Теория гармоник

Амплитудное сжатие

Что делать?

Перегрузка (клипирование) усилителей мощности — обычное явление. В данной статье рассматривается перегрузка, вызванная повышенным уровнем входного сигнала, в результате которой происходит ограничение выходного сигнала.

Проанализировав «феномен» такого рода пере­грузки, который якобы является причиной повреждения АС, мы постараемся доказать, что истинный виновник этого — амплитудное сжатие (компрессия) сигнала.

ЗАЧЕМ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯМ НУЖНА ЗАЩИТА?

Все головки громкоговорителей имеют предельную рабочую мощность. Превышение этой мощности приводит к повреждению громкоговорителей (ГГ). Эти повреждения можно разделить на несколько видов. Рассмотрим подробнее два из них.

Первый вид — чрезмерное смещение диффузора ГГ. Диффузор ГГ — это излучающая поверхность, перемещающаяся в результате подаваемого электри­ческого сигнала. Эта поверхность может иметь кони­ческую, купольную или плоскую форму. Колебания диффузора возбуждают колебания воздушной среды и излучают звук. Согласно законам физики для более громкого звучания или воспроизведения более низких частот диффузор должен совершать колебания с большей амплитудой смещения, приближаясь при этом к своим механическим границам. Если его заставить сместиться еще дальше, то это приведет к чрезмерному отклонению. Чаще всего это происходит с низкочастотными ГГ, хотя это может произойти и со среднечастотными, и даже с высокочастотными ГГ (если недостаточно ограничить низкие частоты). Таким образом, чрезмерное смещение диффузора чаще всего и приводит к механическому повреждению головки.

Второй враг ГГ — это тепловая энергия, возникающая в результате тепловых потерь в звуковых катушках. Ни одно устройство не имеет 100% КПД. Что касается ГГ, то 1 Вт входной мощности не преобразовывается в 1 Вт акустической. Практически у большинства ГГ КПД менее 10%. Потери, обусловленные низким КПД, трансфор­мируются в нагрев звуковых катушек, вызывая их механическую деформацию и потерю формы. Перегрев каркаса звуковых катушек вызывает ослабление его структуры, и даже полное разрушение. Кроме того, перегрев может вызвать вспенивание клея и его попадание в воздушный зазор, в результате чего звуковая катушка уже не сможет свободно перемещаться. В конце концов, обмотка звуковой катушки может просто перегореть как плавкая перемычка в предохранителе. Совершенно очевидно, что этого допустить нельзя.

Для пользователей и разработчиков всегда серьезной проблемой было определение допустимой мощности многополосных АС. Пользователи, меняющие поврежденные высокочастотные динамики, чаще всего

убеждены в том, — что в случившемся их вины нет. Казалось бы — выходная мощность усилителя 50 Вт, а мощность АС 200 Вт, и, тем не менее, высоко­частотный динамик через какое-то время выходит из строя. Данная проблема вынудила инженеров разбираться в том, почему же так происходит. Было выдвинуто много теорий. Одни из них были научно подтверждены, другие так и остались в виде теории.

Рассмотрим несколько взглядов на ситуацию.

ТЕОРИЯ ГАРМОНИК

Исследования распределения энергии по спектру сигнала показали, что независимо от типа музыки уровень высокочастотной энергии в звуковом сигнале гораздо ниже уровня низкочастотной энергии. Этот факт еще больше усложняет выяснение того, почему же повреждаются высокочастотные динамики. Казалось бы, что если амплитуда высоких частот ниже, то повреждаться должны в первую очередь низкочастотные, а не высокочастотные динамики.

Изготовители АС при разработке своих изделий также пользуются этой информацией. Представление об энергетическом спектре музыки позволяет им существенно улучшить звучание высокочастотных динамиков путем использования более легких подвижных систем, а также применения в звуковых катушках более тонкого провода. В АС мощность высокочастотных динамиков обычно не превышает 1/10 общей мощности самой АС.

Но т.к. в низкочастотном (НЧ) диапазоне музыкальной энергии больше, чем в высокочастотном (ВЧ), — значит, вследствие своей маломощности, высокочастотная энергия не может послужить причиной повреждения высокочастотных динамиков. Следовательно, источник высоких частот, достаточно мощных для повреждения высокочастотных динамиков, находится где-то в другом месте. Так, где же все-таки он находится?

Было высказано предположение, что при наличии в звуковом сигнале НЧ составляющих, достаточных для перегрузки усилителя, вполне вероятно, что в результате ограничения выходного сигнала появляются достаточно мощные высокочастотные искажения, способные повредить высокочастотный динамик.

Таблица 1. Гармонические амплитуды 100 Гц меандра, 0 дБ = 100 Вт

Эта теория получила достаточно широкое распространение в начале 70-х годов и постепенно стала восприниматься как «догма». Однако, в результате исследований надежности и защищенности усилителей мощности в типичных условиях, а также практики эксплуатации усилителей и АС типичными пользователями, выяснилось, что перегрузка является обычным явлением и она не так заметна на слух, как об этом думает большинство людей. Срабатывание же индикаторов перегрузки усилителей обычно запаздывает и не всегда достаточно точно указывает на реальную перегрузку. К тому же, многие производители усилителей специально замедляют их срабатывание исходя из своих собственных представлений о том, сколько искажений должно возникнуть, чтобы засветился индикатор.

Более совершенные и лучше звучащие усилители, в т.ч. усилители с soft clipping (схемой “мягкого” ограничения) также повреждают высокочастотные динамики. Однако более мощные усилители повреждают высокочастотные динамики меньше. Эти факты еще больше укрепили теорию, исходя из которой, источником повреждения высокочастотных динамиков все же является перегрузка усилителя (клипирование). Казалось бы, вывод один — клипирование это и есть основная причина повреждение высокочастотных динамиков.

Но давайте продолжим исследование этого феномена.

AМПЛИТУДНОЕ СЖАТИЕ

При амплитудном ограничении синусоидального сигнала, усилитель вносит в исходный сигнал большие искажения, а форма полученного сигнала напоминает форму прямоугольника. При этом идеальный прямо­угольник (меандр) имеет самый высокий уровень высших гармоник. (см. рис 1). Менее ограниченный синусо­идальный сигнал имеет гармоники тех же частот, но с более низким уровнем.

Взгляните на представленный в Табл.1 спектраль­ный состав прямоугольного сигнала частотой 100 Гц и мощностью 100 Вт.

Как Вы видите — мощность, попадающая на высоко­частотный динамик после прохождения этого сигнала через идеальный кроссовер с частотой среза 1 кГц, составляет менее 2 Вт (0.83 + 0.589 = 1.419 Вт). Это немного. И не забывайте о том, что в данном случае имитируется жесткая, идеальная перегрузка 100­ваттного усилителя, способная превратить синус в меандр. Дальнейшее увеличение перегрузки уже не увеличит гармоник.

Рис. 1. Гармонические составляющие 100 Гц меандра относительно 100 Гц синусоидального сигнала

Результаты данного анализа свидетельствуют о том, что даже если в 100Вт АС применяется слабенький высокочастотный динамик мощностью 5-10 Вт, то его повреждение гармониками невозможно, даже если сигнал примет форму меандра. Однако динамики все- таки повреждаются.

Значит нужно обнаружить еще что-то, что могло бы послужить причиной таких отказов. Так в чем же дело?

Причина — в амплитудном сжатии сигнала.

По сравнению со старыми моделями усилителей, современные высококачественные усилители имеют больший динамический диапазон и лучше звучат при перегрузках. Поэтому у пользователей больше соблазна перегружать усилители и вводить их в ограничение на низкочастотных динамических пиках, т.к. при этом не возникают большие слышимые искажения. Это приводит к сжатию динамических характеристик музыки. Громкость высоких частот увеличивается, а низких — нет. На слух это воспринимается как улучшение яркости звука. Некоторые могут интерпретировать это как увеличение громкости, не сопровождающееся изменением звукового баланса.

Например — будем увеличивать уровень сигнала на входе 100-ваттного усилителя. Низкочастотные составляющие будут ограничены на уровне 100 Вт в результате перегрузки. При дальнейшем увеличении входного уровня высокочастотные составляющие будут расти до тех пор, пока они также не достигнут точки ограничения в 100 Вт.

Посмотрите на рис. 2, 3 и 4. Графики про­градуированы в вольтах. На 8-омной нагрузке 100 Вт соответствует напряжению 40 В. До ограничения НЧ составляющие имеют мощность 100 Вт (40 В), а ВЧ — только 5-10 Вт (9-13 В).

Предположим, что музыкальный сигнал с НЧ и ВЧ составляющими подается на 100-ваттный усилитель (8 Ом). Используем смесь низкоуровневого ВЧ синусоидального сигнала с высокоуровневым НЧ сигналом (см. рис 2). Уровень ВЧ составляющих, подаваемых на высокочастотный динамик, по меньшей мере, на 10 дБ ниже уровня НЧ составляющих. Теперь увеличим громкость до ограничения сигнала (+3 дБ перегрузка, см. рис. 3).

Рис. 2. Низкоуровневый, высокочастотный синусоидальный сигнал, смешанный с всплеском высокоуровневого, низкочастотного синусоидального сигнала

Рис. 3. Выходной сигнал 100-ваттного усилителя с перегрузкой 3 дБ

Рис. 4. Выходной сигнал 100-ваттного усилителя с перегрузкой 10 дБ

Обратите внимание на то, что, судя по форме сигнала, ограничены были только НЧ составляющие, а уровень ВЧ составляющих просто вырос. Конечно же, клипирование генерирует гармоники, но их уровень существенно меньше, чем у рассмотренного нами ранее меандра. Амплитуда ВЧ составляющих выросла на 3 дБ по отношению НЧ (это эквивалентно амплитудному сжатию сигнала на 3 дБ).

При перегрузке усилителя на 10 дБ, амплитуда ВЧ составляющих возрастет на 10 дБ. Таким образом, каждое увеличение громкости на 1 дБ вызывает рост амплитуды ВЧ составляющих на 1 дБ. Рост будет продолжаться до тех пор, пока мощность ВЧ составляющих не достигнет 100Вт. Между тем, пиковый уровень НЧ составляющих не может превысить отметку 100 Вт (см. рис. 4). Этот график соответствует почти 100 % сжатию, т.к. нет почти никакой разницы между ВЧ и НЧ составляющими.

Теперь легко заметить насколько мощность ВЧ сигнала превышает мощность 5-10-ваттного высокочастотного динамика. Действительно, перегрузка генерирует дополнительные гармоники, но они никогда не достигнут уровня усиленных исходных высокочастотных сигналов.

Вы, наверное, думаете, что искажение сигнала будет невыносимым. Не обманывайте себя. Вы будете поражены, узнав о том — насколько высок предел перегрузки, выше которого уже будет невозможно хоть что-то слушать. Просто отключите на усилителе индикатор перегрузки, и посмотрите — до какого уровня Вы повернете регулятор громкости усилителя. Если Вы измерите осциллографом уровень выходного сигнала усилителя — то уровень перегрузки удивит Вас. Уровень перегрузки 10 дБ по НЧ составляющим — это обычное явление.

ЧТО ДЕЛАТЬ?

Если мы сможем защитить усилители от перегрузки (клипирования), мы сможем рациональнее использовать АС. Для предотвращения перегрузки и результирующего амплитудного сжатия в любом современном усилителе должны применятся т.н. сlip-лимитеры. Они предотвращают вышеупомянутое амплитудное сжатие, т.к. при достижении порогового значения на любой частоте, уровень всех частот понижается на одну и ту же величину.

Во внешних лимитерах порог срабатывания (threshold) задается пользователем. Точно настроить

этот порог на уровень ограничения усилителей достаточно сложно. К тому же уровень ограничения усилителей не есть постоянная величина. Он изменяется в зависимости от напряжения питающей сети, сопротивления АС и даже от характера сигнала. Порог срабатывания лимитера должен непрерывно отслеживать эти факторы. Самым правильным решением было бы привязать порог к сигналу перегрузки усилителя.

Вполне логично встроить лимитер внутрь усилителя. В современных усилителях несложно определить момент возникновения перегрузки с большой точностью. Именно на него и реагируют встраиваемые в усилители т.н. сlip- лимитеры. Как только выходной сигнал усилителя достигает уровня перегрузки — цепь управления включает регулирующий элемент лимитера.

Второй параметр, после порога срабатывания, присущий любому лимитеру — времена срабатывания и отпускания. Более важным является время восстановления после перегрузки (release time).

Возможны два варианта эксплуатации усилителей:

• работа в составе многополосного усилительного комплекса,

• работа на широкополосную АС.

В первом случае на усилитель могут подаваться либо только НЧ полоса, либо СЧ и ВЧ полосы. При установке большого времени отпускания и работе усилителя в СЧ-ВЧ полосах “хвосты” восстановления лимитера могут быть заметны на слух. И, наоборот — при малом времени отпускания и работе в НЧ полосе могут возникать искажения формы сигнала.

При работе усилителя на широкополосную АС приходится искать какое-то компромиссное значение времени восстановления.

В связи с этим производители усилителей идут двумя путями — либо выбирается компромиссное время отпускания, либо вводится переключатель времени восстановления (SLOW-FAST).

ВЫВОДЫ:

Существует много различных типов звукоизлучателей, однако наиболее распространены излучатели электромагнитного типа, или как их ещё называют, динамики.

Динамики являются основными конструктивными элементами акустических систем (АС). К сожалению, один динамик не способен воспроизвести весь слышимый диапазон частот. Поэтому для полнодиапазонного воспроизведения в акустических системах применяется несколько динамиков, где каждый рассчитан на воспроизведение своей полосы частот. Принцип работы низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) динамиков одинаковый, отличия заключаются в реализации отдельных конструктивных элементов.

Принцип работы динамика основан на взаимодействии переменного магнитного поля создаваемого током, протекающим по проводу магнитной катушки, с магнитным полем постоянного магнита.

Несмотря на сравнительную простоту конструкции, динамики, предназначенные для работы в высококачественных акустических системах, имеют большое количество важных параметров, от которых зависит конечное звучание акустической системы.

Самым главным показателем, характеризующим динамик, является полоса воспроизводимых частот. Она может быть указана в виде пары значений (нижней граничной и верхней граничной частоты), или приведена в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Второй вариант является более информативным. АЧХ представляет собой графическую зависимость уровня звукового давления, создаваемого динамиком на расстоянии 1 метр по рабочей оси, от частоты. АЧХ позволяет оценить частотные искажения, вносимые динамиком в исходный сигнал, а также, в случае использования динамика в составе многополосной системы – выявить оптимальное значение частоты раздела разделительного фильтра. Именно АЧХ позволяет классифицировать динамик как низкочастотный, среднечастотный или высокочастотный.

Выбор низкочастотного динамика

Для НЧ динамиков, помимо АЧХ, существенной группой показателей являются так называемые Тиль-Смолл параметры. На их основе производится расчёт параметров акустического оформления для динамика (корпуса акустической системы). Минимальный набор параметров резонансная частота - fs, полная добротность - Qts, эквивалентный объём - Vas.

Тиль-Смолл параметры описывают поведение динамика в области поршневого действия (ниже 500Гц), рассматривая его как колебательную систему. Совместно с акустическим оформлением (АО), динамик представляет собой фильтр высоких частот (ФВЧ), что позволяет при расчётах использовать математический аппарат, позаимствованный из теории фильтров.

Оценка значений Тиль-Смолл параметров динамика, и в первую очередь, полной добротности Qts, позволяет судить о целесообразности применения динамика в акустических системах с тем или иным типом акустического оформления (АО). Для АС с акустическим оформлением фазоинверсного типа в основном используются динамики со значением полной добротности до 0,4. Стоит отметить, что фазоинверсные системы являются наиболее требовательными, с точки зрения проектирования, по-сравнению с АС, имеющими закрытое и открытое АО. Данная конструкция чувствительна к ошибкам, допущенным в расчётах и при изготовлении корпуса, а также при использовании недостоверных значений параметров НЧ динамика.

При выборе НЧ динамика большую роль играет параметр Xmax. Xmax показывает максимально допустимое смещение диффузора, при котором в зазоре магнитной цепи динамика сохраняется постоянное количество витков провода звуковой катушки (см. рис. ниже).

Для сателлитных акустических систем подойдут динамики с Xmax=2-4мм. Для сабвуферов следует применять динамики с Xmax=5-9мм. При этом сохраняется линейность преобразования электрических колебаний в акустические на больших мощностях (и, соответственно, больших амплитудах колебаний), что проявляется в более эффективном излучении низких частот.

Если вы приняли решение об изготовлении акустической системы «своими руками», перед вами неизбежно встанет вопрос о выборе фирменных комплектующих, в частотности динамиков. Не имея опыта эксплуатации продукции различных производителей иногда сложно сделать оптимальный выбор. Приходится руководствоваться множеством факторов, сравнивать по многим параметрам, не только имеющих отношение к паспортным характеристикам. Динамики АКТОН удачно дополнят вашу АС, поскольку, помимо высокого качества, обладают рядом преимуществ:

• имеют оптимальное соотношение цена/качество в своём сегменте;
• динамики специально разработаны для профессиональных АС, используемых для озвучивания социально-культурных мероприятий;
• для динамиков разработана документация по изготовлению корпусов;
• взаимодействие потребителя с производителем осуществляется напрямую без посредников, что позволяет избежать проблем с доступностью любых запчастей и комплектующих;
• информационная поддержка по вопросам конструирования АС;
• высокая надёжность работы динамиков АКТОН.

С модельным рядом динамиков АКТОН вы можете ознакомиться .

Выбор высокочастотного динамика

При выборе ВЧ динамика, по АЧХ определяют нижнюю частоту воспроизводимого им диапазона. Необходимо чтобы полоса частот ВЧ динамика несколько перекрывала полосу частот НЧ динамика.

Некоторые ВЧ динамики предназначены для работы совместно с рупором. В отличие от ВЧ динамиков прямого излучения (или, как их называют, твиттеров), рупорные ВЧ динамики, благодаря свойствам рупора имеют более низкую граничную частоту воспроизводимого звукового диапазона. Нижняя граничная частота такого ВЧ динамика может составлять примерно 2000-3000Гц, что позволяет во многих случаях отказаться от СЧ динамика в АС.

Из-за конструктивных особенностей, ВЧ динамики, как правило, имеют более высокую чувствительность, по сравнению с НЧ динамиками. Поэтому на этапе проектирования фильтра , в нём предусматривают цепь аттенюатора (подавителя), необходимого для понижения избыточного излучения, который приводит значения чувствительностей ВЧ и НЧ динамиков к одинаковому уровню.

При выборе ВЧ динамика важно учитывать его мощность, которая выбирается исходя из мощности НЧ динамика. При этом мощность ВЧ динамика принимается ниже мощности НЧ динамика, что вытекает из анализа спектральной плотности звукового сигнала, соответствующей розовому шуму (имеющему спад в сторону высоких частот). Для практического расчёта мощности, рассеиваемой на ВЧ динамике в АС с частотой раздела 3-5кГц, можно воспользоваться калькулятором на нашем сайте.

Напомним, ВЧ динамики недопустимо использовать без фильтра высоких частот (ФВЧ), ограничивающего проникновение низкочастотной части спектра.

Факторы повреждения динамиков

В случае наступления нештатных режимов работы возможны механические и электрические повреждения динамиков. Механические повреждения возникают, когда амплитуда колебаний диффузора превышает допустимую амплитуду, которая зависит от механических свойств элементов подвижной системы. Наиболее критичная частотная зона для таких повреждений находится вблизи частоты механического резонанса динамика и ниже, т.е. там, где амплитуда колебаний максимальна. Электрические повреждения возникают в результате необратимого перегрева звуковой катушки. Наиболее критичная полоса частот для повреждений такого рода соответствует полосе, находящейся вблизи электро-механического резонанса динамика. Повреждения обоих видов наступают в результате превышения максимально допустимой электрической мощности, подводимой к динамику. Для того чтобы избежать таких последствий величина максимальной мощности нормируется.

Есть несколько стандартов, пользуясь которыми производители нормируют мощности своих изделий.Наиболее близким с точки зрения реальных условий в случае использования акустической системы для озвучивания массовых мероприятий можно привести стандарт AES. Мощность согласно этому стандарту определяется как квадрат среднеквадратического значения напряжения в определённой полосе розового шума, который динамик способен выдерживать в течении не менее 2-х часов, делённое на значение минимального импеданса Zmin. Стандарт регламентирует нахождение динамика в «свободном воздухе» без корпуса. Некоторые производители при испытаниях помещают динамик в корпус, приближая таким образом условия его работы к реальным условиям, что с их точки зрения, приводит к более объективным результатам. Известное значение мощности динамика служит ориентиром при выборе усилителя, мощность которого должна соответствовать значению мощности AES динамика.

Стоит заметить, что реальное значение мощности, подведённой к динамику, с трудом поддаётся оценке без проведения специальных измерений и может отличаться в широких пределах даже при одинаковой установке регулятора уровня громкости на устройствах звукового тракта.

На это могут оказывать влияние многие факторы, такие как:

• Спектр воспроизводимого сигнала (музыкальный жанр, частотный и динамический диапазон музыкального произведения, преобладающие музыкальные инструменты);
• Характеристики пассивных фильтрующих цепей и активных кроссоверов, ограничивающих спектр исходного сигнала, поступающего на динамики;
• Использование эквалайзера и других устройств частотной коррекции в звуковом тракте;
• Режим работы усилителя (появление нелинейных искажений и клиппирования);
• Конструкция корпуса акустической системы;
• Неисправность усилителя (возниконовение постоянной составляющей в спектре усиленного сигнала)

Следующие меры повышают надёжность эксплуатации акустических систем:

• Понижение верхней граничной частоты работы НЧ динамика, используя фильтр низких частот (ФНЧ). В этом случае ограничивается часть спектра сигнала, которая вносит существенный вклад в разогрев катушки;
• Ограничение полосы частот ниже частоты настройки фазоинвертора, используя цепи LOW-PASS (фильтр высоких частот). Данная мера ограничивает амплитуду колебаний диффузора за пределами рабочего диапазона АС со стороны низких частот, предотвращая механические повреждения НЧ динамика;
• Настройка ФВЧ ВЧ динамика на более высокую частоту;
• Конструирование корпусов АС, обеспечивающих наилучшие условия естественной конвекции динамиков;
• Исключение работы АС с усилителем, работающим в режиме нелинейных искажений, клиппирования;
• Предотвращение возникновения громких коммутационных щелчков, «заводки» микрофона;
• Использование лимитера в звуковом тракте.

Отметим, что акустические системы, которые используются для профессионального озвучивания (особенно в условиях дискотек) часто вынуждены работать на высоких мощностях. Во время работы нагрев звуковой катушки динамика может достигать 200 градусов, а элементов магнитной цепи - 70 градусов. Долговременная работа на предельных режимах приводит к тому, что динамики "горят". Это может быть вызвано превышением допустимой электрической мощности, подаваемой на динамик, а также неисправностью усилителя. Во многом, сохранность комплекта зависит от квалификации диджея. В связи с этим, какой бы динамик вы не выбрали, необходимо учитывать доступность ремкомплектов. При этом ситуация осложняется ещё и тем, что как правило единовременно сгорает не один динамик, а несколько, что выводит из строя весь комплект. Учитывая всё вышесказанное, заключим, что вопрос о сроках и стоимости поставки ремкомплектов также крайне важен на этапе выбора динамиков для АС.

http://www. /shikhman/arts/xe. htm

О БЕДНОЙ ПИЩАЛКЕ ЗАМОЛВИТЕ СЛОВО

Традиционно раздел полос СЧ и ВЧ (или мидбас-ВЧ) производят пассивными кроссоверами (разделительными фильтрами). Это особенно удобно при использовании готовых компонентных наборов. Однако, хотя характеристики кроссоверов и оптимизированы для данного комплекта, они не всегда удовлетворяют поставленной задаче.
Рост индуктивности звуковой катушки с частотой приводит к увеличению импеданса головки. Причем индуктивность эта у "среднестатистического" мидбаса составляет 0,3-0,5 мГн, и уже на частотах 2-3 кГц импеданс возрастает практически в два раза. Поэтому при расчете пассивных кроссоверов применяют два подхода: используют в расчетах реальное значение импеданса на частоте раздела или вводят цепи стабилизации импеданса (компенсаторы Цобеля). Об этом уже написано немало, поэтом не будем повторяться.
У пищалок стабилизирующие цепи обычно отсутствуют. При этом исходят из того, что рабочая полоса частот невелика (две-три октавы), а индуктивность незначительна (обычно менее 0,1 мГн). Вследствие этого рост импеданса невелик. В крайнем случае, увеличение импеданса компенсируют резистором сопротивлением 5-10 Ом, включенным параллельно пищалке.
Однако все не так просто, как кажется на первый взгляд, и даже такая скромная индуктивность приводит к любопытным последствиям. Проблема заключена в том, что пищалки работают совместно с фильтром ВЧ. Независимо от порядка в нем имеется емкость, включенная последовательно с пищалкой, и она образует с индуктивностью звуковой катушки колебательный контур. Частота резонанса контура оказывается в полосе рабочих частот пищалки, и на АЧХ возникает "горб", величина которого зависит от добротности этого контура. В результате неизбежна окраска звучания. В последнее время появилась немало моделей пищалок высокой чувствительности (92 дБ и выше), индуктивность которых достигает 0,25 мГн. Поэтому вопрос согласования пищалки с пассивным кроссовером приобретает особую остроту.
Для анализа использовалась среда моделирования Micro-Cap 6.0, но те же результаты можно получить и с помощью других программ (Electronic WorkBench, например). В качестве иллюстраций приведены только наиболее характерные случаи, остальные рекомендации даны в конце статьи в виде выводов. В расчетах использовалась упрощенная модель пищалки, учитывающая только ее индуктивность и активное сопротивление. Данное упрощение вполне допустимо, поскольку резонансный пик импеданса большинства современных пищалок невелик, а частота механического резонанса подвижной системы находится за пределами рабочей полосы частот. Учтем также, что АЧХ по звуковому давлению и АЧХ по электрическому напряжению - две большие разницы, как говорят в Одессе.
Взаимодействие пищалки с кроссовером особенно хорошо заметно у фильтров первого порядка, характерных для недорогих моделей (рисунок 1):

хрустальную" окраску. Увеличение индуктивности смещает резонансный пик в область более низких частот и увеличивает его добротность, что приводит к заметному "цыканью". Побочное следствие увеличение добротности, которое можно обратить на пользу - увеличение крутизны АЧХ. В области частоты раздела она близка к фильтрам 2 порядка, хотя на большом удалении возвращается к исходному для 1 порядка значению (6 дБ/октава).
Введение шунтирующего резистора позволяет "приручить" горб на АЧХ, так что на кроссовер можно возложить и некоторые функции эквалайзера. Если шунт сделать на основе переменного резистора (или набора резисторов с переключателем), то можно проводить даже оперативную регулировку АЧХ в пределах 6-10 дБ. (рисунок 2):

DIV_ADBLOCK703">

https://pandia.ru/text/78/430/images/image004_61.jpg" width="598" height="337 src=">
рисунок 4

Третий способ - введение резистора последовательно с пищалкой. Особенно удобен этот способ для пищалок индуктивностью свыше 100 мГн. В этом случае суммарный импеданс цепи "резистор-пищалка" в процессе регулирования изменяется незначительно, поэтому уровень сигнала практически не изменяется (рисунок 5):

disc"> Стабилизирующие цепи не обязательны только для пищалок малой индуктивности (менее 0,05 мГн). Для пищалок с индуктивностью звуковой катушки 0,05-0,1 мГн наиболее выгодны параллельные стабилизирующие цепи (шунты). Для пищалок с индуктивностью звуковой катушки более 0,1 мГн можно использовать как параллельные, так и последовательные стабилизирующие цепи. Изменение сопротивления стабилизирующей цепи позволяет воздействовать на АЧХ. Для фильтров 1 порядка изменение параметров стабилизирующей цепи оказывает заметное влияние на частоту среза и параметры "горба". У фильтров 2 порядка частота среза определяется параметрами его элементов и зависит от индуктивности головки и параметров стабилизирующей цепи в меньшей степени. Величина резонансного "горба", вызванного индуктивностью пищалки, находится в прямой зависимости от сопротивления шунта и в обратной зависимости от сопротивления последовательного резистора. Величина резонансного "горба" в области частоты среза находится в прямой зависимости от добротности фильтра. Добротность фильтра пропорциональна результирующему сопротивлению нагрузки (ВЧ головки с учетом сопротивления стабилизирующей цепи). Фильтр повышенной добротности можно рассчитывать по стандартной методике, но на сниженное в 2-3 раза относительно номинального сопротивление нагрузки.

Предложенные способы регулирования АЧХ применимы и к фильтрам более высоких порядков, но, поскольку число "степеней свободы" там возрастает, дать конкретные рекомендации в этом случае затруднительно. Пример изменения АЧХ фильтра третьего порядка за счет шунтирующего резистора приведен на рисунке 6:

домашние" трех-четырех полосные АС имели переключаемые АЧХ "normal/crystal/chirp" ("гладкий-хрустальный-чирикающий"). Это достигалось изменением уровня полос СЧ и ВЧ.
Переключаемые аттенюаторы используются в составе многих кроссоверов, причем по отношению к пищалке их можно рассматривать как комбинацию последовательных и параллельных стабилизирующих цепей. Воздействие их на результирующую АЧХ предсказать достаточно сложно, в этом случае удобнее прибегнуть к моделированию.

DIV_ADBLOCK705">

После непродолжительного прослушивания музыкальных композиций я пришел к выводу, что на повышенном уровне громкости уровень звукового давления ВЧ преобладал над остальными частотами в такой мере, что возникал дискомфорт. Приходилось либо пользоваться регуляторам тембра, либо просто выключать музыку. По своей натуре, я ни того, ни другого не хотел, поэтому включился в борьбу за "комфортный" звук.

Первым делом в кроссовере появилось сопротивление, включенное последовательно с динамиком (рис.2). Конденсатор пришлось подобрать заново, потому что сопротивление нагрузки изменилось и частота среза вместе с ним. Звуковое давление было снижено.

Но "комфортность" достигнута не была. Появился обратный эффект. На повышенных уровнях громкости ВЧ составляющих было в меру, но при уменьшении громкости рука сама тянулась к регуляторам тембра.

Пришлось испробовать другой вариант регулирования звукового давления - шунтирование головки сопротивлением 10-30 Ом (рис.3). Такой метод иногда используется. Чем меньше номинал шунтирующего сопротивления, тем больше подавление.

Но картина получилась несколько иная, чем было задумано. В основном подавляется резонансный "горб", а общее изменение уровня незначительное. Воздействие на АЧХ - тоже неплохо, но основная задача так и не была решена. Без регуляторов тембра ничего не получалось.

Последовательные и параллельные резисторы или цепи в данном случае называют диссипаторами. (dissipate означает рассеивать). Они не только рассеивают мощность, но и поглощают продукты интермодуляционных искажений в динамике. Так что влияние их на характер звучания особенно должно быть заметно в недорогих пищалках (Ред.)

Регулировка тембра по своей сути - это увеличение или снижение звукового давления в определенной полосе частот, зависящей от конкретной модели головного устройства. Возможности регулировки у всех разные: на одних аппаратах их хватило бы, на других нет. Еще есть мнение, что использование встроенных регуляторов тембра ухудшает звучание системы по причине коррекции АЧХ головного устройства и дополнительных фазовых искажений.
Кроме того, существуют ограничения по применяемой схеме установки акустики. При использовании двухполосного фронта, когда полоса регулировки практически полностью совпадает с зоной работы ВЧ головки, регулировка звукового давления регулятором тембра не столь критична. Но в системах, имеющих три полосы, такая регулировка не может дать желаемого эффекта, так как при ее использовании будет искажаться частотная характеристика СЧ головки, часть рабочей полосы которой обязательно попадает в зону регулировки тембра ВЧ.
Как выход из положения, в этих случаях оправдано применение эквалайзера с достаточным числом полос регулирования. Применение простого 7-9 полосного эквалайзера может не дать желаемого эффекта. Более развитые эквалайзеры уже стоят значительных денег, что резко, можно даже сказать - полностью исключает их применение в большинстве любительских установок. Хотя, если рассматривать систему в целом, применение многополосного эквалайзера позволит сократить время при полной настройке всей системы. Но речь сейчас идет не об этом.

Возникла идея - использовать для ограничения уровня ВЧ-составляющих при большой громкости лампы накаливания. При нагреве сопротивление спирали увеличится и мощность будет ограничена. В кроссоверах для защиты от перегрузки иногда используют барретеры - те же лампы, но наполненные водородом . Водород способствует быстрому восстановлению низкого сопротивления нити. При этом за счет резкого изменения сопротивления будет нарушена динамика воспроизведения высоких частот. Если же использовать обычную лампу - произойдет плавная компрессия высокочастотного диапазона. Нить накаливания имеет тепловую инерцию, зависящую от ее массы. Чем мощнее лампа, тем больше тепловая инерция.

Применение лампочки в роли диссипатора первоначально было промоделировано на компьютере с помощью программы MicroCap. Схема кроссовера приняла следующий вид (рис.4):

Была смоделирована схема кроссовера, головка была заменена эквивалентной схемой (для учета влияния индуктивности самой головки). Затем были получены графики АЧХ для всех рассмотренных выше вариантов.

Результаты моделирования АЧХ приведены на графике (рис.8): На малой громкости сопротивление лампочки составляет порядка 0,5 Ома. АЧХ кроссовера на этом участке практически совпадает с АЧХ кроссовера без сопротивлений.

Из графиков АЧХ видно, что снижение давления на - 3 дБ для всех кривых происходит примерно на одной частоте. Для варианта с шунтирующим сопротивлением был изменен номинал конденсатора, так как частота среза при рассматриваемом номинале ушла вверх.

Кривая 1 - АЧХ кроссовера без сопротивлений. Кривая 2 - АЧХ кроссовера с последовательным сопротивлением 1,2 Ома. Кривая 3 - АЧХ кроссовера с шунтирующим сопротивлением 16 Ом и конденсатором 3,5 мкФ. Кривая 4 - АЧХ кроссовера с лампочкой. Сопротивление лампы в результате нагрева спирали принято 4 Ом. Кривая 5 - АЧХ кроссовера с лампочкой. Сопротивление лампы в результате нагрева спирали принято 6 Ом.

После "теоретической части" перешел к практике. Нужно было измерить сопротивление ламп при разном напряжении. Задавая реостатом различный ток, замерял напряжение на лампе, силу тока и вычислял сопротивление по закону Ома. Для трех типов ламп получились следующие результаты (рис. 9-11):

На графиках отмечено значение напряжения, при котором начинается слабый накал центра спирали.

Результаты

После внесении изменений в схему своего кроссовера приступил к прослушиванию. Напомню, что "комфортность" звучания определялась на слух. Использование RTA анализатора при проведении не предполагалось по причине отсутствия оного даже в масштабах города. Только на слух. Если при продолжительном прослушивании не возникает желания воспользоваться регулировками тембра, или выключить источник "раздражения", то я считаю, что цель достигнута.
В моей системе установка лампочек от фонарей освещения салона, как мне кажется, дала ожидаемый эффект. Пропал эффект "подсвистывания", и отпала необходимость пользоваться регуляторами тембра при увеличении или уменьшении громкости.

СИАМСКИЕ БЛИЗНЕЦЫ

Во многих современных инсталляциях применяют двойной комплект пищалок. Причина - возросшие требования к качеству звучания. Расширение диаграммы направленности двойного излучателя позволяет упростить настройку звуковой сцены, снижена возможность перегрузки пищалок при больших уровнях громкости. Внешняя привлекательность тоже играет не последнюю роль, особенно в выставочных работах.
Еще один аргумент в пользу такого решения возникает при поканальном усилении. Известное противоречие между неравномерным распределением энергии музыкального сигнала по спектру и равной мощностью каналов усилителя элегантно разрешается при последовательном включении пищалок. В этом случае максимальная выходная мощность "пищалочных" каналов усилителя уменьшается вдвое по сравнению с обычной нагрузкой, что позволяет полнее использовать его динамический диапазон и снизить искажения.
Однако все сказанное выше подразумевает использование совершенно одинаковых пищалок. Возможен и другой вариант - с разными пищалками, воспроизводящими отдельные диапазоны частот. Истоки этого решения надо искать в домашних акустических системах четвертьвековой давности. Воспроизведение всего диапазона частот выше 3-5 кГц одной пищалкой было тогда достаточно сложной задачей, поэтому он был разделен. Полосу от 3-5 до 10-12 кГц воспроизводил обычный для тех лет диффузорный высокочастотник небольшого размера, а все, что выше - купольный или ленточный рупорный супертвиттер. По мере развития технологий это решение из массовой домашней аппаратуры ушло, но имеет все шансы вернуться в автомобильную.
Проблема воспроизведения всего высокочастотного диапазона одной пищалкой решена давно, но хорошая широкополосная пищалка - нежное и недешевое изделие. По крайней мере, в нижнем и среднем диапазоне цен ни одна конструкция и материал купола пока что не могут одновременно удовлетворить всем требованиям, по большей части противоречивым. Необходима высокая жесткость, малая масса, хорошее внутреннее демпфирование. Поэтому для массовых изделий итоги неутешительны:

Текстильный купол обеспечивает прекрасную проработку верхней середины и детальность звучания, но на верхнем краю диапазона звучание обычно приглушено (завал АЧХ). Металлический купол обеспечивает великолепное воспроизведение высокочастотного участка диапазона. Однако низкочастотный участок диапазона не всегда воспроизводится адекватно, звучание нередко окрашено резонансами самого купола (эффект камертона). Полимерный или металлизированный купол обеспечивает достаточно широкий диапазон частот, но, как правило, со значительной неравномерностью АЧХ и диаграммы направленности. Вследствие этого звучание может принимать различную окраску.

Вывод: достоинства разных материалов надо объединять, а недостатки - компенсировать. В качестве объекта исследования выступили пищалки:

Prology RX-20s (шелковый купол, индуктивность 0,22 мГн) Prology CX-25 (майларовый купол с металлизацией, индуктивность 0,03 мГн)

Прослушивание показало, что шелковой пищалке при всей детальности звучания недостает "воздуха", а майларовая пищалка прекрасно "цыкает", но при работе с фильтром первого порядка обладает пронзительным "голосом". Очевидно, что при соответствующем выборе частоты раздела они составили бы прекрасную пару.
В целях упрощения конструкции и облегчения условий работы усилителя выгоднее всего применять фильтры первого порядка. Они создают минимальные фазовые искажения, чем выгодно отличаются от других конструкций. Однако фильтры первого порядка обеспечивают слишком малое затухание за пределами рабочей полосы, поэтому пригодны только при небольшой подводимой мощности или достаточно высокой частоте раздела (7-10 кГц). Поэтому в большинстве серьезных конструкций используют фильтры более высоких порядков, от второго до четвертого.
В данном случае было решено применить фильтр квазивторого порядка, использующий индуктивность звуковой катушки. Чувствительность пищалок оказалось практически одинаковой, а индуктивность отличалась почти на порядок. Это заметно упростило конструкцию пассивного кроссовера, поскольку индуктивность звуковой катушки вошла в схему.
Идея была навеяна статьей "О бедной пищалке замолвите слово" ("Мастер 12вольт" № 47). В ней было рассмотрено взаимодействие кроссовера и пищалки, а также методы воздействия на результирующую АЧХ. При работе с пассивным фильтром ВЧ индуктивность звуковой катушки образует с емкостью фильтра колебательный контур, частота его резонанса оказывается в полосе рабочих частот пищалки. В результате на АЧХ возникает "горб", величина которого зависит от добротности этого контура. Результатом этого может быть окраска звучания и другие артефакты. Однако в ряде случаев эти явления можно обратить на пользу.

https://pandia.ru/text/78/430/images/image020_18.gif" width="420" height="320 src=">
рисунок 2

Конденсатор C1 определяет нижнюю границу диапазона воспроизводимых частот всей системы. Индуктивность звуковой катушки BA1 участвует в формировании АЧХ. В области частоты раздела крутизна АЧХ близка к фильтрам 2 порядка, хотя на большом удалении возвращается к исходному для 1 порядка значению (6 дБ/октава). Верхняя граница диапазона для BA1 формируется акустически. Поскольку отдача шелковой пищалки на частотах выше 11 кГц заметно снижается, вводить дополнительное затухание сигнала нет смысла. В то же время индуктивность звуковой катушки и конденсатор C2 образуют режекторный контур (фильтр-пробку) на частоту порядка 5 кГц. Подавление этой области частот устранило "пронзительное" звучание майларовой пищалки, сохранив за ней воспроизведение только высокочастотного участка диапазона.
АЧХ кроссовера по напряжению приведена на рисунке 3.

DIV_ADBLOCK711">

УЛУЧШЕНИЕ ЗВУЧАНИЯ КОАКСИАЛЬНЫХ ДИНАМИКОВ

Компонентные акустические системы получили в car audi o широкое распространение, причем с появлением бюджетных комплектов область их применения заметно расширилась. Удобство компоновки, легкость настройки звуковой сцены снискали им заслуженную популярность. Однако в некоторых случаях удобнее использовать коаксиальные динамики. Причин может быть много: сложность косметической интеграции компонентных систем или дополнительных пищалок, желание сохранить исходный вид салона, нестандартный размер и т. д. В некоторых случаях заменить штатные коаксиалы другими динамиками вообще невозможно без кардинальной переделки посадочных мест из-за специфических размеров или особенностей конструкции. Что же делать в этом случае? Постараться выжать максимум из имеющегося "сырья".
Чаще всего коаксиальные динамики установлены в торпедо и работают в акустическом оформлении "открытый корпус". Вследствие акустического короткого замыкания воспроизведение частот ниже 200-300 Гц значительно ослаблено независимо от размера диффузора и частотной характеристики самого излучателя. Все попытки воспроизвести хоть какое-то подобие баса без доработки штатного места лишены смысла. Поэтому будем рассматривать коаксиал в торпедо исключительно как СЧ-ВЧ излучатель, и исследуем, как можно улучшить его характеристики в этой роли.

Три источника и три составные части
(не марксизма, конечно, а коаксиала):

Основной излучатель Дополнительный излучатель Кроссовер

Основной излучатель массовых конструкций снабжен диффузором из полипропилена различных модификаций, а в штатных коаксиалах он нередко бумажный. С точки зрения качества звучания последний вариант предпочтительнее. Почему - понятно: плавный переход из поршневого режима работы в зонный, отсутствие призвуков, малая масса, достаточно высокая верхняя граница частотного диапазона (7-10 кГц).
Если обратиться к статистике, то большинство коаксиалов "торпедного" калибра (10-13 см) снабжены одним дополнительным излучателем. Чаще всего это пищалка с текстильным или пластиковым куполом диаметром 13-18 мм, иногда металлизированным. Собственная частота резонанса таких излучателей 1,5-3 кГц, это запомним на будущее.
Кроссовер большинства коаксиалов работает только с пищалкой и образован единственным конденсатором емкостью 3,3-4,7 мкФ, чаще всего - электролитическим. Таким образом, это простейший фильтр первого порядка с частотой среза 6-9 кГц, поэтому подавление внеполосных сигналов недостаточное, возможна перегрузка пищалки. Следствие - "поросячий визг" и заметные резонансные призвуки.

С чего начать

Итак, первый и самый очевидный путь повышения качества звучания - заменить оксидный конденсатор в кроссовере более приличным, а заодно и пересмотреть его номинал. Если основной излучатель бумажный, то он уверенно отыгрывает диапазон средних частот, и помощь пищалки требуется лишь на высокочастотном участке диапазона. В таком случае емкость конденсатора можно снизить вплоть до 2 мкФ, это сдвинет максимальную отдачу в область частот выше 10 кГц. Как отмечалось в свое время ("О бедной пищалке замолвите слово" - "Мастер 12вольт" № 47), электрический резонанс емкости фильтра с индуктивностью звуковой катушки пищалки формирует небольшой горб на АЧХ, вот его мы и "задвинем" наверх, чтобы улучшить отдачу в этом диапазоне частот. Повышение частоты раздела повысит и перегрузочную способность пищалки, это позволит без риска подводить к динамикам более высокую мощность.
Теперь займемся основным излучателем. Поскольку в коаксиалах не используют склонные к внутренним резонансам "жесткие" диффузоры, то переход из поршневого режима работы в зонный происходит плавно. Поэтому дополнительно ограничивать полосу частот сверху не требуется.
Рост индуктивности звуковой катушки с частотой приводит к увеличению импеданса головки. Причем индуктивность эта у "среднестатистического" коаксиала составляет 0,2-0,4 мГн, и уже на частотах 2-3 кГц импеданс возрастает практически в два раза. Обстоятельство неприятное, но в нашем случае и его можно обратить на пользу.
В случае компонентной акустики в кроссовере обычно имеется стабилизатор импеданса в виде RC-цепи, подключенной параллельно динамику. В ряде работ показано, что для среднечастотных головок удобнее оказывается включение последовательного резистора (диссипатора). При таком подключении головка питается уже не от источника напряжения, а от источника тока, поэтому происходит не только стабилизация импеданса в широком диапазоне частот, но и значительное снижение интермодуляционных искажений, особенно заметное при использовании недорогих широкополосных и среднечастотных головок.
Практика показывает, что достаточно установить резистор с сопротивлением, приблизительно равным 0,5-1 номинального импеданса головки. Для частоты раздела выше 300 Гц мощность рассеяния резистора должна равняться 15-20% номинальной мощности головки. Следует также учитывать снижение отдачи и ухудшение демпфирования, но мы договорились не рассматривать низкочастотную область.
Теперь посмотрим, к чему приведет включение резистора последовательно с коаксиальной головкой. Для моделирования, как обычно, используем среду MicroCap и простую модель динамической головки со средними для коаксиалов значениями Re и Le.

бубнению" в области частоты резонанса основного динамика (100-150 Гц). Но, поскольку чувствительность снизилась примерно на 6 дБ, о подключении доработанного коаксиала к встроенному усилителю головного устройства, скорее всего, придется забыть. А раз так - во внешнем усилителе найдется активный кроссовер, чтобы ограничить снизу рабочую полосу частот.
В порядке эксперимента доработке были подвергнуты несколько коаксиальных динамиков разных марок:

AUDAX (штатные Renault) Prology PX-1022 JBL P-452

Во всех случаях было отмечено "просветленное" звучание среднечастотного диапазона, исчезла "сиплость" пищалки при большой подводимой мощности, улучшился общий тональный баланс. Даже грубые AUDAX с тяжелыми картонными диффузорами и отвратительными пищалками - и те обрели второе дыхание.

Если вы спросите меня зачем это нужно, то отвечать я вам не буду – значит эта статья не для вас. Если же с мотивацией у вас все в порядке, то предлагаю к ознакомлению некоторые результаты, полученные мной теми скромными средствами и знаниями, которые имеются у меня в наличии.

Для начала – подопытный кролик, кто он?

Наш пациент – высокочастотный динамик с конусной диафрагмой 3ГД-31. Главная претензия к нему – это значительная неравномерность и неровность АЧХ. Т.е. кроме неравномерности около 10дБ между максимальными пиком и провалом имеется множество более мелких неровностей, в результате чего АЧХ похожа на лес. Я решил не приводить измеренных характеристик в начале статьи, т.к. более наглядно будет разместить их рядом с финальными, полученными после всех изменений конструкции.
Основная идея моих действий, точнее две основных идеи, заключается во первых, в добавлении звукопоглощающих элементов внутрь объема динамика с целью подавления резонансов, возникающих в замкнутом объеме с твердыми стенками, легко отражающими звук без заметного поглощения его энергии, каковым является корпус указанного динамика. Вторая идея – обработка самого материала диффузора (нет, не жидкостью А. Воробьева;-)), а лаком, в результате чего получается композитный материал, превосходящий исходный (бумагу) по жесткости, но не уступающий ему по демпфированию собственных резонансов, что уменьшает изгибные деформации диффузора во время его работы и тем самым способствует уменьшению резонансных пиков-провалов на ачх.

Чего это мне в голову стукнуло?

Дело в том, что я давно уже провожу подобные эксперименты и получил довольно много подтверждений правильности и полезности моего подхода, но все результаты были довольно разрозненными. Отчасти это было следствием недостатка опыта в акустических измерениях (а более в интерпретации полученных результатов), отчасти следствием неполной оформленности самой идеи, общего плана действий. И вот когда вся эта мозаика сложилась у меня в голове в более или менее цельную картину, я решил провести эксперимент от начала до конца, одновременно делая все измерения.

Итак, что было сделано?

Для начала, динамик был разобран. Для этого были отпаяны выводы катушки динамика от клемм на корпусе, затем, после размачивания ацетоном, отделено уплотнительное картонное кольцо и таким же образом отклеен сам диффузор от металлической «воронки» корпуса. Далее диффузор был извлечен из корпуса и отложен пока в сторону.
Сначала обработке был подвергнут корпус динамика. Из сукна, толщиной около 3мм были вырезаны сектора, точно покрывающие внутреннюю поверхность корпуса, представляющего собой усеченный конус. На дно (меньшее основание усеченного конуса) из того же материала был вырезан кружок с отверстием в середине для катушки. После этого внутренняя поверхность корпуса и поверхность заготовок из сукна были намазаны одним слоем клея «Момент» и практически сразу (т.к. сохнет он очень быстро и когда я закончил намазывать суконные выкройки, слой на корпусе уже засох) прижаты друг к другу. Вот фотография получившегося полуфабриката.

В этот момент мне в голову пришла идея, что в изломанной ачх могут быть виноваты не только резонансы в объеме корпуса, но и в самих стенках, т.к. корпус представляет из собой этакий колокольчик из штампованного листового металла. Для измерения его резонансов я применил следующую методику. Расположив корпус на мягком основании, магнитом вниз, установил микрофон прямо над ним, включил запись звука и несколько раз ударил снаружи по корпусу пластмассовой ручкой отвертки. Затем выбрал из записи наиболее удачный (по уровню) сигнал и импортировал его в LspLab для анализа. Результаты чуть позже. Затем, для того, чтобы задемпфировать корпус, он был снаружи обклеен резиной из древней велосипедной камеры, по той же технологии, что и предыдущая обклейка сукном. Затем, после полного высыхания – через сутки, снова проведены испытания, по той же методике, что и выше. Однако, звук от удара при этом был на много слабее, по этому я машинально ударял чуть сильнее, чем при первом замере – из-за этого уровень сигнала при втором измерении на мой взгляд получился несколько завышенным, но это не играет в данном случае существенной роли. Итак, вот первые сравнительные результаты – переходная характеристика корпуса динамика (в виде сонограммы). Внизу исходный вариант.

Отчетливо видно, что после проведенной доработки все резонансы выше 3кГц были подавлены на величину уровня более 20дБ! Из этого изображения создается впечатление, что основной резонанс на 1200Гц (кстати, что интересно, у диффузора динамика основной резонанс расположен точно на той же частоте) стал намного сильнее. Это не верно, т.к. программа нормализует уровни на сонограмме так, что красными становятся самые «сильные» сигналы, однако эта шкала справедлива только внутри одного графика, а на изображении их два, по этому красный на верхнем графике на 20 дБ слабее красного на нижнем графике! Вот еще один – уже более привычный график – ачх обоих измерений.

Видно что эффективность демпфирования растет с частотой и подавление на частотах 3кГц и выше превышает 30дБ! И это притом, что, как я уже говорил, во втором измерении я ударял по корпусу сильнее! Вам, любители «успокаивать» ящики АС, на заметку - дарю!

Диффузор был покрыт (не пропитан, а именно покрыт) нитролаком (он из всех испытанных для этой цели материалов оказал наилучшее влияние на свойства динамиков). С внутренней стороны только в один слой, с наружной в три. Но, конечно это были не такие слои, которые намалевывают не стены! При нанесении мягкой кисточкой первого слоя, поверхность только увлажняется, причем несильно. Второй и третий слои немного потолще, но в сумме, три слоя такие тонкие, что из под них все еще проглядывает волокнистая структура бумаги.

Перед сборкой в полость между корпусом и диффузором был дополнительно вложен «бублик» из ваты, чтобы по возможности добиться максимального поглощения звука в объеме. На следующем рисунке корпус, приготовленный к сборке.

Еще одно изменение было сделано с выводами катушки. Первоначально тонкие проводки самой обмотки катушки были припаяны к медным клепочкам на диффузоре (причем напаяны были здоровенные капли припоя!), что должно создавать новую резонансную систему из массы всего этого металла и жесткости части диффузора, на которую это все налеплено. Мне это положение вещей совсем не нравилось, по этому я решил все переделать. Отпаял проводки катушки от клепок, высверлил их и припаял поводки, соединяющие катушку с внешними клеммами прямо к проводкам звуковой катушки. На следующем снимке, правда не очень хорошего качества, изображено новое положение вещей. Оставшиеся отверстия заклеены кружками из бумаги.

Теперь приведу суммарный результат.

Для начала, вот ачх исходного динамика и его же после переделки. Жирными линиями показаны ачх и фчх после переделки.

На первый взгляд особых успехов я не достиг. Ну, уменьшился провал на 4кГц примерно на 3дБ, уменьшился на пару дБ пик на 9кГц, да выровнялась ачх с 12 до 20кГц. Вполне можно списать на случайные явления – удачно перераспределились резонансы в диффузоре. Однако, следует сказать, что динамик этот для целей моего эксперимента не был очень удачным – он изначально имел почти предельное для своей конструкции качество. Для сравнения приведу аналогичную пару ачх для другого образца – похуже.

Тут все чудодейственное влияние доработки на лицо! Однако в основу статьи я беру не этот динамик потому, что в этом случае это все данные которые я получил, а на описанный выше динамик я собрал больше информации.

Теперь хочу привести переходные характеристики динамика. Они как и для корпуса – в виде сонограмм, на мой взгляд так более наглядно.

Отчетливо видно, что у исходного динамика имеются задержанные резонансы в районе 5 и 10 кГц, доходящие по длительности до 1.3мс. После доработки они во первых, укорачиваются в 1.5 раза, а во вторых, рассыпаются на множество более мелких как по интенсивности, так и по длительности. Выше 10кГц их вообще нет – исчезли. В целом импульсная характеристика улучшилась намного заметнее чем ачх.
На основании этого эксперимента, а так же нескольких предшествующих, я пришел к выводу, что лаковое покрытие в основном влияет на работу динамика в самом высокочастотном диапазоне, а различные звукопоглощающие материалы работают на среднечастотном диапазоне.
Демпфирование корпуса, по видимому, не оказало существенного влияния на результат.

В заключение хочу сказать, что эта статья написана в основном с целью познакомить людей, не имеющих средств инструментальной оценки объективных параметров динамиков, с влиянием, которое оказывают конкретные действия на конкретный образец динамика.
В результате этих экспериментов возникла еще одна идея о дальнейшем улучшении параметров. Она будет основой для дальнейших экспериментов и, если они будут удачными, темой следующей такой статьи.

Наболее разнообразны конструкции высокочастот-ных (ВЧ) динамиков. Они могут быть обычными, рупор-ными или купольными. Основной проблемой при их создании является расширение направленности излуча-емых колебаний. В этом отношении определенными пре-имуществами обладают купольные динамики. Диаметр диффузора или излучающей мембраны ВЧ-пищалок лежит в пределах от 10 до 50 мм. Часто пищалки наглухо закрыты сзади, что исключает возможность модуляции их излуче-ния излучением НЧ и СЧ-излучателей.

Обычный миниатюрный ВЧ-динамик с коническим диффузором неплохо излучает звуки высоких частот, но имеет очень узкую диаграмму направленности — обычно в пределах угла от 15 до 30 градусов (относительно центральной оси). Этот угол задается при снижении отдачи динамика обычно на —2 дБ. Указывается угол при отклонении как от горизонтальной, так и от вертикальной оси. За рубежом этот угол называют углом рассеивания или дисперсии (dispersion) звука.

Для увеличения угла рассеивания делают диффузоры или насадки к ним различной формы (шарообразной, в форме рупора и т. д.). Многое зависит и от материала диффузора. Тем не менее обычные ВЧ-динамики не в состоянии излучать звуки с частотами заметно выше 20 кГц. Размещение перед ВЧ-динамиком специальных отражателей (чаще всего в виде пластиковой решетки) позволяет заметно расширить диаграмму направленнос-ти. Такая решетка часто является элементном акустичес-кого обрамления ВЧ-динамика или иного излучателя.

Извечной темой споров является вопрос о том, а нужно ли вообще излучать частоты выше 20 кГц, коль наше ухо их не слышит, и даже студийная аппаратура нередко огра-ничивает эффективный диапазон звуковых сигналов на уровне от 10 до 15—18 кГц. Однако то, что мы не слышим такие синусоидальные сигналы, не означает, что они не существуют и не влияют на форму временных зависимос-тей реальных и довольно сложных звуковых сигналов с гораздо более низкими частотами повторения.

Есть много убедительных доказательств того, что эта форма сильно искажается при искусственном ограниче-нии частотного диапазона. Одной из причин этого являют-ся фазовые сдвиги различных компонентов сложного сигнала. Любопытно, что наше ухо не ощущает сами по себе фазовые сдвиги, но способно отличить сигналы с различ-ной формой временной зависимости, даже если они содер-жат одинаковый набор гармоник с одинаковыми амплиту-дами (но разными фазами). Большое значение имеет характер спада АЧХ и линейность ФЧХ даже за пределами эффективно воспроизводимого диапазона частот.

Вообще говоря, если мы хотим иметь равномерные АЧХ и ФЧХ во всем звуковом диапазоне, то реально излучаемый акустикой диапазон частот должен быть за-метно шире звукового. Все это вполне оправдывает разра-ботку широкополосных излучателей многими ведущими в области электроакустики фирмами.

Размещение ВЧ излучателей Существует проблема - результат в большой степени зависит от того, куда поставлены и как сориентированы головки. Поговорим о ВЧ-головке, или твитере.

Особенности ВЧ-головок Из теории распространения звуковых волн известно, что с увеличением частоты диаграмма направленности излучателя сужается, и это приводит к сужению зоны оптимального прослушивания. То есть получить равномерный тональный баланс и правильную сцену можно только в небольшой области пространства. Поэтому расширение диаграммы направленности ВЧ-излучателя - основная задача всех разработчиков громкоговорителей. Самая слабая зависимость диаграммы направленности от частоты наблюдается у купольных ВЧ-динамиков. Именно этот тип ВЧ-излучателей - самый распространенный в автомобильных и бытовых АС. Другие достоинства купольных излучателей - маленькие размеры и отсутствие необходимости создавать акустический объем, а к недостаткам следует отнести невысокую нижнюю граничную частоту, которая лежит в пределах 2,5-7 кГц. Все эти особенности учитываются при установке высокочастотника.На место установки влияет все: рабочий диапазон ВЧ-динамика, его характеристики направленности, количество устанавливаемых компонентов (2- или 3- компонентные системы) и даже ваш личный вкус. Сразу оговоримся, что универсальных рекомендаций по этому вопросу не существует, поэтому мы не можем вам указать пальцем - мол, ставь здесь и все будет ОК! Однако на сегодня есть множество типовых решений, с которыми полезно ознакомиться. Все нижесказанное относится к беспроцессорным схемам, но это актуально и при использовании процессора, просто его присутствие дает гораздо больше возможностей для компенсации негативного влияния неоптимального места расположения.

Практические соображения. Вначале напомним некоторые каноны. В идеале расстояние до левого и правого высокочастотника должно быть одинаковым, а установлены ВЧ-динамики должны быть на высоте глаз (или ушей) слушателя. В частности, всегда лучше по возможности выдвигать ВЧ-головки как можно дальше вперед, поскольку чем дальше они от ушей, там меньше разница в расстояниях до левого и правого излучателей. Второй аспект: высокочастотник не должен быть далеко от СЧ- или НЧ/СЧ-головки, иначе не получить хорошего тонального баланса и фазового согласования (обычно руководствуются длиной или шириной ладони). Однако если высокочастотник установлен низко, то звуковая сцена заваливается вниз, и вы как бы находитесь над звуком. При слишком высокой установке, из-за большого расстояния между ВЧ- и СЧ-динамиками, теряется цельность тонального баланса и фазовое согласование. Например, при прослушивании трека с записью фортепианной пьесы, на низких нотах один и тот же инструмент будет звучать внизу, а на высоких - резко взлетать вверх.

Направленность ВЧ-головки . Когда с местом установки ВЧ-головки разобрались, следует определиться с ее направленностью. Как показывает практика, для получения правильного тембрального баланса лучше направить высокочастотник на слушателя, а для получения хорошей глубины звуковой сцены - использовать отражение. Выбор определяется личными ощущениями от музыки, которую вы слушаете. Здесь главное - помнить, что оптимальное место прослушивания может быть только одно
Сориентировать в пространстве высокочастотник желательно так, чтобы его центральная ось была направлена на подбородок слушателя, то есть установить разный угол разворота левого и правого ВЧ-динамиков. При ориентации ВЧ-динамика, работающего на отражение следует помнить две вещи. Во-первых, угол падения звуковой волны равен углу отражения, во вторых, удлиняя звуку путь, мы уводим дальше звуковую сцену, и если увлечься, то можно получить так называемый туннельный эффект, когда звуковая сцена находится далеко от слушателя, как бы в конце узкого коридора.

Метод настройки. Наметив, в соответствии с приведенными рекомендациями, место размещения ВЧ-головок, стоит приступить к экспериментам. Дело в том, что никто никогда заранее не скажет, где именно будет обеспечено 100-процентное "попадание" с вашими компонентами. Наиболее оптимальное место позволит определить эксперимент, поставить который довольно просто. Возьмите любой липкий материал, например, пластилин, двусторонний скотч, "липучку" или модельный термоклей, поставьте свой любимый музыкальный или тестовый диск и, учитывая все вышесказанное, начинайте экспериментировать. Попробуйте разные варианты мест и ориентирования в каждом. Перед тем как окончательно установить высокочастотник, лучше еще немного послушать и подправить на пластилине.к нигде.

Творческий подход. Настройка и выбор расположения ВЧ-динамика имеют свои нюансы для 2- и 3-компонентных систем. В частности, в первом случае трудно обеспечить близкое расположение высокочастотника и НЧ/СЧ-излучателя. Но в любом случае не надо бояться экспериментировать, - нам встречались такие инсталляции, где ВЧ-головки оказывались в самых неожиданных местах. А есть ли смысл в дополнительной паре высокочастотников? Вот, скажем, американская фирма "Boston Acoustics" выпускает комплекты компонентных АС, где в кроссовере уже предусмотрено место для подключения второй пары ВЧ-головок. Как объясняют сами разработчики, вторая пара необходима для поднятия уровня звуковой сцены В тестовых условиях мы слушали их как дополнение к основной паре высокочастотников и были удивлены, насколько существенно расширяется пространство звуковой сцены и улучшается проработка нюансов