Электромеханическая обратная связь по смещению (ЭМОС): технология и применение

Электромеханическая обратная связь по смещению (ЭМОС) — это передовой метод снижения нелинейных искажений в сабвуферах и низкочастотных акустических системах. Технология базируется на физическом контроле положения диффузора, что позволяет компенсировать инерционность и механические резонансы, недоступные для устранения только электронными методами. Для глубокого погружения в историю развития технологии рекомендуем ознакомиться со статьей Реализации ЭМОС по смещению. 10 лет спустя.

Несмотря на фантастические показатели качества цифровых методов обработки и современных операционных усилителей, громкоговоритель остается «слабым звеном» аудиотракта. Именно он вносит основные нелинейные, интермодуляционные и инерционные искажения, сводя на нет усилия инженеров по улучшению электроники. Существует два основных пути решения проблемы искажений:

Путь 1: Создание идеальных громкоговорителей

Использование сверхжестких, безинерционных подвижных частей из кевлара, графена или вспененного титана;
Применение премиальных материалов подвеса;

Сложные магнитные системы;
Специализированные провода для намотки катушек.

Этот путь ведет к резкому удорожанию АС, но не решает проблему полностью: остаются масса воздуха, стоячие волны и внутренние резонансы. Более эффективным подходом является второй вариант.

Путь 2: Единая отрицательная обратная связь (ООС)

Второй путь заключается в охвате обратной связью как усилителя, так и громкоговорителя. Снимается физический сигнал о положении подвижной части (смещение ℓ, скорость v или ускорение a), обрабатывается и суммируется с входным сигналом УМЗЧ. Ранее предпринимались попытки создания таких систем со снятием сигнала скорости или ускорения, но массового распространения они не получили. В данной статье описывается реализация второго пути: снятие сигнала именно о смещении подвижной части от положения равновесия.

Принцип работы и конструкция датчика смещения

Для реализации системы разработан датчик, выдающий напряжение, пропорциональное расстоянию до диффузора. Вычитая постоянную составляющую, получаем переменный сигнал, точно отражающий колебания диффузора. Внешний вид датчика и его конструкция показаны на рисунке:

Сигнал с датчика поступает на блок формирования обратной связи, затем на сумматор-вычитатель (см. рис. 2) и суммируется с сигналом темброблока перед подачей на вход УМЗЧ. УМЗЧ в данной схеме собран по известной схеме Сырицо на микросхеме TDA7294. Блоки предусилителя и обработки собраны на популярной микросхеме TL072, что делает схему простой и доступной для повторения. Для тех, кто интересуется схемотехникой усилителей, рекомендуем материал Звукотехника (УМЗЧ).

Преимущества технологии и результаты измерений

Теория подтверждается практикой. На рисунке ниже показаны точки А и Б, в которых снимались эпюры напряжений цифровым осциллографом ATTEN ADS 1022CL+.

Тестовым сигналом служила мелодия группы OTTOWAN «HANDS UP». На рис. 4 показан сигнал на выходе темброблока (точка А):

На рис. 5 показаны колебания диффузора без применения обратной связи (точка Б). Видны значительные искажения формы:

На рис. 6 показан результат при включенной обратной связи по смещению (точка Б). Форма сигнала становится практически идентичной входной:

Сравнительный анализ однозначно показывает: обратная связь по смещению заставляет диффузор точно повторять форму сигнала с темброблока. Это подтверждается и на других музыкальных фрагментах (см. рис. 13). Для сравнения качества звучания можно также изучить тест акустических систем Verna 100А-022.

Датчик стоит около 300 рублей и прост в изготовлении. Схемы на TL072 легко повторяемы. Дополнительную информацию о схемотехнике УМЗЧ можно найти в разделе Звукотехника (УМЗЧ).

В системе использовался громкоговоритель (см. рис. 10), а установка датчика показана на рис. 11. Разработана и новая модель датчика с повышенной чувствительностью (рис. 14).

Для динамика рабочее расстояние до диффузора составляет 62-64 мм. На рисунках 12, 15 и 16 показаны варианты установки и крепления.

На рис. 14 показан усилитель с темброблоком, а на рис. 15 — блок формирования обратной связи. Даже дорогие сабвуферы не обеспечивают такого качества следования формы сигнала и часто вносят фазовые искажения.

Субъективная оценка и выводы

Звук перестает быть «бухающим» и затянутым. Он становится динамически упругим и реальным: начинают различаться инструменты (разные барабаны), а не просто ощущается низкочастотный гул. Средний по характеристикам НЧ динамик с ЭМОС выходит на уровень HI-END.

Кроме улучшения звука, датчик смещения позволяет проводить объективные измерения: АЧХ и ФЧХ «голых» динамиков и акустических оформлений, анализ добротности и переходных процессов. Это делает акустические исследования доступными для малых фирм без дорогих акустических камер.