Акустические системы

Качество и параметры акустических систем., несомненно, решающим образом определяют возможность высококачественного звуковоспроизведения. По моему убеждению, акустические системы и весь звуковоспроизводящий комплекс никогда не смогут математически точно воспроизвести звучание записанных инструментов в силу свойств материалов, применяемых при изготовлении динамиков, акустических свойств помещения, искажений, вносимых при записи (компрессия, введение спецэффектов и т.д.), и множества других причин. Поэтому при выборе акустических систем следует ориентироваться на достижение наибольшей комфортности звука и, конечно же, на свой вкус. Один и тот же усилитель может звучать совершенно по-разному при работе на разные колонки, которые тоже имеют свои жанровые предпочтения - одни лучше воспроизводят симфоническую музыку, другие - джаз и рок. Однако все усилия и расходы па подбору акустических систем сторицей вознаграждаются удовольствием, получаемым от прослушивания музыкального произведения.
В последнее время рынок звуковоспроизводящей техники просто наводнен различными моделями зарубежных и отечественных акустических систем, обладающих сколь угодно разными параметрами и назначением. В таких условиях подбор акустических систем, удовлетворяющих ваши вкусы и пристрастия, может стать весьма долгим и кропотливым занятием. Несмотря на весьма широкий спектр предлагаемых моделей, а может быть, благодаря этому, не переводятся и никогда не переведутся люди, занимающиеся самостоятельным изготовлением и доводкой имеющихся моделей акустических систем.
При самостоятельном изготовлении акустических систем приходится принимать компромиссные решения, так как многие требования, предъявляемые к ним, противоречивы.
Идеальным излучателем мог бы быть одиночный широкополосный громкоговоритель, одинаково хорошо воспроизводящий как нижние, так и высокие частоты звукового диапазона. Однако на практике создание такого идеального излучателя совершенно невозможно. Низкочастотные громкоговорители должны иметь диффузор из мягкого материала с большой массой для снижения резонансной частоты, а высокочастотные, наоборот, должны иметь диффузоры с минимальной массой и максимальной жесткостью.
Для обеспечения воспроизведения всего диапазона частот акустические системы делают двух- или трехполосными. Требования к воспроизводящим головкам разные для разных частот.
Одним из основных параметров низкочастотного динамика является резонансная частота, которая однозначно определяет низшую воспроизводимую частоту. Резонансная частота определяется соотношением

где с - гибкость подвеса диффузора (см/дин); m - масса диффузора, звуковой катушки и воздуха, приложенного к диффузору (г).
Как видно из этой формулы, снизить резонансную частоту можно, во-первых, увеличив массу диффузора, во-вторых, увеличив гибкость подвеса. В последние десятилетия разработчики акустической техники шли в основном по первому пути снижения резонансной частоты, увеличивая массу диффузора и звуковой катушки. Однако это приводит к сильному снижению звукового давления, развиваемому головкой, снижению КПД и, как следствие, к необходимости увеличения выходной мощности усилителей.
По закону Ампера сила F, действующая на проводник в магнитном поле, определяется равенством
F=B*L*I,
где В - магнитная индукция; L - длина проводника; I - сила тока в проводнике.
С другой стороны, по второму закону Ньютона известно, что
F=m*a,
где m-масба диффузора, звуковой катушки и воздуха; а-колебательное ускорение диффузора с катушкой.
На нижних частотах, в зоне поршневого действия диффузора (до 200-500 Гц), звуковое давление, создаваемое излучателем, прямо пропорционально колебательному ускорению диффузора. Составив уравнение, получим a=B*L*I/m, т.е. при увеличении массы диффузора звуковое давление уменьшается. Для снижения резонансной частоты в два раза потребуется увеличить массу диффузора в 4 раза, и во столько же раз уменьшится звуковое давление излучателя. Для компенсации ослабления звукового давления потребуется в 4 раза увеличить силу тока в катушке, а т.к. выходная мощность усилителя P=I²R_H, то выходную мощность усилителя нужно увеличить в 16 раз! Такова цена сравнительно небольшого расширения низкочастотного диапазона.
Конечно, при разработке громкоговорителей используют и другие методы по снижению резонансной частоты и компенсации снижения чувствительности: увеличивают гибкость подвеса, увеличивают длину провода звуковой катушки, применяют магнитные системы с большей магнитной индукцией. Тем не менее современные акустические системы требуют применения усилителей с выходной мощностью 100-200 Вт, а низкочастотные сабвуферы - 300-400 Вт!
Приведенные выше соотношения показывают, что повысить чувствительность акустических систем можно в основном за счет ограничения низкочастотного диапазона.
На средних и высоких частотах основные трудности возникают из-за резонанса подвижных частей излучателей и создаваемых им призвуков В общем виде АЧХ излучения громкоговорителя, изображенная на рис.1, представляет собой АЧХ фильтра низких частот.

Рис.1 АЧХ излучения громкоговорителя

Резонанс подвижной системы обусловлен возрастанием добротности на частоте резонанса и вызывает неприятные призвуки, особенно заметные при воспроизведении симфонической музыки, духовых и струнных инструментов. Борются с резонансными явлениями, во-первых, выбирая нижнюю частоту среза разделительного фильтра намного выше резонансной частоты, так, чтобы ослабить напряжение звуковых частот, вызывающих резонанс, во-вторых, снижая добротность колебательной системы с помощью демпфирования.
Применяются три способа демпфирования головок - механический, акустический и электрический.
При механическом демпфировании обычно используют нанесение вязкого состава, пропитывающего верхнюю часть диффузора.
Акустическое демпфирование производят установкой вблизи диффузора панели акустического сопротивления (ПАС), заполнением объема ящика звукопоглощающим материалом, изготовлением акустической системы в виде фазоинвертора и другими приемами акустического оформления.
Электрическое демпфирование может быть достигнуто применением усилителя с отрицательным выходным сопротивлением или шунтированием излучателя последовательным LC-контуром, настроенным на резонансную частоту.
Для высокочастотного громкоговорителя установка ПАС не применима, так как вследствие малой длины излучаемых волн ПАС пришлось бы устанавливать практически вплотную к диффузору. Поэтому для высокочастотного звена более всего подходит шунтирование LC-контуром. При этом, чтобы контур не был причиной возникновения дополнительных призвуков, его добротность совместно с головкой не должна превышать 0,7, т.е. должно соблюдаться отношение: 1/(2*Pi*f_p*C)=2*Pi*f_p* L =< R_o . Так, например, для высокочастотной головки 10ГД-35, у которой сопротивление постоянному току R_o=12,7Om, а частота резонанса f_p=3000 Гц, можно применить последовательный контур с L=0,93 мГн и С=3,0 мкФ.
Для среднечастотных головок этот способ практически не применим, так как их частота резонанса на порядок ниже и пришлось бы применять конденсатор слишком большой емкости и габаритов. Поэтому среднечастотные головки обычно демпфируют установкой ПАС и заполнением бокса ватой. Устанавливать ПАС лучше всего как можно ближе к диффузору, не допуская, конечно, касания диффузора. Например, часто ПАС устанавливают непосредственно в окнах диффузородержателя. Кроме того, для некоторых головок возможно и нанесение вязкого состава на верхнюю часть подвеса диффузора.
У низкочастотных головок резонансная частота не может быть срезана фильтром, так как входит в рабочую полосу частот, поэтому прибегают к демпфированию за счет акустического оформления и применения усилителя с отрицательным выходным сопротивлением. У усилителя с отрицательным выходным сопротивлением, в отличие от обычного, напряжение на выходе уменьшается при увеличении сопротивления нагрузки. Поскольку модуль полного сопротивления головки на резонансной частоте резко возрастает, происходит соответствующее уменьшение амплитуды выходного напряжения усилителя. Очевидно, что параметры такого усилителя должны настраиваться на конкретную акустическую систему.
Для акустического демпфирования низкочастотного громкоговорителя чаще всего применяют акустическое оформление в виде фазоинвертора, настроенного на частоту резонанса. Другим вариантом акустического оформления является изготовление ящика в виде ПАС. В этом случае в задней стенке ящика просверливаются отверстия небольшого диаметра, которые изнутри затягиваются марлей. Демпфирования низкочастотного громкоговорителя добиваются также с помощью звукопоглощающего материала, размещая его внутри ящика.
Ящик акустической системы также имеет собственные резонансы и может служить источником призвуков. Для уменьшения резонансных явлений ящик изготавливают из толстой фанеры, устанавливают на боковых стенках бруски для придания большей жесткости и оклеивают изнутри войлоком.
Для разделения полосы частот в многополосных акустических системах применяют пассивные LC-фильтры различных порядков Фильтры большого порядка обеcпечивают большее затухание сигнала вне полосы пропускания, но вносят большие фазовые искажения, которые приводят к искажению и размыванию стереопанорамы. Испытав и сравнив различные фильтры, я рекомендую использовать фильтры 1-го порядка, которые вносят наименьшие фазовые искажения. Номинальные значения элементов разделительных фильтров рассчитываются по формулам
L=0,16*R/f_c, C~160/R*f_c
где R-номинальное сопротивление фильтра (равное сопротивление нагрузки), Ом; f_c- частота среза, кГц; L - индуктивность, мГ; С - емкость, мкФ.

Рис.2 Электрическая схема акустической системы

На рис.2 приведена электрическая схема акустической системы, которая была опробована с описанными выше ламповыми усилителями.
Акустическая система была изготовлена на основе набора, включающего в себя склеенный ящик, переднюю стенку с прорезанными отверстиями и фланцами для крепления громкоговорителей, указанные громкоговорители и детали фильтра. Такие наборы в свое время выпускались промышленностью и предназначались для самостоятельного изготовления колонок типа S-90. Аналогичную систему можно сделать на основе готовых Акустических систем 35АС-1, 35АС-212 и им подобных.
Как известно, головка 15ГД-11 не обеспечивает достаточного качества воспроизведения. Поэтому прежде всего необходимо ее доработать. Для этого изготавливается колпачок из половины теннисного шарика, покрытого тонким слоем эпоксидной смолы и графитового порошка. Этот колпачок герметично приклеивается на пылезащитный колпачок в центре головки клеем "Момент" Такая доработка позволяет расширить диапазон воспроизводимых головкой частот до 6,5 кГц, а также устраняет искажения, возникающие при воспроизведении сигнала с большой амплитудой
Внутренняя поверхность ящика оклеена синтетическим войлоком толщиной 10-15 мм. Изолирующий бокс среднечастотной головки также оклеен войлоком изнутри и снаружи. Внутренняя часть бокса заполнена ватой. Место соединения бокса с головкой тщательно загерметизировано с помощью пластилина.
Частоты раздела фильтров составляют 500 Гц и 6,5 кГц. Соединение акустической системы с усилителем выполнено по двухпроводной схеме.
Такая акустическая система намного превосходит по качеству звучания колонки типа S-90.
Еще более высокое качество звучания было достигнуто при использовании высокочувствительных головок 6ГД-2, ЗГД-1 и 1ГД-3. Акустическая система на их основе обеспечивала озвучивание комнаты средних размеров при подведении мощности 3-4 Вт,
Важным вопросом является подбор головок по сопротивлению и чувствительности. Ламповый усилитель отдает максимальную мощность при наименьших искажениях только при оптимальном сопротивлении нагрузки. Особенно важен точный подбор сопротивления нагрузки для пентодных выходных каскадов. Характеристика зависимости величины нелинейных искажений от сопротивления нагрузки у пентодов представляет довольно острый пик, и отклонение сопротивления нагрузки более чем на 10% от номинальной величины вызывает резкое увеличение нелинейных искажений, Триоды лучше переносят отклонение сопротивления нагрузки, чем пентоды. При уменьшении сопротивления выходная мощность триодных каскадов падает и увеличиваются нелинейные искажения, зато при повышении сопротивления нагрузки нелинейные искажения уменьшаются, но при этом уменьшается и выходная мощность.
Вместе с тем головки, входящие в состав многополосных акустических систем, обладают не только разными сопротивлениями, но и различаются по чувствительности. Так, например, головки 35ГД-1, 15ГД-11 и 10ГД-35 имеют соответственно сопротивления 3,2, 7,8 и 12,7 Ом по постоянному току и обладают чувствительностью 86, 90 и 92 дБ/Вт/м соответственно. Для выравнивания чувствительности эти головки обычно включаются через гасящие резисторы, т.е. чувствительность среднечастотной и высокочастотной головок приводится к уровню чувствительности низкочастотной. Все это приводит к тому, что ламповый усилитель при работе с такими колонками может обеспечить качественную работу лишь в одной полосе частот. Поэтому при подборе головок для акустических систем желательно подбирать их примерно одинаковыми по сопротивлению и по чувствительности, включая головки параллельно или последовательно для выравнивания сопротивлений.
Кроме того, можно сделать отводы во вторичной обмотке выходного трансформатора, рассчитанные, например, на нагрузки сопротивлением 4, 8 и 16 Ом, и подключать головки отдельно по двух- или трехпроводной схеме.
Можно ли предпринять еще что-либо для улучшения качества звучания? Несомненно, можно. Для этого прежде всего надо рассматривать усилитель и .акустическую систему не по отдельности, а как единый комплекс, преобразующий электрический сигнал в звуковые волны. А раз так, значит, можно охватить этот преобразователь обратной связью и тем самым увеличить точность преобразования. Такой способ известен давно под названием электромеханической обратной связи (ЭМОС), Смысл этой обратной связи заключается в получении электрического сигнала, пропорционального скорости и ускорению диффузора, и введении его во входную цепь усилителя.
Отрицательная обратная связь по ускорению диффузора и звуковой катушки позволяет снизить резонансную частоту громкоговорителя, но при этом увеличивает его добротность, что ухудшает равномерность АЧХ излучателя. Обратная же связь по скорости не влияет на резонансную частоту, но снижает добротность громкоговорителя. Таким образом, используя комбинированную обратную связь, сигнал которой будет пропорционален и скорости, и ускорению звуковой катушки, можно снизить резонансную частоту громкоговорителя и уменьшить неравномерность АЧХ излучения. Кроме того, такая обратная связь в несколько раз уменьшает нелинейные искажения громкоговорителя и улучшает передачу сигналов с резко изменяющимся уровнем, т.е. увеличивает коэффициент демпфирования громкоговорителя.
Для получения такого сигнала в 70-х годах предлагалось использовать противо-ЭДС звуковой катушки, которая выделялась с помощью мостовой схемы, в одно плечо которой включалась сама звуковая катушка (рис.3).

Рис.3 Мостовой датчик ЭМОС

В приведенной схеме резистор R и индуктивность L компенсируют сопротивление и индуктивность громкоговорителя. Сигнал ОС на выходе мостового датчика пропорционален скорости диффузора, поэтому для получения сигнала комбинированной ОС на выходе датчика необходимо ввести дифференцирующую цепочку. На практике мостовая схема ЭМОС почти не используется из-за сложности балансировки и нестабильности настройки Дело в том, что во время работы катушка громкоговорителя разогревается и изменяет свои параметры. В результате сигнал обратной связи перестает соответствовать скорости диффузора.
Существует еще один способ получения сигнала обратной связи, пропорционального ускорению диффузора. Он заключается в получении напряжения ОС от пьезокерамического вибродатчика, установленного на ребре звуковой катушки, в месте ее соединения с диффузором. Сигнал, пропорциональный ускорению, получают, в данном случае с помощью интегрирующей RC-цепочки. Этот способ не имеет недостатков, присущих мостовой схеме, но сложнее в реализации.

Рис.4 ЭМОС по ускорению диффузора

На рис.4 показана структурная схема ЭМОС, полученной с помощью вибродатчика. Вследствие большого внутреннего сопротивления пьезокерамического преобразователя катодный повторитель должен иметь входное сопротивление не менее 20 Мом. Провод, соединяющий датчик с катодным повторителем, и сам датчик должны быть тщательно экранированы. Кроме того, датчик необходимо накрыть колпачком, чтобы исключить внешние акустические воздействия. С помощью переменного резистора устанавливается необходимый уровень суммирования напряжений обратной связи по скорости и ускорению. В общем случае может потребоваться усиление сигнала обратной связи и его частотная коррекция.
Введение ЭМОС по звуковому давлению эквивалентно увеличению массы диффузора, а значит, снижает чувствительность акустических систем. Следовательно, при ее использовании нужно повышать выходную мощность усилителя и применять громкоговорители, выдерживающие большую электрическую мощность.
Стремление упростить настройку мостового датчика и вообще отказаться от его балансировки привело к появлению схем с положительной обратной связью по току (ПОСТ). Введение ПОСТ позволяет снизить нелинейные искажения и увеличить степень демпфирования громкоговорителя. Из-за значительной реактивной составляющей сопротивления звуковой катушки форма тока в нагрузке сильно отличается от формы напряжения, подаваемого на нее. Если же использовать ток в нагрузке в качестве сигнала обратной связи, можно значительно уменьшить эти искажения. ПОСТ снижает выходное сопротивление усилителя до отрицательных значений. Подбором оптимального отношения выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки можно улучшить переходные характеристики системы усилитель-громкоговоритель. Схемы реализации простейших ПОСТ показаны на рис.5.

Рис.5 Схемы ПОСТ

В схеме на рис.5,а на резисторе R1 создается напряжение обратной связи, пропорциональное току, проходящему через звуковую катушку громкоговорителя. Значение сопротивления резистора R1 выбирают обычно в пределах 0,1-0,8 Ом. Сигнал обратной связи должен суммироваться с входным сигналом, т.е. обратная связь должна быть положительной. При этом выходное сопротивление усилителя становится отрицательным. Регулируя глубину обратной связи, можно подобрать оптимальное демпфирование громкоговорителя. Введение положительной обратной связи по току сглаживает АЧХ системы усилитель-громкоговоритель в области резонансной частоты громкоговорителя и создает нежелательный спад в области высоких частот. Это происходит из-за того, что модуль полного сопротивления громкоговорителя на частотах выше резонансной плавно увеличивается из-за индуктивного характера нагрузки. Выходное же напряжение усилителя с отрицательным выходным сопротивлением уменьшается при увеличении сопротивления нагрузки. Недостатком простейшей ПОСТ является и то, что она склонна к самовозбуждению на высоких частотах.
Показанная на рис.5, б схема ПОСТ более устойчива благодаря тому, что в ней глубина обратной связи снижается на высоких частотах (начиная с 300-3000 Гц). Однако и в ней могут появляться нежелательные подъемы АЧХ громкоговорителя в области частот чуть выше резонансной частоты.

Рис.6 Схема комбинированной обратной связи

Избавиться от этих недостатков ПОСТ можно, применяя, как и ранее, комбинированную обратную связь, т.е. суммируя определенным образом положительную обратную связь по току и отрицательную обратную связь по напряжению. Схема такой обратной связи показана на рис. 6. Как видно из схемы, напряжения обратной связи по току и по напряжению снимаются с диагоналей мостового датчика, образованного элементами R5R6V1. Работоспособность такого датчика сохраняется в широкой полосе частот и не изменяется во время работы. Оба сигнала суммируются в сумматоре А2 и через цепь R1C1 вводятся во входную цепь усилителя мощности А1. Параметры этой цепы выбираются таким образом, чтобы глубина обеих обратных связей плавно уменьшалась, начиная с частоты 100-200 Гц.
Глубину ПОС по току, т.е. величину выходного сопротивления усилителя, устанавливают резистором R2, а глубину ООС по напряжению - резистором R5.
Налаживать подобный комплекс можно, подключив к резистору R6 вольтметр и подав на вход усилителя сигнал с линейно изменяющейся частотой. Подбирая глубину обратных связей, добиваются максимальной равномерности АЧХ комплекса.
Из приведенных описаний систем с электромеханической обратной связью и обратной связью по току видно, что для их реализации могут потребоваться дополнительные усилительные каскады с частотной коррекцией. Эти каскады можно включить в состав усилителя или объединить в отдельном блоке. Тогда с помощью такого блока можно регулировать параметры практически любой пары усилитель-громкоговоритель. Структурная схема звуковоспроизводящего комплекса с таким блоком обработки сигналов показана на рис.7.

Рис.7 Структурная схема звукопроизводящего комплекса

Блок обработки сигналов может содержать цепи ЭМОС, ПОСТ м ООСН, а также цепи предварительной обработки сигнала - регуляторы тембра, баланса и др.

Д.А. Климов "Ламповые усилители", 2002