметр. Если вы хотите использовать не круглый
ФИ, необходимо указать площадь его сечения. При этом достаточно
вместо пункта Diameter выбрать пункт Area.
Щелкнув по кнопке Minimum Size, вы получите минимальный ре-
комендованный размер ФИ. Напомню, что при увеличении диаметра
ФИ в л/2 раз или площади его сечения в два раза длина ФИ также уве-
личится вдвое, Если при расчете получается очень длинный ФИ, мож-
но увеличить объем ящика, в этом случае при аналогичном диаметре
необходимая длина ФИ уменьшится. Не стоит использовать ФИ очень
маленького диаметра, так как турбулентные явления могут отразиться
на КПД резонатора и качестве звука. Рекомендованные размеры фазо-
инверторов приведены в таблице 1.1.
Рис. 3.22. Размеры фазоинверторов
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Глава 3
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем Г
104
Хочется отметить важный момент. Точность моделирования состав-
ляет ±50%, поэтому реальная длина фазоинвертора может оказаться
другой (обычно меньше). С связи с этим, собрав колонку, обязательно
подберите такую длину ФИ, при которой реальная резонансная часто-
та будет совпадать с теоретической (Fb). Резонансная частота ФИ опре-
деляется по минимуму импеданса динамической головки (см. раздел,
посвященный измерению параметров Т-С).
3.2.8. Параметры динамической головки
Чтобы вручную задать параметры динамической головки, нужно зайти
в меню Loudspeaker => Parameters — full (рис. 3.23).
В этом окне вы можете указать модель головки (General informa-
tion), механические параметры (Mechanical Parameters), электрические
параметры (Electrical Parameters), комбинированные параметры (Com-
bination Parameters), а также число и способ соединения головок (Num-
ber of drivers).
После щелчка по кнопке Calculate Unknowns программа вычислит
недостающие параметры на основе известных, а при щелчке по кнопке
Add to Database параметры головки будут записаны в базу данных
программы.
Рис. 3.23. Параметры головки
Loudspeaker Parameters ,
Xlphard
' HW15o6_40tim
HotoarW
Bocthco? Parameters ,.
»ohms
mH ;
_______,________ ohiw
Osohmral Perimeters'*"^
Ht
a 4.08 ~ v
Comptace (Cms)7 0.06424791
bloving Hass 352,0373
'' 18.39869 л
af IWs ---------71
ГЛесЬзрШгН
mm/14 '
grams
' mm
': ' Addto Database
Pwiwto ”
SdW ' Olwat (В vo/&::
- Cancel • I
105
Глава 3
3.2.9. Инструмент Форма и объем ящика
Вы можете оценить размеры ящика и его объем в меню Box => Dimen-
sions... (рис. 3.24).
Рис. 3.24. Форма и размер ящика
В открывшемся окне вы должны задать тип разрабатываемого аку-
стического оформления, исходя из которого автоматически рассчиты-
Рис. 3.25. Калькулятор длины
волны
вается требуемый объем ящика (Required
Vol). Затем нужно задать форму ящика
(Shape) и, возможно, размеры некото-
Wavelength Calculator В
Й caily сз!сцЫе$ using
wiW Мвсшт!
& ateTg шпде.Ше veHcity,
Шп
ШОйдатвтг '' ,
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
рых его сторон. Недостающие размеры
будут посчитаны автоматически, когда вы
щелкнете по кнопке Calculate Unknown(s).
Объем получившегося ящика указывается в
поле Sub-Vol.
3.2.10. Инструмент Калькулятор
длины волны
Чтобы перевести длину волны в частоту или
наоборот, зайдите в меню Options и выбе-
рите Wavelength Calculator (рис. 3.25).
-------!
106
Глава 3
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
3.2.11. Выбор графиков
Программа JBL SS позволяет строить несколько основных типов гра-
фиков:
• нормализованная АЧХ (Amplitude - normalized);
• АЧХ с учетом чувствительности излучателя (Amplitude - SPL);
• зависимость мощности от частоты (Acoustic power);
• зависимость импеданса головки от частоты (Impedance);
• ФЧХ (Phase);
• время групповой задержки (Group Delay).
Выбор графиков осуществляется в меню Graph. В этом же меню
можно сохранить и восстановить из памяти несколько графиков.
3.3. Расчет индуктивности катушки
В состав разделительного фильтра акустической колонки входят катуш-
ки индуктивности. Для облегчения расчета их параметров можно вос-
пользоваться утилитой Zcalc. Эта программа позволяет рассчитывать
количество витков катушки по заданной индуктивности, индуктивность
катушки по заданному количеству витков и оптимальные размеры
многослойной катушки (рис. 3.26).
Рис. 3.26. Окно программы
3.4. Программа моделирования
электрических схем Multisim
В этом разделе будут кратко рассмотрены возможности программы
Multisim 10 и даны некоторые схемы, которые могут быть использова-
ны при проектировании АС. Перед началом обзора стоит рассказать о
том, что полезного несет в себе компьютерное моделирование:
107------------------------------------------------Глава 3
1. Возможность исследования работы схемы без ее физического
воплощения недоступными для радиолюбителя приборами.
2. Отпадает риск выведения из строя радиоэлементов или измери-
тельных приборов.
3. Вы всегда уверены в исправности элементов схемы и точности
измерительных приборов.
4. Возможность вести разработку устройства, подбирая параметры
радиоэлементов, а не рассчитывая их.
Используя компьютерное моделирование, вы можете еще на ста-
дии разработки концепции будущего устройства определить, какие
схемные решения лучше всего подходят для вашего проекта. Матема-
тические модели, которые применяются в программе Multisim 10, до-
вольно точно повторяют работу реальных элементов, поэтому после
сборки схемы часто вообще не требуют налаживания. Главное окно
программы показано на рис. 3.27.
Окно состоит из меню, панелей инструментов (toolbars) и рабочего
поля (workspace). Прежде чем начать работать с программой, озна-
комьтесь с ее настройками. Основные настройки можно выполнить,
щелкнув по рабочему полю правой кнопкой мыши и выбрав пункт
Properties. Стандартные цвета рабочего поля программы контрастны,
поэтому я рекомендую установить пользовательскую (Custom) цвето-
вую схему и настроить ее согласно табл. 3.1.
Рис. 3.27. Главное окно программы
Grcurtl fTuttisrni [Circurtlj ' -
।«„/.г л шш/ ; <'•
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Глава 3
108 !
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем Г
I
I
i
I
!
I
I
i
I
I
Таблица 3.1. Цветовая схема
Элемент поля Цвет RGB
Background (Фон) 218 220 217
Selection (Выделенное) 255 255 255 (белый)
Wire (Проводник) 236 1080
Component with model (Компонент, имеющий математическую модель) ООО (черный)
Component without model (Компонент, не имеющий математи- ческой модели) 0 0 255 (синий)
Virtual component (Виртуальный компонент) 0 0 255 (синий)
Во вкладке Workspace можно настроить размер рабочего поля. Ре-
комендую выбрать лист размера' «В» или больше.
Рис. 3.28. Окно настроек
Preferences
Paths ] Save
Г Pte sngfe component
'Symbol standard-
.... Г Affil
ЧТ k-
&
-РоЛе Phase Direction —?
Г SNftnght ,
& Shiftleft
Thase* parameter И AC затеей
-ЭДЫ SmJata SeWngs-----------:---------r--------------:----
<* Ideal ' ' '
Г* Real (mere accurate grnuhto * reputes power and dp tel ground)
109
Глава 3
В меню Options => Global Preferences вы можете задать стандарт
обозначения элементов (ANSI или DIN), режим установки компонен-
тов и точность моделирования. Я рекомендую настроить эти парамет-
ры согласно рис. 3.28.
Моделирование схемы выполняется не в реальном масштабе вре-
мени. Текущее время моделирования указывается в нижней части окна
в поле Tran. Для изменения скорости моделирования (а следователь-
но, и качества) зайдите в меню Simulate => Interactive simulate set-
tings => Maximum timestamp (рис. 3.29).
Рис. 3.29. Настройка шага моделирования
Ф Interactive Smralabon Settings
| Analysis Opita |
г"1г$Ы wndtlons —— -------------------------——----------
i] Automatically determine initial conditions
=1.__—______________„___________________________
г Analyse---------------------------------------;----
1Ш toe ЙГЖП p Sec
End toe
p Set maximum toestop
& |1еч305
Generate toe «tops automatic^y
- Ноге ОрШ------------------------------:------------
Г toe stop
Г* Estimate maximum toe step based ел net Ы (ШАХ)
Чем меньше значение параметра ТМАХ, тем выше качество моде-
лирования, но тем оно медленнее. Обратите внимание на формат вво-
да времени. Например, 1е-005 означает 10-5 ит.д.
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
3.4.1. Описание элементов
Все доступные элементы электрической схемы можно выбрать в меню
Components (рис. 3.30).
Рис. 3.30. Меню компонентов
Глава 3
110
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Таблица 3.2. Семейства компонентов группы Sources
Семейство Назначение
Power sources Источники питания
Signal voltage sources Сигнальные источники напряжения
Signal current sources Сигнальные источники тока
Controlled voltage sources Источники напряжения, управляемые напряжением
Controlled current sources Источники тока, управляемые напряжением
Control function blocks Функциональные блоки
Таблица 3.3. Семейства компонентов группы Basic
Семейство Назначение
Basic virtual Виртуальные компоненты
Rated virtual Виртуальные компоненты
Pack Линейки резисторов
Switch Переключатели
Transformer Трансформаторы
Non linear transformer Нелинейные трансформаторы
Relay Реле
Connectors Разъемы
Sockets Сокеты (панели)
SCH CAP SYMS Обозначения элементов
Resistor Резисторы
Capacitor Конденсаторы
Inductor Индуктивности
CAP Electrolit Электролитические конденсаторы
Variable capacitor Переменные конденсаторы
Variable indictor Переменные индуктивности
Potentiometer Переменные резисторы
Таблица 3.4. Семейства компонентов группы Diodes
Семейство Назначение
Diode Диоды общего назначения
Zener Стабилитроны
Led Светодиоды и светодиодные столбики
FWB Выпрямительные мосты
111
Глава 3
Продолжение табл. 3.4
Семейство Назначение
Shottky Диоды Шоттки
SCR Тиристоры
Diac Двунаправленные тиристоры
Triac Симисторы
Varactor Варикапы
Pin diode Диоды
Таблица 3.5. Семейства компонентов группы Analog
Семейство Назначение
Analog virtual Идеальные ОУ
OpAmp Операционные усилители
OpAmp Norton ОУ Нортона
Comparator Компараторы
Wideband Amps ОУ с дополнительными выводами
Special function ОУ специального назначения
Таблица 3.6. Семейства компонентов группы Indicators
Семейство Назначение
Voltmeter Вольтметры
Ammeter Амперметры
Probe Логические индикаторы
Buzzer Зуммеры
Lamp Лампы накаливания
Virtual lamp Идеальная лампа
HEX Display Сегментные индикаторы
Bargraph Столбики
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Таблица 3.7. Наиболее востребованные компоненты
фуппа Семейство Компонент Назначение
Sources Power sources AC Power Источник переменного напряжения
Sources Power sources DC Power Источник постоянного напряжения
Sources Power sources DGND Цифровая «земля»
Sources Power sources GROUND Аналоговая «земля»
।
j_____________ ____________________________________________________________
Глава 3---------------------------------;--------------------------112
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Продолжение табл. 3.7
Группа Семейство Компонент Назначение
Sources Signal voltage sources AM Voltage Сигнал с амплитудной модуляцией
Sources Signal voltage sources Clock voltage Источник прямоугольного сигнала
Sources Signal voltage sources FM Voltage Сигнал с частотной модуляцией
Basic Switch Bee Переключатели
Basic Resistor Bee Резисторы
Basic Capacitor Bee Конденсаторы
Basic Inductor Bee Индуктивности
Diodes Diode Bee Диоды
Diodes FWB Bee Выпрямительные мосты
Transistors BJTNPN Bee NPN-транзисторы
Transistors BJT Bee PNP-транзисторы
Analog Analog Virtual Bee Идеальные ОУ
Analog Op Amp Bee ОУ
Indicators Probe Probe Индикатор логического уровня
Группы, не рассматриваемые в табл. 3.2—3.7, не представляют для
нас интереса.
3.4.2. Описание измерительных инструментов
В программе Мultisim содержится большое количество измерительных
приборов, которые без ограничений могут быть использованы при
разработке и исследовании электрических схем (табл. 3.8). Особенно
нужно отметить наличие таких приборов, как анализатор Бодэ, анали-
затор спектра и анализатор гармоник, которые помогут еще на стадии
моделирования схемы предсказать качество ее работы. Также полез-
ными могут оказаться инструменты из группы «LabView Instrument», с
помощью которых станет возможным не только увидеть, но и услы-
шать, как работает модель вашей схемы.
Таблица 3.8. Измерительные приборы
Инструмент Описание
Multimeter Мультиметр позволяет измерять напряжение, ток и сопротивление
Function generator Генератор сигналов используется для создания синусоидального, прямоугольного и пилообразного сигнала
Wattmeter Ваттметр
113
Глава 3
Продолжение табл. 3.8
Oscilloscope Двухканальный осциллограф
4 Channel Oscilloscope Четырехканальный осциллограф
Bode Plotter Анализатор Бодэ позволяет снимать АЧХ и ФЧХ системы
Frequency counter Частотомер
IV Analyses Анализатор ВАХ
Distortion Analyzer Анализатор гармоник
Spectrum Analyzer Анализатор спектра
LabView Instrument Инструменты, позволяющие записывать и воспроизводить сигналы
Word Generator Генератор двоичных слов
Logic Analyzer Анализатор двоичных слов
Logic Converter Логический преобразователь
3.4.3. Моделирование работы источника питания
Источник питания — самый простой блок с точки зрения моделирова-
ния. Чтобы промоделировать его работу, нам понадобятся следующие
элементы:
1. Источник переменного тока Va, выступающий в роли вторичной
обмотки трансформатора.
2. Резистор Rv учитывающий сопротивление вторичной обмотки.
3. Диодный мост Dr
4. Сглаживающие конденсаторы С,, С2.
5. Сопротивление нагрузки R2.
2
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Глава 3 -----------------------------------------------j 114' !
___________ l___________________________________________________j
Параметры напряжения будем регистрировать амперметром ХММ1,
вольтметром ХММ2 и осциллографом XCS1, причем осциллограф
должен быть включен так, чтобы отображать постоянную (DC) и пере-
менную (АС) составляющую сигнала, также известную как пульсация
(рис. 3.31).
Для начала моделирования схемы достаточно перевести переклю-
чатель панели Simulation switch в положение 1. При этом на экране
осциллографа будут отображаться две кривые напряжений. Варьируя
сопротивление нагрузки и емкость сглаживающего конденсатора,
можно оценить их влияние на пульсацию напряжения (рис. 3.32).
Рис. 3.32. Графики зависимости напряжения пульсации от емкости сглаживающего
конденсатора при разных значениях R2
Как видно из полученных графиков, с увеличением емкости кон-
денсатора пульсация напряжения уменьшается. Кроме того, пульсация
возрастает с уменьшением сопротивления нагрузки. Напомню, что
пульсация напряжения питания не должна превышать 3—5% от посто-
янного напряжения питания. Проводя дальнейшее исследование схе-
мы, можно убедиться, что напряжение на нагрузке будет тем выше,
чем выше емкость сглаживающих конденсаторов и меньше сопротив-
ление обмотки трансформатора. Из-за влияния этих элементов закон
преобразования переменного напряжения в постоянное выполняется
только при отсутствии нагрузки. При высоком сопротивлении обмотки
трансформатора и недостаточной емкости конденсаторов напряжение
на нагрузке может оказаться даже ниже действующего напряжения на
вторичной обмотке трансформатора.
115
Глава 3
3.4.4. Моделирование работы усилителя мощности
Усилители мощности, приведенные в табл. П.З, отличаются в основ-
ном двумя параметрами: максимальной выходной мощностью и диа-
пазоном питающих напряжений.
Если допустить, что микросхемы всегда работают при номиналь-
ном питающем напряжении и выходной мощности, то их работу мож-
но описать одной и той же математической моделью. Именно это и
сделано в программе Multisim 10 — в качестве мощного ОУ в ней пред-
ставлена микросхема TDA2030.
Смоделируем неинвертирующую схему включения мощного ОУ
(рис. 3.33).
Рис. 3.33. Схема усилителя
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Элементы V, и V2 эмулируют источник питания. Сопротивление ис-
точника питания здесь не играет никакой роли; модель ОУ ведет себя
так, что он сам является источником тока. Генератор XFG1 вырабатыва-
ет входной сигнал, резистор R, служит для регулирования его величи-
ны. Резистор R2 определяет входное сопротивление усилителя, рези-
сторы R3 и R4 образуют обратную связь. Элементы R5 и Ц моделируют
сопротивление и индуктивность звуковой катушки динамика. Осцил-
лограф XSC1 служит для контроля входного и выходного сигналов,
анализатор гармоник XDA1 — для контроля качества сигнала, а анали-
затор Бодэ ХВР1 — для анализа АЧХ и ФЧХ усилителя.
Глава 3
116
Изменяя положение движка резистора R1 (клавишами А и Shift+A),
можно легко убедиться, что качество сигнала будет тем выше, чем ни-
же «громкость». Кроме того, на участке от 0 Гц до 20 кГц АЧХ и ФЧХ
этой системы будет относительно ровной.
Если последовательно соединить
конденсатор с R4 (рис. 3.34), сопротив-
ление этой цепочки переменному току
будет тем выше, чем ниже будет частота
сигнала. Это значит, что с понижением
частоты Ку усилителя будет падать, и мы
получим ФВЧ, который можно исполь-
зовать в качестве сабсоника (рис. 3.35).
Рис. 3.35. АЧХ усилителя
Рис. 3.34. Подключение конденсатора
о '5; з
22uF
620Q
Рис. 3.36. Подключение
конденсатора
____R3[_
22kQ
7
Ci
------II-
10nF
С другой стороны, если параллельно R3 под-
ключить конденсатор (рис. 3.36), то с увеличе-
нием частоты сопротивление этой цепочки будет
уменьшаться. Так как данная цепочка участвует в
формировании обратной связи, мы получим
ФНЧ, который может быть использован в каче-
стве корректирующего, разделительного или
стабилизирующего фильтра (рис. 3.37).
Рис. 3.37. АЧХ усилителя
117 |---------------------------------------------Глава 3'
. Последовательно со входом усилителя обычно устанавливают про-
ходной конденсатор, который совместно с R2 образует ФВЧ (рис. 3.38).
С уменьшением его емкости частота среза фильтра будет увеличивать-
ся (рис. 3.39).
Рис. 3.38. Подключение
конденсатора
Рис. 3.39. АЧХ усилителя
3.4.5. Моделирование активного фильтра
Программа Multisim 10 позволяет щелчком по нескольким кнопкам
строить схемы активных фильтров со следующими характеристиками:
• распределением Баттерворта и Чебышева;
• ФНЧ, ФВЧ, полосовым фильтром, режекторным полосовым
фильтром;
• порядком фильтра от 2 до 10.
Обычно данного набора характеристик вполне достаточно. Чтобы
вызвать мастера конструирования фильтра, воспользуйтесь меню Tools =>
=> Circuit wizards => Filter wizard (рис. 3.40).
Рис. 3.40. Меню мастера создания фильтра
118
Программное обеспечение, используемо^при разработке акустических систем Г
,_j___________,
Глава 3
В меню Туре нужно выбрать тип фильтра, затем в группе переклю-
чателей Туре указать характеристику передаточной функции и, нако-
нец, выбрать топологию фильтра в группе Topology. Пассивный (Pas-
sive) фильтр состоит из индуктивностей, емкостей и сопротивлений, а
активный (Active) — из емкостей, сопротивлений и операционных уси-
лителей. После выбора топологии фильтра можно начать заполнять
основные поля:
• Pass Frequency-частота среза;
• Stop Frequency - частота окончания спада АЧХ (актуально толь-
ко для полосовых фильтров); i
• Pass Band Gain — подавление амплитуды на ровном участке АЧХ;
• Stop Band Gain — подавление амплитуды на ровном участке
АЧХ после окончания спада (актуально только для полосовых фильт-
ров);
• Filter Load - сопротивление нагрузки, подключаемой к фильтру; ;
• Resistance in LP — входное сопротивление фильтра.
Особенность работы мастера заключается в том, что порядок фильт-
ра, как и крутизна спада АЧХ, определяется из значений первых четы-
рех полей. Поясню, как это работает. Если нам нужен фильтр второго
порядка с частотой среза 1 кГц, в поле Pass Frequency должно стоять
значение 1 кГц. В качестве значения поля Stop Frequency возьмем зна- ;
чение на октаву большее, чем частота среза, то есть 2 кГц. На этой ча-
стоте подавление сигнала должно быть на 12 дБ сильнее, чем на ров-
ном участке АЧХ, то есть -12 дБ (см. рис. 3.40).
Рассчитав фильтр, щелкните по кнопке Verify, чтобы программа
проверила возможность реализации такого фильтра. Если реализация
возможна, щелкните по кнопке Build Circuit. В результате в рабочее
поле программы будет помещена схема фильтра (рис. 3.41).
Исследуя характеристики этого фильтра, можно заметить, что:
• частота среза по уровню -3 дБ составляет 1 кГц, что соответствует ;
заданной; '
• значения резисторов Rv R2, R3 одинаковы. Это обстоятельство
значительно облегчает настройку фильтра и уменьшает номенклатуру
компонентов устройства.
Чтобы перестроить фильтр, достаточно изменить номиналы рези-
сторов, при этом частота среза будет изменяться пропорционально.
Например, чтобы частота среза была 500 Гц, резисторы должны иметь
номинал в 44 кОм. Однако изменять номинал резисторов более чем в
два раза не рекомендуется из-за возможной неустойчивости работы
схемы.
Если уменьшить порядок фильтра, уменьшится и количество RC-це-
почек, что позволит разработать фильтр с регулируемой частотой среза
; (рис. 3.42).
г___________L _
Глава 3
L____________
119
Диапазон регулирования частоты среза этой схемы составляет от
720 до 2200 Гц. В качестве ОУ можно использовать маломощный ОУ
общего применения LM321, LM324 или его аналоги.
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Глава 3----------------------------------------------120
3.4.6. Моделирование регулятора тембра
Регулятор тембра используется для грубой регулировки АЧХ в области
низких и высоких частот (рис. 3.43).
Рис. 3.43. Схема регулятора тембра
Регулятор представляет собой ОУ с двумя перестраиваемыми
фильтрами в обратной связи. При регулировании тембра стереоуси-
лителя в качестве резисторов R6 и R7 нужно использовать сдвоенные
резисторы с линейной зависимостью сопротивления от угла пово-
рота.
3.4.7. Моделирование работы вращателя фазы
Вращатель фазы позволяет вносить фазовый сдвиг в сигнал. В частно-
сти, фазовращатель используется для «подгонки» фазы сабвуфера к
фазе основных колонок (рис. 3.44).
Регулирование фазы происходит путем изменения сопротивления
резистора R3. От емкости конденсатора С, зависит качество работы узла:
чем меньше емкость, тем более линейным оказывается регулирование,
но тем уже диапазон регулирования. Для удовлетворительной работы
схемы емкость конденсатора должна быть в диапазоне 47—100 нФ
(рис. 3.45).
Рис. 3.44. Схема вращателя фазы
Г“
! Глава 3
] 122 ।
।
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем Г
3.4.8. Моделирование индикатора выходной мощности
Для предотвращения выхода из строя динамиков и усилителя очень
полезно контролировать уровень выходной мощности. Кроме того, на-
личие индикаторных столбиков придает устройству профессиональ-
ность и законченный вид (рис. 3.46).
Рис. 3.46. Схема индикатора устройства
XSC1
з
LED3
200Q
LED4
24 □ 8
ийо
LED5
25 9 fsT
'ИЙО
LEDO
2000
28
LED7
27 *1», 13& С
здбо
LED8
2000
Схема состоит из буферного усилителя Ug, выпрямителя сигнала на
диоде Dv сглаживающего фильтра R3C,, делителя напряжения R4—R1P
ключевых элементов и,-118, светодиодов LED 1 — LED8 и токоограничи-
вающих резисторов R12—R19. В качестве сигнала используется синусои- ?
да частотой 1 Гц, модулированная синусоидой 15 Гц (рис. 3.47).
В качестве ключевых можно использовать логические элементы с н
максимальным выходным током до 15—20 мА (серия К155), ключи на с
транзисторах и т.п. Налаживание схемы сводится к подбору буфер- к
ного усилителя.
123
Глава 3
Рис. 3.47. Форма сигнала на выходе фильтра
3.4.9. Моделирование работы регулятора скорости
вращения ротора электродвигателя
Многие радиаторы, которые охлаждают радиоэлементы, снабжены
вентилятором. Чтобы отрегулировать скорость его вращения, можно
использовать простейшую схему, приведенную на рис. 3.48.
В качестве транзистора можно взять любой PNP-транзистор сред-
ней мощности, подойдет КТ814 или КТ816. В качестве нагрузки высту-
пает резистор R5. В зависимости от типа вентилятора его сопротивле-
ние может варьироваться от 30 до 100 Ом. Резистор R3 задает мини-
мальное напряжение на нагрузке. Резистор R, используется для
регулирования напряжения на нагрузке, R2 ограничивает максималь-
ный ток базы, чтобы транзистор не сгорел. Цепочка C,R4 создает бро-
сок напряжения при включении схемы, чтобы сдвинуть с мертвой точ-
ки ротор двигателя. Чем больше будет емкость С,, тем более продол-
жительным будет импульс (рис. 3.49).
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
1
Глава 3
124
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Рис. 3.48. Схема регулятора скорости вращения
Ji
Рис. 3.49. Импульс при включении схемы
П
Time
0.000 s
Channd_A Channel_B
0.000 V
-Timebase—-—-
15oo ms^v
Xp0£&n [o
-ChjsmdA——
| 5 W
Г position |T"
Channels
'Trigger
УрсжШеп |о
125
Глава 3
3.5. Моделирование разделительного фильтра
в программе JBL Speakershop Crossover Module
Рис. 3.50. Меню Crossover
Описываемая программа позво-
ляет выполнить расчет двух- или
трехполосного разделительного
фильтра первого, второго, треть-
его и четвертого порядка. Выбор
этих параметров осуществляется
в меню Crossover (рис. 3.50).
После того как вы выберете
количество полос фильтра и их
порядок, в окне программы поя-
вится схема фильтра (рис. 3.51).
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Следующим шагом необходимо ввести параметры головок в меню
Loudspeaker => Parameters (рис. 3.52).
Обязательными для заполнения являются поля Impedance (Z) и In-
ductance (Le). Остальные поля используются для расчета корректиру-
ющих цепочек, доступных в меню Load Compensation:
Глава 3
126
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Рис. 3.52. Параметры динамических головок
• L-Pad - аттенюатор, уменьшающий громкость звучания излуча-
теля во всем диапазоне частот;
• Series Notch Filter - фильтр, компенсирующий резонанс головки;
• Impedance EQ - фильтр, компенсирующий индуктивность го-
ловки и облегчающий жизнь усилителю.
Стоит, правда, отметить, что наличие корректирующих цепочек не
всегда положительно сказывается на качестве звука, но в любом случае
усложняет конструкцию фильтра и его настройку.
Чтобы выполнить расчет номиналов элементов схемы, нужно вве-
сти частоту (частоты) разделения в поле X-over и щелкнуть по кнопке
Calculate Crossover Components.
3.6. Измерение параметров Т—С
с помощью программы JBS SpeakerShop
Enclosure Module
Параметры Т—С являются основными по значимости параметрами ди-
намической головки, определяющими ее работу в поршневом режи-
ме. Даже если вы приобрели головку с известными параметрами, не
поленитесь измерить их самостоятельно, так как реальные параметры
в большинстве случаев отличаются от заявленных и далеко не в луч-
шую сторону (табл. 3.9).
127
Глава 3
Таблица 3.9. Отклонение измеренных параметров от заявленных
Название Параметр Mystery MJS-10 Alphard LW800
заявл. изм. откл., % заявл. изм. откл., %
Fs 39,25 40,5 3 42 45,5 8
Qts 0,5 0,69 38 0,91 0,72 -21
Vas 28,68 22 -23 23 29,88 30
Для измерения параметров нам понадобятся следующие элементы:
• генератор синусоидальных сигналов. Можно использовать ком-
| пьютер;
| • частотомер. При использовании генератора с цифровым управ-
' лением или компьютера частотомер можно исключить;
• усилитель мощности с ровной АЧХ в диапазоне 10—500 Гц;
• резистор с сопротивлением 1 кОм. Рекомендуется резистор мощ-
ностью не ниже 2 Вт;
• вольтметр, позволяющий измерять низкое переменное напряже-
ние (менее 0,1 В), или осциллограф. В качестве осциллографа можно
применить компьютер с качественной звуковой картой и специальное
ПО, имитирующее измерительные приборы;
• омметр. Подойдет любой цифровой мультиметр;
• держатель головки. Существует мнение, что при испытании го-
ловка должна быть подвешена в свободном пространстве, а лучше во-
обще находиться в невесомости. При этом движение диффузора будет
вызывать движение корпуса динамика, что неизбежно внесет ошибку
, в результаты измерения. Чтобы этого не происходило, я рекомендую
! закрепить головку на щите, надежно зафиксированном на каком-
нибудь массивном основании. В таком случае мы будем измерять па-
раметры именно подвижной системы динамика, а не системы «диф-
фузор + корзина»;
• измерительный ящик. Используется для определения эквива-
лентного объема динамической головки. Для обеспечения наиболее
достоверных результатов рекомендуются объемы ящиков в зависимо-
сти от диаметра диффузора, представленные в табл. 3.10.
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Таблица 3.10. Рекомендованные объемы измерительных ящиков
Диаметр диффузора, см Объем ящика, л
V 13 3,5
20 15
25 30
Глава 3
128
Продолжение табл. 3.10
Диаметр диффузора, см Объем ящика, л
30 60
38 120
46 170
Если все готово, открывайте программу и заходите в меню Test =>
=> Loudspeaker (рис. 3.53).
Шаг 1. Введите название производителя динамика в поле Manu-
facturer.
Шаг 2. Введите модель динамика в поле Model Name.
Шаг 3. Введите серийный номер динамика (если он есть) в поле
Serial Number.
Шаг 4. Поместите динамик в свободное пространство, измерьте со-
противление резистора омметром и введите полученное значение в
поле Resistor.
Ф I
s i
I
ф
т
ф
с
ф
10
о
ф
о
X
2
2
03
о.
U
о
о.
с
Рис. 3.53. Начало теста
129-----------------------------------------------Глава 3
Шаг 5. Измерьте диаметр диффузора, включая 1/2 ширины подве-
са, и введите это значение в поле Diameter (Dia).
Шаг 6. Измерьте сопротивление звуковой катушки динамика омме-
тром и введите это значение в поле Voice Coil (Re).
Шаг 7. Соберите схему, показанную на рис. 3.54, установите часто-
ту генератора в 500 Гц и, регулируя громкость усилителя, добейтесь на-
пряжения на резисторе в районе 10—20 В. Вы должны быть уверены,
что усилитель не начал ограничивать сигнал. Введите значение напря-
жения в поле Voltage (V1). После этого регулировать громкость в ходе
испытания нельзя, иначе результаты окажутся неверными. Если на
каком-то из этапов теста оказалось, что уровень напряжения слишком
высок или очень низок, вам придется отрегулировать напряжение и
начать весь тест заново.
Шаг 8. Подключите вольтметр (или осциллограф) к клеммам дина-
мика и, плавно уменьшая частоту генератора от 500 до 10 Гц, найдите
частоту, при которой напряжение на вольтметре будет максимальным.
Таким образом вы определите резонансную частоту головки. Введите
найденную частоту в поле Frequency (Fs).
Рис. 3.54. Тестовая схема
Loudspeaker Test Procedure
still suspended In the air, connect ft to
the test circuit Set the signal generator to 500 Hz using the
frequency counter to measure the frequency.
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Adjustthe output level of the generator andlorthe output level
of the amplifier until you measure from 10 to 20 volts across
the 1000 ohm resistor (position T1 In the drcuitKBe careful .
that you do not overdrive the amplifier, causing it to distort
Enter toe voltage (V1) you used and press the Continue button.
Voltage (V1):
5 Создание акустических систем в домашних условиях
Глава 3
130
Шаг 9. Не изменяя частоты, введите полученное напряжение в поле
Voltage (V2). Таким образом вы укажете напряжение на динамике при
резонансной частоте.
Шаг 10. Уменьшая частоту генератора, определите частоту, при ко-
торой напряжение на вольтметре окажется равным указанному про-
граммой (рис. 3.55). Обратите внимание, что это значение автомати-
чески подсчитывается исходя из предыдущих параметров. Введите
значение частоты в поле Frequency (F1).
Шаг 11. Увеличивая частоту генератора, определите частоту, при
которой напряжение на вольтметре снова окажется равным указанно-
му программой. Эта частота будет выше резонансной. Введите значе-
ние частоты в поле Frequency (F2).
Шаг 12. Закрепите динамик в испытательном ящике. Введите его
объем в поле Volume (Vb). Заметьте, что динамику все равно, с какой
стороны находится объем, поэтому целесообразно его закрепить сна-
ружи ящика — будет удобнее подключать провода, да и герметичность
повысится. Дальнейшие действия аналогичны шагам 8—11, однако
из-за наличия дополнительной нагрузки на динамик значения пара-
Рис. 3.55. Указанное программой напряжение
131-------------------------------------------------- Глава 3
метров в свободном пространстве и в ящике будут отличаться. По раз-
нице этих параметров будет определено значение эквивалентного
объема.
Шаг 13. Определите резонансную частоту головки в ящике по пику
ее импеданса (см. шаг 8).
Шаг 14. Определите напряжение на динамике при резонансной
частоте (см. шаг 9).
Шаг 15. Определите частоту ниже резонансной, при которой на-
пряжение на динамике соответствовало бы указанной программой
(см. шаг 10).
Шаг 16. Определите частоту выше резонансной, при которой на-
пряжение на динамике соответствовало бы указанной программой
(см. шаг 11).
После выполнения всех шагов программа выведет полученные ха-
рактеристики.
Программное обеспечение, используемое при разработке акустических систем
Приложение
D приложении приводится пример разработки реальной аку-
стической системы и некоторый справочный материал, кото-
рый поможет на стадии проектирования АС.
1. Пример разработки АС
Разработку АС начинают с выбора исходных данных:
• тип АС (домашняя, эстрадная, для домашнего кинотеатра): до-
машняя;
• топология (кол-во колонок): 2.1;
• мощность колонок: 25 Вт — передние колонки, 50 Вт — саб-
вуфер;
• полоса воспроизводимых частот: не хуже 35 Гц - 20 кГц;
• количество полос в каждой колонке: передние колонки двухпо-
лосные, сабвуфер с одним динамиком;
• разделительный фильтр колонок: первого порядка;
• дополнительные функции усилителя (корректор АЧХ, регулируе-
мые фильтры, индикаторы мощности, декоративная подсветка и т.д.):
регулируемая частота среза для сабвуфера;
• дополнительные требования: минимальная стоимость АС, деко-
ративная отделка колонок черной тканью.
Определившись с исходными данными, можно начинать выбор
динамических головок. Для этого проекта я выбрал следующие:
• НЧ-СЧ-звено: 25ГДШ-12Д;
• ВЧ-звено: Semptoni TW-108;
• сабвуфер: Mystery MJS-10.
В качестве усилителей мощности я взял TDA7294. Эти микросхемы
будут работать не на полную мощность, поэтому можно не опасаться
ухудшения качества звучания из-за перегрузки усилителя. В качестве
ОУ низкой мощности как самые доступные я выбрал LM324.
Уточнив исходные данные, можно приступить к расчетам основных
параметров.
133
Приложение
1 .1. Расчет параметров источника питания
Максимальная мощность, выдаваемая усилителем в нагрузку, состав-
ляет: 25 + 25 + 50 = 100 Вт. С учетом КПД усилителя максимальная
потребляемая мощность составляет 200 Вт. Исходя из того что система
никогда не работает постоянно на максимальной мощности, мощность
источника питания может быть на 20—50% меньше. Значит, для источ-
ника нужен трансформатор мощностью не менее 100 Вт и не более
200 Вт. Подойдет трансформатор от лампового телевизора типа
ТС-180.
Напряжение, выдаваемое источником, выберем ±27 В, ориенти-
руясь на рекомендуемое для этой микросхемы сопротивление нагруз-
ки в 4 Ом. Вычислим максимальный ток, который будет выдавать ис-
точник в одно плечо. При этом нужно учесть, что мощность одного пле-
ча вдвое меньше общей мощности источника. Итак, ток, выдаваемый
одним плечом, равен:
U 27
Емкость электролитического конденсатора для одного плеча источ-
ника вычислим по формуле (2.11): С = 2500 х 3,7 = 9250 мкФ.
Для уменьшения сопротивления источника заменим один электро-
литический конденсатор большой емкости двумя меньшей. Для улуч-
шения частотных характеристик источника параллельно основным
емкостям подключим конденсаторы меньшей емкости типа К50-35:
470 мкФ, 47 мкФ, пленочный типа К73-17: 4,7 мкФ, керамический
типа К10-17: 0,47 мкФ, 0,1 мкФ.
Выберем диодный мост типа RS504, рассчитанный на ток 5 А и об-
ратное напряжение 1000 В.
Кроме основного напряжения в ±27 В, источник должен выдавать
напряжение в ±12 В для питания фильтра сабвуфера. Также желатель-
но, чтобы источник выдавал напряжение в 12 В для питания вентиля-
тора охлаждения. Это напряжение нужно снимать с отдельной об-
мотки трансформатора, чтобы пульсация напряжения, вызываемая
двигателем, не попала в звуковой тракт. Итоговая схема источника
представлена на рис. П.1.
1 .2. Расчет радиатора охлаждения
Мощность, выделяемую каждой микросхемой, определим из номо-
граммы Figure 13 (см. официальную документацию):
• при выходной мощности в 25 Вт выделение тепла составляет
38 Вт;
Приложение
134
Рис. П.1. Схема источника питания
• при выходной мощности в 50 Вт выделение тёпла составляет
36 Вт.
Итого максимальное выделение тепла будет составлять:
38 х 2 + 36 = 76 + 36 = 11 2 Вт.
Площадь радиатора с естественным и принудительным охлажде-
нием вычислим исходя из формулы (2.7):
S = 111 х 33 = 3696 см2,
5приН=112х 1 1 = 1232СМ2-
В качестве системы охлаждения выберем кулер для компьютера
Igloo 7222. Его площадь составляет 1550 см2, что вполне достаточно
для наших целей.
1 .3. Моделирование акустического оформления
В табл. П.1 указаны параметры Т—С для динамической головки
25ГДШ-12Д.
135
Приложение
Таблица П.1. Параметры Т-С головки 25ГДШ-12Д
Параметр Значение
Fs 57
Qms 6,59
Vas 54
Xmax 3
P-dia 16,5
Qes 2,48
Re 4
Le 0,35
Z 4,58
Pe 40
Qts 1,85
По итогам моделирования выбран оптимальный тип оформления:
ЗЯ объемом 20 л с тяжелой набивкой (рис. П.2, П.З).
Диапазон воспроизводимых частот этого динамика в указанном
оформлении составляет 70 Гц - 12 кГц.
Параметры Т—С для головки сабвуфера приведены в табл. П.2.
Таблица П.2. Параметры Т-С головки Mystery MJS-10
Параметр Значение
Fs 40,5
Qms 7,76
Vas 22
Xmax 10
P-dia 25
Qes 0,75
Re 4
Le 0,5
Z 15
Pe 200
Qts 0,69
Приложение г
136
Рис. П.2. Характеристики передних колонок
Impedance Responce (Ohms/Hz)
Приложение
137 -------------------------
Рис. П.З. Характеристики сабвуфера
Приложение
138
По итогам моделирования был выбран оптимальный тип акустиче-
ского оформления: ФИ объемом 57 л с тяжелой набивкой. Параметры
фазоинвертора: диаметр - 80 мм, длина - 309 мм.
Диапазон воспроизводимых частот - 22-70 Гц. Нижняя граница
обусловлена параметрами головки и акустического оформления, верх-
няя - параметрами разделительного фильтра.
1 .4. Расчет разделительных фильтров
Диапазон воспроизводимых частот динамика 25ГДШ-12Д составляет,
как уже было сказано, от 70 Гц до 12 кГц. Диапазон воспроизводимых
частот ВЧ-динамика - 5-20 кГц. Исходя из этого можно сделать вы-
вод, что ширина зоны совместного действия, как и диапазон возмож-
ных частот разделения, составляет 5-12 кГц.
Введя параметры головок в программу моделирования, получим
следующие значения емкости и индуктивности для частоты разделения
7 кГц: С = 4,96 мкФ, L = 227 мкГ
Если учесть, что катушка будет намотана на оправке диаметром 50 мм,
количество ее витков составит 82 (рис. П.5).
Частота разделения между сабвуфером и передними колонками
составляет, как уже было сказано, 70 Гц. Смоделируем активный раз-
Рис. П.4. Схема разделительного фильтра
139
Приложение
Рис. П.5. Расчет катушки индуктивности
Рис. П.6. Схема фильтра для сабвуфера
___1__.
Приложение j------
140
делительный фильтр в программе Multisim и сделаем его перестраи-
ваемым. Диапазон перестройки — 40—120 Гц (рис. П.6).
Общая схема усилителя представлена на рис. П.7.
Рис. П.7. Общая схема усилителя
Рис. П.8. Финальная схема разделительного фильтра
141
Приложение
1 .5. Окончательная настройка системы и результаты
Сначала нужно настроить разделительный фильтр передних коло-
нок. Это производится при отключенном сабвуфере. Варьируя парамет-
ры индуктивности и емкости и балансируя мощность, были найдены
оптимальные параметры элементов фильтра: L = 88 витков; С = 2 мкФ;
R = 0,75 Ом.
Фазоинвертор сабвуфера был подрезан до длины 295 мм и настроен
на частоту 27,5 Гц. Частота среза была выставлена на слух. Окончатель-
ный диапазон частот акустической системы составил 24 Гц—19,5 кГц.
Результат прослушивания: звучание системы гармоничное, без яв-
ного окраса и воспринимается очень естественно. Бас радует воздуш-
ностью, однако динамичности несколько не хватает. Середина звучит
очень четко. На первый взгляд не хватает высоких частот, но после про-
слушивания двух-трех композиций это ощущение пропадает. Переда-
ча сцены довольно хорошая, локализация объектов легко прослежи-
вается.
Несколько слов по поводу экономической составляющей. На раз-
работку, сборку и наладку описанной системы ушел примерно месяц.
Себестоимость АС составила около 6000 рублей. Аналогичная по ха-
рактеристикам система стоит порядка 25 000 рублей. Выводы можете
сделать сами.
2. Справочный материал
Таблица П.З. Мощные одноканальные ОУ
Название Pnom, Вт (номи- нальная мощность на канал при КГИ<1%) Ртах' Вт (номи- нальная мощность на канал при КГИ < 10%) и, В (напря- жение питания при однопо- лярном питании) и\в (напря- жение питания на плечо при бипо- лярном питании) Класс Примечание
TDA7293 80 100 - 12-50 АВ
TDA7294 70 100 - 10-40 АВ
TDA7294S 70 100 — 12-45 АВ
TDA7295 50 80 - 10-40 АВ
TDA7295S 50 80 - 10-40 АВ
LM3886 68 68 20-84 10-42 АВ
Приложение
142
Продолжение табл. П.З
Название Pnom, Вт (номи- нальная мощность на канал при КГИ<1%) Ртах' ВТ (номи- нальная мощность на канал при КГИ < 10%) и, В (напря- жение питания при однопо- лярном питании) и*, В (напря- жение питания на плечо при бипо- лярном питании) Класс Примечание
TDA7296 30 60 - 10-35 АВ
TDA7296S 30 60 - 10-35 АВ
LM3875 56 56 20-84 10-42 АВ
LM3876 56 56 24-84 12-42 АВ
TDA2052 32 40 - 6-25 АВ
LM2876 40 40 20-60 10-30 АВ
TDA2050 28 35 9-50 4,5-25 АВ
LM4701 30 30 20-64 10-32 АВ
TDA7261 20 25 - 5-22,5 АВ
LM1875 25 25 16-60 9-30 АВ.
TDA7482 18. 25 - 10-25 D
TDA7298 17 24 - 6-22 АВ
TDA2040 22 22 - 2,5-20 АВ
TDA2030 14 18 12-36 6-18 АВ
TDA2030A 18 18 12-44 6-22 АВ
TDA7481 13 18 - 10-25 D
TDA1910 12 17 8-30 - АВ
TDA2006 9 12 12-30 6-15 АВ
TDA2003 8 10 8-18 - АВ
TDA7253 8 10 10—32 - АВ
TDA7494 8 10 11-35 — АВ Управление громкостью с помощью напряжения
143
Приложение
Продолжение табл. П.З
Название Pnom* ВТ (номи- нальная мощность на канал при КГИ< 1%) Ртах, Вт (номи- нальная мощность на канал при КГИ <10%) и, В (напря- жение питания при однопо- лярном питании) U*. В (напря- жение питания на плечо при бипо- лярном питании) Класс Примечание
TDA7494S 8 10 11-35 - АВ
TDA7480 7 10 20-36 10-16 D
TDA7266L 2 7 3,5-18 - АВ
TDA7266M 2 7 3-18 - АВ
TDA1905 4,5 5,5 4-30 - АВ
TDA7253L 4 5 10-24 - АВ
TDA1904 3,5 4,5 4—20 - АВ
TDA7267A 2 3 5-18 - АВ
TDA7267 1 2 4,5-18 - АВ
TDA7299 1 2 4,5-18 - АВ
TDA7235 1 2 1,8-24 - АВ
Таблица П.4. Мощные двухканальные ОУ
Название Pnom, Вт (номи- нальная мощность на канал при КГИ<1%) Ртах’ ВТ (суммарная мощность по всем каналам при КГИ < 10%) и, В (напря- жение питания при однопо- лярном питании) и*, В (напря- жение питания на плечо при биполяр- ном питании) Класс Примечание
LM4780 50 120 - 10-42 АВ
LM4766 40 80 20-60 10-30 АВ
TDA7265 20 64 — 5-25 АВ
LM4765 30 60 20-64 10-32 АВ
TDA7264 20 50 - 5-22,5 АВ
| Приложение г
144
Продолжение табл. П.4
Название Pnom, Вт (номи- нальная мощность на канал при КГИ < 1%) Ртах> ВТ (суммарная мощность по всем каналам при КГИ <10%) и, В (напря- жение питания при однопо- лярном питании) и*, В (напря- жение питания на плечо при биполяр- ном питании) Класс Примечание
TDA7490 18 50 - 10-25 D
TDA7262 18 44 8-32 - АВ
LM1876 22 44 20-64 10-32 АВ
TDA7490L 16 40 - 10-25 D
TDA7265SA 13 36 - 5-25 АВ
TDA7297 5 30 6,5-18 - АВ
TDA7269A 11 28 10-40 5-20 АВ
TDA7269ASA 11 28 10-40 5-20 АВ
STA543SA б 27 8-18 — АВ Управление громкостью с помощью напряжения
TDA7263 9,5 24 10-32 - АВ
TDA7263M 9,5 24 10-30 - АВ
TDA7495 8 22 11-35 — АВ Управление громкостью с помощью напряжения
TDA7495S 8 22 11-35 - АВ
LM4755 10 22 9-40 5-20 АВ
TDA7269 7,5 20 10-40 5-20 АВ
TDA7269SA 7,5 20 10-40 5-20 АВ
TDA7297D 5 20 6,5-18 - АВ
TDA7297SA 2 20 6,5-18 - АВ
TDA7499 7 20 - 5-18 АВ
LM4752 8 20 9-40 5-20 АВ
145
Приложение
Продолжение табл. П.4
Название Рпот* ВТ (номи- нальная мощность на канал при КГИ < 1%) Р , Вт max' (суммарная мощность по всем каналам при КГИ < 10%) и, В (напря- жение питания при однопо- лярном питании) и*, В (напря- жение питания на плечо при биполяр- ном питании) Класс Примечание
TDA2009A 12,5 18 8-28 - АВ
TDA7266 2 14 3-18 - АВ
TDA7266SA 2 14 3-18 - АВ
TDA2007A 6 12 8-26 - АВ
TDA7263L 5 12 10-24 - АВ
TDA7499SA 5 12 10-36 5-18 АВ
TDA7496 4 11 10-32 — АВ Управление громкостью с помощью напряжения
TDA7496S 4 11 10-32 — АВ Управление громкостью с помощью напряжения
TDA7496SA 4 11 10-32 — АВ Управление громкостью с помощью напряжения
TDA7496SSA 4 11 10-32 - АВ
TDA7266D 2 10 3,5-12 - АВ
TDA7266S 2 10 3-18 - АВ
TDA7266P 2 6 3,5-12 - АВ
TDA7268 1 4 4,5-18 - АВ
TDA7496L 1 4 10-18 — АВ Управление громкостью с помощью напряжения
ТЕА2О25 1 2 3-12 - АВ
1
I
г-----.-------
| Приложение
L_____________
146
Таблица П.5. Мощные трехканальные ОУ
Название Pnom’ Вт (номи- нальная мощ- ность на канал при КГИ<1%) Р , Вт max’ (суммар- ная мощность по всем каналам ПрИ' КГИ <10%) и, В (напря- жение питания при однопо- лярном питании) и*, в (напряжение питания на плечо при биполярном питании) Класс Приме- чание
TDA7497S 10 40 11-30 - АВ
TDA7497 7 34 11-32 - АВ
TDA7497SA 6 31 11-30 - АВ
Таблица П.б. Диодные мосты
Название ’max' А U,,V обр Цена, руб.
МВ3505(КВРС35005) 35,00 50,00 38,00
МВ351 (КВРС3501) 35,00 100,00 39,00
МВ3510(КВРС3510) 35,00 1000,00 39,00
МВ352(КВРС3502) 35,00 200,00 39,00
МВ354(КВРС3504) 35,00 400,00 39,00
МВ356(КВРС3506) 35,00 600,00 39,00
MB356W 35,00 600,00 39,00
МВ358(КВРС3508) 35,00 800,00 39,00
МВ258(КВРС2508) 25,00 800,00 38,00
МВ2505(КВРС25005) 25,00 50,00 39,00
МВ25ККВРС2501) 25,00 100,00 39,00
МВ2510(КВРС2510) 25,00 1000,00 39,00
MB2510W(KBPC2510W) 25,00 1000,00 39,00
МВ252(КВРС2502) 25,00 200,00 39,00
МВ254(КВРС2504) 25,00 400,00 39,00
МВ256(КВРС2506) 25,00 600,00 39,00
МВ15О5(КВРС15005) 15,00 50,00 37,00
МВ151 (КВРС1501) 15,00 100,00 37,00
147
j Приложение
I___________
Продолжение табл. П.б
Название U-A Цена, руб.
МВ1510(КВРС1510) 15,00 1000,00 37,00
МВ1510W(KBPC1510W) 15,00 1000,00 37,00
МВ152(КВРС15О2) 15,00 200,00 37,00
МВ154(КВРС1504) 15,00 400,00 37,00
МВ156(КВРС1506) 15,00 600,00 37,00
МВ158(КВРС1508) 15,00 i 800,00 37,00
КВРС10005 10,00 50,00 15,00
КВРС1001(BR1001) 10,00 100,00 15,00
КВРС1002 10,00 200,00 15,00
КВРС1004 10,00 400,00 15,00
КВРС1006 (BR1006) 10,00 600,00 15,00
КВРС1008 10,00 800,00 15,00
КВРС1010 10,00 1000,00 15,00
8GBU06 8,00 600,00 12,00
KBPC6005(BR6005) 6,00 50,00 11,00
КВРС601(BR601) 6,00 100,00 11,00
KBPC602(BR602) 6,00 200,00 11,00
KBPC604(BR604) 6,00 400,00 11,00
KBPC606(BR606) 6,00 600,00 11,00
KBPC608(BR608) 6,00 800,00 11,00
KBPC610 6,00 1000,00 11,00
KBU6A(RS601) 6,00 50,00 14,00
KBU6B(RS602) 6,00 100,00 14,00
KBU6D(RS603) 6,00 200,00 14,00
KBU6G(RS604) 6,00 400,00 14,00
Приложение -----------------------------------------------1 148
| Продолжение табл. П.6
Название U-A Цена, руб.
KBU6J(RS605) 6,00 600,00 14,00
KBU6K(RS606) 6,00 800,00 14,00
KBU6M(RS607 6,00 1000,00 14,00
КВРС601 6,00 100,00 26,00
КВРС604 6,00 400,00 28,00
КВРС610 6,00 1000,00 28,00
КВРС606 6,00 600,00 31,00
КВРС6ОО5 6,00 50,00 34,00
КВРС602 6,00 200,00 36,00
КВРС608 6,00 800,00 39,00
RS504 5,00 400,00 13,00
RS5O7 5,00 1000,00 13,00
KBL5O7 5,00 1000,00 13,00
4GBL04 4,00 400,00 8,60
4GBU04 4,00 400,00 8,70
4GBU01 4,00 100,00 11,00
KBL005(RS401) 4,00 50,00 11,00
KBLO1(RS402) 4,00 100,00 11,00
KBL02(RS403) 4,00 200,00 11,00
KBL02(RS403) 4,00 200,00 11,00
KBL04(RS404) 4,00 400,00 11,00
KBL06(RS405) 4,00 600,00 11,00
KBL08(RS406) 4,00 800,00 11,00
KBL10(RS407) 4,00 1000,00 11,00
4GBL01 4,00 100,00 14,00
149
Приложение
Продолжение табл. П.6
Название uo6p.v Цена, руб.
КВРС11О 3,00 1000,00 8,90
КВРС1ОО5 3,00 50,00 9,10
КВРС1О1 3,00 100,00 9,10
КВРС1О2 3,00 200,00 9,10
КВРС1О4 3,00 400,00 9,10
КВРС106(BR306) 3,00 600,00 9,10
КВРС108 3,00 800,00 9,10
КВРС104 3,00 400,00 21,00
КВРС110 3,00 1000,00 21,00
КВРС106 3,00 600,00 24,00
КВРС101 3,00 100,0'0 29,00
RS201 2,00 50,00 8,50
RS202 2,00 100,00 8,50
RS203 2,00 200,00 8,50
RS204 2,00 400,00 8,50
RS205 2,00 600,00 8,50
RS206 2,00 800,00 8,50
RS207 2,00 1000,00 8,50
2W01G 2,00 100,00 11,00
2W04G 2,00 400,00 11,00
2W10G 2,00 1000,00 11,00
2КВР04 2,00 400,00 16,00
2КВР10 2,00 1000,00 19,00
2КВР02 2,00 200,00 28,00
2КВР01 2,00 100,00 31,00
Приложение
iso i
Продолжение табл. П.6
Название U-A u^.v Цена, руб.
2КВР06 2,00 600,00 34,00
2КВВ40 1,90 400,00 14,00
2КВВ80 1,90 800,00 19,00
W005M 1,50 50,00 5,30
W01M 1,50 100,00 5,30
W02M 1,50 200,00 5,30
W04(M) 1,50 400,00 5,30
W04(M) 1,50 400,00 5,30
W06M 1,50 600,00 5,30
W08M , 1,50 800,00 5,30
W10M 1,50 1000,00 5,30
DB157 1,50 1000,00 6,70
DB156 1,50 800,00 8,10
DB155S 1,50 600,00 8,10
DB156S 1,50 800,00 8,10
DB157S 1,50 1000,00 8,10
DF08M 1,00 800,00 5,00
DF08S 1,00 800,00 5,00
DF04M 1,00 400,00 5,20
DB104 1,00 400,00 6,90
DB102 1,00 100,00 7,10
DB102S 1,00 100,00 7,10
DB103 1,00 200,00 7,10
DB104S 1,00 400,00 7,10
151
Приложение
Продолжение табл. П.6
Название U-A Uo6p'V Цена, руб.
DB1O5 1,00 600,00 7,10
DB1O5S 1,00 600,00 7,10
DB106 1,00 800,00 7,10
DB106S 1,00 800,00 7,10
DB1O7 1,00 1000,00 7,10
DB1O7S 1,00 1000,00 7,10
Таблица П.7. Примерная стоимость электролитических конденсаторов типа К50-35
Емкость Напряжение Мин. цена Макс, цена Сред, цена
4700 16 9 36 14
4700 25 9 54 26
4700 35 21 55 31
4700 50-63 32 257 109
10 000 16 12 24 19
10 000 25 21 33 27
10 000 35 31 53 42
10 000 50-63 70 1095 399
22 000 16 47 189 86
22 000 25 57 177 117
22 000 35 65 65 65
22 000 50-63 166 368 262
33 000 16 71 77 74
33 000 25 95 95 95
33 000 35 — - -
33 000 50-63 274 490 374
47 000 35 287 290 287
68 000 50-63 391 391 391
| Приложение i-------------------- -------------• 152
Таблица П.8. Примерная стоимость пленочных конденсаторов типа К73-17
Емкость Напряжение Мин. цена Макс, цена Сред, цена
1 63-600 3,5 15 8,88
1,5 63-601 5 35 20
2,2 63-602 6 61 27
4,7 63-603 10 85 35
Таблица. П.9. Перевод дБ в отношение двух величин
ДБ Отношение ДБ Отношение ДБ Отношение ДБ Отношение
1 1,12 26 19,95 51 354,81 76 6309,57
2 1,26 27 22,39 52 398,11 77 7079,46
3 1,41 28 25,12 53 446,68 78 7943,28
4 1,58 29 28,18 54 501,19 79 8912,51
5 1,78 30 31,62 55 562,34 80 10 000
6 2 31 35,48 56 630,96 8< 1 1220,18
7 2,24 32 39,81 57 707,95 82 12589,25
8 2,51 33 44,67 58 794,33 83 14125,38
9 2,82 34 50,12 59 891,25 84 15848,93
10 3,16 35 56,23 60 1000 85 17782,79
11 3,55 36 63,1 61 1122,02 86 19952,62
12 3,98 37 70,79 62 1258,93 87 22387,21
13 4,47 38 79,43 63 1412,54 88 25118,86
14 5,01 39 89,13 64 1584,89 89 28183,83
15 5,62 40 100 65 1778,28 90 31622,78
16 6,31 41 112,2 66 1995,26 91 35481,34
17 7,08 42 125,89 67 2238,72 92 39810,72
; 153 )---------------------------------------------j Приложение I
_______ L___LJ________
Продолжение табл. П.9 i
ДБ Отношение ДБ Отношение ДБ Отношение ДБ Отношение
18 7,94 43 141,25 68 2511,89 93 44668,36
19 8,91 44 158,49 69 2818,38 94 50118,72
20 10 45 177,83 70 3162,28 95 56234,13
21 11,22 46 199,53 71 3548,13 96 63095,73
22 12,59 47 223,87 72 3981,07 97 70794,58
23 14,13 48 251,19 73 4466,84 98 79432,82
24 15,85 49 281,84 74 5011,87 99 89125,09
25 17,78 50 316,23 75 5623,41 100 100 000
Таблица. П.10. Ссылки на ресурсы в Интернете i
Ссылка Описание
http://www.national.com Сайт компании National Semiconductors - производителя микросхем серии LM
http://www.st.com Сайт компании SGS-Thomson - производителя микросхем серии TDA
http://www.platan.ru Интернет-магазин компании «Платан»
http://www.chip-dip.ru Интернет-магазин компании «Чип и Дип»
http://ni.com Сайт компании National Instruments - производителя ПО для моделирования электрических схем Multisim
http://www.schematica.com Сайт компании Schematica Software - производителя ПО Filter Wiz PRO
http://audio.rightmark.org Сайт производителя ПО Right Mark Audio Analyzer
http://www.abacom-online.de Сайт производителя ПО Sprint Layout
http://syntrillium.com Сайт производителя ПО Cool Edit
Приложение
154
Таблица П.11. Список композиций, которые могут использоваться для тестирования АС
Исполнитель Название
James Last Yosaku
Dave Grusin Anthem International
Chumbawamba Tubthumping
Stan Getz & Luiz Bonfa & A.c.j. Favela
Groove Coverage Poison
Loituma Levas polka
September Satellites
Jean Michele Jarre Chronology 6 (альбом AERO)
Rawthang Scorned
Dido White Flag
Dido Sand In My Shoes
FatBoy Slim North West Three
Madonna I Deserve It
Mattafix Big City Life
Roxette How do You Do
Grover Washington jr. Strawberry moon
Nelly Furtado One-trick pony
Глоссарий
Акустическое короткое замыкание (АКЗ) - явление, при кото-
ром волна, возбуждаемая задней частью диффузора, складывается с
волной, возбуждаемой передней частью диффузора, и гасит ее.
Акустическое оформление - короб, в который помещена дина-
мическая головка. Различают: закрытый ящик (ЗЯ), ящик с фазоинвер-
тором (ФИ), банд-пасс (полосовой излучатель), открытый ящик (ОЯ),
панель акустического сопротивления (ПАС). Последние два типа не ис-
пользуются при высококачественном звуковоспроизведении и факти-
чески представляют собой негерметичный ящик.
Волновой режим - режим работы динамической головки, при ко-
тором на поверхности диффузора возникают продольные волны.
Децибел (дБ) — логарифм отношения двух величин, обычно ин-
тенсивности выходного сигнала к входному.
Зона совместного действия — диапазон частот, в котором эффек-
тивно излучают две или более динамические головки.
Инфразвук - акустическая волна с частотой менее 20 Гц.
Колебательная система - система физических тел, состоящая из
упругого звена (пружины) и инерционного звена (груза).
Линейный выход - выход электрической схемы с максимальным
амплитудным значением сигнала в 1 В.
Многополосная акустическая система - акустическая система,
содержащая в одном коробе две или более динамические головки,
воспроизводящие разные участки частотного диапазона.
Насыщение — явление, при котором прирост входного напряже-
ния усилителя или динамической головки не вызывает прироста вы-
ходного напряжения или перемещения подвижной системы.
Однополосная акустическая система - акустическая система,
содержащая только одну динамическую головку в одном коробе.
Окрас звучания - неестественный характер звучания.
Октава - частотный диапазон, в пределах которого частота сигнала
(звука) изменяется в два раза.
Оптимальный (согласованный) режим работы динамической
головки - режим работы, при котором обеспечиваются наилучшие
показатели качества звучания АС и условия работы динамической го-
ловки.
Оптимальный параллелепипед - параллелепипед с соотноше-
нием сторон 0,63:1:1,63.
Глоссарий
156
Ось излучения — воображаемая линия, исходящая из динамиче-
ской головки, которая совпадает с геометрической осью звуковой ка-
тушки.
Отрицательная обратная связь — петля из радиоэлементов, по-
дающая сигнал с выхода усилителя на его вход.
Подвижная система - система физических тел, способная совер-
шать колебательные движения. В частности, диффузор динамической
головки, звуковая катушка, часть подвеса и часть центрующей шайбы
образуют подвижную систему динамической головки.
Полосовой излучатель (band-pass - «банд-пасс») - особый вид
акустического оформления динамической головки. ''
Полосовой фильтр — фильтр, пропускающий сигнал в определен-
ном частотном диапазоне.
Порог слышимости - уровень звукового давления на частоте
1 кГц, не воспринимаемый на слух. Это значение принимается за
О дБ SPL.
Поршневой режим — режим работы динамической головки, при
котором ее подвижная система рассматривается как абсолютно твер-
дое тело.
Потеря устойчивости (возбуждение) — ненормальный режим
работы усилителя, при котором начинает генерироваться сигнал опре-
деленной частоты.
Рабочий ход — максимальное смещение диффузора от положения
равновесия, при котором сохраняется линейность его перемещения.
Разгруженный режим работы динамической головки - режим,
при котором компрессия воздуха внутри ящика оказывается недоста-
точной, и амплитуда колебания диффузора даже при небольшой под-
водимой мощности может быть опасной для подвеса или звуковой ка-
тушки.
Синфазное включение - включение динамических головок, при
котором фаза излучаемой ими волны оказывается одинаковой.
Стоячая волна — акустическая волна, образованная сложением
исходной волны и волны, отраженной от преграды. Стоячие волны
возникают между двумя стенками акустической колонки и порождают
паразитные резонансы.
Точечный источник звука — источник звука (переменного давле-
ния), размеры которого несоизмеримо малы по сравнению с расстоя-
нием от него до слушателя.
Турбулентные явления — нарушения прямолинейного течения
газа или жидкости при высокой скорости движения. Пример — образо-
вание вихрей в воде при движении весла. Подобные вихри могут воз-
никнуть в трубе фазоинвертора при недостаточном ее диаметре, вы-
звав тем самым искажение звука и снижение КПД резонатора.
157
Глоссарий
Фазоинвертор - техническое решение, призванное повысить КПД
акустической колонки путем использования энергии, излучаемой тыль-
ной стороной диффузора.
Фильтр высоких частот - фильтр, пропускающий все частоты
спектра выше определенной.
Фильтр низких частот — фильтр, пропускающий все частоты спек-
тра ниже определенной.
Шейкер - устройство, создающее вибрацию на частотах ниже 15 Гц.
Простейший шейкер может быть изготовлен из мощного динамика для
сабвуфера без акустического оформления, закрепленного на кресле
или диване, где располагается слушатель. Для утяжеления диффузора
и снижения его резонансной частоты (примерно до 12-15 Гц) к нему
можно приклеить несколько монет.
РАДИОЭЛЕКТРОНИ
Сейчас в продаже можно встретить
большое количество различной звуко-
воспроизводящей техники: от дешевых
музыкальных центров до профессио-
нальной звуковой аппаратуры. Однако
первые не обладают высоким качеством
звучания, а вторые обывателю просто не
по карману. Возникает вопрос: а нельзя
ли самому создать акустическую систему,
которая удовлетворяла бы нас по качест-
ву, мощности, а главное - стоимости?
Можно! Компоненты акустических систем
сегодня уже не являются дефицитом,
а уровень развития техники позволяет
вести разработку даже людям, не име-
ющим специальных знаний. Все, что вам
потребуется для создания акустической
системы, - это компьютер, некоторое
программное обеспечение и вера в успех.
Обо всем остальном рассказывается
в этой книге. На прилагаемом диске
приведено программное обеспечение,
которое поможет при разработке,
и большое количество справочной
информации.
ISBN 978-5-699-26450-6
9 785699 264506 >