44033

Методы снижения нелинейных искажений в тракте звуковой частоты

Дипломная

Физика

Принцип действия электродинамической головки громкоговорителя ГД основан на взаимодействии проводника с током в поле постоянного магнита в результате которого возникает сила действующая на проводник. Основные характеристики головки громкоговорителей: Диффузорные головки громкоговорителей конструктивно состоят из трех частей: подвижной системы магнитной системы и корпуса. Конструкция электродинамической диффузорной головки громкоговорителя с кольцевым магнитом показана на рисунке 1...

Русский

2013-11-09

2.1 MB

46 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра радиофизики и нанотехнологий

Допустить к защите в ГАК

_____ . ____ . 2013 г.

Заведующий кафедрой

профессор

_______________ Копытов Г.Ф.

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Методы снижения нелинейных искажений
в тракте звуковой частоты

Работу выполнил___________________________ Кравченко Андрей Андреевич

Специальность 210302 – Радиотехника

Научный руководитель

Доцент _____________________________ Ильченко Геннадий Петрович

Нормоконтролер, доцент  __________________________  Жужа М.А.

Краснодар 2013


Реферат

Кравченко А.А. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ

В ТРАКТЕ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ. Дипломная работа: 00 с., 00 рис., 00 источников.

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, АКУСТИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ, АКТИВНЫЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР, УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

Объектом разработки данной дипломной работы является малогабаритная активная двухполосная акустическая система.

Целью данной дипломной работы является разработка малогабаритной активной двухполосной акустической системы с малыми нелинейными искажениями.

В результате выполнения дипломной работы изучены принципы работы электроакустических преобразователей, применяемых в акустических системах, схемотехника активных разделительных фильтров и усилителей мощности звуковой частоты, методы снижения нелинейных искажений в акустических системах; разработана структурная схема стереофонической двухполосной активной акустической системы с общим низкочастотным каналом; разработаны принципиальные схемы активного разделительного фильтра и усилителей мощности активной акустической системыпроведено компьютерное моделирование принципиальных схем; изготовлен макет стереофонической двухполосной активной акустической системы.


Содержание


Введение

В связи с всё расширяющимся в последнее время распространением бытовой звуковоспроизводящей аппаратуры особенно большое значение стало уделяться бытовым акустическим системам (БАС) как встроенным, так и выносным. Это вполне понятно, если учесть, что акустическая система является оконечным звеном любого тракта воспроизведения звука, в большинстве случаев определяющим качество звучания тракта в целом. Особенный интерес при этом стала вызывать аппаратура высшего класса (Hi-Fi). Однако и к аппаратуре низших классов в последние годы стали предъявляться повышенные требования, в частности, к качеству их звучания. В связи с этим как за рубежом, так и в нашей стране проведены научные исследования и появилось много оригинальных конструкций, направленных на повышение качества звучания БАС.

Целью работы является разработка малогабаритной активной двухполосной акустической системы с малыми нелинейными искажениями.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

- изучить принципы работы электроакустических преобразователей, применяемых в акустических системах, изучить схемотехнику активных разделительных фильтров и усилителей мощности звуковой частоты, изучить методы снижения нелинейных искажений в акустических системах;

- разработать структурную схему стереофонической двухполосной активной акустической системы с общим низкочастотным каналом;

- разработать принципиальные схемы активного разделительного фильтра и усилителей мощности активной акустической системы;

- провести компьютерное моделирование принципиальных схем;

- изготовить макет стереофонической двухполосной активной акустической системы.
Оснчасть (заголовкеи и подзагаловки)

1 Принципы работы акустических систем и методы снижения нелинейных искажений 

1.1 Классификация громкоговорителей и их характеристики

Громкоговоритель, это электроакустическое устройство, предназначенное для преобразования электрических колебаний в звуковые колебания воздуха [1]. Громкоговорители классифицируются по следующим признакам:

По способу излучения звука: диффузорные (прямого излучения); рупорные (излучатель звука связан с внешней средой через рупор). По ширине рабочей полосы частот: широкополосные; узкополосные (НЧ, СЧ, ВЧ). По принципу действия: электростатические (конденсаторные); пьезоэлектрические; электродинамические.

Принцип действия электродинамической головки громкоговорителя (ГД), основан на взаимодействии проводника с током в поле постоянного магнита, в результате которого возникает сила, действующая на проводник.

Основные характеристики головки громкоговорителей:

1. Полное электрическое сопротивление, это сопротивление звуковой катушки громкоговорителя, измеренное на звуковых частотах.

2. Номинальная мощность. Номинальная мощность — максимальная электрическая мощность, при которой громкоговоритель не перегревается, его нелинейные искажения не превышают паспортных данных, и громкоговоритель не выходит из строя при длительном воздействии электрического сигнала.

3.Частотная характеристика — это зависимость величины звукового давления, создаваемого громкоговорителем, от частоты при неизменном напряжении, подводимом к зажимам громкоговорителя.

4. Стандартное звуковое давление Рст, это звуковое давление, измеренное в точке, лежащей на акустической оси на расстоянии 1 метра от эталонного излучателя звука в полосе частот, при подведении к излучателю электрической мощности P = 0,1 Вт.

5. Коэффициент нелинейных искажений Кг.

6. Характеристика направленности, это зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем, от угла α между рабочей осью (акустическая ось) и направлением на точку измерения.

7. Чувствительность громкоговорителя это величина звукового давления Р (Па), развиваемая громкоговорителем на расстоянии 1 метра вдоль акустической оси при подведении к его зажимам напряжения 1 вольт.

Диффузорные головки громкоговорителей конструктивно состоят [1] из трех частей: подвижной системы, магнитной системы и корпуса.

Подвижная система состоит: диффузора, гофра (гофрированный подвес диффузора), звуковой катушки прикрепленной к диффузору, центрирующей гофрированной шайбы, прикрепленной в месте крепления диффузора со звуковой катушкой. Магнитная система состоит: постоянного магнита, керна, двух фланцев. В одном из фланцев отверстие, которое с керном образует зазор, в нем помещается звуковая катушка. Корпус: конусная конструкция, к которой крепятся диффузор и магнитная система.

Конструкция электродинамической диффузорной головки громкоговорителя с кольцевым магнитом, показана на рисунке 1.

1 - верхний фланец с цилиндрическим отверстием; 2 - постоянный магнит; 3 - нижний фланец; 4 – керн; 5 - зазор между верхним фланцем и керном;

6 - звуковая катушка; 7 - центрирующая гофрированная шайба; 8 – диффузор;
9 - воротничок гофра; 10 - гофр (подвес); 11 - колпачок, предохраняющий от загрязнения;
12 - выводы проводников от звуковой катушки.

Рисунок 1 — Устройство звуковой головки диффузорных громкоговорителей.

Полное электрическое сопротивление диффузорных громкоговорителей

Полное сопротивление Z громкоговорителя является важным показателем, и определяет нагрузку на оконечный усилительный каскад.

Полное сопротивление равно сумме двух сопротивлений:

Z = Zo + Zвн;                                                       (1)

Zo — собственное сопротивление (Ом), Zвн — вносимое  сопротивление (Ом).

На СЧ и ВЧ электрических колебаний Zo определяется по формуле:

                      ________

       Zo = r2+(ωL)2;                                                 (2)

При движении звуковой катушки в магнитном поле возникает ЭДС — Е, при этом возникающий ток I направлен встречно полезному звуковому сигналу Iз, и проявляет себя как дополнительное вносимое сопротивление Zвн:

Zвн = E/I = (B·ℓ·υ·sinα) /I = (B·ℓ·υ)/I;                        (3)

где В — магнитная индукция магнитного поля в зазоре магнитной системы головки; ℓ — длина проводника звуковой катушки; d — внешний диаметр каркаса, ℓв — длина одного витка проводника, υ = х′ — колебательная скорость звуковой катушки, где х расстояние, на которое перемещается катушка.

Из выражения видно, что Zвн пропорционально длине проводника, а следовательно пропорционально индуктивности L, а также круговой частоте электрических колебаний ω, тогда можно записать Zвн = ωL.

При напряжении U и синусоидальном токе I через звуковую катушку c круговой частотой ω общее сопротивление Z будет определять выражение:

.       (4)

На резонансной частоте ƒo колебательная скорость, υ = х′, достигает наибольшего значения, следовательно, на этой частоте будет максимальное вносимое сопротивление. Это видно на графиках (рисунок 2).

Кривая Z = ƒ(ƒ) выражает частотную характеристику полного сопротивления головки громкоговорителя. По этой характеристике можно определить резонансную частоту и номинальное сопротивление Zном громкоговорителя. Кроме этого, этот график показывает, что в области НЧ и ВЧ сопротивление Z значительно возрастает. Изменение сопротивления головки громкоговорителя влияет на его акустическую мощность Рa.

Рисунок 2 — Вносимое сопротивление на резонансной частоте

Частотные искажения в диффузорных громкоговорителях.

На неравномерность частотной характеристики в области НЧ влияют:

1 Резонансная частота ƒо громкоговорителя. Для расширения полосы НЧ необходимо снижать частоту резонанса за счет увеличения массы m и гибкости С подвижной системы головки громкоговорителя. С этой целью гофр промазывают не засыхающей смазкой или выполняют из искусственной кожи. 2 Акустическое КЗ. Устраняется применением закрытого ящика или фазоинвертора.

Причина неравномерности частотной характеристики в области ВЧ — поперечный изгиб диффузора. Под действием силы F, которая разлагается на поперечную F1 и продольную силы F2, на поверхности диффузора образуется поперечная волна, и диффузор разделяется на зоны, колеблющиеся в противофазе (рисунок 3).

Рисунок 3 — Деформация диффузора головки громкоговорителя

Сила F1 деформирует поверхность диффузора в поперечном направлении. Количество и площадь колеблющихся зон зависит от частоты колебаний. В результате звуковое давление на различных частотах изменяется и на частотной характеристике появляются «пики» «провалы». Уменьшить частотные искажения можно за счет внутреннего трения материала диффузора. Для чего в состав бумажной массы добавляют шерсть, различные волокна или канифоль.

1.2 Акустическое оформление 

Акустическое короткое замыкание. Открытое акустическое оформление. Передняя и задняя поверхности колеблющегося диффузора излучают колебания в противофазе: когда передняя поверхность в момент времени t1 создает сжатие среды, то противоположная поверхность диффузора, в этот же момент t1, создает разрежение. Сжатие и разрежение распространяются в разные стороны. При определенных условиях, огибая диффузор, волны интерферируют с колебаниями возникшими с противоположной стороны и их сумма стремится к нулю. Это явление называют акустическим коротким замыканием (АКЗ) [1]. Возникновение АКЗ уменьшает отдачу акустической мощности излучателя в области тех частот, при которых длина излучаемой волны велика по сравнению с размерами диффузора. Это явление возникает на низких частотах.

Чтобы избежать АКЗ на низких частотах, необходимо установить экран, чтобы колебания из области сжатия не огибали диффузор и исключили явление интерференции. Такой прием получил название акустического оформления.

Открытым акустическим оформлением головки называется такое ее оформление, при котором задняя сторона звукоизлучающей поверхности диффузора головки не изолирована акустически от передней [2]. 

Простейшим видом оформления является щит (рисунок 4). Чтобы полностью устранить АКЗ, необходимо установить щит, у которого линейные размеры плоскости были больше половины длины звуковой НЧ волны λ: d > λ/2. Недостатки щита: громоздкий и неудобный в работе, не используется звуковая энергия создаваемая тыльной стороной излучателя, нет защиты излучателя от случайных механических повреждений и загрязнений.

Достоинство открытых АС — простота и, в них не имеет места повышение резонансной частоты по сравнению с резонансной частотой применяемой головки, а принципиально возможно и понижение этой частоты, что отличает открытую АС, например, от закрытой. Недостаток открытой системы — сравнительно большие размеры этого оформления, когда требуется воспроизведение низших частот звукового диапазона.

Самый распространенный вид открытого акустического оформления — ящик, у которого задняя стенка имеет ряд сквозных отверстий или же полностью отсутствует. Головка устанавливается обычно на передней панели ящика. Акустическое действие открытого оформления подобно действию щита. Наибольшее влияние на частотную характеристику акустической системы с открытым оформлением оказывает передняя стенка, т. е. та, на которой крепится головка. Боковые стенки открытого оформления влияют на характеристику открытого оформления мало. Обычно открытое оформление выполняют такой глубины, чтобы головка помещалась в нем с некоторым запасом.

Наличие боковых стенок создает эффект снижения резонансной частоты открытого оформления с увеличением его глубины, которое происходит за счет присоединения части массы воздуха внутри оформления к массе подвижной системы головки. Резонансная частота в этом случае

 ,                                                     (5)

где р — плотность воздуха.

Размеры передней панели должны быть как можно больше. Ограничением здесь являются только соображения удобства размещения и пользования.

Площадь передней панели открытого акустического оформления с учетом влияния глубины оформления h может быть найдена как

,                                           (6)

где φ(Q) — некоторая функция от Q (рисунок 5), при 1,93<Q<2,5 приближенно равна Q;  fгр.н определяется по графику зависимости нижней граничной частоты поршневого диапазона fгр.н от добротности головки Q (рисунок 6). Вместо частоты f0 необходимо подставлять частоту f02, определяемую из (5).

 

Рисунок 5 — Зависимость φ(Q) от Q  Рисунок 6 — Зависимость fгр.н от Q

При Q < 1,93 выражение (6) упрощается

,                                                (7)

где f02 определяется из (5).

Задняя стенка оформления может влиять на работу открытой АС. Она должна быть по крайней мере такой, чтобы не ухудшать акустические параметры системы. Материал и толщина задней стенки сильно влияют на частотную характеристику открытой системы. Акустические параметры открытой АС зависят также и от размеров и числа перфораций (отверстий) в задней стенке.

Конфигурация оформления оказывает большое влияние на форму частотной характеристики на средних частотах, вызывая появление многочисленных пиков и провалов при неудачной конфигурации. Наиболее благоприятная форма — сфера.

Закрытое акустическое оформление

Преимущество закрытой АС заключается в том, что задняя поверхность диффузора головки не излучает и, таким образом, полностью отсутствует акустическое короткое замыкание. Недостатком закрытых АС является то, что диффузоры их головок нагружены дополнительной упругостью объема воздуха внутри оформления. Наличие дополнительной упругости приводит к повышению резонансной частоты подвижной системы головки в закрытом оформлении ω01 и, как следствие, к сужению снизу воспроизводимого диапазона частот. Значение дополнительной упругости объема воздуха SB может быть найдено как

,                                                   (8)

где γ — показатель адиабаты; Sэфф — эффективная площадь диффузора головки; V — внутренний объем корпуса оформления.

Эффективной площадью диффузора считают 50—60 % его конструктивной площади. Для круглого диффузора диаметром d Sэфф = 0,55S = 0,44d2. Упругость sВ суммируется с собственной упругостью подвеса подвижной системы головки s0 и в результате резонансная частота головки в закрытом оформлении

,                                              (9)

где m0 — масса подвижной системы головки.

Как видно из (8), упругость воздушного объема внутри оформления обратно пропорциональна этому объему. Упругость подвижной системы можно также выразить через упругость некоторого эквивалентного объема воздуха VЭ, имеющего упругость s0. Отсюда резонансная частота головки в закрытом оформлении

.                                              (10)

Чтобы резонансная частота не была чрезмерно высокой, иногда применяют головки с тяжелой подвижной системой, что дозволяет несколько снизить резонансную частоту головки в закрытом оформлении. Однако следует иметь в виду, что увеличение массы подвижной системы снижает чувствительность АС, как это видно из формулы для стандартного звукового давления:

,            (11)

где А — частотно-независимый множитель; Rг — выходное сопротивление усилителя (генератора); Rк — активное сопротивление звуковой катушки; а — эффективный радиус головки.

Особенно малой эффективностью обладают малогабаритные акустические системы (MAC), у которых упругость объема внутри оформления существенно больше упругости закрепления подвижной системы головки. Такие системы, у которых упругость подвижной системы определяется упругостью объема воздуха внутри оформления, называются системами «с компрессионным подвесом» головки. Стандартное звуковое давление ρст такой системы на частотах ω > ω01 частотно-независимо и определяется как , где Q01 — добротность головки в закрытом оформлении.

Как следует из (11), неравномерность частотной характеристики закрытых АС в области НЧ определяется их добротностью (рисунок 7). При Q01 < 0,707 частотная характеристика АС равномерно понижается с понижением частоты. При 0,707 < Q01 < l,0 частотная характеристика имеет небольшой пик на частоте ω1 и далее спад на резонансной частоте ω01. При Q01 > 1 неравномерность частотной характеристики определяется только пиком на частоте ω1 относительно горизонтальной части характеристики.

Рисунок 7 — Частотная  характеристика закрытой системы и зависимость неравномерности частотной характеристики закрытой АС от Q0

Минимальная неравномерность частотной характеристики закрытых АС имеет место при добротности Q01 = 1 и составляет 1,3 дБ. Желательная добротность самой головки находится из условия

.                                                    (12)

Добротность головок, предназначенных для закрытых АС, не должна превышать 0,8—1,0. В противном случае головка получается «раздемпфированной», т.е. помимо колебаний в такт с поданным напряжением будет колебаться и с частотой собственных колебаний. Это будет проявляться в том, что к звучанию программы будет примешиваться звучание этой частоты как «гудение», «нечистота» низких тонов. Также если головка помещена в закрытом ящике, ухудшается равномерность частотной характеристики в области средних и высоких частот из-за резонансных явлений в оформлении. Для их устранения внутренние поверхности покрывают звукопоглощающим материалом и заполняют им часть объема. Кроме того, заполнением внутреннего объема рыхлым звукопоглощающим материалом преследуют и другую цель — изменить термодинамический процесс сжатия — расширения воздуха в оформлении.

Без заполнения процесс сжатия — расширения воздуха внутри оформления адиабатический. Заполняя оформление рыхлым звукопоглощающим материалом можно сделать так, чтобы адиабатический процесс сменился на изотермический. В этом случае внутренний объем оформления как бы увеличивается в 1,4 раза, так как коэффициент γ в (8), составляющий 1,4 для адиабаты, заменяется значением, равным единице для изотермы. Соответственно снижается и резонансная частота закрытой АС. Это снижение в пределе (для компрессионной АС) достигает , так как для нее можно пренебречь упругостью подвеса головки. В противном случае резонансная частота головки ω'01 может быть найдена как

.                                          (13)

Количество рыхлого звукопоглощающего материала не должно быть чрезмерным, чтобы активные акустические потери в оформлении и заполнении не были значительны.

Фазоинвертор является резонатором Гельмгольца [2]. Конструктивно он выполнен в виде закрытого ящика с двумя отверстиями (рисунок 33). В одном отверстии размещается излучатель, другое отверстие свободное, и имеет конструкцию в виде небольшой трубы объемом V. Частота фазоинвертора ƒф.

Такая конструкция позволяет полезно использовать излучение звуковой волны, идущее от тыльной стороны диффузора. Задача фазоинвертора сводится к тому, чтобы повернуть (инвертировать) фазу излучения волны тыльной стороной диффузора. Проследим процесс фазоинверсии с помощью эквивалентной схемы.

Рисунок 8 — Фазоинвертор

При медленных колебаниях (8Гц — 10Гц) пружина Св (рисунок 8) соединяющая обе массы m, не успевает деформироваться, так как у нее большое упругое сопротивление z:

z = 1/(ω·Св).                                              (14)

В результате обе массы mп и mв двигаются с одинаковой фазой. При этом волна, излучаемая отверстием, сдвинута на 180o по фазе по сравнению с волной, излучаемой диффузором.

Повышение частоты приводит к уменьшению упругого сопротивления воздуха в ящике и пружина Св начинает деформироваться. В результате между колебаниями обоих масс mп и mв возникает фазовый сдвиг, возрастающий с повышением частоты и достигающий на частоте резонанса ящика 180o. Таким образом, воздух в отверстии и диффузор колеблются в противофазе, а волны, излучаемые ими, будут синфазными и интерферируя усиливают друг друга. Таким образом, волны, излучаемые тыльной стороной диффузора, используются полезно.

Частоту резонанса фазоинвертора ƒф, как правило, выбирают равной частоте резонанса ƒ0 головки (диффузора), т.е. в области НЧ рабочего диапазона (рисунок 9).

Рисунок 9 — Частотные характеристики с различным оформлением

При дальнейшем увеличении частоты излучение звука отверстием не происходит, так как инерционное сопротивление воздуха в отверстии ω·mв становится чрезвычайно большим. При этих частотах фазоинвертор аналогичен закрытому ящику. Внутренние поверхности фазоинвертора также, как и ящика, покрывают звукопоглощающим материалом.

1.3 Источники и причины нелинейных искажений в динамических головках

На качество звуковоспроизведения в  значительной  степени  оказывают влияние нелинейные искажения. Причины их возникновения имеют самую разную физическую природу [1]. Нелинейные искажения принято делить на гармонические с частотами, кратными частоте исходного полезного сигнала и интермодуляционные — суммарно-разностные гармоники, возникающие в результате амплитудной и частотной взаимной модуляции при подаче на головку нескольких сигналов различных частот. В головках нередко наблюдается и еще один вид искажений — призвуки.

Подробное исследование всех видов нелинейных искажений приведено в [4]. Здесь же приведем только таблицу — классификатор искажений (таблица 1).

Таблица 1

Причины нелинейности

Гармонические искажения

Интермодуляционные искажения при одновременной подаче НЧ

Примечание

на НЧ

на СЧ

Нелинейность подвеса, центрирующей шайбы и головки и "воздушного подвеса" в боксе

+

x

x

Гармонические искажения быстро снижаются с ростом частоты (1/f2)

Изменение силового фактора (BI) из-за перемещения диффузора

+

x

x

Тоже

Изменение индуктивности из-за перемещения диффузора

x

x

+

Может вызывать динамическое смещение положения равновесия катушки

Изменение индуктивности из-за изменения протекающего тока

+

+

+

Искажения медленно снижаются с ростом частоты

Механические деформации диффузора и подвеса

x

+

+

Возникают на частотах собственных резонансов диффузора за пределами области поршневой работы

Нелинейность сопротивления воздушному потоку порта фазоинвертора

+

-

-

Только в области частот вблизи частоты резонанса фазоинвертора

Эффект Доплера

-

-

+

Только в области частот вблизи частоты резонанса фазоинвертора

"+" — существенные искажения; x — небольшие искажения; "-" — искажения практически отсутствуют.

Нелинейность подвеса. При больших амплитудах смещения подвижной системы головки громкоговорителя в области НЧ линейная зависимость между смещением х подвижной системы и током I в звуковой катушке нарушается. Это связано с тем, что механическое сопротивление подвеса увеличивается с увеличением перемещения диффузора на величину хmax (рисунок 10).

На графике А), кривая 1, выражает идеальную линейную зависимость х = ƒ(I) между током I через звуковую катушку и перемещением x подвижной части головки. При этом получим не искаженный звуковой сигнал (кривая 3). Кривая 2 показывает реальную зависимость х =ƒ(I). А кривая 4 показывает искаженную форму звукового сигнала. На графике В), для сравнения, показана форма тока I в звуковой катушке (кривая 5), идеальная кривая звукового сигнала (кривая 3), и линейно искаженная кривая реального звукового сигнала (кривая 4). Эти нелинейные искажения можно уменьшить за счет более качественного подвеса диффузора (например, гофр выполнить из латекса).

Рисунок 10 — Нелинейные искажения вносимые подвесом диффузора

Нелинейность "воздушного подвеса" становится существенной при работе головки в акустическом оформлении (боксе) малого объема — до 10—15 л. Общей чертой искажений, возникающих из-за нелинейности подвесов, является то, что они возникают только на низких частотах, спектр гармонических искажений состоит практически только из второй и третьей гармоник, а уровень интермодуляционных искажений мал.

Вторая строка таблицы — зависимость эффективности электромеханического преобразователя головки от местоположения звуковой катушки при фиксированном токе через нее — силовой фактор.

Магнитное поле в кольцевом зазоре не является однородным. Величина магнитной индукции В максимальна в центре зазора и уменьшается у его краев (рисунок 11). В результате, при колебаниях катушки, не будет линейной зависимость между силой F и током I в звуковой катушке. Как показано в [4], при этом головка продуцирует существенные гармонические и интермодуляционные искажения с очень широким спектром. Особенно искажения заметны в области НЧ.

Традиционный метод снижения этого вида искажений — применение длинной звуковой катушки. Ее длина выбирается существенно больше высоты рабочего магнитного зазора. Искажения уменьшаются, если высота катушки превышает высоту зазора: hкат> hз. При этом условии выход части витков в более слабое поле сопровождается переходом витков другой стороны катушки в более сильное поле и величина F остается пропорциональна силе тока I. Однако увеличение катушки утяжеляет подвижную систему головки, снижая ее чувствительность. Кроме того, длинная катушка имеет большую индуктивность.

Рисунок 11 — Магнитная индукция В в магнитном зазоре магнитной системы
головки громкоговорителя

Большинство современных высококачественных НЧ-СЧ головок имеют "длинные" звуковые катушки и, как следствие, невысокую чувствительность. Увеличение мощности магнита не позволяет поднять чувствительность, так как магнитное насыщение материала керна головки не позволяет существенно увеличить магнитный поток в рабочем зазоре. Поэтому чаще используют другой способ — снижение массы катушки (намотка ее алюминиевым проводом). Это позволяет получить заметный выигрыш в весе, поскольку алюминий легче меди в 3,3 раза, а его удельное сопротивление выше только в 1,65 раза. Намотка катушек шестигранным или плоским проводом увеличивает плотность намотки, что позволяет уменьшить длину намотки катушки и расположить ее в центре равномерного магнитного поля. Это уменьшает нелинейные искажения.

Термином "линейное смещение" принято называть параметр, определяющий максимальное отклонение катушки от положения равновесия, при котором еще не происходит ее выхода за пределы магнитного зазора. Обычно для НЧ—СЧ головок амплитуда линейного смещения находится в интервале 2—7 мм. Понятие "линейное смещение" достаточно условно. В действительности силовой фактор изменяется при любой величине смещения катушки, уменьшаясь при ее движении наружу и сначала увеличиваясь, а затем уменьшаясь при смещении внутрь магнитной системы. Это связано с асимметрией магнитной системы. Асимметрия конструкции порождает асимметрию рассеянного магнитного поля (вне рабочего зазора), которое сосредоточено преимущественно внутри магнитной системы. Распределение поля схематично показано на рисунке 12,а.

Рисунок 12 — Распределение поля внутри магнитной системы

Рассеянное магнитное поле, взаимодействуя с витками катушки, находящимися вне рабочего зазора, создает добавочный силовой фактор. Таким образом, когда катушка втянута внутрь, эта добавка существенно больше, чем при выдвинутой катушке. Такое асимметричное поведение силового фактора порождает значительные гармонические (в основном 2-я гармоника) и интермодуляционные искажения. Подобный недостаток присущ дешевым головкам. В более дорогих головках применяют различные меры для уменьшения и симметрирования рассеянного поля.

Один из наиболее простых и при этом достаточно эффективных методов — это применение керна Т-образной формы. Суть этого конструктивного решения показана на рисунок 12,б. Такой керн уменьшает рассеянное поле и делает его более симметричным, однако за это приходится платить снижением чувствительности из-за уменьшения эффективного сечения керна.

Нелинейности, связанные с индуктивностью звуковой катушки головки. Как известно, чем длиннее звуковая катушка, тем больше ее индуктивность. Эта величина не является фиксированной — ее значение зависит как от смещения катушки относительно положения равновесия (L(х)), так и от протекающего через катушку тока (L(i)). При втягивании звуковой катушки внутрь магнитной системы ее индуктивность возрастает, а при движении наружу падает.

Изменение индуктивности катушки при изменении тока связано с тем, что керн магнитной системы уже намагничен до состояния, близкого к насыщению полем постоянного магнита. Вследствие этого изменение магнитного потока в керне при сложении полей магнита и катушки оказывается меньше, чем при их вычитании, а это значит, что и индуктивность катушки будет вести себя также асимметрично при изменении направления тока в ней.

На низких частотах — менее 100—200 Гц — индуктивная составляющая импеданса в НЧ—СЧ головках не играет существенной роли, и ее изменение не приводит к заметным гармоническим искажениям. Однако ей уже нельзя пренебречь на более высоких частотах. И если составляющая L(х) не проявляет себя и на средних частотах, ввиду малости амплитуды смещения катушки, то зависимость L(i), напротив, является важнейшим источником гармонических искажений на средних частотах [4].

Еще одна неприятная особенность зависимости L(х) — появление дополнительной "паразитной" силы, воздействующей на катушку [4]). Она имеет ту же природу, что и сила, втягивающая ферромагнитный сердечник в соленоид. Ее главное отличие от знакопеременной силы взаимодействия поля постоянного магнита и катушки состоит в том, что вне зависимости от направления тока в катушке она может только "притягивать" катушку к керну, порождая тем самым нелинейные искажения, а при больших токах еще и существенное смещение положения равновесия катушки внутрь магнитной системы. Такое динамическое смещение положения равновесия, в свою очередь, приводит к росту остальных видов искажений.

Наконец, именно вариации индуктивности L(х) и L(i) — важнейшие источники амплитудных интермодуляционных искажений. Обычный путь борьбы с этим видом искажений — снижение индуктивности. Эту проблему в высококачественных головках решают с помощью колец Фарадея, которые обычно делают из металлов с высокой проводимостью — меди или алюминия. Являясь короткозамкнутым витком, надетым на тот же сердечник, что и звуковая катушка, кольцо снижает порождаемую ей переменную составляющую магнитного поля в керне, не влияя на постоянную составляющую, создаваемую магнитом.

Продольный изгиб диффузора. Под действием силы F2 (рисунок 3) диффузор совершает дополнительные колебания с частотой в 2 раза меньшей частоты поданного на вход сигнала. Устраняются эти колебания за счет искривления формы диффузора.

1.4 Влияние выходного сопротивления УМЗЧ на искажения в динамической головке

Снижение искажений динамической головки путем увеличения выходного сопротивления усилителя было предложено еще в 80-е годы прошлого века [7]. Ряд компаний проводили соответствующие исследования и даже делали прототипы подобных устройств. Однако до массового  производства дело  не  дошло, т.к. совершенствование электромагнитного преобразователя динамических головок сделало снижение искажений таким способом нецелесообразным. Для того чтобы понять, так ли это на самом деле, было проведено небольшое исследование [4], результаты которого приведены ниже.

Увеличение выходного сопротивления усилителя позволяет уменьшить искажения, обусловленные вариациями импеданса, приводящими к возникновению нелинейных искажений тока, а следовательно, и звукового давления, создаваемого головкой. Из этого следуют два вывода:

- зависимость тока от импеданса головки можно устранить и, таким образом, исключить соответствующие искажения, возбуждая головку от усилителя с высоким выходным сопротивлением;

-  измерение нелинейных искажений тока при питании головки от усилителя с низким выходным сопротивлением позволяет оценить качество электромагнитного преобразования в головке и возможность снижения ее нелинейных искажений при питании от УМЗЧ — источника тока.

Второй тезис можно проиллюстрировать проведенными измерениями, для которых были взяты головки разного качества.

Сначала испытуемые головки подключали к обычному усилителю с низким выходным сопротивлением и измеряли нелинейные искажения тока для частот в диапазоне от 140 Гц до 3 кГц. Измерения проводились без акустического оформления. Ток контролировался по напряжению на резисторе сопротивлением 0,1 Ом, включенному последовательно с тестируемой головкой.

На втором этапе измеряли искажения звукового давления, создаваемого головкой, сначала при ее питании от усилителя с низким выходным сопротивлением, а затем при питании от того же усилителя, но через резистор сопротивлением 24 Ом. При этом сохранялось первоначальное напряжение на клеммах головки. При этих измерениях каждая головка была установлена в собственное акустическое оформление, выполненное в виде закрытого ящика.

Для исследований были выбраны две отечественные головки — 15ГД-14 и 25ГД-26Б, "бюджетная" головка немецкой компании VISATONW100SC/4, две головки среднего класса компании SEASH602 и Н282 и головка Е0042 из линейки Excel (тоже SEAS). Магнитные системы первых трех головок вполне традиционны, а головок Н602 и Н282 — имеют улучшенную конструкцию (Т-образный керн). Головка Е0042 снабжена еще и кольцами Фарадея. Некоторые параметры головок и режима тестирования при измерении искажений тока приведены в таблице 2.

Таблица 2

Тип

головки

Номинальное сопротивление/ индуктивность,

Ом/мГн

Диаметр, см

(дюймы)

Линейный ход катушки,

мм

Испытательное напряжение,

В (эфф.)

Расчетное звуковое давление при испытательном напряжении, дБ

15ГД14

4/0,45

12,5(5")

2,7

4,5

92

25ГД-26Б

4/0,55

20 (8")

3,3

10

100

W100SC/4

4/0,5

10 (4")

2

2.9

89

Н282

8/0.6

20 (8")

3

10,6

101

Н602

8/0,6

17 (6,5")

3

8,3

96

Е0042

8/0,42

18(7")

7

9

96

На рисунке 13 показаны результаты измерений коэффициента нелинейных искажений тока при питании головок от усилителя с низким выходным сопротивлением. Эти искажения — именно та часть общих нелинейных искажений головок, которая теоретически может быть устранена при увеличении выходного сопротивления усилителя.

Рисунок 13 — Коэффициент нелинейных искажений тока
при питании головок от усилителя с низким выходным сопротивлением

Преимущества высококачественной магнитной системы и длинной звуковой катушки головки Е0042 более чем очевидны, худшие результаты у старых советских головок. Обе эти головки имеют высокий уровень искажений тока даже при малой амплитуде колебаний диффузора — на частотах выше 500 Гц. Это является следствием применения в них примитивной магнитной системы. С другой стороны — их "токовые" искажения достаточно велики, чтобы имело смысл снизить их увеличением выходного сопротивления усилителя.

Измерения спектра звукового давления головки 15ГД-14 при подаче двух синусоидальных тонов с частотами 140 Гц и 1 кГц суммарной мощностью 4 Вт показывает отчетливый положительный эффект увеличения сопротивления — уровень большинства гармоник нелинейных и интермодуляционных искажений снизился. Чтобы убедиться в том, что мы действительно имеем дело с выраженным положительным эффектом, и количественно оценить его величину, для головки 15ГД-14 была снята зависимость коэффициента гармоник звукового давления от частоты сигнала при двух вариантах выходного сопротивления усилителя — близком к нулю и 24 Ом (рисунок 14). Там же для сравнения приведен и коэффициент нелинейных искажений тока. Так как графики искажений тока и звукового давления (при работе головки в паре с обычным усилителем) практически совпадают, то это значит, что вариация импеданса является основным видом искажений в головке и увеличение выходного сопротивления усилителя может существенно снизить общие искажения. Этот факт подтверждается графиком искажений головки при питании ее от усилителя через резистор 24 Ом. При том же уровне звукового давления искажения снизились в 2–3 раза.

Рисунок 14 — Зависимость коэффициента гармоник звукового давления от частоты

Ощутимый положительный эффект от увеличения выходного сопротивления усилителя был получен и для головки W100SC/4. Снижение уровня гармонических и интермодуляционных составляющих при тестировании двухтональным сигналом составило 3—6 дБ. Зависимость коэффициента гармоник звукового давления от частоты сигнала при двух вариантах выходного сопротивления усилителя — 0 и 24 Ом показана на рисунке 15. При повышении выходного сопротивления усилителя наблюдается ощутимое снижение искажений в диапазоне частот от 200 Гц до 1,5 кГц.

Рисунок 15 — Зависимость коэффициента гармоник звукового давления от частоты

Для головок Н602 и Е0042 увеличение выходного сопротивления усилителя не дало ощутимого улучшения, за исключением снижения низкоуровневых гармоник с частотами выше 1,5 кГц. Причина вполне предсказуемая — магнитная система, дающая очень низкий уровень "токовых" искажений.

Можно констатировать, что увеличение выходного сопротивления усилителя для снижения нелинейных искажений актуально для головок невысокого качества. Однако это не устраняет, к сожалению, один из "врожденных" недостатков головок с простейшей магнитной системой — динамическое смещение положения равновесия звуковой катушки (втягивание диффузора) при средних и больших подводимых мощностях. Такое "втягивание" приводит к значительному росту всех основных видов искажений. Для головки 15ГД-14 подобный эффект отчетливо наблюдается на частотах ниже 300 Гц при мощности более 4 Вт. Несколько лучше с динамическим смещением обстоит дело у W100SC/4, еще лучше у Н602, а у головки Е0042 эффект динамического смещения практически не наблюдался.

Таким образом, прежде чем переделывать усилитель, стоит измерить коэффициент нелинейных искажений тока через головку при ее питании от обычного усилителя. Если он окажется 0,1—0,3%, то на фоне других видов искажений снижение на столь малую величину вообще не будет заметно. И только при значении 0,5 % и более, возможно, стоит попробовать.


2 Схемотехника активных разделительных фильтров

2.1 Выбор количества частотных полос и частот раздела

Существенное влияние на качество и стоимость всей звуковоспроизводящей системы оказывает правильный выбор количества частотных полос и оптимальных частот раздела между этими полосами [1].

Наиболее часто используются 2-х и 3-х полосные системы. При выборе частоты раздела в двухполосной системе нужно учитывать следующее: выбор частоты раздела до 500 Гц снижает требования к низкочастотному звену, а высокочастотное звено должно одинаково хорошо воспроизводить как среднечастотные, так и высокочастотные составляющие, но при этом возникают проблемы с диаграммой направленности на высоких частотах. Выбор частоты раздела выше 500 Гц требует высококачественных низкочастотных громкоговорителей, имеющих низкий уровень интермодуляционных и переходных искажений, к которым чувствительность слухового восприятия резко увеличивается в области средних частот. Кроме этого, при выборе частоты раздела в диапазоне 500 — 5000 Гц, фазовые искажения становятся особенно заметными. Выбор частоты раздела выше 5000 Гц в двухполосной системе настолько повышает требования к низкочастотному звену, что стоимость такой системы может быть сопоставима со стоимостью трехполосных систем, при этом качество последних будет значительно выше.

В трехполосных системах требования к громкоговорителям несколько снижаются и, тем не менее, общее качество системы повышается. Это связано с меньшей неравномерностью суммарной АЧХ, меньшим уровнем интермодуляционных и переходных искажений, что обусловлено работой громкоговорителей в более узких диапазонах частот и, соответственно, в облегченных режимах.

Поскольку разделительные фильтры разделяют входное напряжение исходного сигнала на несколько полос с различными рабочими частотами, то определенным образом будет распределяться мощность исходного сигнала. В таблице 3 приведено выраженное в процентах распределение мощности исходного сигнала в зависимости от частоты разделения для двухполосной системы.

Таблица 3 — Распределение мощности сигнала в зависимости от частоты разделения

Частота раздела, Гц

Мощность сигнала
в ВЧ полосе, %

31

99

63

91

125

78

250

61

500

44

1000

22

2000

12

4000

3,9

8000

0,71

16000

0,095

2.2 Фильтры и их характеристики

В зависимости от полосы пропускаемых частот, фильтры подразделяются на фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающие фильтры (полосовые фильтры) и полосно-задерживающие фильтры (режекторные фильтры) [8]. Соответствующие им амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ),  показаны на рисунке 16. При построении разделительных фильтров в большинстве случаев используются ФНЧ и ФВЧ и их различные комбинации.

Существуют схемы фильтров, пригодные для оптимизации любой из этих характеристик или их комбинаций. Для построения разделительных фильтров обычно применяются два типа фильтров: фильтр Баттерворта (наиболее плоская АЧХ в полосе пропускания) и фильтр Бесселя (лучшая линейность фазы и наибольшее постоянство временного запаздывания). Любой из этих типов фильтров может быть реализован с помощью различных схем. Сравнительные характеристики фильтров Баттерворта и Бесселя показаны на рисунке 17.

Рисунок 16 — Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики фильтров:
a) фильтр нижних частот; б) фильтр верхних частот;
в) полосно-пропускающий фильтр; г) полосно-задерживающий фильтр.

Рисунок 17 — Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики фильтров:

1. Фильтр Баттерворта. 2. Фильтр Бесселя.

Очень важным параметром является порядок фильтра N, которым определяется скорость спада АЧХ в полосе подавления (наклон характеристики), которая равна N ∙ 6 dB/октава. Так фильтр 1-го порядка имеет наклон АЧХ 6 dB/ октава, второго - 12 dB/октава и т.д. Чем выше порядок фильтра, тем меньшее количество нежелательных составляющих входного сигнала поступает на его выход, как показано на рисунке 18.

Рисунок 18 — Амплитудно-частотные характеристики фильтров.
1. Фильтр 1-го порядка. 2. Фильтр 2-го порядка.
3. Фильтр 4-го порядка. 4. Фильтр 8-го порядка

2.3 Способы построения разделительных фильтров

Разделительные фильтры могут быть построены различными способами. Один из них - это разделительный фильтр, у которого частота раздела формируется двумя классическими фильтрами: НЧ фильтром и ВЧ фильтром, как показано на рисунке 19.

Рисунок 19 — Разделительный фильтр на двух классических фильтрах:
1. Вход. 2. Фильтр НЧ. 3. Фильтр ВЧ. 4. Выход НЧ полосы. 5. Выход ВЧ полосы

Основным и, пожалуй, единственным достоинством этого способа является возможность раздельной и независимой регулировки частот среза у обоих фильтров, что в некоторых случаях позволяет скомпенсировать суммарную неравномерность АЧХ выбранных акустических систем вблизи частоты раздела и добиться линейности АЧХ всей системы. Однако при этом появляется значительная нелинейность суммарной фазо-частотной характеристики, что может привести к ухудшению качества звучания. К недостаткам этого способа можно также отнести необходимость получения точного взаимного совпадения всех характеристик ФНЧ и ФВЧ в процессе изготовления, т.е. требуется применение высокоточных элементов в частотозадающих цепях фильтров, а также их точная настройка, так как даже при незначительном несовпадении частот среза фильтров в суммарных АЧХ и ФЧХ могут появиться существенные провалы или выбросы.

В значительной степени свободен от перечисленных выше недостатков способ построения разделительных фильтров с применением так называемых комплементарных фильтров. На рисунке 20 показана структура комплементарного фильтра, реализованного на классическом ФНЧ с последующим вычитанием отфильтрованного сигнала из исходного.

Рисунок 20 — Разделительный комплементарный фильтр.
1. Вход. 2. Классический фильтр НЧ. 3. Вычитающий сумматор.
4 и 6. Выход НЧ и его АЧХ. 5 и 7. Выход ВЧ и его АЧХ.

Несомненными достоинствами такого разделительного фильтра являются равенство частот среза у НЧ и ВЧ звеньев, простота реализации, небольшое количество частотозадающих элементов. Но вместе с этим, у этого фильтра есть существенный недостаток, проявляющийся в неидентичности характеристик НЧ и ВЧ звеньев, в частности спад АЧХ НЧ и ВЧ звеньев имеет разный наклон (для фильтра второго порядка 12 dB/октава и 6 dB/октава соответственно). Вместе с этим, на суммарной АЧХ мощности может появиться значительный выброс вблизи частоты раздела, зависящий от выбранного типа фильтра.

Наилучшие характеристики имеет разделительный фильтр на интеграторах, который из-за особенностей своего построения также является комплементарным фильтром и поэтому обладает всеми его достоинствами. Кроме этого, такой фильтр характеризуется высокой устойчивостью, низкой чувствительностью параметров фильтра к точности элементов, очень высокой идентичностью характеристик НЧ и ВЧ звеньев и, наконец, простотой настройки фильтра и перестройки его частоты среза. Структура разделительного фильтра на интеграторах и некоторые его характеристики приведены на рисунке 21.

Рисунок 21 — Разделительный комплементарный фильтр на интеграторах.

1. Вход. 2. Сумматор. 3 и 4. Интеграторы. 5 и 6. Цепи обратной связи.
7 и 9. Выход НЧ и его АЧХ. 8 и 10. Выход ВЧ и его АЧХ.

2.4 Универсальный перестраиваемый фильтр на интеграторах

Передаточная функция произвольного фильтра второго порядка в общем виде может быть представлена в следующем виде [9]:

                                                              (7)

Передаточные функции фильтров нижних и верхних частот могут быть получены из формулы (7) при следующих значениях параметров: фильтр нижних частот d1 = d2 = 0; фильтр верхних частот d0d1 = 0.

Добротность полюсов определяется коэффициентами знаменателя:

.                                                             (8)

Обычно для каждого из фильтров разрабатывается специальная, как можно более простая, принципиальная схема. Иногда, однако, возникает необходимость построения такой единой схемы фильтра, в которой резонансную частоту, добротность и коэффициент передачи можно было настраивать независимо друг от друга. На рисунке 22 приведена схема фильтра, удовлетворяющая этим требованиям [9]. Важной особенностью схемы является то, что она в зависимости от того, какой выход используется, работает одновременно как селективный, заграждающий, фильтр нижних частот и фильтр верхних частот. Нас интересуют только фильтры нижних и верхних частот. Поэтому для расчета характеристик фильтра запишем соотношения между напряжениями схемы:

; .

Рисунок 22 — Универсальный фильтр второго порядка

с независимо настраиваемыми характеристиками

Исключая, где это необходимо, из уравнений соответствующие значения выходных напряжений, получим выражения для коэффициентов передачи для различных выходов:

(фильтр верхних частот второго порядка),

(фильтр нижних частот второго порядка).

В [9] приведены следующие характеристики фильтров:

Фильтр нижних частот: , α = A0/β.

Фильтр верхних частот: , α = A/β.

2.5 Корректор АЧХ Линквица для малогабаритной акустической системы

Акустическое оформление громкоговорителей можно представить как фильтр ВЧ, поэтому наблюдается не только спад АЧХ в области низких частот (от 12 до 24 дБ на октаву), но и изменение ФЧХ. В зависимости от добротности НЧ-головки в акустическом оформлении, может иметь место выброс на АЧХ, что приводит к "бубнящему" звучанию.

Применение специального корректора с "зеркальной" относительно АЧХ громкоговорителя характеристикой позволяет не только расширить диапазон частот в области НЧ и убрать "бубнение", но и скорректировать ФЧХ, что благоприятно сказывается на верности воспроизведения звука. Эквивалентная добротность акустической системы (АС) становится близкой к оптимальной, равной 0,707.

Корректор АЧХ Линквица [10, 11] (рисунок 23) представляет собой инвертирующий усилитель, охваченный частотно-зависимой ООС с помощью двух двойных неполных Т-мостов — на входе и в цепи ОС.

Рисунок 23 — Корректор АЧХ Линквица

Для понимания работы корректора рассмотрим свойства двойного Т-моста (рисунок 24).

Рисунок 24 — Двойной Т-мост

Он представляет собой режекторный фильтр с частотой настройки f0:

f0 =1 / 2πRC.

Глубина режекции (подавления частоты f0) такого фильтра при работе на высокоомную нагрузку достигает 50 дБ. Неполный двойной Т-мост (рисунок 25) имеет ту же частоту настройки, однако добротность фильтра гораздо ниже, и глубина режекции — всего 10 дБ.

Рисунок 25 — Неполный двойной Т-мост

Достоинство неполного моста в том, что он позволяет перестраивать частоту настройки фильтра изменением всего одной емкости Сх. Частоту настройки неполного двойного Т-моста определяют по формуле:

f = f0 ∙ n1/2, n = 2 ∙ Cx/C.

Глубина режекции неполного двойного Т-моста для некоторых значений n приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Глубина режекции неполного двойного Т-моста

n

0,1

0,125

0,25

0,5

1,0

2

3

4

5

10

Глубина режекции, дБ

1,5

2,0

3,5

6,0

10

14

17

19

21

26

Входной Т-мост настроен на частоту fc, в цепи ОС — на частоту (0,25—0,5)fc. Элементы Т-мостов выбраны таким образом, чтобы постоянные времени корректирующих RC-цепей

τ1 = R1∙С2 = R5∙С3; τ2 = R2∙С1 = R4∙С4

были равны. Коэффициент усиления в области НЧ определяется отношением Kнч = R4/R2. В зависимости от добротности НЧ-головки в акустическом оформлении, значение Kнч меняется в пределах 4,5—15.

Очевидно, что при использовании корректора, УМЗЧ должен иметь соответствующий запас по перегрузке. От резисторов R1 и R5 зависит добротность Т-мостов. Параметры элементов корректора для некоторых значений добротности головки в акустической системе приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Параметры элементов корректора

Добротность головки в АС (fc = 80 Гц)

R1(R5),
кОм

R2(R3),
кОм

R4(R6),
кОм

С1,
нФ

С2(С3),
нФ

С4,
нФ

Нижняя частота АС, Гц
(-ЗдБ)

1,0

18,0

12,2

54,1

566

47

128

0,48∙fs

1,2

8,83

13,2

68,6

482

47

108

0,48∙fs

1,4

2,32

14,0

61,9

432

47

97,5

0,48∙fs

1,6

2,12

12,2

71,5

569

47

96,8

0,41∙fs

1,8

2,65

23,8

169

318

22

44,7

0,38∙fs

2,0

2,31

21,5

188

391

22

44,5

0,34∙fs

2,5

2,79

16,7

242

646

22

44,5

0,26∙fs

Номиналы RC-элементов должны быть подобраны с точностью ±1 %. В последней колонке дана нижняя частота громкоговорителя с корректором (относительно резонансной частоты головки fs). Для других значений частоты fc емкости конденсаторов С1...С4 пересчитываются. Например, емкость С1 равна: С1' = С1∙80 / fc. Аналогичным образом пересчитывают и остальные емкости. Можно наоборот, емкости оставить прежними, а пересчитать номиналы резисторов R1...R6.

При добротности головки 1,6 и выше характеристика корректора имеет значительный подъем на частотах 20...30 Гц. Во избежание перегрузки УМЗЧ на инфранизких частотах, на его входе целесообразно поставить дополнительный RC-фильтр первого порядка с частотой среза 30 Гц.

Вид АЧХ и ФЧХ корректора для Qтс = 1,0 показаны на рисунке 26, АЧХ для Qтс = 1,4 на рисунке 27.

Рисунок 26 — АЧХ и ФЧХ корректора для Qтс = 1,0

Рисунок 27 — АЧХ корректора для Qтс = 1,4


3 Разработка малогабаритной активной двухполосной акустической системы

3.1 Разработка структурной схемы малогабаритной активной двухполосной акустической системы

Обычно стереофоническая двухполосная активная акустическая система строится по схеме с общим низкочастотным каналом (рисунок 28). Использование общего низкочастотного канала возможно потому, что в силу особенностей человеческого слуха на частотах ниже 300 Гц стереоэффект не наблюдается. Двухканальный разделительный фильтр содержит два ФВЧ (для левого и правого каналов) и один ФНЧ, общий для обоих каналов. Сигналы двух каналов поступают на ФНЧ через сумматор. К выходам ФНЧ и двух ФВЧ подключены усилители мощности, нагруженные одним низкочастотным и двумя средне-высокочастотными громкоговорителями соответственно.

Рисунок 28 — Классическая структурная схема
активной двухполосной акустической системы

Ввиду сложности изготовления корпусов акустических систем при разработке малогабаритной активной двухполосной акустической системы было решено использовать корпуса и динамические головки от имеющихся в наличии готовых акустических систем: акустическая система с открытым оформлением и головкой 2ГД-40 от отечественного магнитофона «Электроника-311»; компьютерная акустическая система «Typhon» с фазоинвертором и головкой 105FS-AN; компьютерная акустическая система Genius SP-305 с закрытым оформлением и головкой неизвестного типа; излучатели от отечественных наушников с головкой 0,5ГД-50 в закрытом оформлении.

Все эти системы имеют головки с простейшей магнитной системой, поэтому для снижения их нелинейных искажений актуально увеличение выходного сопротивления усилителя. При этом, однако, возрастает добротность громкоговорителей, что приводит к выбросу на АЧХ в области резонансной частоты и появлению "бубнящего" звучания. Кроме того, у малогабаритных акустических систем спад АЧХ в области низких частот начинается с величины 100—180 Гц. Поэтому для выравнивания АЧХ и расширения диапазона частот НЧ громкоговорителя решено применить корректор АЧХ Линквица. А для выравнивания АЧХ СЧ-ВЧ громкоговорителей — режекторный фильтр на основе гиратора.

Наилучшие характеристики, простоту настройки и перестройки частоты среза имеет разделительный фильтр на интеграторах. Поэтому классическая структурная схема двухполосной акустической системы была усовершенствована и приняла вид, показанный на рисунке 29.

Рисунок 29 — Структурная схема малогабаритной
активной двухполосной акустической системы

Как видно из рисунка, отдельные ФНЧ и ФВЧ заменены двумя разделительными фильтрами на интеграторах. Сигнал для общего низкочастотного канала формируется путем суммирования сигналов с НЧ выходов разделительных фильтров двух стереоканалов и поступает на вход усилителя мощности через корректор АЧХ Линквица. Сигналы с ВЧ выходов разделительных фильтров поступают на входы усилителей мощности через режекторные фильтры.

3.2 Усилитель с комбинированной (по току и напряжению) отрицательной обратной связью

Усилитель с комбинированной (по току и напряжению) отрицательной обратной связью имеет ненулевое (положительное) выходное сопротивление [12, 13].  При этом улучшаются условия работы громкоговорителя и снижаются его нелинейные искажения. Построение цепей комбинированной ООС для неинвертирующего усилителя показано на рисунке 30.

Рисунок 30 — Неинвертирующий усилитель комбинированной ООС

Здесь резистор R1 формирует цепь ООС по напряжению (ООСН). Резистор RT — датчик тока, протекающего через сопротивление нагрузки RH. Напряжение с резистора RT, пропорциональное току нагрузки, подается на инвертирующий вход усилителя через резистор R2, осуществляя ООС по току (ООСТ). От соотношения сопротивлений всех этих резисторов зависит выходное сопротивление Rвых усилителя и его коэффициент усиления Ку. Сопротивление резистора RT должно быть по возможности меньше, чтобы не снижать КПД усилителя (повышение выходного сопротивления с помощью комбинированной ООС почти не влияет на КПД усилителя). Значение Rвых в любом случае не может быть меньше сопротивления RT.

Таким образом, легко получить требуемое выходное сопротивление в любом усилителе. Для этого его необходимо дополнить резисторами RT и R2 с нужным сопротивлением. Интересно, что для неинвертирующего усилителя существует соотношение сопротивлений резисторов цепей ООС:

RH/RT = R1/Rос,

при котором Ку не зависит от значения R2. Этим удобно пользоваться при доработке уже существующих усилителей. При другом соотношении сопротивлений Ку может увеличиваться или уменьшаться с ростом R2.

Чтобы получить требуемое выходное сопротивление в существующем усилителе, его необходимо дополнить резисторами R и R2 нужной величины. У неинвертирующего усилителя при соотношении сопротивлений резисторов Rн/R = R1/Roc коэффициент усиления не зависит от величины сопротивления R2. Этим удобно пользоваться при доработке уже существующих усилителей.

Расчет комбинированной ООС весьма трудоемок, и для его облегчения была использована бесплатная программа combinOS.exe [13]. Она позволяет рассчитывать цепи ООС как неинвертирующего, так и инвертирующего усилителя и выполняет три варианта расчета:

1. Доработка существующего усилителя для получения требуемого значения Rвых. При этом все элементы цепи ООС являются известными. Задается величина R. В результате расчета получается требуемое значение сопротивления R2 и получившийся при этом коэффициент усиления Ку.

2. Конструирование усилителя с заданным Rвых. Задаются значения Ку, Rвых  и вычисляются требуемые значения R1 и R2.

3. Оценка параметров усилителя с известной схемой. Задаются номиналы всех элементов цепей ООС, и вычисляются значения Rвых и Ку, соответствующие такой схеме.

При доработке существующего усилителя цепью ООСТ для получения требуемого значения Rвых все элементы цепи ООСН предполагаются известными. Также задается сопротивление токового датчика RT. Оно выбирается из соображений допустимой рассеиваемой мощности. В результате расчета получается требуемое значение сопротивления R2 и получившийся при введении дополнительной цепи ООСТ коэффициент усиления Ку.

При конструировании усилителя с заданным Rвых задаются значения Ку Rвых и вычисляются требуемые значения R1 и R2.

Для оценки параметров усилителя с известной схемой задаются номиналы всех элементов цепей ООС и вычисляются значения Rвых и Ку соответствующие такой схеме.

Пример окна программы для расчета неинвертирующего усилителя показан на рисунке 31.

Рисунок 31 — Пример окна программы для расчета неинвертирующего усилителя

Свойство неинвертирующего усилителя сохранять неизменным коэффициент усиления при изменении глубины ООСТ, а значит, и выходного сопротивления можно использовать для создания усилителей с оперативно регулируемым выходным сопротивлением. На рисунке 32 показана упрощенная схема введения регулятора выходного сопротивления для усилителя, описанного в [9]. Добавлено три элемента (рисунок 32): резисторы R2-1 и R2-2, которые совместно образуют резистор R2 на рисунке 3, а также датчик тока нагрузки — резистор RT = RocRH/R1. Резистор R2-1 ограничивает диапазон регулирования выходного сопротивления максимальным значением 8 Ом (удвоенным сопротивлением нагрузки) при установке движка R2-2 в крайнее левое по схеме положение. Минимальное выходное сопротивление усилителя равно 0,6 Ом.

Рисунок 32 — Усилитель с регулируемым выходным сопротивлением

3.2 Измерение характеристик динамических головок и выбор акустического оформления

Выше были перечислены имеющиеся в наличии готовые акустические систем, корпуса и динамические головки от которых можно использовать для построения малогабаритной активной двухполосной акустической системы. Необходимо было определить, какие из них подходят для использования в НЧ звене двухполосной системы, а какие — в СЧ-ВЧ звене. Для этого были проведены измерения АЧХ этих акустических систем и вычислены добротность Qтс и частота резонанса fc. Эти величины также необходимо знать для расчета корректора АЧХ Линквица и режекторного фильтра.

Для измерений характеристик динамических головок использовалась программа Diagnostic System for Sound Fields v5.0.5.5. Данная программа использует аудиоконтроллер компьютера в качестве ЦАП и АЦП и содержит в своем составе различные виртуальные измерительные приборы: генераторы сигналов, осциллограф, спектроанализатор, измеритель нелинейных искажений и др. К линейному выходу аудиоконтроллера подключался описанный выше усилитель с регулируемым выходным сопротивлением нагруженный на испытуемую динамическую головку. В качестве измерительного микрофона использовался электретный микрофон, подключенный к микрофонному входу аудиоконтроллера.

Для определения добротности АС Qтс и частоты резонанса fc использовались модули программы Diagnostic System for Sound Fields v5.0.5.5 — генератор сигналов с автоматической перестройкой частоты и спектроанализатор.

Частоту резонанса в оформлении fc определяли следующим образом. Размещали микрофон в непосредственной близости от диффузора НЧ-головки со смещением 2/3 радиуса диффузора от его центральной оси. На АС подавали сигнал мощностью 0,1—0,5 Вт. Сигнал с микрофона контролировали при помощи спектроанализатора. При изменении частоты генератора от 50 до 1000 Гц спектроанализатор строил АЧХ АС.

Далее убеждались в наличии горба на АЧХ в области fc и спада характеристики с крутизной 12 дБ/окт. ниже этой частоты. Снимали НЧ-головку и определяли ее частоту основного резонанса в свободном пространстве fs и полную добротность Qтs, по методикам, изложенным в [3]. После этого определяли добротность АС по формуле:

Qтс = Qтs ∙ fc / fs.

В приложении А на рисунках А.1—А.14 приведены АЧХ перечисленных выше головок в различных оформлениях и с различным заполнением на расстоянии 0,1 м при напряжении на головке 0,4 В и при выходным сопротивлении усилителя 0 и 100 Ом. Открытое оформление акустической системы от магнитофона «Электроника-311» можно легко преобразовать в закрытое, прикрепив изнутри к задней стенке картонную панель, закрывающую имеющиеся в ней отверстия. Фазоинвертор акустической системы «Typhon» также можно преобразовать в закрытое оформление, закрыв отверстие фазоинвертора заглушкой из плотного материала.

По полученным АЧХ были определены частоты резонанса головок в оформлении fc и в свободном пространстве fs (таблица 5).

Таблица 5 — Частоты резонанса головок в оформлении fc и в свободном пространстве fs

Головка

2ГД-40
в открытом оформлении

2ГД-40
в закрытом оформлении

105FS-AN

Genius SP-305

0,5 ГД-50

fc, Гц

95

160

160

390

700

fs, Гц

110

110

120

350

500

Из таблицы видно, что для НЧ громкоговорителя подходят головки 2ГД-40 и 105FS-AN, а для СЧ-ВЧ громкоговорителей — Genius SP-305 и 0,5 ГД-50. Добротности обеих головок составили около 2,4.

В приложении Б на рисунках Б.1—Б.22 приведены диаграммы нелинейных искажений этих же головок в различных оформлениях на расстоянии 0,1 м на различных частотах при напряжении на головке 0,4 В, при выходным сопротивлении усилителя 0 и 100 Ом.

Результаты измерений нелинейных искажений головок 2ГД-40 и 105FS-AN сведены в таблицу 6, а головок Genius SP-305 и 0,5 ГД-50 — в таблицу 7.

Таблица 6 — Нелинейные искажения головок 2ГД-40 и 105FS-AN

F, Гц

50

70

100

150

200

2ГД-40

Кг , %
(
Rвых = 0 Ом)

23

9,8

3,0

0,87

2,6

Кг , %
(
Rвых = 100 Ом)

52

11,6

2,9

0,55

0,9

105FS-AN

Кг , %
(
Rвых = 0 Ом)

23

9,8

5,0

1,1

1,4

Кг , %
(
Rвых = 100 Ом)

52

11,6

2,5

0,65

0,8

Таблица 7 — Нелинейные искажения головок Genius SP-305 и 0,5 ГД-50

F, Гц

100

200

250

300

350

400

500

600

Genius SP-305

Кг , %
(
Rвых = 0 Ом)

41

29,5

12,8

5,1

1,3

1,7

2,3

Кг , % (Rвых = = 100 Ом)

23,2

14,0

3,4

2,9

1,4

0,9

0,4

0,5 ГД-50

Кг , %
(
Rвых = 0 Ом)

7,8

27,2

18,1

21,4

19,5

6,3

1,7

Кг , %
(
Rвых = 100 Ом)

5,2

18,2

5,0

2,7

2,7

0,82

0,2

Теперь из этих двух пар головок была выбрана пара, обладающая наилучшими качественными показателями. По результатам сравнения АЧХ и нелинейных искажений для НЧ громкоговорителя была выбрана головка 2ГД-40 в открытом оформлении, а для СЧ-ВЧ громкоговорителей — Genius SP-305.

3.3 Разработка принципиальной схемы и её компьютерное моделирование 

Для построения схем и их моделирования использовалась программа Electronics Workbench 8.12 Student Edition, которая позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы. Вначале была разработана принципиальная схема «собрана» виртуальная модель разделительного фильтра на интеграторах (рисунок 33).

Рисунок 33 — Принципиальная схема разделительного фильтра на интеграторах

Фильтр состоит из двух интеграторов, выполненных на операционных усилителях DA1.3 и DA1.4, и охваченных обратной связью через основной суммирующий усилитель DA1.2. Интеграторы содержат резисторы R6, R7. На операционном усилителе DA1.1 выполнен инвертирующий усилитель.

Работа фильтра подробно рассмотрена в [3, 15]. При использовании одинаковых интеграторов частота настройки фильтра f0 определяется из условия

Кинт( f0) = 1,      (19)

где Кинт( f0) — коэффициент передачи интеграторов как функции частоты.

Коэффициент передачи интегратора связан с его постоянной времени τ

Кинт( f0) = 1 / 2π f τ.     (20)

Подставляя (20) в (19), выражая  f  и учитывая, что

τ = RC,      (21)

где R и C сопротивление и емкость времязадающей цепи, получим

 f0 = 1 / 2πRC.     (22)

На выходе «ФВЧ» его АЧХ соответствует АЧХ фильтра верхних частот, а на выходе «ФНЧ» — АЧХ фильтра нижних частот. В первом случае фаза выходного сигнала фильтра совпадает с фазой входного, во втором сдвинута относительно него на 180°. Добротность фильтра можно регулировать, изменяя усиление инвертирующего усилителя 4. Установленное значение добротности сохраняется при перестройке фильтра по частоте.

Используя таблицу 2, можно ориентировочно определить распределение мощности между каналами двухполосной системы. Например, для частоты раздела 500 Гц на низкочастотную полосу приходится 56% общей мощности, а на средне-высокочастотную - 44%.

Для построения АЧХ фильтра на НЧ и ВЧ выходах применяются два построителя АЧХ, подключенные к НЧ и ВЧ выходам. Суммарная АЧХ строится третьим построителем АЧХ, вход которого подключен к НЧ и ВЧ выходам через сумматор на резисторах.

Построенные АЧХ фильтра на НЧ и ВЧ выходах изображены на рисунке 34. Детальный анализ этих АЧХ позывает, что они имеют спад 12 дБ/окт. за пределами рабочей области, а частоты среза по уровню – 3дБ совпадают, т.е. данный разделительный фильтр является комплементарным фильтром 2-го порядка.

   

а б

Рисунок 34 — АЧХ фильтра на НЧ (а) и ВЧ (б) выходах

На рисунке 35а показана суммарная АЧХ фильтра. Как видно, она имеет значительный провал на частоте раздела. Экспериментально было установлено, что если перед суммированием сигнал с одного из выходов проинвертировать, то провал исчезнет (рисунок 35б). Из этого следует, что в реальной акустической системе для получения максимально плоской АЧХ по звуковому давлению НЧ и СЧ-ВЧ громкоговорители должны быть включены в противофазе.

  

а б

а) без инверсии, б) с иверсией

Рисунок 35 — Суммарная АЧХ фильтра

Следующим этапом было моделирование схемы одного стреоканала двухполосной активной акустической системы (рисунок 36).

Схема включает разделительный фильтр на интеграторах, корректор АЧХ Линквица, режекторный фильтр на основе гиратора, усилители мощности, нагруженные на эквиваленты динамических головок, имитирующие их импеданс и АЧХ по звуковому давлению. Режекторный фильтр для выравнивания АЧХ СЧ-ВЧ громкоговорителей состоит из колебательного контура, индуктивность которого выполнена на основе гиратора.

    

Гираторэлектрическая цепь, которая осуществляет преобразование импеданса. Другими словами, эта схема заставляет ёмкостные цепи проявлять индуктивные свойства. Поскольку катушки индуктивности далеко не всегда могут применяться в электрических цепях, использование гираторов позволяет обходиться без катушек. Для этого используется цепь, состоящая из конденсатора, операционного усилителя и резисторов (рисунок 37). Назначение гиратора — поменять знак комплексного сопротивления цепи, а на приведённой схеме — инвертировать действие конденсатора.

Рисунок 37 — Гиратор как аналог индуктивности и его эквивалентная схема

Желаемый импеданс цепи, который мы хотим получить, можно описать как

То есть это последовательно соединённые индуктивность L и сопротивление RL. Из схемы видно, что импеданс имитированной индуктивности соединён параллельно с импедансом C и R

В случае, когда R много больше чем RL, то это выражение принимает вид

Таким образом мы получаем последовательно соединённые сопротивление  и индуктивность . Основное отличие от истинной индуктивности здесь проявляется в том, что присутствует параллельное , и в том, что  обычно значительно больше, чем в реальных катушках.

Колебательный контур режекторного фильтра настроен на резонансную частоту СЧ-ВЧ головки, равной около 360 Гц.

Эквиваленты динамических головок представляют собой частозависимые цепи, АЧХ которых имитируют АЧХ по звуковому давлению.

Вначале при отключенных корректоре АЧХ Линквица и режекторном фильтре были сняты АЧХ «по звуковому давлению» на НЧ и ВЧ выходах, суммарная АЧХ компьютерной модели двухполосной акустической системы и частоте настройки разделительного фильтра 480 Гц. Экспериментально было установлено, что именно при такой частоте АЧХ имеет минимальную неравномерность. Затем корректор АЧХ Линквица и режекторныйм фильтр были включены и АЧХ были сняты повторно.

На рисунках 38—40 изображены АЧХ «по звуковому давлению» на НЧ и СЧ-ВЧ выходах, суммарная АЧХ компьютерной модели двухполосной акустической системы при отключенных (а) и включенных (б) корректоре АЧХ Линквица и режекторном фильтре.

 

а б

Рисунок 38 — АЧХ «по звуковому давлению» на НЧ выходе при отключенных (а) и включенных (б) корректоре АЧХ Линквица и режекторном фильтре

    

а б

Рисунок 39 — АЧХ «по звуковому давлению» на СЧ-ВЧ выходе при отключенных (а) и включенных (б) корректоре АЧХ Линквица и режекторном фильтре

 

а б

Рисунок 40 — Суммарная АЧХ компьютерной модели двухполосной акустической системы при отключенных (а) и включенных (б) корректоре АЧХ Линквица и режекторном фильтре

Анализ этих АЧХ при отключенных корректоре АЧХ Линквица и режекторном фильтре позывает наличие выбросов на АЧХ в области резонансных частот головок (особенно НЧ головки), приводящих к появлению "бубнящего" звучания, нижняя рабочая частота НЧ головки совпадает с ее резонансной частотой, равной 112 Гц. Неравномерность суммарной АЧХ составляет около 10 дБ в диапазоне от 80 Гц.

При включении корректора АЧХ Линквица и режекторного фильтра АЧХ «по звуковому давлению» на НЧ и ВЧ выходах и суммарная АЧХ существенно изменяются — выбросы в области резонансных частот отсутствуют, нижняя рабочая частота НЧ головки стала меньше ее резонансной частоты почти в 3 раза. В реальной акустической системе уменьшение нижней рабочей частота НЧ головки будет меньше из-за ограниченной ее и усилителя перегрузочной способности. Суммарная АЧХ имеет неравномерность не более 3 дБ в диапазоне от 35 Гц.

3.4 Изготовление макета двухполосной активной акустической системы

После компьютерного моделирования принципиальных схем был изготовлен макет двухполосной активной акустической системы, который состоит из НЧ громкоговорителя с открытым оформлением с головкой 2ГД-40 и двух СЧ-ВЧ громкоговорителей с закрытым оформлением — Genius SP-305.

Разделительные фильтры выполнены на двух микросхемах К1401УД1, содержащих по четыре операционных усилителя. Режекторные фильтры выполнены на микросхеме К157УД2, содержащей два операционных усилителя. Корректор АЧХ Линквица выполнен на операционном усилителе К140УД7. Усилители мощности для СЧ-ВЧ громкоговорителей обоих стереоканалов выполнены на двухканальной микросхеме TEA2025B. Усилитель мощности для НЧ громкоговорителя выполнен на микросхеме TDA2030.

На рисунках 44, 45 изображена суммарная АЧХ по звуковому давлению двухполосной акустической системы при отключенных и включенных корректоре АЧХ Линквица и режекторном фильтре. При измерении АС находилась на расстоянии 1 м от микрофона, напряжение на головках составляло 0,4 В.

Рисунок 44 — Суммарная АЧХ двухполосной активной акустической системы при отключенных корректоре АЧХ Линквица и режекторном фильтре

Сравнение этих АЧХ позывает, что при включении корректора АЧХ Линквица и режекторного фильтра суммарная АЧХ «по звуковому давлению» существенно улучшается — неравномерность АЧХ в диапазонах от 50 до 140 Гц и от 170 до 1000 Гц составляет менее 6 дБ, нижняя рабочая частота НЧ головки стала меньше ее резонансной частоты почти в 2 раза. По субъективным оценкам исчезает "бубнящее" звучание и появляются более глубокие басы.

Рисунок 45 — Суммарная АЧХ двухполосной активной акустической системы при  включенных корректоре АЧХ Линквица и режекторном фильтре

Наблюдаемый на АЧХ головок двукратный спад низких частот (ниже 170 Гц) по отношению к средним связан с тем, что АЧХ снимались в условиях полностью свободного пространства (4π radiation), т. е. без акустической "поддержки" стены. Происходит это из-за различной направленности излучения головки на разных участках частотного диапазона и обусловлено акустическим оформлением измеряемой головки. Из-за отражения звука от передней панели бокса на средних частотах головка излучает звук только в переднюю полусферу. В результате на этих частотах звуковое давление, измеряемое на оси АС, удваивается. На низких частотах длина звуковой волны оказывается больше размеров ящика и звук от него практически не отражается, а огибает (дифрагирует), излучаясь во все стороны с одинаковой интенсивностью. Поэтому удвоения звукового давления на оси головки на этих частотах не происходит. В результате в низкочастотной части измеренной АЧХ появляется дополнительный плавный спад на 6 дБ относительно средних частот, называемый «baffle step», являющийся исключительной особенностью подобной методики измерения. При размещении же АС в реальном жилом помещении, особенно у стены, baffle step практически не наблюдается.


Заключение

Основные результаты дипломной работы состоят в следующем:

  1.  Изучены принципы работы электроакустических преобразователей, применяемых в акустических системах, схемотехника активных разделительных фильтров и усилителей мощности звуковой частоты, методы снижения нелинейных искажений в акустических системах.
  2.  Разработана структурная схема стереофонической двухполосной активной акустической системы с общим низкочастотным каналом.
  3.  Разработаны принципиальные схемы активного разделительного фильтра и усилителей мощности активной акустической системы
  4.  Проведено компьютерное моделирование принципиальных схем.
  5.  Изготовлен макет стереофонической двухполосной активной акустической системы.


Список использованных источников

  1.  Павловская  В. И.  Акустика и электроакустическая аппаратура / В. И. Павловская. — М.: Радио и связь, 1986. – 205 c.
  2.  Иофе В. К. Бытовые акустические системы /  В. К.  Иофе,  М. В.  Лизунков. —  М.: Радио и связь, 1984. – 68-69 c.
  3.  Алдошина И. А. Высококачественные акустические системы и излучатели / И. А. Алдошина, А. Г.  Войшвилло. — М.: Радио и связь, 1983. – 92 c.
  4.  Горшенин  Д.  Как выбрать динамическую головку для высококачественной АС /  Д. Горшенин //  Радио. —  2008. —  № 6. — С. 11—15.
  5.  Горшенин  Д.  Как выбрать динамическую головку для высококачественной АС /  Д. Горшенин //  Радио. —  2008. —  № 7. — С. 15—18.
  6.  Горшенин  Д.  Как выбрать динамическую головку для высококачественной АС /  Д. Горшенин //  Радио. —  2008. —  № 8. — С. 8—12.
  7.  Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление / С. Агеев //  Радио. — 1997. — № 4. — C. 14—16.
  8.  Хоровиц  П.  Искусство схемотехники  / П. Хоровиц, У. Хилл. — М.: Мир, 1983. — 51 c.
  9.  Титце У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк. — М.: Мир, 1983. — 240 c.
  10.   Животовская А. Ю. О сабвуферах, глубоких басах и корректоре Линквица // —  URL: http://www.electroclub.info/article/subsjinkwitz_bass.htm [15 сентября 2009]
  11.   Панин К. В. Профессиональный" расчет корректора Линквица // — URL: <http://www.electroclub.info/ article/linkwitz_pro.htm> [21 июня 2001]
  12.  Сырицо А. Особенности УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением / А.  Сырицо //   Радио. —  2002. —  №2. —  С. 16—17.
  13.  Рогов И. Регулирование выходного сопротивления УМЗЧ посредством комбинированной ООС /  И. Рогов // Радио. — 2007. —  № 10. — С. 17—19.

Справочник  по аналоговым интегральным схемам / А.Л. Булычев // изд., перераб. и доп. — Мн.: Беларусь, — 1993. — 59—63 с.


ПРИЛОЖЕНИЕ А
АЧХ головок

Рисунок А.1 — АЧХ головки 2ГД-40 в открытом оформлении при Rвых = 0

Рисунок А.2 — АЧХ головки 2ГД-40 в открытом оформлении при Rвых = 100 Ом

Рисунок А.3 — АЧХ головки 2ГД-40 в закрытом оформлении без заполнения
при
Rвых = 0

Рисунок А.4 — АЧХ головки 2ГД-40 в закрытом оформлении без заполнения
при
Rвых = 100 Ом

Рисунок А.5 — АЧХ головки 2ГД-40 в закрытом оформлении с заполнением при Rвых = 0

Рисунок А.6 — АЧХ головки 2ГД-40 в закрытом оформлении с заполнением
при
Rвых = 100 Ом

Рисунок А.7 — АЧХ головки 105FS-AN в оформлении фазоинвертор
при
Rвых = 0

Рисунок А.8 — АЧХ головки 105FS-AN в закрытом оформлении при Rвых = 0 Ом

Рисунок А.9 — АЧХ головки 105FS-AN в закрытом оформлении при Rвых = 100 Ом

Рисунок А.10 — АЧХ головки Genius SP-305 в закрытом оформлении при Rвых = 0 Ом

Рисунок А.11 — АЧХ головки 0,5 ГД-50 в открытом оформлении при Rвых = 0

Рисунок А.12 — АЧХ головки 0,5 ГД-50 в открытом оформлении при Rвых = 100 Ом

Рисунок А.13 — АЧХ головки 0,5 ГД-50 в закрытом оформлении при Rвых = 0 Ом

Рисунок А.14 — АЧХ головки 0,5 ГД-50 в закрытом оформлении при Rвых = 100 Ом


Приложение Б
Нелинейные искажения головок

 

а б

Рисунок Б.1 — Нелинейные искажения головки 2ГД-40  
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.2 — Нелинейные искажения головки 2ГД-40  
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.3  — Нелинейные искажения головки 2ГД-40  
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.4 — Нелинейные искажения головки 2ГД-40  
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.5 — Нелинейные искажения головки 2ГД-40  
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.6  — Нелинейные искажения головки 105FS-AN
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.7 — Нелинейные искажения головки 105FS-AN
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.8 — Нелинейные искажения головки 105FS-AN
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.9 — Нелинейные искажения головки Genius SP-305
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.10 — Нелинейные искажения головки Genius SP-305
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.11 — Нелинейные искажения головки Genius SP-305
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.12 — Нелинейные искажения головки Genius SP-305
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.13 — Нелинейные искажения головки Genius SP-305
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.14 — Нелинейные искажения головки Genius SP-305
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.15 — Нелинейные искажения головки Genius SP-305
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.16 — Нелинейные искажения головки 0,5 ГД-50
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.17 — Нелинейные искажения головки 0,5 ГД-50
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.18 — Нелинейные искажения головки 0,5 ГД-50
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.19 — Нелинейные искажения головки 0,5 ГД-50
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.20 — Нелинейные искажения головки 0,5 ГД-50
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.21 — Нелинейные искажения головки 0,5 ГД-50
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)

 

а б

Рисунок Б.22 — Нелинейные искажения головки 0,5 ГД-50
при
Rвых = 0 (а) и Rвых = 100 Ом (б)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71694. Архивация данных 432 KB
  Цель работы: Научится создавать архивные файлы при помощи программы WinRAR Освоить приемы извлечения из архива Пособия и оборудование: ПК IBM PC/AT; Инструкция по выполнению лабораторной работы; Методические...
71695. Элементы Рабочего стола Window Приемы работы 7.32 MB
  Порядок выполнения работы. Ознакомился с методическими указаниями. Изучили элементы Рабочего стола. Определил, какие элементы входят в состав оформления Рабочего стола. Открыл несколько любых окон на Рабочем столе и выполнил следующие манипуляции: развернули; восстановили...
71696. Настройка рабочего стола, Панели задач, Главного меню 6.27 MB
  Цель работы: Закрепить теоретические знания по теме Настройка рабочей среды ОС Windows Закрепить теоретические знания по теме Основные объекты Windows и их назначение Самостоятельно овладеть навыками настройки работы основных элементов оформления ОС Windows.
71697. Детские болезни. Периоды детства конспект лекций 1.59 MB
  Период внутриутробного развития (утробное детство). Длительность - с момента имплантации до рождения (270 дней). Естественное вскармливание. Смешанное и искусственное вскармливание. Перинатальное поражение ЦНС у новорожденных. Перинатальное поражение ЦНС у новорожденных...
71698. ТЕХНОЛОГИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ 54.12 KB
  Разработка методов помехоустойчивого кодирования, была инициирована основанной теоремой Шеннона для дискретного канала с шумом, указывающей на существование практически безошибочного метода передачи информации по такому каналу со скоростью, не превышающей пропускную способность этого канала.
71699. Модуляция 1.88 MB
  Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую.
71701. Технология помехоустойчивого кодирования 64.71 KB
  При передаче информации в пространстве или во времени имеет место где вектор ошибки знак – обозначает суммирование по модулю 2. 3 Вектор в 3 называемый синдромом будет равен вектору нуль только в двух случаях: либо ошибки нет либо имеет место так называемая необнаруживаемая ошибка.
71702. Модуляция гармонических колебаний 540.84 KB
  Под модуляцией понимают процесс изменения одного или нескольких параметров физического процесса по закону передаваемого сообщения. Так, например, если моделью физического процесса является функция f(a, b, c, d, t), то параметры a, b, c, d можно использовать для осуществления модуляции.