Сторонники Стереоусилитель І ПРОБЛЕМА КОНСТРУЮВАННЯ Гучномовець з лінійною фазових характеристик

Ю. Макаров

Трьохсмуговий стереопідсилювач [7] вдосконалений автором. Схема одного каналу представлена на рис. 1. Чутливість по входу приведена до вимогам ГОСТу і становить 250 мВ, для чого трохи знижено посилення у всіх смугах.

Клацни за схемою для збільшення в новому вікні

Змінено схема включення регулятора балансу. Резистор R15 (470 кОм, тип А) встановлений в ланцюзі керуючої сітки лампи V2.1 одного каналу. У ланцюзі сітки лампи V2.2 іншого каналу включений постійна резистор опором 330 кОм. Включення регулятора балансу в ланцюг катода дає глибоке регулювання, але при регулюванні чути шум, так як через потенціометр протікає анодний струм лампи, а контакт движка з резистивним шаром непостійний. Пропонована схема регулювання не створює перешкод, але має меншу глибину регулювання.

Для спрощення виготовлення та налаштування УНЧ усунені деякі деталі, а також змінені параметри ланцюгів ООС. Лампа V3 включена за схемою катодного повторювача.

Випрямляч зібраний за містково схемою для кожного каналу на діодах V19 V26 (Д226).

Тип деталей не має принципового значення. Методика настроювання УНЧ колишня.

Слухати музичну програму на Стереотелефони можна, виготовивши резисторний змішувач сигналів смуг НЧ, СЧ і ВЧ в однополосний сигнал за схемою, що зображена на рис. 2. Вхід змішувача підключається через штепсельної вилки до виходу УНЧ (Х6, Х7). Стереотелефони підключаються до роз'єму Х8 змішувача. Настановні потенціометри R1 R6 опором 5-10 Ом служать для підбору пропорцій сигналів смуг стосовно до конкретних телефонами. Після установки можуть бути замінені на постійні резистори. Процес налаштування змішувача наступний. До роз'єму Х8 змішувача підключається еквівалент навантаження телефонів, а змішувач – до роз'ємів Х6 і Х7 УНЧ. Всі регулятори УНЧ встановлюються в середні положення. На вхід УНЧ послідовно подаються сигнали з частотами 100, 1000 і 10 000 Гц. На еквіваленті навантаження телефонів електронним вольтметром заміряється амплітуда сигналу кожної частоти. При нерівності амплітуд їх потрібно привести до одного рівня підлаштування потенціометра R1—R6. Після цього можна зняти АЧХ змішувача у всьому діапазоні частот, подаючи сигнали на вхід вже налаштованого УНЧ.

Налаштування УНЧ і змішувача має на меті одержання рівної АЧХ електричного тракту в діапазоні 20-20 000 Гц. Для отримання лінійної АЧХ по звуковому тиску необхідно виготовити такі АС, в яких головки мали б рівну віддачу на всіх частотах. Тільки в цьому випадку лінійна передача сигналу підсилювачем забезпечить такий же лінійне звуковий тиск, що створюється головками АС. Звуковий тиск в домашніх умовах виміряти важко, але можна і потрібно. Методика вимірювань висвітлена в літературі [1]. Конструювання низькочастотного ланки АС описано в [4].

Трьохсмуговий УНЧ дозволяє позбутися від розділових фільтрів в АС, поліпшити узгодження УНЧ з головками, зменшити частотні, нелінійні й фазові спотворення. Трьохсмуговий УНЧ забезпечує однакову з однополосні УНЧ гучність при меншій потужності підсилювачів смуг.

Однак ніякого фізичного дива очікувати не слід. У кожній смузі використовуються підсилювачі досить малої потужності [7], які необхідно навантажувати на чутливі головки. Особливо це стосується НЧ смуги. Саме тому застосування компресійних головок небажано. Однополосні традиційні УНЧ для того й конструюються з підвищеними потужностями, щоб мати можливість регуляторами тембру піднімати посилення по краях звукового діапазону, якщо низький ККД головок. Для трисмуговий УНЧ найкращими є головки 6ГД2, 4ГД8Е, 2ГД36. У кожну АС слід встановлювати по дві штуки кожного типу, поєднуючи їх між собою послідовно. З кожною групою головок бажано включити послідовно потенціометр опором 10 – 30 Ом для підстроювання "на слух".

В областях конструювання АС знайдено безліч оригінальних рішень, значна частина яких стосується технології виготовлення голівок. Радіоаматори зможуть застосувати на практиці тільки розробки, що стосуються вдосконалення ящиків АС з метою лінеаризації фазової характеристики гучномовця. Електричне фазування головок АС є зрозумілим при виготовленні АС. Фазування акустичне – Це також необхідне захід для адекватного перетворення електричного сигналу в звуковій.

На рис. 3 показано традиційне розміщення головок на фронтальній дошці АС. Очевидно, що геометричне зміщення Dt СЧ і ВЧ головок щодо НЧ головки викличе неодночасно прихід компонентів звуку складного спектру до слухача. Оцінимо вплив цієї нерівномірності.

Розглянемо спочатку простий випадок, коли до голівок СЧ і НЧ підведений синусоїдальний сигнал, близький за частотою до частоти розділу фільтрів в АС (або в трисмуговий УНЧ). Будемо вважати, що попередні ланки апаратури (УНЧ і фільтри) не змінили фазу сигналів, підведених до голівок. Головка СЧ розташована ближче до слухача. Очевидно, що звуковий сигнал, який відтворюється, СЧ головкою, досягне слухача раніше, ніж такий самий за формою сигнал від НЧ головки. Складаючись несінфазно, ці два сигнали створять у слухача невірне уявлення про чистоту тону, з'явиться деяка хріплость звучання.

Більш правильним способом випробування АС буде метод збудження гучномовця сигналом прямокутної форми. Прямокутний імпульс можна представити у вигляді безлічі синусоїдальних сигналів широкого спектру частот, що заповнює цей імпульс, причому всі синусоїди точно сфазіровани між собою. Подамо електричний прямокутний імпульс на АС. Гучномовець перетворює електричну енергію імпульсу в механічну енергію коливань дифузорів головок, рухи яких створять коливання частинок повітря. Цей, вже акустичний імпульс можна прийняти вимірювальних мікрофоном і спостерігати на екрані осцилографа. Очевидно, якість АС тим краще, чим ближче подібність форм акустичного та електричного імпульсів. При розташуванні головок за схемою, показаної на рис. 3, не можна сподіватися на точне перетворення гучномовцем сигналів електричних в акустичні. Ймовірно, зсунувши СЧ і ВЧ головки на деяку відстань, поєднавши їх акустичні центри (центри випромінювання) з акустичним центром НЧ головки, можна домогтися одночасного приходу до слухача окремих складових спектра імпульсу. Схема такої АС показана на рис. 4. Дослідженнями встановлено, що передача таким лінійно-фазовим гучномовцем імпульсного сигналу прямокутної форми здійснюється значно правильніше, ніж АС за схемою, що зображена на рис. 3.

Люди, що володіють музичним або взагалі тренованим слухом, мають підвищену чутливість до описаних спотворень. Критерій якості звучання пов'язаний перш за все з точністю відтворення перехідних процесів, властивих самим музичним інструментам [8]. Перехідні процеси, пов'язані з характером наростання і спадання звуку, передають слухачеві найбільш повну інформацію про інструмент та особливості ігри виконавця. Тому АС з фазовою корекцією мають кращу звучання.

Вимірювання параметрів АС при випробуванні синусоїдальним або шумовим сигналом не дають реального уявлення про їхню якість при передачі музичної програми. Наприклад, якщо в ящик помістити близько 20 маленьких головок невисокої якості з відносно високою резонансною частотою (150 Гц), то така система буде працювати, починаючи з 20 Гц. Однак подібна АС не може відтворити послідовність прямокутних імпульсів з частотою повторення 50-100 з -1 . Незважаючи на лінійність АЧХ по звуковому тиску, імпульси будуть диференціюватися і відтворюватися у вигляді загострених піків.

Інша картина спостерігається при порушенні такої АС синусоїдальним сигналом. Відстані між випромінювачами малі порівняно з довжиною хвилі випромінюваної, тому кожен випромінювач повинен здійснити роботу з подолання усталеного звукового тиску, створеного усіма іншими випромінювачами. Ця робота значно більше тієї, яку здійснював би одиночний випромінювач, долаючи лише пружну реакцію середовища (повітря), соколеблющегося з одним дифузором. Тому систему таких випромінювачів можна уподібнити одному випромінювача великого діаметру, що і забезпечує АС рівну АЧХ при стаціонарному сигналі (синусоїда) з найнижчих частот.

Проте з цього не випливає, що звучання такої АС виявиться задовільним. Сума посередніх випромінювачів принципово не може дати високої якості звучання, так як звукові імпульси, які збуджуються окремими головками, підходять до діафрагм інших випромінювачів неодночасно внаслідок обмеженої швидкості звуку та технологічної неоднаковості резонансних частот головок і відстаней між випромінювачами. В результаті звукове поле, що розпочинається такий АС від імпульсного сигналу, буде відповідати диференційованого вхідного напруги.

Тому іноді даються радіоаматорам рекомендації застосування декількох НЧ головок з відносно високими резонансними частотами для заміни однієї якісної теоретично необгрунтовані.

Крім того, в багатосмугових АС резонансні частоти СЧ і ВЧ головок також повинні бути по можливості нижче частот поділу фільтрів, щоб не відбувалося диференціювання імпульсів.

Частота f в . до якої роботу динамічної головки прямого випромінювання можна з деякими допущеннями описати коливаннями поршня з площею, рівною ефективної площі дифузора, визначається [2]:

де З – Швидкість звуку в повітрі 330 м / с; D – Діаметр основи дифузора, м; f в – Верхня частота, Гц.

Ефективна площа дифузора вважається рівною 50-58% повної площі [9]:

де К = 0,5-0,58.

Для знаходження акустичного центру динамічної головки з конусним дифузором слід замінити обсяг, займаний конусом, на рівний йому об'єм циліндра з площею основи, яка дорівнює ефективної площі конуса дифузора. Геометричний центр цього циліндра і є акустичний центр головки. Це справедливо в діапазоні частот, що визначаються за формулою (1).

Знайдемо спосіб визначення акустичного центру стосовно до голівок довільних розмірів. Відомо, що обсяг усіченого конуса (в м 3 ) Визначається:

де R, r – Радіуси більшого і меншого підстав, м; H до – Висота усіченого конуса, м. Обсяг циліндра (у м 3 ):

де S – площа підстави, рівна S Ефф , М 2 ; Н ц – Висота циліндра, м.

Сформульоване умова відшукання акустичного центру вимагає заміни об'єму V K на рівний V ц :

Очевидно, що геометричний центр циліндра лежить на середині його висоти і є акустичним центром (рис. 5).

Відстань від площини великого підстави конуса дифузора до акустичного центру назвемо висотою акустичного центру:

де D і d – Діаметри більшого і меншого підстав; K = 0,5-0,58.

За формулою (5) можна знайти висоту акустичних центрів СЧ і НЧ головок і обчислити величину зміщення D h головки СЧ для збігу h рах і h НЧ (Рис. 6):

Оскільки базою, від якої вимірюється Л, є площину великого підстави дифузора, то для збігу h НЧ і h рах потрібно змістити базову площину СЧ головки відносно базової площини НЧ головки на величину D h, тобто заглибити СЧ головку всередину АС (або висунути НЧ голівку).

Зазвичай для зменшення нерівномірності АЧХ рекомендують встановлювати СЧ головки так, щоб їх базові площині лежали в площині зовнішньої частини акустичного екрана скриньки АС. У той же час головки НЧ зазвичай кріпляться до внутрішній площині цього екрану. При товщині екрану 20-25 мм ще більше зростає розбіжність h НЧ і h рах , Що збільшує фазовий зсув відтворюваних компонентів сигналу. Наприклад, для головок 6ГД2 (D еф » 200 мм) і 4ГД7 (D еф » 154 мм) D h » 10 мм = 0,01 м. Таку порівняно невелика D h є наслідком близькості геометричних розмірів дифузорів.

Випромінювання СЧ головки доходить до слухача з запізненням:

З урахуванням товщини екрану D t » 0,08 мс. Для головок 6ГД2 і 4ГД8Е (D еф » 100 мм) D h = 20 мм і D t » 0,06 мс, а з урахуванням екрану D t » 0,12 мс.

Однак не слід робити хибний висновок, що рівність діаметрів НЧ і СЧ головок поліпшить АС. Збільшення D Ефф знижує f в , Що визначається формулою (1). При цьому виникнуть труднощі її узгодження в зоні спільної роботи з ВЧ голівкою. Частоту, на якій відбувається повне придушення сигналу в зоні спільної роботи головок, можна визначити [6]:

Наприклад, при D t » 0,05 мс для СЧ і ВЧ головок відбувається спад високих частот вже з 10 кГц.

Фазовий зсув, що викликає часткове придушення деяких частот, визначається [5]:

Відрізок часу від моменту виникнення сигналу до D t » 0,5-1,0 мс найбільш суттєво для сприйняття тембру інструментів. На цьому відрізку часу окремі частотні компоненти, сумою яких можна представити результуючу форму сигналу, жорстко пов'язані між собою, тобто когерентних. Акустичні властивості приміщення ще не позначаються на сприйнятті сигналу. При монофонічному відтворенні сигнали від НЧ до СЧ головок однієї АС когерентних, практично тотожні і розділені для сприймають їх органів слуху часом D t. Час D t занадто мало, щоб сигнали сприймалися як два незалежних [3]. Тому створюється один удаваний джерело звуку (Кіз), тембрально звучання якого змінюється при зміні D t [6], що викликано інтерференцією (взаємознищення окремих спектральних складових складного сигналу аналогічними по амплітуді і частоті складовими, але протилежними за фазі). При цьому звучання стає більш глухим, так як інтерферують в першу чергу ВЧ компоненти. У АЧХ гучномовця внаслідок цього з'являються глибокі провали. Крім того, у формулі (9) частина звукових компонент, випромінюваних головками із зсувом фази менше 180 °, складаються, утворюючи нові співзвуччя, які відсутні в реальному джерелі програми, що відчувається у вигляді спотворень. Причому, Кіз стає розмитим, менш локалізації [3].

При стереофонічному відтворенні сигнали від кожної пари (НС + СЧ) головок двох АС вже не тотожні. Відмінності їх тимчасових структур використовуються органом слуху для зменшення інтерференційних спотворень сумарного сигналу, що формує слухове відчуття [6]. При цьому інструменти оркестру звучать більш природно. Це одне з основних достоїнств стереофонію (крім можливості локалізації Кіз).

Ще більш знизити інтерференційні викривлення можна, зменшивши D h головок. Обчислювати D h між СЧ і ВЧ головками за формулою (6) вже не можна, тому що не буде дотримано умову (1), тобто ВЧ головка не може бути представлена "поршнем". Формула (5) може також служити лише орієнтиром для конструювання АС в межах зроблених припущень (1) і (2).


Рис. 7. Блок-схема пристрою для спостереження форми імпульсу при oпpeдeлeніі розташування ВЧ головки:
1 – генератор одиночних імпульсів; 2 – трьохсмуговий УНЧ; 3 – АС; 4 – вимірювальний мікрофон; 5 – мікрофонний підсилювач; 6 – електронний ключ; 7 – осцилограф.

Остаточне розташування СЧ і ВЧ головок по відношенню до НЧ голівці краще вибирати, спостерігаючи форму імпульсу тривалістю t » 25 мкс [3], який відтворюється АС, по блок-схемі, що зображена на рис. 7. Електронний ключ 6 необхідний для відмикання і замикання входу осцилографа на час проходження імпульсу, щоб усунути акустичне вплив приміщення. Переміщуючи СЧ і ВЧ головки і спостерігаючи форму імпульсу, можна знайти положення, коли відміну від подається з генератора на АС прямокутного імпульсу стане найменшим. СЧ і ВЧ головки встановлюються на верхній стінці скриньки на рухомий підставці, що забезпечує можливість незалежного переміщення СЧ і ВЧ головок щодо НЧ головки.

З'єднувальні кабелі між трьохсмуговий УНЧ і АС повинні мати по можливості мале опір постійному струму (0,1 Ом), а також малу ємність на одиницю довжини (15 пФ на 1 м).

ЛІТЕРАТУРА

1. Блінова Л. П. та ін Акустичні вимірювання. М., Вид-во стандартів, 1971.

2. Бургова Є. В., Семякін Ф. В. Про ефективність випромінювання електродинамічного гучномовця в області низьких частот. Праці лики, 1975, вип. 25.

3. Блауерт І. Просторовий слух. М., Енергія, 1979.

4. Виноградова Е. Л. Конструювання гучномовців із згладженими частотними характеристиками. М., Енергія, 1978, вип. 966.

5. Дрейзе І. Г. Курс електроакустики. М., Связьіздат, 1938.

6. Ковалгін Ю. О. та ін Акустичні основи стереофонію. М., Зв'язок, 1978.

7. Макаров Ю. А. Трьохсмуговий стереоуснлітель. М., ДТСААФ, ВРЛ, № 60, 1977, ВРЛ, № 64, 1979.

8. Скучік Є. Основи акустики. М., Мир, 1976, т. I. з. 253, 277.

9. Ефруссі М. М. Гучномовці та їх застосування. М., Енергія, 1976.