А. Сириця (СРСР)

Мабуть, не буде перебільшенням сказати, що сьогодні звуковідтворення – найпопулярніший напрям в радіоаматорському конструюванні.

У довгому ланцюжку вузлів і пристроїв, від яких залежить якість звучання побутової радіоапаратури, останнім по місцю, але, напевно, першим за значенням стоїть гучномовець. Дійсно, якими б хорошими ні були джерела програм – магнітофон або електропроигривающих пристрій, а також підсилювач потужності, посередній гучномовець зведе їх гідності нанівець.

Саме тут стикається радіоаматор з найбільшими труднощами при створенні домашнього радіокомплексу високої якості, так як гучномовець – це складне електроакустичне пристрій, який не піддається простим розрахунками, вимагає від радіоаматора-конструктора певного рівня знань, а інший раз – і цілого ряду експериментів.

З цих причин багато радіоаматори обмежуються використанням гучномовців заводського виготовлення, найбільше поширення з яких отримав 10МАС-1. Однак нелінійні спотворення на низьких частотах, “бубнение” і ряд інших недоліків не дозволяють віднести цей гучномовець до пристроїв високого класу.

Тим не менш, використовуючи сучасний підхід до конструювання гучномовців та сучасні схемні рішення, можна на основі динамічних головок 10ГД-30 і ЗГД-31 (від 10МАС-1) створити гучномовець, перевершує за якістю звучання 10МАС-1.

Пропонований увазі комплекс розрахований на повторення раділюбітелямі середньої кваліфікації.

Гучномовець комплексу можна використовувати і з іншими підсилювачами, доопрацювавши їх відповідно до рекомендацій автора.

Гучномовець. Останнім часом гучномовець все частіше прийнято розглядати як фільтр верхніх частот. Це дозволило створити точні методи аналізу та синтезу гучномовців-фазоінверторів, Виявилося, що амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) гучномовця-фазоінвертора на низьких частотах визначається трьома параметрами: ставленням гнучкості підвісу рухомої системи до гнучкості повітря в корпусі, ставленням частоти настроювання фазоінвертора до резонансної частоти головки і, нарешті, добротністю рухомої системи головки, т. е. ступенем її демпфірування. При вихідному опорі підсилювача потужності, близькому до нуля, можливий лише один варіант конструктивного оформлення гучномовця, в якому головка забезпечує гладку АЧХ по звуковому тиску. Правда, при цьому може виявитися, що такий гучномовець або буде мати занадто високу або, навпаки, надмірно низьку частоту зрізу АЧХ (частота, на якій звуковий тиск зменшується на 3 дБ відносно горизонтальної частини АЧХ), або зажадає корпусу дуже великих або занадто малих розмірів.

Гучномовець-фазоинвертор з необхідною АЧХ можна побудувати з будь динамічної головкою, якщо відповідним чином змінити добротність її рухомої системи. Управляти демпфуванням можна зміною конструкції магнітної системи, розміщенням поблизу задньої поверхні дифузора звукопоглинального матеріалу, застосуванням електромеханічної зворотного зв’язку (ЕМОС), напруга якої знімається зі спеціального датчика, або, нарешті, зміною вихідного опору підсилювача звукової частоти (УЗЧ).

Перший з цих способів практично неприйнятний в радіоаматорського практиці, другий – не забезпечує досить широких меж управління демпфуванням, третій – вимагає застосування спеціального датчика ЕМОС, який необхідно монтувати на голівці. Четвертий спосіб відрізняється широкими межами регулювання добротності головки без будь-яких змін в її конструкції і цілком може бути рекомендований радіоаматорам.

У статті описаний останній з цих способів управління ступенем демпфірування рухомої системи, показано, як в цьому випадку синтезувати необхідну АЧХ по звуковому тиску, сформульовані вимоги до підсилювача з негативним вихідним опором, наведено методику розрахунку кіл зворотних зв’язків. Багато уваги приділено зменшенню амплітуди переміщень рухомої системи, що дозволяє знизити нелінійні і інтермодуляційні спотворення, а також забезпеченню горизонтальної фазо-частотної характеристики (ФЧХ) розділового фільтру по так званому сумарному виходу (т. е. за сумарним сигналом з виходів високої і низької частоти). Останнє дозволило отримати хорошу ФЧХ гучномовця по звуковому тиску (гучномовець відтворює сигнали прямокутної форми з незначними спотвореннями).

У гучномовці застосовані головки ЮГД-30 і ЗГД-31 від шірокораспространенние гучномовця 10МАС-1, високоякісний підсилювач з негативним вихідним опором зібраний з доступних деталей.

Акустичне оформлення гучномовця 10МАС-1, як відомо, являє собою закритий ящик об’ємом близько 18 дм3. В таких умовах амплітуда коливань рухомої системи головки 10ГД-30 на низьких частотах виявляється великий, що призводить до нелінійних і інтермодуляційних спотворень.

Можливий шлях зменшення амплітуди коливань рухомої системи – застосування ящика-фазоинвертора [1, 2]. Однак при розробці такого акустичного оформлення для головки ЮГД-30 виникають труднощі. Так, для отримання гладкої АЧХ по звуковому тиску при роботі з підсилювачем, вихідний опір якого близько до нуля, необхідний ящик об’ємом близько 80 дм3 з частотою настройки 20 Гц. При цьому спад АЧХ на 3 дБ спостерігається на частоті 22 Гц (рис. 1,

Рис. 1

Рис. 2 крива а). Однак розширення робочого діапазону в бік нижчих частот відбувається в цьому випадку за рахунок збільшення амплітуди зміщення рухомої системи головки: на низьких частотах вона (рис. 1, крива б) виходить навіть більшою, ніж у гучномовця 10МАС-! (Рис. 1, крива в). Тому такий варіант акустичного оформлення не можна вважати прийнятним.

Кращі результати (з точки зору зменшення амплітуди коливань рухомої * системи на нижчих чаіотах) виходять при зменшенні обсягу Яшико до 25 дм3 та налаштування фазоінвертора на частоту 32 Гц (рис. 2). Амплітуда коливань рухомої системи такого гучномовця на частотах 30 … 60 Гц (рис. 2, крива б) виходить приблизно на 6 дБ менший, ніж у гучномовця 10МАС-1 (рис. 2, крива в), однак виникають неприємності іншого роду. Частота зрізу АЧХ по звуковому тиску (рис. 2, крива а) стає більш високою (приблизно 40 Гц), а сама АЧХ при роботі зі звичайним підсилювачем потужності виявляється вже не гладкою (на рис. 2 показана штриховою лінією): через слабке демпфірування рухомої системи на ній виникає підйом в області частот 50. . 100 Гц, що призводить до “бурмотіння” при звуковідтворення. Нарешті, на частотах нижче 25 Гц амплітуда коливань рухомої системи виявляється значно більшою, ніж у закритого ящика. Сигнали цих частот (Наприклад, перешкоди від приводу програвача), природно, не будуть відтворені, так як ККД гучномовця в самій низькочастотної області спектра невеликий. Однак коливання рухомої системи з великою амплітудою викличуть спотворення тих складових сигналу, які відтворюються гучномовцем. Усунути це явище можна, включивши на вході підсилювача фільтр високих частот (ФВЧ), що перешкоджає проникненню в тракт складових найнижчих частот. Якщо, наприклад, АЧХ такого фільтра буде мати вигляд кривої а, що на рис. $ (АЧХ фільтра Батгерворта другого порядку з частотою зрізу 30 Гц), то підключення його до підсилювача практично не позначиться на АЧХ гучномовця по звуковому тиску, але зате істотно зменшить його чутливість до інфразвукових складовим сигналу (рис. 3, крива е) порівняно з чутливістю без фільтра (рис. 3, крива б). Іншими словами, застосування фазоінвертора і ФВЧ дозволяє зменшити амплітуду коливань рухомої системи низькочастотної головки і тим самим знизити нелінійні і інтермодуляційні спотворення, що вносяться гучномовцем.

Що ж стосується АЧХ гучномовця в області низьких частот, то згладити її можна, використавши для роботи з ним підсилювач потужності з негативним вихідним опором (у такому підсилювачі, на відміну від звичайних, зі збільшенням опору навантаження вихідна напруга зменшується). Досягається це введенням позитивного зворотного зв’язку (ПОС) по струму навантаження. Для отримання необхідних результатів вихідна опір такого підсилювача в області

частот від 20 … 30 до 100. .. 200 Гц повинно бути негативним і незмінним за величиною, а з подальшим зростанням частоти повинно плавно зменшуватися до нуля. При роботі ж на чисто активне навантаження опором, рівним номінальним опору гучномовця, АЧХ підсилювача повинна бути горизонтальною. Сказане ілюструється рис. 4, з якого видно, що при чисто активному навантаженні (в даному випадку 7 Ом) АЧХ підсилювача горизонтальна при будь-яких значеннях вихідного опору (рис. 4, крива а), а при відключеному навантаженні посилення на низьких частотах виявляється тим менше, чим більше негативне вихідна опір (рис. 4, криві б-г),

При неоптимальном демпфіруванні головки АЧХ гучномовця (рис. 5, крива а) в області верхнього (за частотою) максимуму модуля повного опору | Ζ | (рис. 5, крива б) спотворюється. Якщо демпфірування мало і АЧХ має підйом на максимумах [Ζ |, то підключення гучномовця до підсилювача з негативним вихідним опором призводить до зменшення вихідної напруги поблизу цих максимумів (рис. 6, криві а), в результаті чого підйом усувається (рис. 6, криві б). Природно, при цьому треба знати міру: при дуже великому демпфіруванні віддача на низьких частотах помітно зменшується. В даному випадку оптимальне вихідний опір одно -2 Ом. Саме при такому опорі АЧХ гучномовця виходить найбільш гладкою (рис. 7), а “бубнение” відсутня.

Рис. 5

Рис. 6

Принципова схема гучномовця показана на рис. 8. Як видно зі схеми, основою розділового фільтра є найпростіший фільтр першого порядку L1C1, який володіє горизонтальними АЧХ і ФЧХ по сумарному виходу (форма складного сигналу на сумарному виході в точності повторює форму сигналу на вході фільтра). На жаль, поряд з цими перевагами, £ С-фільтр першого порядку має й істотний недолік – мале загасання в області загородження. Так, при частоті розділу 4 кГц ослаблення сигналу в високочастотному каналі на частоті 1,4 кГц складає всього 8 дБ (рис. 9, крива а). Наслідком цього є потрапляння на високочастотну головку (в даному випадку ЗГД-31) складових сигналу, частота яких близька до частоті її власного резонансу. В результаті звуковідтворення супроводжується неприємним брязкотом. Послабити такий дефект звучання можна було б застосуванням розділових фільтрів більш високого порядку, однак робити це небажано, так як їх фазові характеристики за сумарним виходу не горизонтально.

У описуваному гучномовці для ослаблення складових зазначеної області частот на додаток до розподільчим фільтру L1C1 застосований режекторного фільтр L3C2, налаштований на частоту 1,4 кГц. Це дозволило отримати на частоті його резонансу загасання сигналу близько 25 дБ (рис. 9, криві б і в) при досить незначній спотворенні ФЧХ фільтра по сумарному виходу.

Для зрівнювання віддачі низькочастотної і високочастотної головок призначений частотнозавісімой дільник напруги R1R2L2, що створює підйом АЧХ гучномовця в області частот 10 … 20 кГц (на рис. 9 це показано штриховою лінією г). Амплітудно-частотна характеристика низькочастотної ланки фільтра зображена на цьому малюнку кривої д.

Як відомо, розділові фільтри забезпечують розрахункові характеристики тільки при роботі на узгоджене активне навантаження. Однак повне опір головки ЮГД-30 (як і будь-який інший) в робочому діапазоні частот не залишається постійним (рис. 10, крива а). Якщо підключити таку головку до фільтру, розрахованому на навантаження 8 Ом при частоті розділу 4 кГц, то він виявиться рас-

погодженим з навантаженням і не забезпечить необхідну АЧХ гучномовця. Якщо ж піти іншим шляхом – розрахувати фільтр, орієнтуючись на повний опір головки на частоті розділу (20 Ом), то доведеться збільшити індуктивність котушки L1 в 2,5 рази. При цьому, природно, зросте і опір постійному струму, що в свою чергу, призведе до зниження ККД гучномовця і погіршення демпфірування рухомої системи низькочастотної головки.

Вихід зі становища – стабілізація навантаження фільтра в робочому діапазоні частот. З цією метою паралельно голівці 10ГД-30 в гучномовці включена “спеціально підібрана ланцюг R3C3. Завдяки їй вдалося вирівняти частотну характеристику повного опору головки \ Ζ \ у всьому діапазоні частот від 200 до 20 000 Гц (рис. 10, крива б), забезпечивши тим самим майже ідеальне узгодження головки з фільтром.

Конструкція і деталі. Ящик 1ромкоговорітеля (рис. 11) можна виготовити з фанери або деревно-стружкової плити товщиною 18 … 20 мм. При виготовленні ящика особливу увагу необхідно приділити його герметизації, бо інакше АЧХ гучномовця на нижчих частотах погіршиться, а амплітуда зміщення рухомої системи головки 10ГД-30 зросте. Заглушати стінки ящика зсередини не обов’язково. Обидві головки закріплюють із зовнішнього боку.

У фільтрі гучномовця можна застосувати паперові конденсатори МБГО або МБГП і дротяні резистори ПЕВ-7,5 або ПЕВ-10. Котушки L1-L3 намотують проводом ПЕВ-1 0,9б на пластмасових (текстоліт, органічне скло і т. п) каркасах (рис. 12). Котушка L1 повинна містити 130, L2 – 78, L3 – 153 витка. Намотування – рядова, без прокладок. Відстань між котушками в ящику – не менше 100 мм.

Амплітудно-частотна характеристика гучномовця в заглушеній камері при роботі з підсилювачем, вихідний опір якого становило -2 Ом, показана на рис. 13. Завдяки порівняно малої нерівномірності АЧХ і ФЧХ гучномовець досить добре відтворює прямокутні імпульси (рис. 14). Зрозуміло, такою властивістю він володіє тільки при реєстрації сигналу поблизу його акустичної осі. При відхиленні ж від неї на кут більше ± 10 ° спотворення форми сигналу стають значно більшими.

Порівняльне прослуховування з гучномовцем 35АС-1 показало, що при розміщенні в зоні невеликих відхилень від акустичної осі експерти віддавали перевагу описуваного гучномовцю, як забезпечує більше злите, “прозоре”, природне звучання. “Бурмотіння” на нижчих частотах ніким не помічалося. При відхиленні від акустичної осі більш ніж на ± 30 ° зазначалося помітне погіршення якості звучання (Порівняно з 35АС-1), що пояснюється вузькою діаграмою спрямованості головки ЗГД-31 на високих частотах.

Підсилювач з негативним вихідним опором. Зробити вихідний опір підсилювача на низьких частотах негативним можна, ввівши в нього частотно-залежну позитивний зворотний зв’язок по струму (ПОСТ). Однак, відрізняючись простотою схемного рішення, такий спосіб отримання негативного ‘вихідного опору має істотний недолік. Полягає він у тому, що підсилювач, охоплений тільки ПОСТ, не відповідає одному з основних вимог, що пред’являються до нього при спільній роботі з гучномовцем; коефіцієнт посилення при опорі навантаження, рівному номінальному, залежить від частоти. Необхідні результати вдається отримати в тому випадку, якщо ланцюг знову вводиться зворотного зв’язку підключена паралельно ланцюга основний ООС, що охоплює підсилювач, і здійснює не тільки ПОСТ, а й ООС по напрузі (ООСН).

Функціональна схема можливого варіанту підсилювача з такими зворотними зв’язками показана на рис. 15. Тут А2 – підсилювач потужності звукової частоти, АЗ – пристрій, що символізує ланцюг основний ООС, що охоплює його, А1 і А4 – инвертирующие підсилювачі в ланцюгах ПОСТ і ООСН, Ζ1 – ФВЧ, про призначення якого говорилося в першій частині статті.

Як видно зі схеми, сигнал ООСН, виділений на резистори R6, надходить на вхід підсилювача А1 через підсилювач А4, а сигнал ПОСТ, що знімається з резистора R4, – безпосередньо. В результаті в точці А сигнали ПОСТ і ООСН частково або повністю компенсуються, і підсилювач А1 підсилює їх різниця i / pjocT^ OOCH · Для усунення впливу ціпа! додаткових зворотних зв’язків на коефіцієнт

посилення підсилювача А2 при опорі навантаження, рівному номінальному (RH = = /?н.ном)> Напруга в точці А має дорівнювати нулю (% Ост = ^ ООСН) ■ Досягається це зміною опору підлаштування резистора R5. При RH Ф 7?н ном напруги ί / j-jOcT і Cqqch НЕ компенсують один одного, і на виході підсилювача А1 (в точці J3) з’являється сигнал зворотного зв’язку 1] β, значення

Рис. 15 якого залежить від коефіцієнта посилення підсилювача А1 і від ставлення ^ н / ^ н.ном> а фаза – від виду нерівності: RH > RH ном або RH‘<