Не будет преувеличением, если сказать, что звуковоспроизведение – самое популярное направление в радиолюбительском конструировании. В длинной цепочке узлов и устройств, от которых зависит качество звучания бытовом радиоаппаратуры, последним по месту, но, наверное, первым по значению стоит громкоговоритель (АС). Действительно, какими 6и хорошими не были источники программ – магнитофон или эпектропроигрывающее устройство, а также усилитель мощности, посредственная АС сведет их достоинства на нет.
Именно здесь сталкивается радиолюбитель с наибольшими трудностями при создании домашнего радиокомппекса высокого качества. Акустическая система – это сложное электроакустическое устройство, которое не поддается простым, «на пальцах», расчетам, требует от конструктора определенного уровня знаний, а иной раз – и целого ряда экспериментов.
По этим причинам многие радиолюбители ограничиваются использованием громкоговорителей заводского изготовления, наибольшее распространение из которых получил 10МАС-1. Однако нелинейные искажения на низких частотах, «бубнение» и целый ряд других недостатков не позволяют отнести этот громкоговоритель к устройствам высокого класса. Тем не менее, используя современный подход к конструированию громкоговорителей и современные схеммые решения, можно на основе динамических головок 10ГД-30 и 3ГД-31 создать громкоговоритель, заметно превосходящий по качеству звучания 10МАС-1. Именно такую задачу и решили авторы публикуемой ниже статьи – сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского кино-фото института О. Салтыков и А. Сырицо.
В последние годы громкоговоритель все чаще принято рассматривать как фильтр верхних частот. Это позволило создать точные методы анализа и синтеза громкоговорителей-фазоинвертров. Оказалось, что АЧХ громкоговоротеля-фазоннвертора на низких частотах определяется тремя параметрами: отношением гибкости подвеса подвижной системы к гибкости воздуха в корпусе, отношением частоты настройки фазоинвертора к резонансной частоте головки и, наконец, добротностью подвижной системы головки, т.е. степенью ее демпфирования. При выходном сопротивлении усилителя мощности, близком к нулю, возможен лишь один вариант конструктивного оформлении громкоговорителя, в котором головка обеспечивает гладкую АЧХ по звуковому давлению. Правда, при этом может оказаться, что такой громкоговоритель либо будет иметь слишком высокую или, наоборот, чрезмерно низкую частоту среза АЧХ (частота на которой звуковое давление уменьшается на 3 дБ относительно горизонтальной части АЧХ), либо потребует корпуса очень больших или слишком малых размеров.
Громкоговоритель-фазоинвертор с требуемой АЧХ можно построить с любой динамической головкой, если соответствующим образом изменить добротность её подвижной системы. Управлять демпфированием можно изменением конструкции магнитной системы, размещением вблизи задней поверхности диффузора звукопоглощаюшего материала, применением электромеханической обратной связи (ЭМОС), напряжение которой снимается со специального датчика, или, наконец, изменением выходного сопротивлении усилителя.
Первый из этих способов практически неприемлем в радиолюбительской практике, второй – не обеспечивает достаточно широких пределов управления демпфированнем, третий – требует применения специального датчика ЭМОС, который необходимо монтировать на головке. Четвертый способ отличается широкими пределами регулирования добротности головки без каких-либо изменений в ее конструкции и вполне может быть рекомендован радиолюбителям.
В статье описан последний из этих способов управления степенью демпфировання подвижной системы, показано, как в этом случае синтезировать требуемую АЧХ по звуковому давлению, сформулированы требования к усилителю с отрицательным выходным сопротивлением, приведена методика расчета цепей обратных связей. Много внимания уделено уменьшению амплитуды перемещений подвижной системы, позволяющему снизить нелинейные и интермодуляционные искажения, а также обеспечению горизонтальной ФЧХ разделительного фильтра по так называемому суммарному выходу (т.е. по суммарному сигналу с выходов высокой и низкой частоты). Последнее позволило получить хорошую ФЧХ громкоговорителя по звуковому давлению (громкоговоритель воспроизводит сигналы прямоугольной формы с незначительными искажениями).
В громкоговорителе применены головки 10ГД-30 и 3ГД-31 от широкораспропраненного громкоговорителя 10МАС-1, высококачественный усилитель с отрицательным выходным сопротивлением собран из широкодоступных деталей.
Основные текнические характеристики громкоговорителя:
Эффектвно воспроизводимый диапазон частот: 30 – 20000 Гц
Неравномерность АЧХ по звуковому давлению в диапазоне 45-16000 Гц: 6 дБ
Номинальная мощность: 10 Вт
Среднее стандартное звуковое давление: 0,13 Па
Номинальное электрическое сопротивление: 8 Ом
Размеры (ВхШхГ): 460х350х260 мм
Масса: 12 кг
Акустическое оформление громкоговорителя 10МАС-1, как известно, представляет собой закрытый ящик объемом около 18 дм3. В таких условиях амплитуда колебаний подвижной системы головки 10ГД-30 на низких частотах оказывается большой, что приводит к нелинейным и интермодуляционным искажениям.
Возможный путь уменьшения амплитуды колебаний подвижной системы – применение ящика-фазонивертора. Однако при разработке такого акустического оформления для головки 10ГД-30 возникают трудности. Так, для получения гладкой АЧХ по звуковому давлению при работе с усилителем, выходное сопротивление которого близко к нулю, необходим ящик объемом около 80 дм3 с частотой настройки 20 Гц. При этом спад АЧХ на 3 дБ наблюдается на частоте 22 Гц ( рис.1, кривая а). Однако расширение рабочего диапазона в сторону низших частот происходит в этом случае за счет увеличения амплитуды смещения подвижной системы головки: на низких частотах она (кривая б на рис.1) получается даже большей, чем у громкоговорителя 10МАС-1 (кривая в). Поэтому такой вариант акустического оформления нельзя считать приемлемым.
Лучшие результаты (с точки зрения уменьшения амплитуды колебаний подвижной системы на низших частотах) получаются при уменьшении объема ящика до 25 дм3 и настройке фазоинвертора на частоту 32 Гц (рис.2). Амплитуда колебаний подвижной системы такого громкоговорителя на частотах 30-60 Гц (кривая б) получается примерно на б дБ меньшей, чем у громкоговорителя 10МАС-1 (кривая в), однако возникают неприятности другого рода. Частота среза АЧХ по звуковому давлению (кривая а) становится более высокой (примерно 40 Гц), а сама АЧХ при работе с обычным усилителем мощности оказывается уже не гладкой (на рис.2 показана штриховой линией): из-за слабого демпфировання подвижной системы на ней возникает подъем в области частот 50-100 Гц, что приводит к «бубнению» при звуковоспроизведении. Наконец, на частотах ниже 25 Гц амплитуда колебаний подвижной системы оказывается значительно большей, чем у закрытого ящика. Сигналы этих частот, естественно, не будут воспроизведены, так как КПД громкоговорителя в самой низкочастотной области диапазона невелик. Однако колебания подвижной системы с большой амплитудой вызовут искажения тех составляющих сигнала, которые воспроизводятся громкоговорителем. Устранить это явление можно, включив на входе усилителя ФВЧ, препятствующий проникаиню в тракт составляюших самых низких частот. Если, например. АЧХ такого фильтра будет иметь вид кривой а, показанной на рис.3 (АЧХ фильтра Баттерворта второго порядка с частотой среза 30 Гц), то подключение его к усилителю практически не скажется на АЧХ громкоговорителя по звуковому давлению, но зато существенно уменьшит его чувствительность к инфразвуковым составляющим сигнала (кривая в) по сравнению с чувствительностью без фильтра (кривая б). Иными словами, применение фазоиивертора и ФВЧ позволяет уменьшить амплитуду колебаний подвижной системы низкочастотной головки и тем самым снизить нелинейные и интермодуляционные искажения, вносимые громкоговорителем.
Что же касается АЧХ громкоговорителя в области низких частот, то сгладить ее можно, использовав для работы с ним усилитель мощности с отрицательным выходным сопротивлением (в таком усилителе, в отличие от обычных, с увеличением сопротивления нагрузки выходное напряжение уменьшается). Достигается это введением положительной обратной связи (ПОС) по току нагрузки. Для получения требуемых результатов выходное сопротивление такого усилителя в области частот от 20-30 Гц до 100-200 Гц должно быть отрицательным и неизменным по величине, а с дальнейшим ростом частоты должно плавно уменьшаться до нуля. При работе же на чисто активную нагрузку сопротивлением, равным номинальному сопротивлению громкоговорителя, АЧХ усилителя должна быть горизонтальной. Сказанное иллюстрируется рис.4, из которого видно, что при чисто активной нагрузке (в данном случае 7 Ом) АЧХ усилителя горизонтальна при любых значениях выходного сопротивления (кривая а), а при отключенной нагрузке усиление на низких частотах оказывается тем меньше, чем больше отрицательное выходное сопротивление (кривые б, в, г).
При неоптимальним демфировании головки АЧХ громкоговорителя (рис.5, кривые а) в области верхнего (по частоте) максимума модуля полного сопротивления lZl (кривая б) искажается. Если демпфирование мало и АЧХ имеет подъем на максимумах lZl, то подключение громкоговорителя к усилителю с отрицательным выходным сопротивлением приводит к уменьшению выходного напряжения вблизи этих максимумов (рис.6, кривые а), в результате чего подъем устраняется (кривые б). Естественно, при этом надо знать меру: при чрезмерно большом демпфированни отдача на низких частотах заметно уменьшается. В данном случае оптимальное выходное сопротивление равно 2 Ом. Именно при таком coпpoтивлении АЧХ громкоговорителя получается наиболее гладкой (рис.7). а «бубнение» отсутствует.
Принципиальная схема громкоговорителя показана на рис.8. Как видно из схемы, основой разделительного фильтра является простейший фильтр первого порядка L1С1, который обладает горизонтальными АЧХ и ФЧХ по суммарному выходу (форма сложного сигнала на суммарном выходе в точности повторяет форму сигнала на входе фильтра). К сожалению, наряду с этими достоинствами, LС фильтр первого порядка имеет и существенный недостаток – малое затухание в области заграждения. Так, при частоте раздела 4 кГц ослабление сигнала в высокочастотном канале на частоте 1,4 кГц составляет всего 8 дБ (рис.9, кривая а). Следствием этого является попадание на высокочастотную головку (в данном случае 3ГД-31) составляющих сигнала, частота которых близка к частоте ее собственного резонанса. В результате звуковоспроизведение сопровождается неприятным дребезжанием. Ослабить такой дефект звучания можно было бы применением разделительных фильтров более высокого порядка, однако делать это нежелательно, так как их фазовые характеристики по суммарному выходу не горизонтальны.
В описываемом громкоговорителе для ослабления составляющих указанной области частот в дополнение к разделительному фильтру L1С1 применен режекторный фильтр L3С2, настроенный на частоту 1,4 кГц. Это позволило получить на частоте его резонанса затухание сигнала около 25 дБ (рис.9, кривые б, в) при весьма незначительном искажении ФЧХ фильтра по суммарному выходу.
Для уравнивания отдачи низкочастотной и высокочастотной головок предназначен частотнозависимый делитель напряжения R1R2L2, создающий подъем АЧХ громкоговорителя в области частот 10-20 кГц (на рис.9 это показано штриховой линией г). АЧХ низкочастотного звена фильтра изображена на этом рисунке кривой д.
Как известно, разделительные фильтры обеспечивают расчетные характеристики только при работе на согласованную активную нагрузку. Однако полное сопротивление головки 10ГД-30 (как, впрочем, и любой другой) в рабочем диапазоне частот не остается постоянным (рис.10, кривая а). Если подключить такую головку к фильтру, рассчитанному на нагрузку 8 Ом при частоте раздела 4 кГц, то он окажется рассогласованным с нагрузкой и не обеспечит требуемую АЧХ громкоговорителя. Если же пойти по другому пути – рассчитать фильтр, ориентируясь на полное сопротивление головки на частоте раздела (20 Ом), то придется увеличить индуктивность катушки L1 в 2,5 раза. При этом, естественно, возрастет и сопротивление постоянному току, что, в свою очередь, приведет к снижению КПД громкоговорителя и ухудшению демпфирования подвижной системы низкочастотной головки.
Выход из положения – стабилизация нагрузки фильтра в рабочем диапазоне частот. С этой целью параллельно головке 10ГД-30 в громкоговорителе включена специально подобранная цепь R3С3. Благодаря ей удалось выровнять частотную характеристику полного сопротивления головки lZl во всем диапазоне частот от 200 до 20000 Гц (рис.10, кривая б), обеспечив тем самым почти идеальное согласование головки с фильтром.
Конструкция и детали
Ящик громкоговорителя (рис.11) можно изготовить из фанеры или ДСП толщиной 18-20 мм. Особое внимание необходимо уделить его герметизации, так как иначе АЧХ громкоговорителя на низших частотах ухудшится, а амплитуда смещения подвижной системы головки 10ГД-30 возрастет. Заглушать стенки ящика изнутри необязательно. Обе головки закрепляют с наружной стороны.
В фильтре громкоговорителя можно применить бумажные конденсаторы МБГО или МБГП и проволочные резисторы ПЭВ-7,5 или ПЭВ-10. Катушки L1-L3 наматывают проводом ПЭВ-1 диаметром 0,96 мм на пластмассовых (текстолит, органическое стекло н т.п.) каркасах (рис.12). Катушка L1 должна содержать 130 витков, L2 – 78 витков, L3 – 153 витка. Намотка – рядовая, без прокладок. Расстояние между катушками в ящике не менее 100 мм.
АЧХ громкоговорители в заглушенной камере при работе с усилителем, выходное сопротивление которого составляло 2 Ом, показана на рис.13. Благодаря сравнительно малой неравномерности АЧХ и ФЧХ громкоговоритель достаточно хорошо воспроизводит прямоугольные импульсы (рис.14). Разумеется, таким свойством он обладает только при регистрации сигнала вблизи его акустической оси. При отклонении же от нее на угол более ±10° искажения формы сигнала становятся значительно большими.
Сравнительное прослушивание с громкоговорителем 35АС-1 «Radiotehnika» показало, что при размещении в зоне небольших отклонений от акустической оси эксперты отдавали предпочтение описываемому громкоговорителю, как обеспечивающему более слитное, «прозрачное», естественное звучание. «Бубнения» на низших частотах никем не замечалось. При отклонении от акустической оси более чем на ±30° отмечалось заметное ухудшение качества звучания (по сравнению с 35АС-1), что объясняется узкой диаграммой направленности головки 3ГД-31 на высоких частотах.
Литература:
- Тhiеlе A.N. Loudspeakers in Vented Вохеs – Journal of Audio Engineering Society‚ 19 1971, №5, 6.
- Виноградова Э. Л. Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками. М., «Энергия», 1978 (МРБ, вып. 966).
- 2-х полосная малогабаритная АС на 6ГД-6 и 2ГД-36 (кубики Салтыкова).
Комментарии (1)