Идеальный фильтр для трехполосной акустики. Трёхполосная АС с фазоинвертором

Валентин и Виктор ЛЕКСИНЫ======

Вопрос, поставленный авторами в заголовке статьи, вообще говоря, не нов. Во времена ламповой техники двухполосные усилители НЧ были не редкостью. Предпочтение, отдавав­шееся таким усилителям, кроме умень­шения интермодуляционных искаже­ний, обусловливалось в значительной степени трудностями изготовления широкополосных выходных трансфор­маторов, согласующих усилительный тракт с громкоговорителем.

Пришедшие на смену лампам тран­зисторы сняли проблемы выходного трансформатора и за довольно корот­кое время позволили создать широко­полосные усилители с весьма высоки­ми характеристиками: рабочим диа­пазоном частот от единиц герц до десятков килогерц, коэффициентом гармоник порядка сотых и даже тысяч­ных долей процента и т. д. В результа­те у многих радиолюбителей и специа­листов сложилось мнение, что чуть ли не единственный путь к достижению высококачественного звуковоспроизве­дения - это дальнейшее совершенст­вование широкополосного усилитель­ного тракта, создание усилителя с практически идеальными характеристи­ками. Однако, как убедительно дока­ зывают авторы статьи, этот путь не самый простой и, главное, не самый зффективный.

Верность звучания во многом зави­сит от громкоговорителя. А здесь до­стижения более скромны, чем в схемо­технике усилителей. Широкополосных головок, одинаково хорошо преобра­зующих электрические колебания в звуковые во всем диапазоне частот, притом с малыми нелинейными и ин­термодуляционными искажениями, по­ка что нет, а многополосным громко­говорителям свойствен ряд существен­ных недостатков, обусловленных при- менеюгем в них пассивных раздели­тельных фильтров. В этой ситуации су­щественно улучшить качество звуко­воспроизведения можно только при использовании многополосного усили­теля с разделительными фильтрами иа входе.

Особо следует отметить и такое, по­ка что еще очень важное для радиолю­бителей преимущество многополос­ных усилителей, как возможность их изготовления из доступных деталей.

Описание любительского трехполос­ного усилителя мощности редакция намечает опубликовать в одном из сле­дующих номеров журнала.

Приступая к разработке высоко­качественного звуковоспроизво­дящего комплекса, радиолюби­тели нередко сосредоточивают все вни­мание на достижении близких к идеаль­ным параметров электрического тракта, в частности такого его звена, как широкополосный усилитель мощности. Стремление получить минимальные ис­кажения всех видов при сравнительно большой (несколько десятков ватт) выходной мощности и достаточном за­пасе устойчивости приводит обычно к созданию сложных как в схемном, так и в конструктивном отношении устройств. Тем не менее даже с таким усилителем мощности качество звуко­воспроизведения во многих случаях получается недостаточно высоким. При­чина здесь - в игнорировании того в общем-то известного факта, что ка­чество звучания во многом определяет­ся параметрами громкоговорителя. По­лученные при испытаниях на чисто активной нагрузке высокие параметры усилителя часто не реализуются при согласовании с громкоговорителем. Именно поэтому одной из важнейших задач становится схемотехническое усо­вершенствование усилителя мощности для улучшения его согласования с гром­коговорителем.

Проблем здесь несколько. Одна из них - необходимость хорошего элек­трического демпфирования подвижной системы низкочастотной динамической головки громкоговорителя. Только при выполнении этого условия воспроизве­денный ею звуковой импульс будет иметь те же форму и длительность, что и электрический. Хорошо демпфиро­ванный громкоговоритель почти безы­нерционно возбуждается электриче­ским сигналом и прекращает излучение звуковых колебаний сразу после его окончания. При недостаточном демпфи­ровании подвижная система головки продолжает колебаться еще некоторое время и после снятия сигнала, но уже не с его частотой, а с частотой собствен­ного резонанса. В результате возникает неравномерность АЧХ громкоговори­теля по звуковому давлению. На слух это воспринимается как характерное «бубнение».

Для ускорения затухания свободных колебаний подвижной системы головки обычно используют шунтирование зву­ковой катушки малым выходным сопро­тивлением усилителя мощности. Но здесь-то и возникает проблема - вклю­чение пассивных разделительных филь­тров между выходом усилителя и дина­мическими головкамн многополосного громкоговорителя ухудшает электри­ческое демпфирование.

Другая проблема - в трудности соз­дания разделительных фильтров, к ко­торым предъявляются требования высо­кой крутизны скатов АЧХ звеньев, ма­лой неравномерности суммарной АЧХ и линейности ФЧХ в полосе пропуска­ния. Первое из этих требований обу­словлено резким ухудшением характе­ристик динамических головок на краях их номинальных диапазонов частот. Особенно это относится к средне- и высокочастотным головкам, у которых перекрытие номинальных диапазонов воспроизводимых частот, как правило, сравнительно невелико. Именно поэто­му разделительные фильтры для этих головок должны обладать АЧХ с кру­тыми скатами: при октавном (относи­тельно частоты раздела соседних полос) запасе по номинальному диапазону воспроизводимых частот необходимо применять фильтры с крутизной ската АЧХ не менее 12 дБ на октаву. Простейшие фильтры с крутизной 6 дБ на октаву можно использовать лишь в том случае, если запас по частоте составляет не менее двух октав.

Следует иметь в виду, что не все фильтры с высокой крутизной скатов АЧХ обеспечивают малую неравномер­ность суммарной АЧХ. С этой точки зрения наиболее подходят для приме­нения в многополосных громкоговори­телях так называемые фильтры Баттерворта первого (крутизна 6 дБ на октаву) и третьего (18 дБ на октаву) порядков, сопряженные по уровню -3 дБ (0,707). Часто используемые фильтры этого типа второго порядка (12 дБ на октаву) имеют недостаток: при синфазном включении соседних по частоте динамических головок в сум­марной АЧХ появляется провал до нуля, а при противофазном - выброс на 3 дБ.

Типовые разделительные фильтры даже с ровной суммарной АЧХ нередко являются причиной возникновения фа­зовых искажений, влияние которых на форму выходного сигнала особенно проявляется вблизи частоты раздела fр. Это наглядно видно из рис. 1, где показаны изменения, которые претерпевает сигнал в виде симмет­ричных прямоугольных импульсов дли­тельностью, примерно равной 1/f р, пройдя через разделительный фильтр с нелинейной суммарной ФЧХ (рис. 1,г). Если на частоте раздела средне-и высо­кочастотной полос эти искажения до­пустимы, так как мало сказываются на качестве звучания, то в области частот раздела средне- и низкочастотной полос их желательно устранить, поскольку именно здесь сосредоточены наиболь­шие среднестатические уровни реаль­ного сигнала, и к тому же чувствитель­ность слуха максимальна.

Для неискаженной передачи сигна­лов импульсного характера, кроме ров­ной суммарной АЧХ, необходимо обес­печить одинаковую временную задерж­ку t з всех составляющих сигнала при прохождении через разделительный фильтр. Форма выходного импульсного сигнала для фильтра с линейной сум­марной ФЧХ (ее, в частности, можно получить, используя фильтры первого порядка) показана на рис 1. д.

Не менее важной проблемой при со­гласовании усилителя мощности с гром­коговорителем являются интерферен­ционные искажения звукового поля в зоне прослушивания, неизбежные при воспроизведении двумя головками ко­ лебаний в общей полосе частот. Если в одной полосе частот работают не­сколько головок, то для уменьшения интерференционных искажений в гори­зонтальной плоскости их необходимо расположить на одной вертикальной линии. Интерференция в вертикальной плоскости скажется на качестве зву­чания меньше, если головки разместить на уровне головы слушателя и повозможности ближе одну к другой. К со­жалению, полностью избавиться от по­добных искажений не всегда удается даже при использовании в каждой по­лосе частот всего по одной головке. В этом случае интерференция возникает в области частоты раздела, где сигналы, излучаемые, например, средне- и низко­частотной головками, близки по уровню. Интерференционные искажения отчет­ливо слышны при перемещении слуша­теля относительно громкоговорителя, излучающего синусоидальный сигнал, частота которого находится в области частоты раздела полос.

Для уменьшения влияния интерфе­ренции. помимо соблюдения электри­ческой полярности сигналов, целесооб­разно размещать все головки громко­говорителя на одной вертикальной ли­нии возможно ближе одну к другой и стремиться к тому, чтобы их звуковые катушки находились в одной фронталь­ной плоскости. Если по тем или иным причинам смещать головки в глубину корпуса громкоговорителя нежелатель­но, следует выбрать частоту раздела низко- и среднечастотной полос не­высокой. В этом случае взаимные фа­зовые сдвиги излучаемых головками колебаний будут достаточно малы н на качестве звучания скажутся меньше. Что касается фазовых сдвигов в об­ласти частоты раздела средне- и высоко­частотной полос, то бороться с ними значительно сложнее. Тем не менее их влияние на качество зву­чания можно ослабить, применив филь­тры с большой крутизной скатов АЧХ и выбрав частоту раздела достаточно высокой, т. е. вне диапазона среднестатического распределения наиболь­ших уровней звукового сигнала и наи­большей чувствительности слуха.

Все рассмотренные проблемы реша­ются проще и с лучшим эффектом при использовании многополосных усили­телей мощности с активными RC -фильтрами на входе вместо пассивных филь­тров, применяемых в громкоговорите­лях, предназначенных для работы с ши­рокополосным усилителем. К сожале­нию, среди радиолюбителей распростра­нено мнение, что, например, трехполос­ный усилитель мощности, втрое слож­нее и дороже однополосного. Но, если говорить о действительно высококачест­венном звуковоспроизведении, это да­леко не так, в чем нетрудно убедиться, если проанализировать весь комплекс вопросов разработки высококачествен­ного звуковоспроизводящего комплек­са с широкополосным усилителем мощ­ности. В самом деле, кроме недостатков, вытекающих из сказанного выше,- сложность расчета и построения пассив­ных разделительных фильтров выше первого порядка с равномерной сум­марной АЧХ и линейной ФЧХ, слож­ность согласования каждой из голо­вок громкоговорителя с выходом уси­лителя для получения равномерной суммарной АЧХ по звуковому давлению (используемые иногда для этой цели резистивные делители снижают КПД комплекса и ухудшают демпфирование), снижение степени демпфирования низ­ко- и среднечастотной головок из-за включения активной составляющей фильтра последовательно с низкоомной звуковой катушкой, потери мощности в пассивном фильтре и, наконец, необхо­димость изготовления крупногабарит­ных катушек индуктивности и приобре­тения конденсаторов большой емкости для разделительного фильтра, - одно­полосному усилению свойственен и такой недостаток, как необходимость иметь большой запас по выходной мощности. Дело в том, что реальный максимально допустимый уровень низко- и среднечастотных составляющих при воспроиз­ведении звуковой программы оказыва­ется значительно меньшим,чем получен­ный при налаживании усилителя по си­нусоидальному сигналу.

Наложенные на составляющие низких частот средне- и высокочастотные составляющие пер­выми достигают границ динамического диапазона усилителя мощности, и для того, чтобы они были воспроизведены без ограничения, однополосный усили­тель должен иметь примерно двойной (по сравнению с многополосным) за­пас выходной мощности. Важно также, чтобы однополосный усилитель имел малые интермодуляционные и так на­зываемые динамические интермодуля­ционные искажения.Для уменьшения последних приходится ограничивать глубину общей ООС, а это приводит к росту нелинейных искажений, ухуд­шению степени демпфирования громкоговорителя (из-за увеличения выход­ного сопротивления усилителя). Устра­нение этих недостатков приводит к зна­ чительному усложнению усилителя. На­конец, применение в широкополосном усилителе ЭМОС требует (для обеспе­чения устойчивости) введения RC -цепи, ограничивающей диапазон ее действия. Для компенсации возникающего при этом подъема АЧХ на низших частотах требуется дополнительная частотная коррекция усилителя мощности.

Указанные недостатки проявляются значительно слабее, а некоторые из них полностью отсутствуют в многопо­лосных усилителях мощности с актив­ными разделительными фильтрами на входе. Простые расчеты показывают, что по сравнению с одним (широко­полосным) усилителем многополосный при той же выходной мощности поз­воляет использовать более низкое на­пряжение питания. Следствием этого являются уменьшение габаритов усили­теля (благодаря использованию срав­нительно небольших по размерам низ­ковольтных электролитических конден­саторов в фильтре выпрямителя и для связи с нагрузкой, а также меньшим размерам теплоотводов транзисторов оконечных каскадов), увеличение его КПД, более широкие возможности вы­бора (по напряжению эмиттер - кол­лектор и частотным параметрам) всех транзисторов усилителя. В частности, в оконечном каскаде низкочастотного канала можно использовать недорогие германиевые транзисторы типов П210, П217 и т п, достоинство которых - малое напряжение насыщения эммитер - коллектор.

В многополосном усилителе мощ­ности разделительный фильтр ограни­чивает уровень высокочастотных со­ставляющих сигнала, поступающих на входы низко- и среднечастотного каналов, что отвечает известным рекоменда­циям по уменьшению динамических ннтермодуляцнонных искажений. В то же время высокочастотный канал имеет большой запас линейности амплитуд­ной характеристики, так как после ФВЧ уровень высокочастотных составляю­щих в соответствии со статистикой ре­ального музыкального сигнала очень мал, и динамические искажения здесь практически не возникают. Благодаря этому во всех каналах можно использо­вать простые усилители мощности с глубокими ООС.

В многополосных усилителях нет потерь мощности в разделительных фильтрах, имеются широкие возможностн в реализации активных разделительных фильтров высоких порядков с равномерной суммарной АЧХ. Воз­можно построение фильтров выше пер­вого порядка с линейной суммарной ФЧХ. Благодаря непосредственному (без фильтра) подключению головок к выходу усилителя не возникает проблемы с их электрическим демпфиро­ванием и согласованием по уровню звукового давления в каждой полосе частот (последнее делают простой установкой требуемых коэффициентов усиления каждого из усилителей).

Принципиальная схема возможного варианта активного разделительного фильтра для трехполосного усилителя мощности показана на рис. 2.

Для раз­деления ннзко- и среднечастотной полос использованы ФНЧ и так называе­мый фильтр дополнительной функции (ФДФ) на транзисторе V1. Выходной сигнал этого фильтра представляет со­бой разность между входным сигналом и сигналом, прошедшим через ФНЧ. Достоинства такого способа разделения полос - простота настройки и стабиль­ность характеристик (вследствие их автоматического сопряжения), равно­мерные суммарные АЧХ и ФЧХ, а сле­довательно, и идеальное воспроизведе­ние импульсных сигналов; недостатки - малая крутизна ската АЧХ ФДФ (6 дБ на октаву независимо от порядка ис­пользуемого ФНЧ) и «выбросы» на ней вблизи частоты среза, если порядок ФНЧ выше первого. Для уменьшения «выбросов» сопротивления резисторов R1 , R 2 и емкость конденсаторов С1, С2 выбраны одинаковыми. Часто­та раздела

Для разде ления средне- и высоко­частотной полос применены ФНЧ и ФВЧ четвертого порядка. Каждый из них составлен из двух (на транзисто­рах V 2. V 3 и V 4, V 5) соединенных последовательно фильтров Баттерворта второго порядка. Частота раздела выбрана как среднегеометрическое ме­жду нижней границей номинального диапазона частот высокочастотной и верхней границей диапазона среднечастотной головок.

АЧХ зв еньев разделительного фильт­ра изображены на рис. 3. Суммарная АЧХ фильтра не имеет ни провалов, ни «выбросов». В области наибольших среднестатистических уровней сигнала и наибольшей чувствительности слуха суммарная ФЧХ линейна, что важно для хорошего воспроизведения импуль­сных сигналов.

При использовании резисторов и конденсаторов с допускаемым отклоне­нием от номинальных значений не бо­лее ±5% фильтр настройки не требу­ет. Группа ТКЕ конденсаторов CI , С2, С5-С12- М47, М75, М750, M1 500 (С1 и С2 - могут быть и группы Н30).

В разработанном авторами устройст­ве применен недорогой комплект дина­мических головок, тип и число кото­рых в каждой полосе выбирались из условия обеспечения равномерной сум­марной АЧХ по звуковому давлению при примерно одинаковом - для наи­более полного использования напряже­ния питания - выходном напряжении полосных усилителей мощности. В каж­дом стереоканале использованы одна низкочастотная головка 6ГД-2 (среднее стандартное звуковое давление Р срст = 0,3 Па, полное сопротивление звуко­вой катушки (Z) на частоте 1 кГц - 8 Ом, две параллельно включенные среднечастотные головки 2ГД-22 (Р срст =0,2 Па. |Z | =15 Ом) и две со единенные последовательно высокочас­тотные головки 1ГД-3 (Р срст =0,3 Па, \Z \ =12,5 Ом)

Звуковое давление Р на расстоянии l (в метрах) от геометрического цент­ра симметрии отверстия излучателя рассчитывалось по формуле

где Рэ - электрическая мощность в ват­тах. При возбуждении головок каждой полосы сигналом, соответствующим их номинальной мощности звуковые давления на расстоянии 1 м получились следующие:

В низкочастот­ной полосе (одна головка) - Р = 2,32 Па при 6,9 В; в среднечастотной (две головки) - Р=1,8 Па при 5,5 В; в высокочастотной (две головки) - Р -1,9 Па при 7 В. Для создания равномерного звукового давления пришлось уменьшить напря­жение, подводимое к низкочастотной головке до значения V = 6.9 х 1,8/2,32=5,4 В. включив последова­тельно с ней резистор цепи ПОС по току.

Для исключения взаимовлияния сред­не- и низкочастотной головок, облегче­ния борьбы с интерференционными ис­кажениями и обеспечения возможности поворота осей отдельных излучателей в горизонтальной плоскости было вы­брано акустическое оформление в виде трех поставленных друг на друга неза­висимых ящиков в каждом стереокана­ле. Громкоговоритель низкочастотной полосы - фазоинвертор. Его корпус с внешними размерами 345 х 295 х 635 мм изготовлен из древесностру­жечной плиты толщиной 20 мм. Все стенки, кроме передней, оклены изнутри рубероидом, поверх которого наклеены листы из пенополиуретана (поролона) толщиной 20 мм. Свободный внутрен­ний объем корпуса (без головки и тун­неля фазойнвертора - 36 дм 3 . Головка 6ГД-2 закреплена в верхней части пе­редней панели. Расстояние от центра ее диффузора до плоскости верхней стенки корпуса составляет 150, а до центра туннеля - 240 мм. Внутренний диаметр туннеля - 55, длина - 185 мм. Частота настройки - 30 Гц.

Акустическое оформление средне- и высокочастотного громкоговорите­лей - закрытые ящики из фанеры тол­щиной 8 мм с внешними размерами соответственно 310x250x210 и 95 х125x175 мм. Головки этих громко­говорителей установлены одна над другой. Корпус среднечастотного гром­коговорителя заполнен ватой.

С выходами полосных усилителей громкоговорители соединены короткими проводами большого сечения.

Благодаря разделению полос на вхо­де и использованию головок с хорошей отдачей оказалось возможным приме­нить сравнительно маломощные по­лосные усилители (6 Вт - на низких, 4 Вт - на средних и 2 Вт - на высоких частотах) при невысоком напряжении питания (±14 В). Каждый стереоканал обеспечивает уровень звукового давле­ния около 100 дБ на расстоянии 1 м от акустической системы. Качество зву­чания достаточно высокое.

Электронная часть описываемой си­стемы (два трехполосных стереоканала с активными фильтрами и теплоотводами транзисторов выходных каска­дов) выполнена в виде единого блока размерами 350x160x35 мм.

При использовании головок с мень­шим значением Р ср.ст выходную мощ­ность полосных усилителей для полу­чения того же уровня звукового давле­ния необходимо, естественно, увели­чить. Например, если для низкочастот­ной полосы выбрана головка 25ГД-26 (Р ср. ст =0,15 Па), то выходная мощ­ность соответствующего усилителя дол­жна быть не менее 24 Вт. Однако пре­имущества многополосного усиления мощности ощутимы и здесь, так как широкополосный усилитель (с учетом потерь в пассивном фильтре громко­говорителя и запаса мощности для не­искаженного воспроизведения всех со­ставляющих сигнала) в этом случае должен был бы обладать выходной мощностью вдвое большей (а это по­требовало бы увеличения напряжения питания и применения более дорогой элементной базы).

Итак, комплексное рассмотрение во­просов согласования усилителя мощ­ности с громкоговорителем показывает, что для достижения действительно вы­сококачественного звучания приходится идти на значительное усложнение широ­кополосного усилителя. Многополосные усилители в этом отношении значитель­но проще и, что очень важно для подав­ляющего большинства радиолюбите­лей, могут быть собраны из доступных деталей. Учитывая это. а также прини­мая во внимание тот факт, что высокие качественные показатели многополос­ных систем при воспроизведении реаль­ных сигналов можно получить значи­тельно проще, чем при использовании одного, широкополосного усилителя, можно сделать вывод, что затраты вре­мени и средств на изготовление много­полосной системы не превысят затрат на постройку широкополосного усили­теля с многополосиым громкоговори­телем.

г. Москва

ЛИТЕРАТУРА

Иофе В. К., Корольков В. Г., Сапожков М А.

Справочник по акустике. Пол общ. ред. М. А. Сапожкова М. Связь. 1979.

Эфрусси М. М Громкоговорители и их применение М, Энергия 076 |МРБ вып 919).

Левннзон Г Л, Логинов А. В. Высококачественный усилитель низкой частоты М Энергия 1977 (МРБ. вып 95П

Relnhard С . Auf dem Weg zumOptimaleu Laut sprechersystem.- Funkschau 1977. № 3 s 115- - 117 ы

Lautsprccherkomblnalioncn - eleklrl" Welchen, Phascnfehler.- Funkschau, 1978. H > я 969-972 Nt 24, s . 1209-1212

Салтыков О. ЭМОС или отрицательное а д мое сопротивление? - Радио, 1981. № l.c 41. "5

С целью снижения интермодуляционных искажений при звуковоспроизведении громкоговорители Hi-Fi систем составляют из низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных динамических головок. Их подключают к выходам усилителей через разделительные фильтры, представляющие собой комбинации LC фильтров нижних и верхних частот.

Ниже приведена методика расчета трехполосного разделительного фильтра по наиболее распространенной схеме.

Частотная характеристика разделительного фильтра трехполосного громкоговорителя в общем виде показана на рис. 1. Здесь: N - относительный уровень напряжения на звуковых катушках головок: fн и fв - нижняя и верхняя граничные частоты воспроизводимой громкоговорителем полосы; fр1 и fр2 - частоты раздела.

В идеальном случае выходная мощность на частотах раздела должна распределяться поровну между двумя головками. Это условие выполняется, если на частоте раздела относительный уровень напряжения, поступающего на соответствующую головку, снижается на 3 дБ по сравнению с уровнем в средней части ее рабочей полосы частот.

Частоты раздела следует выбирать вне области наибольшей чувствительности уха (1... 3 кГц). При невыполнении этого условия, из-за разности фаз колебаний, излучаемых двумя головками на частоте раздела одновременно, может быть заметно "раздвоение" звука. Первая частота раздела обычно лежит в интервале частот 400... 800 Гц, а вторая - 4... 6 кГц. При этом низкочастотная головка будет воспроизводить частоты в диапазоне fн...fp1. среднечастотная - в диапазоне fp1... fр2 и высокочастотная - в диапазоне fр2...fв.

Один из распространенных вариантов электрической принципиальной схемы трехполосного громкоговорителя приведен на рис. 2. Здесь: B1 - низкочастотная динамическая головка, подключенная к выходу усилителя через фильтр нижних частот L1C1; В2 - среднечастотная головка, соединенная с выходом усилителя через полосовой фильтр, образованный фильтрами верхних частот C2L3 и нижних частот L2C3. На высокочастотную головку В3 сигнал подается через фильтры верхних частот C2L3 и C4L4.

Расчет емкостей конденсаторов и индуктивностей катушек производят исходя из номинального сопротивления головок громкоговорителя. Поскольку номинальные сопротивления головок и номинальные емкости конденсаторов образуют ряды дискретных значений, а частоты раздела могут варьироваться в широких пределах, то расчет удобно производить в такой последовательности. Задавшись номинальным сопротивлением головок, подбирают емкости конденсаторов из ряда номинальных емкостей (или суммарную емкость нескольких конденсаторов из этого ряда) такими, чтобы получившаяся частота раздела попадала в указанные выше частотные интервалы.

В разделительных фильтрах обычно используют металлобумажные конденсаторы типов МБГО, МБГП и МБМ с допускаемым отклонением от номинальной емкости не более ± 10%. Наиболее подходящие для использования в фильтрах типономиналы конденсаторов приведены в табл 1.

Емкости конденсаторов фильтров С1...С4 для различных сопротивлений головок и соответствующие значения частот раздела приведены в табл 2.

Легко видеть, что все значения емкостей могут быть либо непосредственно взяты из номинального ряда емкостей. либо получены параллельным соединением не более чем двух конденсаторов (см. табл. 1).

После того как емкости конденсаторов выбраны, определяют индуктивности катушек в миллигенри по формулам:

В обеих формулах: Zг-в омах; fp1, fр2 - в герцах.

Поскольку полное сопротивление головки является частотнозависимой величиной, для расчета обычно принимают указанное в паспорте головки номинальное сопротивление Zг, оно соответствует минимальному значению полного сопротивления головки в диапазоне частот выше частоты основного резонанса до верхней граничной частоты рабочей полосы. При этом надо иметь в виду, что фактическое номинальное сопротивление различных образцов головок одного и того же типа может отличаться от паспортного значения на ±20%.

В некоторых случаях радиолюбителям приходится использовать в качестве высокочастотных головок имеющиеся динамические головки с номинальным сопротивлением, отличающимся от номинальных сопротивлений низкочастотной и высокочастотной головок. При этом согласование сопротивлений осуществляют, подключая высокочастотную головку В3 и конденсатор С4 к различным выводам катушки L4 (рис. 2), т. е. эта катушка фильтра играет одновременно роль согласующего автотрансформатора. Катушки можно намотать на круглых деревянных, пластмассовых или картонных каркасах с щечками из гетинакса. Нижнюю щечку следует сделать квадратной; так ее удобно крепить к основанию - гетинаксовой плате, на которой крепят конденсаторы и катушки. Плату крепят шурупами ко дну ящика громкоговорителя. Во избежание дополнительных нелинейных искажений катушки должны выполняться без сердечников из магнитных материалов.

Пример расчета фильтра

В качестве низкочастотной головки громкоговорителя используется динамическая головка 6ГД-2, номинальное сопротивление которой Zг=8 Ом. в качестве среднечастотной - 4ГД-4 с таким же значением Zг и в качестве высокочастотной - ЗГД-15, для которой Zг=6,5 Ом. Согласно табл. 2 при Zг=8 Ом и емкости С1=С2=20 мкф fp1=700 Гц, а при емкости С3=С4=3 мкф fр2=4,8 кГц. В фильтре можно применить конденсаторы МБГО со стандартными емкостями (С3 и С4 составляют из двух конденсаторов).

По приведенным выше формулам находим: L1=L3=2,56 мГ; L2=L4=0,375 мГ (для автотрансформатора L4 - это значение индуктивности между выводами 1-3).

Коэффициент трансформации автотрансформатора

На рис. 3 показана зависимость уровня напряжения на звуковых катушках головок от частоты для трехполосной системы, соответствующей примеру расчета. Амплитудно-частотные характеристики низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной областей фильтра обозначены соответственно НЧ, СЧ и ВЧ. На частотах раздела затухание фильтра равно 3,5 дБ (при рекомендуемом затухании 3 дБ).

Отклонение объясняется отличием полных сопротивлений головок и емкостей конденсаторов от заданных (номинальных) значений и индуктивностей катушек от полученных расчетом. Крутизна спада кривых НЧ и СЧ составляет 9 дБ на октаву и кривой ВЧ - 11 дБ на октаву. Кривая ВЧ соответствует несогласованному включению громкоговорителя 1 ГД-3 (в точки 1-3). Как видно, в этом случае фильтр вносит дополнительные частотные искажения.

Примечание редакция . В приводимой методике расчета принято, что среднее звуковое давление при одной и той же подводимой электрической мощности для всех головок имеет примерно одинаковое значение. Вели же звуковое давление, создаваемое какой-либо головкой, заметно больше, то для выравнивания частотной характеристики громкоговорителя по звуковому давлению эту головку рекомендуется подключать к фильтру через делитель напряжения, входное сопротивление которого должно быть равно принятому при расчете номинальному сопротивлению головок.

(РАДИО N 9, 1977 г., с.37-38)

Первым делом снял все динамики. Отремонтировал и немного доработал все динамики. Настроил фазоинвертора для каждого низкочастотного динамика. Измерил параметры динамиков и на основе измерений рассчитал и изготовил новый кроссовер. Схема кроссовера необычна, в фильтре СЧ применен полосовой фильтр первого порядка и параллельный контур. Параллельный контур зашунтирован сопротивлением громкоговорителя, что дало нужную полосу пропускания.

фильтра №1 в процессе настройки

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

акустической системы с фильтром №1

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

Общее впечатления на слух низкие частоты зазвучали, необходимость выкручивать тембр НЧ до конца в плюс отпала, что очень хорошо. Сравнивая при прослушивании модернизированную АС с не модернизированной (с заводским фильтром и настроенным фазоинвертором), модернизированная АС звучала вяло не было живости и драйва. Хотя звук был сбалансирован и чист, но средние частоты звучали сами по себе, низкие сами по себе, высокие частоты сами по себе. Звуковая сцена раздроблена и нет локализации инструментов.
Принято решение сделать ещё несколько кроссоверов.

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ фильтра №2

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ акустической системы с фильтром №2

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ акустической системы с фильтром №3

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ фильтра №4

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

АЧХ акустической системы с фильтром №4

Нажми на картинку, чтобы увеличить ее

Последняя схема, на мой взгляд, самая удачная для данной АС.
Звучание, сбалансированное живое, чистое, естественное и натуральное. При прослушивании сравнивали звучание на двух усилителях модернизированный и настроенный и модернизированный и настроенный . На усилителе разницу в звучании было очень трудно услышать она была не значительна в нюансах. На усилителе разницу в звучании всех экземпляров фильтров слышно сразу даже неподготовленному слушателю, отбор фильтров производился по звучанию на усилителе Radiotehnika 101.

На основе изготовленных, настроенных, и прослушанных фильтров можно сказать, что акустические системы с одним и тем же набором динамиков сильно отличаются по звучанию. И не равномерность частотной характеристики в приделах 5-10 дБл в рабочем диапазоне не является критерием качественного звучания. При изготовление фильтра нужно учитывать переходную и фазочастотную характеристики, групповое время запаздывания (ГВЗ), импеданс фильтра . Которые сильно влияют на воспроизведение музыкальных произведений при работе усилителя на сложную нагрузку (АС). Порой приходится оставить неравномерность АЧХ 10 дБл, но улучшить переходную и фазочастотную характеристики, что приведет к более естественному, натуральному и качественному звучанию.

Стоит заметить, что важную роль в воспроизведение музыкальных произведений играет усилитель и источник сигнала. Качество которых должно быть на высоком уровне, иначе разницы можно не услышать.

Расчет кроссовера для акустики75

Расчет кроссовера для акустики, как известно, очень важная операция. На свете не существует идеальных акустических систем, способных воспроизводить частотный диапазон полностью.
И тогда на помощь приходят отдельные участки спектра динамиков. К примеру, если надо воспроизводить НЧ, применяют сабвуфер, а чтобы воспроизвести ВЧ, устанавливают мидбасы.
Когда все эти динамики вместе взятые начинают играть, то может произойти путаница перед поступлением на тот или иной излучатель. По этой причине и необходим бывает активный или пассивный кроссовер для акустики.
В этой статье мы узнаем, для чего нужен расчет фильтра, рассмотрим пассивные кроссоверы, узнаем как они строятся на катушках индуктивности и конденсаторах.

Расчет кроссовера

Чтобы подключить 2-полосную(см.) или другую акустику с большим количеством полос к 1 каналу усилителя или ГУ, нужно некое отдельное устройство, разделяющее сигнал. При этом оно должно выделять для каждой полосы свои частоты. Именно такие устройства и называются фильтрами или кроссоверами.

Примечание. В комплекте с компонентной акустикой, как правило, уже идет пассивный кроссовер. Его готовил производитель и он рассчитан уже изначально.

Но что делать, если нужно разделить частоты по иной схеме (к примеру, если комплект акустики собран из отдельных компонентов)?
В этом случае речь идет о расчете кроссовера.Отметим сразу, что рассчитать кроссовер совершенно не сложно и даже можно самостоятельно изготовить его.

Ниже приводится инструкция о том, как рассчитать кроссовер:

• Скачиваем специальную программу. Это может быть Crossover Elements Calculator на компьютер;

• Вводим сопротивления низкочастотного и высокочастотного динамиков. Сопротивление – это номинальное значение сопротивления акустики, выражаемое в Ом. Как правило, средним значением является 4 Ом;
• Вводим частоту раздела кроссовера. Здесь полезно будет знать, что частоту надо вводить в Гц, но ни в коем случае не в кГц.

Примечание. Если кроссовер второго порядка, то надо еще ввести тип кроссовера.

• Получить ожидаемый результат можно, нажав на кнопку расчета.

Кроме того, надо знать следующее:

• Емкость конденсаторов, а вернее их значение вводится в Фарадах;
• Индуктивность рассчитывается в Генри (mH).

Схема расчета фильтра выглядит примерно так:

Фильтры разного порядка

Чтобы ясно понимать схему расчета кроссовера(см.), нужно понимать разницу между фильтрами разного порядка. Об этом и пойдет речь ниже.

Примечание. Существуют несколько порядков кроссовера. В данном случае порядок означает параметр кроссовера, который характеризует его способность ослаблять не нужные частотные сигналы.

Первый порядок

Схема 2-х полосного кроссовера этого порядка выглядит следующим образом:

По схеме видно, что ФНЧ или фильтр низких частот построен на катушке индуктивности, а фильтр высоких частот – на конденсаторе.

Примечание. Такой выбор компонентов не случаен, так как сопротивление катушки индуктивности повышается прямо пропорционально увеличению частоты. А вот что касается конденсатора, то здесь обратно пропорционально. Получается, что такая катушка отлично пропускает НЧ, а конденсатор отвечает за пропуск ВЧ. Все просто и оригинально.

Следует также знать, что кроссоверы первого порядка, а вернее их номинал, зависит от выбранной частоты разделения и величины сопротивления колонки. Проектируя ФНЧ, надо в первую очередь обратить внимание на частоту среза НЧ и СЧ динамиков(см.).
А вот проектируя ФВЧ, надо аналогичным образом поступить уже с ВЧ.

Пассивный кроссовер

Наиболее доступной на сегодня считается именно пассивная фильтрация, так как она сравнительно проста в реализации. С другой стороны, не все так просто.
Речь идет о следующих недостатках:

• Согласовать параметры и значение фильтров с характеристиками излучателей колонок очень сложная штука;
• В процессе эксплуатации может наблюдаться нестабильность параметров . К примеру, если повысится сопротивление звуковой катушки при нагреве. В связи с этим значительно ухудшится достигнутое в процессе разработки согласование;
• Фильтр, обладая внутренним сопротивлением, забирает некоторую часть выходной мощности усилителя. Одновременно с этим ухудшается демпфирование, а это сказывается на качестве звучания и четкости передачи нижнего регистра.

Как известно, на сегодняшний день самыми распространенными акустическими системами считаются 2-х компонентные варианты.
В них фильтр разделяет звуковой сигнал на два диапазона:

• Первый диапазон предназначается исключительно для низких и средних частот. В данном случае используется кроссовер для нижних частот или ФНЧ;
• Второй диапазон предназначен для ВЧ. Здесь уже используется другой фильтр ФВЧ.

Примечание. Вариантов реализации фильтра может быть несколько, но он все должно отвечать определенным канонам.

Ниже приводится список требований, которым обязательно должен соответствовать кроссовер:

• Фильтр не должен оказывать влияния на частотный спектр и волну выходящего аудиосигнала;
• Должен создавать для усилителя, независимую от частоты нагрузку активного характера;
• Должен суметь обеспечивать вместе с акустическими системами формирование диаграммы направленности. Это должно быть реализовано так, чтобы до слушателя доходило максимум излучения.

Из статьи мы узнали, как проводится расчет кроссовера акустических систем своими руками. В процессе работ будет полезно также изучить схемы, посмотреть видео обзор и фото – материалы.
Если научиться самостоятельно рассчитывать фильтр, платить за услуги специалистам не придется. Таким образом, цена операции сводится к минимуму, ведь надо только приложить немного терпения и уделить некоторое время изучению.

С целью снижения интермодуляционных искажений при звуковоспроизведении громкоговорители Hi-Fi систем составляют из низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных динамических головок. Их подключают к выходам усилителей через разделительные фильтры, представляющие собой комбинации LC фильтров нижних и верхних частот.

Ниже приведена методика расчета трехполосного разделительного фильтра по наиболее распространенной схеме.

Частотная характеристика разделительного фильтра трехполосного громкоговорителя в общем виде показана на рис. 1. Здесь: N - относительный уровень напряжения на звуковых катушках головок: fн и fв - нижняя и верхняя граничные частоты воспроизводимой громкоговорителем полосы; fр1 и fр2 - частоты раздела.

В идеальном случае выходная мощность на частотах раздела должна распределяться поровну между двумя головками. Это условие выполняется, если на частоте раздела относительный уровень напряжения, поступающего на соответствующую головку, снижается на 3 дБ по сравнению с уровнем в средней части ее рабочей полосы частот.

Частоты раздела следует выбирать вне области наибольшей чувствительности уха (1... 3 кГц). При невыполнении этого условия, из-за разности фаз колебаний, излучаемых двумя головками на частоте раздела одновременно, может быть заметно "раздвоение" звука. Первая частота раздела обычно лежит в интервале частот 400... 800 Гц, а вторая - 4... 6 кГц. При этом низкочастотная головка будет воспроизводить частоты в диапазоне fн...fp1. среднечастотная - в диапазоне fp1... fр2 и высокочастотная - в диапазоне fр2...fв.

Один из распространенных вариантов электрической принципиальной схемы трехполосного громкоговорителя приведен на рис. 2. Здесь: B1 - низкочастотная динамическая головка, подключенная к выходу усилителя через фильтр нижних частот L1C1; В2 - среднечастотная головка, соединенная с выходом усилителя через полосовой фильтр, образованный фильтрами верхних частот C2L3 и нижних частот L2C3. На высокочастотную головку В3 сигнал подается через фильтры верхних частот C2L3 и C4L4.

Расчет емкостей конденсаторов и индуктивностей катушек производят исходя из номинального сопротивления головок громкоговорителя. Поскольку номинальные сопротивления головок и номинальные емкости конденсаторов образуют ряды дискретных значений, а частоты раздела могут варьироваться в широких пределах, то расчет удобно производить в такой последовательности. Задавшись номинальным сопротивлением головок, подбирают емкости конденсаторов из ряда номинальных емкостей (или суммарную емкость нескольких конденсаторов из этого ряда) такими, чтобы получившаяся частота раздела попадала в указанные выше частотные интервалы.

{mospagebreak}Емкости конденсаторов фильтров С1...С4 для различных сопротивлений головок и соответствующие значения частот раздела приведены в табл 2.

Легко видеть, что все значения емкостей могут быть либо непосредственно взяты из номинального ряда емкостей. либо получены параллельным соединением не более чем двух конденсаторов (см. табл. 1).

После того как емкости конденсаторов выбраны, определяют индуктивности катушек в миллигенри по формулам:

В обеих формулах: Zг-в омах; fp1, fр2 - в герцах.

Поскольку полное сопротивление головки является частотнозависимой величиной, для расчета обычно принимают указанное в паспорте головки номинальное сопротивление Zг, оно соответствует минимальному значению полного сопротивления головки в диапазоне частот выше частоты основного резонанса до верхней граничной частоты рабочей полосы. При этом надо иметь в виду, что фактическое номинальное сопротивление различных образцов головок одного и того же типа может отличаться от паспортного значения на ±20%.

В некоторых случаях радиолюбителям приходится использовать в качестве высокочастотных головок имеющиеся динамические головки с номинальным сопротивлением, отличающимся от номинальных сопротивлений низкочастотной и высокочастотной головок. При этом согласование сопротивлений осуществляют, подключая высокочастотную головку В3 и конденсатор С4 к различным выводам катушки L4 (рис. 2), т. е. эта катушка фильтра играет одновременно роль согласующего автотрансформатора. Катушки можно намотать на круглых деревянных, пластмассовых или картонных каркасах с щечками из гетинакса. Нижнюю щечку следует сделать квадратной; так ее удобно крепить к основанию - гетинаксовой плате, на которой крепят конденсаторы и катушки. Плату крепят шурупами ко дну ящика громкоговорителя. Во избежание дополнительных нелинейных искажений катушки должны выполняться без сердечников из магнитных материалов.

Пример расчета фильтра.

В качестве низкочастотной головки громкоговорителя используется динамическая головка 6ГД-2, номинальное сопротивление которой Zг=8 Ом. в качестве среднечастотной - 4ГД-4 с таким же значением Zг и в качестве высокочастотной - ЗГД-15, для которой Zг=6,5 Ом. Согласно табл. 2 при Zг=8 Ом и емкости С1=С2=20 мкф fp1=700 Гц, а при емкости С3=С4=3 мкф fр2=4,8 кГц. В фильтре можно применить конденсаторы МБГО со стандартными емкостями (С3 и С4 составляют из двух конденсаторов).

По приведенным выше формулам находим: L1=L3=2,56 мГ; L2=L4=0,375 мГ (для автотрансформатора L4 - это значение индуктивности между выводами 1-3).

Коэффициент трансформации автотрансформатора

На рис. 3 показана зависимость уровня напряжения на звуковых катушках головок от частоты для трехполосной системы, соответствующей примеру расчета. Амплитудно-частотные характеристики низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной областей фильтра обозначены соответственно НЧ, СЧ и ВЧ. На частотах раздела затухание фильтра равно 3,5 дБ (при рекомендуемом затухании 3 дБ).

Отклонение объясняется отличием полных сопротивлений головок и емкостей конденсаторов от заданных (номинальных) значений и индуктивностей катушек от полученных расчетом. Крутизна спада кривых НЧ и СЧ составляет 9 дБ на октаву и кривой ВЧ - 11 дБ на октаву. Кривая ВЧ соответствует несогласованному включению громкоговорителя 1 ГД-3 (в точки 1-3). Как видно, в этом случае фильтр вносит дополнительные частотные искажения.

Примечание от авторов:

В приводимой методике расчета принято, что среднее звуковое давление при одной и той же подводимой электрической мощности для всех головок имеет примерно одинаковое значение. Вели же звуковое давление, создаваемое какой-либо головкой, заметно больше, то для выравнивания частотной характеристики громкоговорителя по звуковому давлению эту головку рекомендуется подключать к фильтру через делитель напряжения, входное сопротивление которого должно быть равно принятому при расчете номинальному сопротивлению головок.

РАДИО N 9, 1977 г., с.37-38 E. ФРОЛОВ, г. Москва