Недостатки rlc-разделительных фильтров в акустических системах. Рекомендации для построения комплекса высокой верности воспроизведения звуковых программ и его адаптации к помещению озвучивания

Вид материала

Подобный материал:

Недостатки RLC-разделительных фильтров в акустических

системах. Рекомендации для построения комплекса высокой

верности воспроизведения звуковых программ и его

адаптации к помещению озвучивания.

Общеизвестен тот факт, что конструкторы достигли значительных успехов в создании широкополосных УМЗЧ, позволяющих реализовать их Hi-End характеристики. Но реализуются они лишь только на резистивном эквиваленте нагрузки. При подключении акустических систем (АС) с RLC–фильтрами к УМЗЧ имеют место специфические частотные искажения в самой АС. Они обусловлены ее неравномерной АЧХ и, что не менее существенно, нелинейной ФЧХ.

Начнем с худшего варианта. На рис. 1 изображен простейший вариант фильтров третьего порядка. Хотя фильтры реальной АС имеют «улучшенную» схему, схема рис. 1 все равно остается ее основой и отражает все недостатки таких фильтров.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 2 показывает, что модуль общего сопротивления (импеданс) рассматриваемых фильтров вблизи частоты разделения крайне неравномерен и имеет минимумы с малым значением сопротивления. Это приводит к значительному увеличению тока в нагрузке, которое приходится учитывать разработчикам УМЗЧ и применять в выходном каскаде сильноточные транзисторы.

Кроме того, АЧХ фильтров вблизи частоты разделения в значительный степени неравномерна, что хорошо видно на рис. 3. Иными словами, вносятся искажения в суммарную АЧХ АС по звуковому давлению.

Теперь о самом принципиальном вопросе - линейности ФЧХ вблизи частоты разделения. О ней вообще говорить не приходится. Рис. 4 говорит об этом более чем убедительно. Если мы посмотрим на типовые схемы некоторых АС, то увидим в них попытки разработчиков выровнять АЧХ путем включения в эти схемы режекторных RLC-фильтров последовательного типа. Хотя эти попытки смягчают ситуацию, проблема все равно не снимается. АЧХ «улучшенных» таким образом АС все равно не соответствует заявке их на Hi-End.

Теперь вернемся к рис. 4. Здесь, даже навскидку, все плохо и интуиция нас не обманывает! Бороться с фазовым беспределом ФЧХ вблизи частоты разделения практически невозможно. Тщетность таких попыток вполне объяснима. Напомним, что вся схема RLC-фильтров АС является системой соединения колебательных контуров, хотя и малой добротности. Нелинейность ФЧХ результат того, что эти RLC –контуры являются взаимовлияющими резонансными цепями. Попытка наладить в одном месте приводит к разладу в другом (латание Тришкиного кафтана).

Теперь о ФЧХ фильтров второго порядка (рис. 5). Отметим, что хотя выглядит она намного приличнее, но линейностью и тут не пахнет, т.к.

до частоты среза и

после нее, есть функция очевидно нелинейная, а при f=fcp вообще не определена.

Рис. 5

Далее поступим так, соберем схему на рис. 6, используя смежные по частоте разделения RLC-фильтры любой реальной АС. Подадим на вход прямоугольный импульс.

Рис. 6

С резистивных эквивалентов головок BA1 и BA2, подключенных к фильтрам АС Z1 и Z2, сигнал подается на вход сумматора S1 и контролируется на его выходе осциллографом с длительным послесвечением экрана. Длительность одиночного прямоугольного импульса выбирается из условия

, а амплитуда сигнала близкой к значению

, где Fв – наивысшая частота воспроизведения АС, Рн – номинальная мощность УМЗЧ, Rн – сопротивление нагрузки АС. Как известно, такой импульс включает в себя набор гармоник всевозможных частот определенных амплитуд и начальных фаз (интегральное преобразование Фурье). Анализ осциллограммы сигнала на выходе сумматора показал, что искажения формы сигнала большей частью определены именно нелинейностью ФЧХ рассматриваемых фильтров АС.

Очевидно, что претендовать на Hi-End звучание с такими АС, мягко говоря, не приходится, будь у вас даже Hi-End УМЗЧ и Hi-End динамические головки. Сказанное объясняет лучшее звучание хорошо спроектированной АС с широкополосной динамической головкой подключенной к УМЗЧ непосредственно.

Применение RLC-фильтров более низкого порядка проблематично из-за неудовлетворительной крутизны спада АЧХ фильтров (в остальном они ведут себя значительно лучше), что ставит крест на их применении в Hi-End комплексах, поскольку по данным Гельмгольца и Флетчера [1] в случае сложных колебаний слуховой анализатор человека (улитка) не реагирует лишь на сдвиги фаз между гармониками, попадающими в разные критические полоски слуха, в противном случае эти сдвиги отчетливо заметны. Выражается это в специфических изменениях тембровых окрасок звуков, поскольку фазовые сдвиги отражают изменения формы сигналов. Фазовый беспредел ФЧХ рис. 4 как раз и умещается в критические полоски слуха. А коль скоро так, то дальнейшие комментарии, как говорится, излишни.

Отметим еще одну важную проблему, которую частенько упускают из вида. Если взять пустое помещение озвучивания шириной В, длиной L и высотой Н, то согласно волновой теории собственные частоты помещения

, где С – скорость звука в воздухе, K, M, N – целые числа 0,1,2,3,…(волновые числа). Такой спектр частот является линейчатым. В нем существуют частоты совпадения от совпадения комбинации волновых чисел. Эти частоты совпадения, при реверберации помещения (т.е. при выключенных АС на короткое в фонограмме время), тоже являются неприятными источниками призвуков. Особенно они заметны в области низких и средних частот, т.к. здесь длина волны такова, что предметы обстановки не являются серьезной помехой для их распространения. На высоких частотах возможна «местная» реверберация на собственных частотах при отражении этих волн от стен и предметов с малым коэффициентом их поглощения. Кроме того, весьма вероятны неравномерности записи фонограмм по частотам. Здесь будут весьма полезны многополосные регуляторы тембра (эквалайзеры). Они корректируют как дефекты нашего слуха, так и саму фонограмму, адаптируя ее к помещению озвучивания.

В заключение, с учетом всех приведенных соображения, приведем рекомендации для проектирования комплекса высокой верности воспроизведения звуковых программ (далее по тексту комплекс) и его размещение в помещении озвучивания:

Отказ от резонансных RLC – разделительных фильтров в АС.
Разделение звукового сигнала на частотные полосы перед входами УМЗЧ нерезонансными активными фильтрами . Крутизна спада АЧХ этих фильтров должна быть возможно максимальной для ликвидации интерференционных искажений звукового поля (наложение звука от совместного излучения сигнала одних и тех же частот смежными динамическими головками вблизи частоты разделения).
Применение УМЗЧ с АЧХ соответствующей АЧХ головки непосредственно подключенной к нему.
Применение комбинированной обратной связи (положительная по току и отрицательная по напряжению) между УМЗЧ и низкочастотной динамической головкой сабвуфера для эффективного демпфирования головки и заметного улучшения воспроизведения низких частот [2].
Применение эффективной схемы компенсации сопротивления соединительных проводов между УМЗЧ и динамической головкой [3].
Механическая доработка, при необходимости, динамических головок по известным методикам [4], с целью улучшения их электроакустических параметров.
Правильный выбор геометрии акустического оформления головок (особенно сабвуфера) максимальной жесткости конструкции этого оформления.
Применение в комплексе многополосного эквалайзера.
Поскольку низкочастотные составляющие фонограммы на слух не локализуются, размещать сабвуфер можно в любом месте, не закрывающем непосредственно его поверхность излучения. Остальные АС лучше располагать так, чтобы оси их головок были ориентированы в зону прослушивания.
Желательным является расположение на стенах, полу и окнах помещения озвучивания соответствующих звукопоглощающих бытовых предметов (ковры, ковровые дорожки, занавески и т.п.), наличие мягкой мебели и других предметов обстановки в декоративной звукопоглощающей обшивке, применение в помещении звукопоглощающих отделочных материалов.

Мною, относительно недавно, для компьютера была собрана несложная конструкция с использованием указанных выше рекомендаций, на двух интегральных усилителях мощности TDA2004. Два УМЗЧ нагружены на широкополосные головки каждого из стереоканалов, а третий воспроизводит выделенную фильтром-сумматором НЧ-составляющую обоих входов стереоканалов. Причем для обслуживания головки сабвуфера микросхема этого третьего УМЗЧ включена по мостовой схеме. Акустическое оформление головки сабвуфера – закрытый бокс без фазоинвертора, поскольку головка прекрасно демпфируется [3]. Несмотря на простоту, по оценкам «слухачей», с установленной в компьютер неплохой звуковой картой от Creative, Audigy 2, комплекс звучит весьма прилично.

Вот и все. Удачного всем Вам творчества, господа!

Литература:

Ефимов А., Никонов А., Сапожков М., Шоров В. «Временные характеристики слуха» Акустика, Справочник - Радио и связь, Москва, 1989 г., с 32-34.
Салтыков О. «ЭМОС или отрицательное выходное сопротивление?» - Радио, 1981 г., № 1, с. 40-44.
Сухов Н. «УМЗЧ высокой верности» - Радио, 1989 г., № 6, с. 55-57.
Жбанов В. О фазовых характеристиках громкоговорителей» - Радио, 1989 г., № 10, с. 58-60.

Александр Холтобин +380507754128

has1956@gmail.com

Webmoney: WMID 358446187266

Кошельки: Z221860201968

E956064128403

R325460362698

U426454595419

Blog