Об искажениях частотных характеристик малогабаритных акустических систем и «глубоких басах. Высокочастотная и низкочастотная коррекции ачх резисторного усилителя Корректировка ачх акустики пассивными фильтрами

Задача неискажённой трансляции звуковой программы от исполнителя к слушателю стара как мир. Как мир электроакустики…

Раймонд Скурулс - радиоинженер и звукорежиссёр, основатель и владелец компании Acoustic Power Lab. В 2005 году, после трёх лет работы он получает латвийский патент (LV1334213) на новую технологию коррекции частотных характеристик громкоговорителей. Журнал «Pro Sound News Europe» называет технологию коррекции AJFL в числе трёх лучших инноваций в данной сфере в Европе. По итогам выставки AES в Нью-Йорке новой разработке присуждён приз Excellence 2007 года. В 2010-м автор разрабатывает вариант технологии для применения в автомобиле.

Одно из необходимых условий для этого - отсутствие линейных искажений. С беглого академического взгляда всё кажется очень простым: померили частотную характеристику, создали корректирующий фильтр, и дело сделано. Очень много таких попыток было предпринято, но результата так и нет. Конечно, по мнению авторов этих попыток и их поддерживающего маркетинга, результат есть. Но бесстрастный мир профессионалов остаётся при другом мнении.

Проблема в том, что технические средства оценки звуковых систем принимают и оценивают звук иначе, чем человеческий слух. Они «видят» больше «проблем», чем наше слуховое восприятие (как бы парадоксально это ни звучало). Эти проблемы берут своё начало в физической интерференции звуковых волн в месте измерения звукового давления. Но интерференция наступает только тогда, когда пришли, в простейшем случае, два сигнала - прямой и отраженный (установившийся случай). Но на какой-то короткий миг есть только прямой сигнал и отсутствует интерференция. Нашему слуху этого короткого мига хватает, чтобы сделать оценку.

Попытаюсь доказать временную избирательность слуха и его способность игнорировать интерференцию двумя простыми для повторения экспериментами. Опыт первый. Тестовый сигнал «чирп» (синусоидальный сигнал с быстро меняющейся частотой), короткий, 150 - 300 мс, логарифмический, субъективно звучит абсолютно по-разному, когда воспроизводится, начиная с низких частот к верхним и наоборот. Играя «вверх», сигнал кажется тусклым, с потерянными верхами. Играя вниз - звучит красиво, музыкально, с ярко выраженными верхами. А для спектроанализатора оба случая одинаковы и неразличимы.

Опыт второй. Сядем перед классической стереосистемой. Подадим моносигнал. Если в системе всё в порядке, услышим узкий воображаемый источник звука ровно посередине между громкоговорителями. Теперь сами подвигаемся из стороны в сторону. При этом мы услышим лишь, что воображаемый источник будет слегка перемещаться в ту же сторону, что и мы. Теперь поставим на наше место микрофон. Будем слушать сигнал с этого микрофона и подвигаем его. Услышим красивый эффект фленджера, созданный меняюшимся гребенчатым фильтром. Попробуйте.

Итак. По моему мнению (которое я превращаю в реальную технологию уже почти десять лет), надо измерять и оценивать звуковую систему наподобие того, как это делает наш слух. Это оказалось возможным, если вместо попыток что-то понять по результатам измерения звукового давления в одной точке мерить частотную характеристику излучённой звуковой мощности громкоговорителя. Это и есть основа моих работ и решений.

Хочу взять на себя смелость пересмотреть подход к неискаженной трансляции звуковой программы. Вот классический принцип. В комнате (студии, открытой площадке) перед исполнителем установлен микрофон, который преобразует звуковое давление в пропорциональный электрический сигнал независимо от частоты. За ним тракт передачи (предусилитель, радиоканал, устройство задержки во времени и.т.д., и.т.п.), заканчивающийся усилителем и громкоговорителем в комнате прослушивания. Тракт должен передавать сигнал одинаково, независимо от частоты, а громкоговоритель - пропорционально преобразовывать электрический сигнал в звуковое давление. И опять - независимо от частоты. О том, соответствует ли громкоговоритель этому требованию, мы удостоверились в заглушенной камере на его «акустической оси» и теперь ждём успеха. Часто это ожидание оказывается напрасным и наивным.

Подход, который я развиваю - другой. Громкоговоритель в месте прослушивания для получения неискажённого звукового образа должен излучать такую же или пропорциональную по спектральному составу и временным характеристикам звуковую мощность, какую излучает музыкант в месте исполнения.

Правильность этого подхода уже неоднократно была проверена на практике и с большим успехом демонстрировалось на выставке AES в мае 2007 года, когда запись аккордеонного дуэта проигрывалась через откорректированный тракт, завершающийся хорошо знакомыми россиянам колонками Radiotehnika S90, и сравнивалась с живым выступлением того же дуэта, согласившегося поучаствовать в эксперименте.

Кстати: вот ещё эпизод из жизни S90. Небольшой компании, оставшейся от флагмана советской электроакустики - Рижского радиозавода, хватило смелости принять участие в тесте ведущего российского аудиожурнала со своими громкоговорителями бюджетного класса. Результаты были впечатляющими, без единого упрёка по поводу звучания и с комментарием: «Непонятно, почему хорошо звучит», притом что кривые АЧХ никак на это не указывали. Разгадка проста: при отстройке этого громкоговорителя использовалась программа и методика измерения AJFL.

Точность метода позволяет использовать его в студиях с самыми качественными мониторами, в то же время возможности глубины коррекции настолько велики, что зазвучит даже ведро. Мы и такой опыт ставили…

Как на практике реализуется метод коррекции по излучаемой акустической мощности? Измерение акустического давления происходит во многих (примерно 200) точках пространства, расположенных на некой воображаемой поверхности или её сегменте. Проще говоря: измеритель чертит микрофоном в воздухе воображаемую решётку из вертикальных линий, на это уходит около минуты. Специально разработанная программа самостоятельно фиксирует величину звукового давления в отдельных точках, а потом вычисляет частотную характеристику акустической мощности (AJFL), где оказываются учтены факторы интерференции и фазовых сдвигов. На основе этой характеристики синтезируется корректирующая кривая. Она создаётся как зеркальная по отношению к кривой по АЧХ излучаемой мощности, при этом есть возможность следовать этой кривой с точностью, недоступной традиционным эквалайзерам. Дело в том, что в роли эквалайзера в технологии AJFL применён фильтр с конечной импульсной характеристикой - FIR. Для радиотехники он не нов, но в звуковой аппаратуре до сих пор использовался крайне редко. Можно даже сказать, не использовался вообще (мне известен только один прибор с FIR-фильтром, сами его создатели толком не знают, как с ним работать). Происходит это по трём причинам: высокие требования к вычислительной мощности, несущественная практическая выгода от полученной точности и сложность управления, отсюда - возврат к понятным и привычным параметрическим и графическим эквалайзерам.

И ещё одно: коррекция фазы. В технологии AJFL она происходит автоматически. Дело в том, что если проблему (неравномерность) вызвала минимально фазовая система (а таковой является большинство электрических цепей и фильтров с одним путём сигнала с входа на выход), то, создав минимально фазовый корректор, проблема корректируется идеально - как по амплитуде, так и по фазе. Корректирующий фильтр-эквалайзер, применённый в системе AJFL - именно такой, минимально фазовый.

В 2010 году появилось и решение для автомобиля. Здесь пришлось несколько доработать как технику измерений, так и приборный блок, ответственный за последующую коррекцию. С учётом более сложной, нежели в обычном помещении, акустики АЧХ излучаемой мощности в салоне снимается в несколько приёмов и в трёх (а не в двух) координатах. Результаты измерения интерпретируются специальной версией программы на ноутбуке и загружаются в блок, который остаётся на борту между источником сигнала и усилителями. В ходе измерения и настройки (это важно) есть возможность, помимо автоматической коррекции по «зеркальной» кривой, вносить и ручную подстройку, для этого предусмотрена подсистема высокоточного параметрического эквалайзера.

Размеры блока с аналоговыми и цифровыми входами/выходами - 18 x 15 x 5 см, напряжение питания - от 7 до 16 В. Есть вход Remote и выход задержанного Remote для управления включением усилителей. Сейчас в работе упрощённая модификация прибора, вдвое меньше по габаритам и только с аналоговыми входами/выходами. А через пару месяцев будет готова «быстрая» загрузка фильтров через USB-интерфейс. Так что, я думаю, у нас ещё найдётся повод здесь встретиться. А не захотите дожидаться - отыскать меня нетрудно, адрес есть в этом номере журнала.

По методу AJFL замеры проводятся не в одной, а во множестве точек, образующих сегмент поверхности

Демонстрация метода на выставке AES в Вене в 2007 году

По синтезированной из множества точечных замеров АЧХ излучаемой мощности программа строит «зеркальную» корректирующую кривую

Итог коррекции: шаг по частоте в единицы герц недоступен для традиционных эквалайзеров

Один из тяжёлых случаев (в салоне автомобиля). Результат - аналогичный

Первая автомобильная модель блока коррекции

Каждый радиолюбитель, кто хоть раз самостоятельно строил акустические системы (АС) знает, что даже точное исполнение проекта, рекомендаций авторов конструкции не всегда приводят к получению желаемого результата. При всей сложности или просто невозможности оценки качества самодельных АС в домашних условиях, кроме как «на слух», авторы конструкций часто не приводят ни методик оценки своих проектов, ни рекомендаций по их применению (размещению и подключению АС). Бывает, что после повторения очередного «шедевра», когда проходит радость от окончания работ над ним, наступает период мучительных оценок и выводов. Энтузиазм и минутная эйфория часто сменяются почти разочарованием. Действительно, сложно уже в готовой конструкции искать причины неудовлетворительной работы, когда делалось «все как надо». А может быть конструкция хорошая, но усилитель «не такой» или другое... Знакомо?

Посмотрите в радиолюбительских журналах прошлых лет статьи, посвященные конструированию акустических систем. Уважаемые авторы создавали свои варианты практически вслепую, без учета физики электромеханических преобразований и акустики как таковой. Бесспорно, ряд конструкций самодельных АС, приемов доработок промышленных АС и динамических головок - являются удачными и заслуживают внимания. Многие конструкции стали для любителей высококачественного звуковоспроизведения хорошей «школой» в бесконечном циклическом процессе создания или переделки АС по принципу: «Вот-вот и станет совсем хорошо...». Но, заметьте, что авторы сравнивали свои разработки (максимум) с промыш­ленными образцами АС заводов бывшего СССР. Попробовали бы они сравнить свои проекты с продукцией таких фирм как BOSE или JBL...

Возражение против покупки АС импортного производства нижней и средней ценовой категории следующее: «А кто Вам сказал, что такая АС в Вашей жилой комнате будет звучать, а не излучать сладкоголосые звуки?». Мотивы типа: «Все равно так не сделать» - не убеждают. Конечно, есть образцы фирменной акустики, которые бесподобны по своей конструкции и звучанию, но и стоимость их (как и всего ноу-хау) очень высока.
Даже сейчас, когда появилась реальная возможность использования качественных современных динамических головок, продолжают встречаться описания самодельных АС (уже на новой элементной базе), наследующие ошибки конструкций предыдущих лет. Такое впечатление, что в нынешнем многообразии выбора исходного материала мы можем рассчитать и грамотно построить только корпус АС(ящик). На самом деле, не только объем АС является определяющим показателем качества. Иногда и правильно рассчитанный с точки зрения равномерной АЧХ корпус не звучит. При снижении основного недостатка существующих динамических головок - значительной неравномерности АЧХ в средне-высокочастотном диапазоне, они мало чем будут уступать доброй трети импортных и на них можно построить АС, которая будет удовлетворять взыс­кательного слушателя.

Вся прелесть процесса самостоятельного создания АС зак­лючена в свободе выбора конструкции и получении желаемого результата независимо (или почти независимо) от затрат, чего нельзя достичь в массовом производстве. А значит, был и остается смысл попытаться пополнить свои знания и начать сначала. Несмотря на то, что в этом материале конкретная конструкция акустической системы не приводится, некоторые аспекты работы низкочастотного звена АС излагаются с практической точки зрения и доступны для повторения или самостоятельного анализа с достаточной точностью.

Первое. Акустика помещения, а проще говоря жилой ком­наты, далека от совершенства. Если Вы не можете улучшить акустику помещения по всем правилам (пропорции «золотого сечения 0,618:1:1,618», разумного использования звукопоглощающих материалов, выбора места размещения АС, выбо­ра точки прослушивания и т.д.), то Вам, действительно, стоит присмотреть мини-комплекс и успокоиться. В противном случае - идем дальше. С одной стороны, каждая комната звучит по-своему даже после внесения в обстановку всех разумных изменений. С другой стороны, каждый из нас знает особенности своего жилища, мы привыкли к «домашней» окраске звуков. Наш мозг подсознательно начинает трансформировать слышимое к его первоначальному колориту. Поэтому, что действительно необходимо попытаться сделать в комнате - это минимизировать стоячие волны, привести в приемлемое зна­чение уровень реверберации, убрать или задемпфировать резонирующие предметы (поверхности) и организовать правильную зону прослушивания.

Второе. Появление новых источников звука, основанных на цифровых технологиях, таких как видео Hi-Fi (с ЧМ записью звука) магнитофоны, ПК (MPEG), компакт- и мини-диски, предъявляет к АС новые требования: повышенная равномерность фазочастотной и амплитудно-частотной характеристик, широкий динамический диапазон, минимальные интермодуляционные искажения. Природа искажений в АС обусловлена физикой процесса звуковоспроизведения и настолько много­гранна, что все виды искажений вряд ли можно устранить на практике. Однако, часть из них хорошо изучена в радиолюбительском мире, а значит и поддается контролю в процессе конструирования. Главное правило должно быть таким: каждый вид искажений уменьшается индивидуально и тщательно.

Третье. Стоимость работ. В любом случае стоимость материалов и комплектующих, затраченных на изготовление хорошей «домашней» АС, будет несоизмеримо меньше стоимости АС, которую бы Вы приобрели, будь такая возможность. Значит, вкладывать в конструкцию свои знания, что называется «для себя» - очень выгодно.

Последнее. При покупке фирменной АС никто, кроме производителя, не даст Вам рекомендаций по ее размещению и правильной «настройке» под конкретную обстановку. Этой информации ни у продавцов, ни в Интернете нет - только субъективные мнения «экспертов» из тех же магазинов. За исключением некоторых моделей АС, к которым приложены распечатки измеренных АЧХ и коэффициента гармоник в рабочей полосе частот - практически любую фирменную акустику мы вынуждены покупать по принципу «кота в мешке».

Начинаем с выбора динамических головок. Это определит тип АС, а именно, двухполосную или трехполосную конст­рукцию. По опыту скажу, что построить в домашних условиях трехполосную АС очень сложно. Затраты на исследования и эксперименты возрастают в два раза по сравнению с двухполосной АС. Попытайтесь подобрать динамические головки для двухполосной АС из расчета их акустических мощностей (номинальная мощность с учетом чувствительности) НЧ-СЧ к СЧ-ВЧ как 1,5...3,0 к 1,0. Перекрытие частотных диапазонов головок должно составлять не менее 2 октав (4 раза), иначе не удастся обеспечить точное согласование и плавность перехо­дов фазо-частотных характеристик головок в области частоты раздела фильтров. Разделительные фильтры желательно применять 2-го порядка для НЧ и третьего для ВЧ головок. Эти, казалось бы, тривиальные требования на самом деле выполнить сложно, но проще, чем сделать то же самое для трехполосной АС.

Чем ниже Fф, тем ближе сходство АЧХ. При низкой частоте Fф наблюдаются также меньшие фазовые искажения и меньшее групповое время задержки излучения АС на низ­ких частотах (рис. 1-4).
Головка 6ГД-2, Qts(5=0,62, Fр=31 Гц, Vаs=241 л, SPL=92,3 дБ/Вт*м. Расчетные данные при различном акустическом оформлении: 1. АС с фазоинвертором, оптимальный объем 550 литров, Fф=20 Гц 2. АС с фазоинвертором, объем 32 литра, Fф=25 Гц 3. АС закрытого типа, оптимальный объем 386 литров 4. АС закрытого типа, объем 32 литра Уровень 108 дБ обеспечивается головкой в широкой полосе частот 300-2000 Гц при номинальной подводимой мощности б Вт. Расчетные размеры ФИ следующие: Для АС объемом 550 литров - диаметр 15 см, длина 7 см Для АС объемом 32 литра - диаметр 5 см, длина 24 см В результате опытов с реальными динамическими головка­ми удалось вывести приближенную формулу, по которой мож­но с точностью 10-15% рассчитать оптимальную (минимально возможную) частоту настройки ФИ (Fфи min) для конкретной низкочастотной головки. Иначе - это критерий определения частоты, начиная с которой конкретная динамическая головка (в АС с ФИ) способна обеспечить максимальное акустическое давление не меньшее, чем на средних частотах при подведе­нии к ней номинальной электрической мощности: Fфи min=0,8/SQRT(Dг*sqrt(Nг)) * SPL/Хmax, где Nг - число установленных в корпусе АС однотипных головок Dг - диаметр диффузора (по центу гофра), см SPL- - чувствительность головки дБ/Вт*м Хmax - максимальное смещение диффузора (в одну сторо­ну), см. Главное, что частота Fфи min, ниже которой максимальное акустическое давление, создаваемое головкой, начинает рез­ко уменьшаться, практически не зависит ни от объема корпу­са, ни от собственной резонансной частоты головки. Таким образом, не имеет никакого смысла производить расчет кор­пуса с ФИ, настроенным на частоту ниже Fфи min - Вы не смо­жете получить приемлемую акустическую отдачу низкочастот­ной головки в корпусе АС даже очень большого объема, хотя АЧХ АС может быть оптимальной. Примеры: 10ГД-34 (25ГДН-1-4): Fфи min = 0,8/sqrt10,5 * 84/0,6 = 35 Гц (98дБ) 6ГД-2: Fфи min = 0,8/sqrt21 * 91,4/0,5 = 32 Гц (104дБ) 10ГД-30 (20ГДН-1-4): Fфи min = 0,8/sqrt16,7 * 86/0,8 = 21 Гц (98 дБ) 30ГД-2 (75ГДН-1-4): Fфи min = 0,8/sqrt21 * 86/0,8 = 19 Гц (105 дБ)

Вы спросите: «Это секрет глубокого баса?» . Это реальные частоты настройки ФИ, вплоть до которых указанные головки могут обеспечить акустическое давление, соизмеримое с дав­лением на средних частотах при номинальной подводимой мощности. Дальше - все просто: 1. Если головка имеет собственную резонансную частоту не ниже Fфи min и добротность Qts=0,3...0,5, то смело рассчи­тывайте корпус с ФИ по известной методике . В результате получите оптимальную АС с плоской АЧХ без применения до­полнительной коррекции УМ. 2. Если головка имеет собственную резонансную частоту не ниже Fфи min и добротность Qts=0,6...1,5 , то имеется шанс создать АС любого приемлемого объема с ФИ, настроенным на частоту Fфи min. В этом случае ровная АЧХ АС может быть получена только с использованием соответствующей коррек­ции АЧХ УМ (корректор Линквица - см. ниже). 3. Если головка имеет собственную резонансную частоту Fр < 0,85*Fфи min, то можно подумать об установке в АС двух или более однотипных головок, а дальше по варианту 1 или 2 или вовсе отказаться от применения этого типа головок в низ­кочастотном звене Вашей АС. Иные способы «заставить» низкочастотную головку работать на все 100% заключаются в построении двух-, трехобъемных АС с размещением НЧ головки внутри корпуса с излучением через порт (порты) ФИ. Подобную АС действительно сложно рассчитать в домашних условиях. Немного о конструкциях фазоииверторов. Стандартная конструкция трубчатого ФИ должна удовлетворять следующим условиям: жесткость и отсутствие резонансных призвуков в материале трубы, диаметр отверстия (трубы) ФИ следует вы­бирать не меньше 1/4 диаметра диффузора низкочастотной головки. Поскольку ФИ как и динамическая головка является источником звуковых колебаний, труба ФИ не должна созда­вать никаких дополнительных призвуков. Постучите каранда­шом по стенке трубы ФИ. Если она «звенит», то обклейте вне­шнюю поверхность трубы ФИ в один слой резиной, линолеу­мом и/или обмотайте пластырем, изоляционной лентой (не скотчем) в 5-6 слоев. Отверстие ФИ на лицевой панели АС необходимо разместить не ближе 10-15 см от края низкочас­тотной головки. В принципе, выход ФИ можно разместить на любой боковой или задней стенке корпуса АС. Только в том случае, если АС будет установлена в пространстве между ме­бельными секциями или вплотную к стене или к другим пред­метам, ограничивающим излучение сбоку или сзади - отвер­стие ФИ обязательно располагают на лицевой панели. При расчете длины трубы ФИ исходят из того, что внутренний край трубы должен отстоять, по крайней мере, на расстояние ее диаметра от внутренней поверхности противоположной стен­ки корпуса АС. Если это условие не выполняется, то произво­дят перерасчет ФИ с меньшим диаметром. Вместо одного ФИ можно применить два с внутренним диаметром 0,71 от рас­считанного одного АИ. Полезно также скруглить торцы труб. Наполнение корпуса АС звукопоглотителем - по желанию, ис­ключая область ФИ, но не более 15 г/литр. Еще один вид искажений, влияющий на качество звучания любой АС - это потери дифракции звуковых воли. Этот тип искажений проявляется в частотной области 100-800 Гц и пред­ставляет собой плавное уменьшение акустического давления, создаваемого АС, ниже определенной частоты. Несмотря на то, что этот вид искажений хорошо известен, его описание в нашей радиолюбительской литературе было подано неверно, видимо при первых переводах зарубежных статей на русский язык. Этот вид искажений нам объяснялся как «Искажения АЧХ различных форм корпусов АС» . Тем не менее, при разме­щении АС «в стенке» искажения дифракции могут быть малы­ми при любой форме корпуса. На самом деле, когда оклеива­ют внутреннюю поверхность стенок АС звукопоглощающим материалом можно сделать внутреннюю поверхность АС по­чти сферической. Изменится ли, в принципе, поведение АХ такой АС? - нет. Суть вот в чем. На низких частотах длина волны, излучае­мая АС гораздо больше физических размеров самой АС, по­этому звуковые волны огибают корпус АС, т.е. излучаются в пространство 2пи (вокруг). На высоких частотах, где длина из­лучаемой волны меньше размера передней панели АС, излу­чение возможно только вперед, т.е. в полупространство . Таким образом, при неизменной электрической мощности, под­водимой к АС, и при горизонтальной АХ динамической го­ловки (а в области 200-500 Гц редкие экземпляры НЧ головок имеют аномалии), начиная с некоторой частоты АХ системы по оси излучения возрастает до уровня +6 дБ. Наиболее плав­ное поведение АХ наблюдается при отсутствии острых вне­шних граней в конструкции АС (рис.5). В случае стандартного корпуса АХ искажений дифракции имеет локальные миниму­мы и максимумы, но с увеличением частоты отдача АС по оси излучения все равно повышается в 2 раза (рис.б). Средняя частота (Гц), на которой отдача АС (в идеале) по­вышается на 3 дБ может быть рассчитана в Гц по следующей эмпирической формуле: Fd=115/W, где W-ширина передней панели АС в метрах. Величина искажений, обусловленная потерями дифракции +6 дБ имеет место быть только при размещении АС в свобод­ном пространстве, коим жилая комната не является. Низкоча­стотные звуковые волны, огибающие АС, в какой-то мере от­ражаются от стены, около которой обычно устанавливают АС и приходят к слушателю. Таким образом, реально измерен­ное значение потерь составляет 3-4 дБ. О существовании ис­кажений дифракции можно убедиться по АХ промышленных АС, приводимых изготовителями (рис.7-9):

Компенсировать эти искажения АХ довольно просто вклю­чением в звуковоспроизводящий тракт между предваритель­ным усилителем и усилителем мощности простейшей коррек­тирующей цепочки R4C4R5 (рис. 10). Выбрав отношение со­противлений R4=R5/2 (величина коррекции - около 3,5 дБ) и их номиналы в кОм, определяем емкость С4 в мкФ по форму­ле: С4=130/(R5*Fd).

Пример расчета: 1. Ширина передней панели АС: 25 см 2. Определяем частоту Fd= 115/0,25=460 Гц 3. Выбираем R5=4,7кОм, R4=4,7/2=2,4 кОм 4. Определяем С4=130/(4,7*460)=0,062 мкФ (62 нф) Необходимо отметить, что искажения потерь дифракции можно компенсировать один раз и навсегда для конкретных АС (или аналогичных им по размерам), после чего о суще­ствовании какой-либо коррекции можно просто не вспоминать. После применения такой коррекции к некоторым АС после­дние могут начать «бубнить». Это вполне нормально, т.к. ре­зультирующая добротность большинства АС малого объема, построенных на распространенных НЧ головках, заведомо выше 0,71. Каждый любитель высококачественного звуковос­произведения мог заметить, что при размещении АС на под­ставках высотой 0,4...0,7 метра, особенно если их еще и ото­двинуть от стены на 0,3...0,6 метра, заметно падает уровень отдачи АС на НЧ. В этом случае интуитивно увеличивают уро­вень сигнала на НЧ регулятором тембра +3...+5 дБ и что на­блюдают? Правильно - более «верное» звучание и, может быть, «бубнение». Регулятор тембра НЧ усилителя в этом случае уменьшает как раз искажения дифракции звуковых волн. Кста­ти, такое размещение АС вдоль длинной стены комнаты явля­ется самым оптимальным с точки зрения минимизации влияния на АЧХ АС акустики помещения.

А теперь представьте АХ АС, изображенных на рисунках 7-9, если бы конструкторы этих «бытовых» АС позаботились о компенсации пассивными фильтрами такого вида искажений. АС «Корвет» и «Вега» - «бубнили» бы, а «Эстония» - нет. Кста­ти, первая выполнена в закрытом корпусе, «Эстония» и «Вега» - с АИ, настроенным на 40-45 Гц. Анализ АХ этих АС показы­вает, что: 15АС-111 «Вега» - из-за высокой добротности используе­мой в АС низкочастотной головки АХ имеет подьем на часто­те 80-90 Гц на 2-3 дБ (добротность АС равна 1,3). В любом случае наблюдается «бубнение» и требуется коррекция АХ активными фильтрами. Применение АИ, настроенного на 40 Гц, близко к оптимальному (35 Гц), но должно быть использо­вано не для коррекции АХ, а совсем для другой цели - обес­печивать максимальную акустическую мощность НЧ головки. 35АС-021 «Эстония» - практически самая ровная АХ, но настройка АИ на частоту 45 Гц не позволяет полностью ис­пользовать потенциал НЧ головки. Было бы выгодно на 15-20% увеличить объем корпуса и снизить частоту настройки АИ до 21-27 Гц. 75АС-001 «Корвет» - имеет не спад на частоте 180 Гц на 3 дБ, а подьем на частоте 90-95 Гц на 3 дБ, вызванный резуль­тирующей добротностью АС, равной 1,3-1,4 из-за малого объе­ма корпуса. Акустическая мощность АС на низких частотах обеспечивается только за счет качественной низкочастотной головки 100ГДН-3. Желательно применить АИ и корректор АХ. Таким образом, если результирующая добротность АС со­ставляет 1,1...2, т.е. на АХ АС наблюдается подъем +1...6 дБ в области 60-110 Гц (явные признаки «бубнения»), а объем АС по крайней мере в 2-3 раза меньше эквивалентного объема низкочастотной головки Vаs, то есть смысл применить коррек­цию АХ на активных фильтрах по схеме Линквица (Linkwitz Transform Circuit), пример схемы показан на рис. 10 (исклю­чая R4C4R5).

Одновременно с коррекцией АХ схема обеспечивает ло­кальную коррекцию фазы сигнала в области ниже резонанс­ной частоты, что снижает фазовые искажения АС. АХ и ФЧХ корректора показаны на рис. 11 и рис. 12. Характеристики рассчитаны для добротности АС объемом 32 литра, равной 1,8 на частоте 98 Гц для получения горизон­тальной АХ по звуковому давлению от 500 до 32 Гц (-3 дБ) при результирующей добротности, равной 0,71 (НЧ головка 6ГД-2, Qts=0,62, Fр=31 Гц). АХ корректора имеет подъем крутизной 12 дБ на октаву в низкочастотной области для компенсации аналогичного по характеру спада АХ закрытой АС. Но как раз на этих часто­тах перегрузочная способность закрытой АС низкая. Поэтому оптимальным является применение такой коррекции АХ для АС с АИ, настроенного на частоту Fфи min. Определить это для готовой (или строящейся) АС достаточ­но просто. Вначале закрываем и герметизируем отверстие фазоинвертора и замеряем модуль сопротивления низкочас­тотной головки в закрытом корпусе АС. По максимальному значению модуля сопротивления определяем резонансную частоту низкочастотной головки Fs в корпусе АС. Затем от­крываем отверстие АИ и вновь замеряем модуль сопротивле­ния головки. Определяем резонансную частоту АИ Fф по ми­нимуму модуля сопротивления. Обычно на частотах выше и ниже найденного минимума модуль сопротивления головки имеет явно выраженные пики. Если Fф выше или равна Fs, то АИ АС настроен неправильно в любом случае. Если Fф выше, чем Fфи min, то увеличивают длину трубы АИ пропорциональ­но квадрату желаемого понижения Fф и настраивают АИ на частоту Fфи min. В случае, когда труба АИ расчетной длины физически не может быть установлена в корпусе АС, приме­няют трубу меньшего диаметра. Бытует мнение, что установка в АС еще одного АИ, анало­гичного уже имеющемуся, понижает частоту настройки АИ. Это мнение ошибочно. На самом деле частота настройки АИ возрастает в sqrt2 раз при одновременном понижении скорости воздуха внутри АИ, что в некоторых случаях полезно (к тому же труба меньшего диаметра жестче). Другими словами, ус­тановка двух идентичных АИ эквивалентна применению одно­го АИ такой же длины с внутренним диаметром в sqrt2 раз больше, чем диаметр трубы одного из АИ пары. Теперь необходимо определить результирующую доброт­ность НЧ головки на частоте Fs в АС с АИ, настроенным на частоту Fфи min. В домашних условиях через непосредствен­ное измерение АЧХ АС по звуковому давлению сделать это практически невозможно. Гораздо проще и точнее получить значение добротности АС расчетным путем на ПК с использо­ванием специализированного программного обеспечения. Од­нако, любые методы математического моделирования пред­полагают до 10-30 известных параметров конкретной динами­ческой головки, которые опять же в домашних условиях изме­рить сложно. Предлагаю очень простой способ определения доброт­ности АС с точностью около 10-15%, для которого потребует­ся дополнительно любой электретный микрофон (МЭК-3) и предварительный усилитель для него с ровной АЧХ от 10 до 10000 Гц. Вновь закрывают и герметизируют отверстие ФИ АС (если таковое имеется). После этого размещают микро­фон в непосредственной близости 2-5 мм от диффузора низ­кочастотной головки на расстоянии 2/3 радиуса диффузора от его центра. К выходу микрофонного усилителя подключают вольтметр переменного напряжения и подают на головку сиг­нал от генератора ЗЧ (через УМ с ровной АЧХ). Мощность, подводимая к головке, не должна превышать 0,1-0,5 Вт. Изме­няя частоту генератора от 500 до 20 Гц, строят АЧХ АС. Убеж­даются в наличии «горба» в области Fs и спада АЧХ крутизной 12 дБ/октаву ниже этой частоты. Находят отношение макси­мального выходного напряжения на частоте близкой или не­много выше Fs к выходному напряжению на частоте 500 Гц. Полученное значение возводят в квадрат. Результат и будет равен значению добротности АС с ФИ. Приверженцы любых способов снижения добротности НЧ головки (ПАС, отрицательное выходное сопротивление УМ и др.) на этом этапе могут подобрать количество звукопоглоща­ющего материала в корпусе закрытой АС (конструкцию ПАС, величину Rвых УМ) до получения желаемого значения доброт­ности. При использовании значительного количества звукопог­лощающего материала, но не более 15...23 г/литр , жела­тельно при помощи проволочного каркаса между ФИ и низко­частотной головкой «организовать» свободное пространство объемом 3-5 литров. Для тех, кто может рассчитать или определить значение добротности низкочастотной головки (с известными измерен­ными параметрами), установленной в конкретный корпус АС, существующие стандартные способы предпочтительнее. Ре­зультаты измерений добротности и резонансной частоты го­ловки в закрытой АС (Fs) могут быть использованы для выбо­ра номиналов корректора (рис.10) только для случая, когда ФИ будет настроен на частоту Fфи min, как минимум в 2 раза ниже частоты Fs. Приступаем к определению номиналов RC корректирующе­го каскада. Операционный усилитель рекомендуется 157УД2 (для стереофонического варианта корректора, цепи коррек­ции ОУ - для единичного усиления). Поскольку расчет элемен­тов корректора довольно сложен, результаты компьютерного расчета значений RC приведены в таблице 1 для различных значений добротности АС и частоты Fs=80 Гц. При других зна­чениях частоты Fs номиналы емкостей конденсаторов просто пересчитываются по формуле: С1"= 80 С1/Р"з.

Аналогично пересчитываются емкости конденсаторов С2 и С3. Можно оставить емкости конденсаторов неизменными, а пересчитать таким же образом сопротивления В1-ВЗ. Един- ственное ограничение - сопротивление резистора В2 не дол­жно быть меньше 2 кОм, т.к. является основной нагрузкой ОУ на высоких частотах. При включении корректора перед УМ (перед темброблоком) реальная АЧХ системы по звуковому давлению будет горизон­тальной с допуском ±2 дБ до нижней рабочей частоты (указа­на в таблице, при условии Fфи min < F(-ЗдБ)), а эквивалент­ная добротность АС равна 0,71. Номиналы RC необходимо подобрать с точностью 1%. При значениях добротности АС, равной 1,6 и выше (4-5-6-7 строки таблицы 1), корректор имеет значительный подъем АЧХ на ча­стотах 30-20 Гц (13-16-20-24 дБ). Для предотвращения явной перегрузки УМ и АС реальным сигналом, снимаемым с выхо­да корректора, на входе УМ (или темброблока) желательно применить ФВЧ первого порядка с частотой среза 30-35 Гц. Это можно сделать заменой (или установкой) конденсатора на входе УМ, емкость которого в нФ рассчитывается по фор­муле 5000/Ввх., где Rвх. - входное сопротивление УМ (или темброблока), кОм. Звучание АС, АЧХ которой скорректирована двумя указан­ными способами, Вас не просто порадует - поразит. Вы нако­нец-то ощутите полное отсутствие окраски звука в НЧ диапа­зоне - «бубнения» не станет как такового. Регулировка темб­ров усилителя по НЧ будет наконец-то работать как ей и поло­жено-эффективно. Совершенно достаточной окажется глуби­на регулировки тембра по НЧ ±3-5 дБ. Отдача по звуковому давлению на нижней рабочей частоте АС будет максимально возможной для примененной низкочастотной динамической го­ловки.

Моделирование и непосредственное измерение характери­стик головок и АС (для подтверждения результатов расчетов) выполнялось с помощью мультимедийного ПК класса Intel Pentium III с калиброванной звуковой платой (АЧХ 15...17000 Гц ±0,2 дБ). Использовалось различное свободно распрост­раняемое программное обеспечение, в том числе демонстра­ционные версии программ от фирм JBL, Blaupunkt и Peerless (эмуляторы генераторов сигналов, измерители АЧХ на «белом» шуме, 1/2-1/12 октавные анализаторы спектра на «розовом» шуме, программы для расчета параметров закрытых АС, АС с ФИ и др.) Настройками программного обеспечения устанав­ливалось частотное разрешение менее 0,3 Гц. Дополнитель­но использовались: УМ 60 Вт с незначительными искажения­ми в диапазоне 10-40000 Гц и электретный микрофон (в комп­лекте с предусилителем) с известной АЧХ в диапазоне 30-15000 Гц ±1,0 дБ.

Правильность выводов была проверена экспериментально следующим образом. Приобретенные «по случаю» закрытые АС «Bifrons» (ВНР, г.Будапешт, завод «ВЕА6», 1975 г.в., объем 36 литров, многослойный корпус из массива с заполнением ва­той 12 г/литр, установлено 9 (!) широкополосных головок типа ВЕА6 НХ-125-8 номинальной мощностью 12 Вт каждая и резонансной частотой 68-71 Гц, Qts=1,02...1,08) прекрасно воспроизводили классическую музыку, джаз. Как только речь заходила о прослушивании рока или современной электронной музыки - колонки сразу «сдавали» свои позиции (это при 108 Вт номинальной мощности и чувствительности 88 дБ/Вт*м). Измерение параметров головок НХ-125-8 и моделирование АС на ПК показало все минусы заводской разработки. При закрытой конструкции эти АС практически не могли выдать даже той мощности, которую разви- вает 10МАС-1 на частоте 60 Гц (спад АЧХ начинался с частоты 110 Гц). Замена одного из 9 динамиков на ФИ (см. фото), на­строенный на частоту 38 Гц, дала поразительные результаты. Колонки зазвучали. Не так важно сравнение результатов измерения АЧХ АС до и после переделки (АЧХ практически не изменилась), как изменение характера звучания АС - они ста­ли «всеядными». Даже на записях камерного оркестра и хора появилась не существовавшая ранее воздушность, глубина и четкость. Дополнительно АЧХ системы в области 35-200 Гц была скорректирована описываемым активным фильтром, включаемым на входе УМ. Благодаря коррекции АЧХ и, самое главное - ФЧХ, АС стали воспроизводить басовый регистр действительно с высокой верностью. В описании звучания АС стало возможным использовать такие эпитеты, как «коррект­ность», «упругость», «мощь», «эмоциональность». Например, при воспроизведении звука прилетающего вертолета в аль­боме «Стена» группы «Пинк Флойд» в комнате начинало виб­рировать все, что только могло. Это «творили» честные 10 Вт на частотах от 40 Гц. После указанных доработок АС заняли достойное «ведущее» место в системе домашнего театра (поверьте, сабвуфер стал не актуален).

Внимание! Если максимальная выходная мощность Вашего УМ превышает номинальную мощность низкочастотной головки АС в три и более раз, рекомендую защитить АС от перегрузки плавким предохранителем на ток, который можно рассчитать по формуле: 1=2^(Рном/Rг), где Рном - номинальная мощность НЧ головки, Rг - сопротивление головки постоянному току.

Практически любую аудиосистему можно заставить играть лучше. И это то, чем я люблю заниматься, неважно, стереофоническая система или мультиканальная, для музыки она создана или для кино. Основные принципы улучшения звука - тщательные поиски «узких» мест. Все знают, что компоненты должны соответствовать друг другу, но часто забывают, что при инсталляции могут быть допущены ошибки.

Для поиска проблем следует использовать специальные измерительные приборы или программные продукты - REW, ARTA и другие. Благо их достаточно на рынке - созданных энтузиастами и распространяющихся бесплатно. Я обычно работаю с программой REW и USB-микрофоном Umic-1 или использую румкорректор-кроссовер Trinnov ST2 из своей домашней стереосистемы. Последний удобен тем, что показывает результаты наглядными графиками и позволяет проконтролировать не только стандартные характеристики (АЧХ и ФЧХ), но и так называемые «безэховые» измерения АЧХ, импульсную характеристику, групповое время задержки и время отклика комнаты в зависимости от частоты. Изучение и сопоставление полученных данных помогают определить дефекты системы и наметить пути ее улучшения.

Влияние комнаты

Начать, пожалуй, следует с показательного графика, на котором совмещены кривые АЧХ системы с учетом отклика комнаты (сиреневый цвет) и т.н. «безэховые» измерения, где влияние комнаты максимально отброшено из рассмотрения. Прошу обратить внимание, что цена деления - 5 дБ, и средняя разница между АЧХ прямого звука и общей АЧХ составляет примерно 6 дБ по НЧ/СЧ диапазону - это и есть влияние комнаты на звук. Т.е. данное помещение практически удваивает звуковое давление от АС, причем делает это с некоторой задержкой. Комната для рассмотрения выбрана стандартная: 24 кв.м., ковер на полу, мягкий диван, пара кресел, пенополистороловые плиты на потолке - вот и все звукопоглощение.

Вот как отклик этой же комнаты (реакция на импульс) выглядит во времени:

По вертикали - частота, по горизонтали - время в миллисекундах, цветом обозначена амплитуда в дБ

Здесь показана реакция комнаты на одиночный импульс. Когда музыка закончилась, комната продолжает играть сама по себе. График показывает, что затухание звука в басах происходит более чем 0,6 секунды!

В итоге становится ясно, что комната влияет на звучание системы, и слушатель это заметит и в составе самого звука (ранние отражения), и как эффект эха. Наш слух устроен таким образом, что мы не всегда воспринимаем влияние комнаты как помеху. Подсознательно человек пытается определить, где он находится, и делает это обычно по реверберационным призвукам, сопровождающим любой звук в помещении. Предположительно навык этот достался нам от далеких предков, живших в пещерах.

В домашних условиях получается, что слушатель воспринимает как бы два пространства одновременно: комнату, где он находится, и комнату, в которой проводилась запись (или имитацию пространства искусственной реверберацией, добавленную в студии). Вообще такое «раздвоение» приводит к дискомфорту, поэтому лучше, конечно, двойственность эту исключить, т.е. сделать в акустической обработке помещения упор на рассеивание или на поглощение звука. Это если мы говорим о комнате для прослушивания музыки. Ранее я писал, что - там корректно делать только заглушение. Но это уже относится к акустической обработке, поэтому вернусь к теме статьи - электронной коррекции помещения.

Аналог и цифра

Для стереосистем наличие аудиопроцессора - большая редкость. Корни этого явления растут из главной аудиофильской догмы - «максимально короткого тракта», который подразумевает минимальный набор элементов в системе - только самое необходимое. Ведь нередко из тракта изымают не только регуляторы тембра, но даже регулировку громкости! И при этом забывают, что такой аудиофильский тракт (как, впрочем, и любой другой) требует специальной акустической комнаты для прослушивания. Для подобных помещений существуют стандарты, которые нормируют время спадания звука до уровня -60 дБ (акустический параметр RT60). Однако для этого потребуются дополнительные вложения - свободное пространство, отделенная комната и т.п. Поэтому чаще всего акустическая обработка напрочь отсутствует или сводится к минимуму: ковер на полу, мягкая мебель, шторы, значительно реже - рассеиватели в зонах первых отражений. Вот в этом случае особенно полезна будет румкоррекция для устранения неполадок, особенно в НЧ-диапазоне.

Фанаты аналогового звука самого высокого класса могут попытаться найти студийные аналоговые параметрические фильтры на вторичном рынке или заказать прибор мастерам - современного производства такой техники практически не осталось.

Намного проще использовать цифровую технику, тем более, выбор здесь большой: от компьютера с программой, студийных процессоров - до аппаратов, специально предназначенных для румкорреции (как DEQX, Trinnov, MiniDSP, DSPeaker и прочих) на любой вкус и кошелек. Иногда такие процессоры имеют дополнительные возможности, как сетевые проигрыватели, встроенные кроссоверы, различные «улучшайзеры» звука. И наконец, современные AV-рессиверы и процессоры мультиканального звука практически всегда оснащены алгоритмами румкоррекции, из популярных - Dirac и Audyssey с возможностями ручной подстройки и параметрическими фильтрами. Более дорогие решения могут использовать алгоритмы Trinnov, а например, в комплект JBL Synthesis сразу входят студийные процессоры BBS с оригинальным софтом. Кстати, цифровые аудиопроцессоры часто оснащаются аналоговыми входами.

Шесть шагов к лучшему звуку

Теперь ответим на вопрос: что именно можно (и нужно) корректировать в домашней системе звуковоспроизведения?

1. На первое место я бы поставил выраженные комнатные резонансы, они мешают прослушиванию больше всего, поскольку никогда не воспринимаются как органичная часть звука, существуют отдельно от него, и это постоянное «подгуживание» комнаты на одном и том же тоне быстро утомляет слушателя. Вот как выглядит типичный комнатный резонанс на графике АЧХ системы до и после его коррекции (верхний и нижний графики соответственно):

На частоте 45 Гц амплитуда комнатного резонанса достигает 20 дБ! От этого гудения можно избавиться, если «вырезать» резонансный пик параметрическим эквалайзером.

Параметрический эквалайзер регулирует уровень звука на заданной частоте, и можно определять ширину этой частотной полосы (добротность), в отличие от более простого «графического» эквалайзера, имеющего фиксированную сетку частот и полосы регулировки. Широко распространенный «третьоктавный» эквалайзер, как следует из его названия, имеет добротность в 1/3 октавы, в то время как на низких частотах комнатные резонансные пики имеют типичную добротность в 1/10-1/12 октавы. Другими словами, для решения типичных проблем третьоктавный эквалайзер не подойдет.

Однако у параметрических эквалайзеров есть и свой недостаток - мы удаляем из прямого звука ту ноту, на которой «возбуждается» помещение. Но в итоге мы все же слышим эту ноту после того, как она отразится от стен, срезонирует и восстановится в исходной громкости. Из-за этой задержки и считается, что лучше вообще не делать электронную коррекцию комнаты. Однако как иначе убрать показанный выше пик АЧХ на 45 герцах? Построить акустические поглотители такого размера нереально. Поэтому из двух зол мы выбираем меньшее. Стоит отметить, что алгоритм Trinnov для подавления низкочастотных резонансов использует специальные техники, как подавление первичных отражений с помощью генерируемых импульсов, которые подаются в противофазе к месту прослушивания и управление амплитудой путем сдвига фазы одной из АС в НЧ-диапазоне.

2. На втором месте по нежелательному влиянию - отражения от близких поверхностей, т.н. SBIR-эффект (Speaker Boundary Interference Response). В я уже описывал этот эффект, приводящий к глубоким провалам и подъемам АЧХ системы. В отличие от комнатных резонансов, SBIR-эффект приходит с минимальной задержкой, поэтому его можно корректировать электронным способом без нежелательных последствий для звука. Для этого применяются звуковые процессоры разных типов: они позволяют формировать АЧХ системы, в том числе параметрические фильтры лишь с одной оговоркой - пики звука, вызванные SBIR-ээфектом, регулируются легко, а с провалами ситуация иная. «Вытянуть» частоту можно, если только каждый элемент системы (предусилитель, мощник, АС) позволит передать эту самую усиленную часть сигнала без искажений. Система должна иметь запас по перегрузке для подобной коррекции. Поэтому, как правило, для исправления «провалов» в АЧХ не используют усиление больше 6 дБ. А если «провал» ушел вглубь на -10 или -20 дБ, его лучше вообще не корректировать, в противном случае это даст только отрицательный эффект.

3. Третьим пунктом станет коррекция краев частотного диапазона. В данном случае мы изменяем прямой сигнал, поэтому можно использовать любой алгоритм из тех, что есть в системе. Сравнительно легко немного расширить низкочастотный диапазон системы (при наличии запаса по перегрузке), а вот в высокочастотном лучше ничего не трогать: верхняя граница определяется физическими параметрами динамиков, и попытка коррекции лишь увеличит искажения.

4. Дальше нужно корректировать дефекты АЧХ самой системы - обычно это сопряжение кроссоверов в колонке и ее резонансы. СЧ/ВЧ-диапазон можно регулировать с помощью тех же параметрических эквалайзеров, но делать это нужно осторожно, чтобы не навредить звучанию - не более двух-трех фильтров на диапазон, и ни в коем случае фильтры не должны пересекаться на одной частоте, потому что возникнет «излом» фазы, который испортит звук. Для более точной коррекции лучше применять процессоры, способные управлять АЧХ, не меняя фазу сигнала.

5. Пятый пункт - коррекция тонального баланса с учетом влияния комнаты. Здесь уже параметрические фильтры не подойдут, нужно использовать процессор, позволяющий задать требуемый наклон АЧХ и частоты, с которой этот наклон начинается. Данный функционал встречается даже в недорогих ресиверах и процессорах (т.н. «параметрический регулятор тембра»), но для максимального качества я бы советовал использовать специальные звуковые процессоры, пришедшие из профессионального звука, у которых есть сразу несколько типов эквализации. Ниже на картинке - типичная форма целевой кривой (форма АЧХ на месте прослушивания, к которой надо стремиться) в большинстве случаев. В зависимости от комнаты и ее акустической обработки может варьироваться подъем на низких частотах и спад на высоких. Некоторые модели АС позволяют задавать спад/подъем частотной характеристики в области СЧ/ВЧ специальными регуляторами или переключателями, их также следует использовать для коррекции тонального баланса.

6. Наконец, большинство процессоров румкоррекции позволяет точно делить спектр на полосы - т.н. «активный кроссовер». Его можно использовать для создания мультиампингового подключения, когда пассивные фильтры исключаются из акустической системы, а поделенный на частотные полосы сигнал подается на раздельные усилители по одному на каждый динамик. Такую реализацию мы часто видим в профессиональном аудио: именно она позволяет значительно повысить качество звучания АС и лучше настроить их под особенности комнаты. Понятно, что этот способ требует увеличить количество каналов усиления.

Все вместе

Лучший результат достигается в условиях, когда акустическая обработка комнаты дополнена электронной румкоррекцией на низких частотах, где акустическая обработка попросту неэффективна. В свою очередь, электронная коррекция СЧ/ВЧ-диапазонов может привнести нежелательные искажения в звук, и наоборот, акустическая обработка не потребует больших вложений.

Цифровые процессоры румкоррекции могут очень сильно улучшить качество звучания, если вместе с ними использовать активные кроссоверы и собрать мультиампинговую систему.

Впрактических схемах операционный усилитель охватывается отрицательной обратной связью (ООС). Вследствие сдвига фаз между входным и выходным сигналом ОУ (с увеличением частоты в многокаскадном усилителе этот сдвиг фаз увеличивается) на некоторых частотах обратная связь может стать положительной. Если на этих частотах коэффициент усиления усилителя больше единицы, то на выходе схемы возникают автоколебания. Для исключения возникновения этих колебаний (самовозбуждения ОУ) используются цепи частотной коррекции.

Рассмотрим усилитель, охваченный ООС по напряжению (рис. 8.7). Положим, что в схеме используется трехкаскадный ОУ. Определим его коэффициент усиления. Будем считать передаточную характеристику ОУ идеальной, т. е. U вых =К о U вх . Тогда

где - коэффициент (глубина) обратной связи. Отсюда:

.

Здесь К=К 0 /(1+  К 0 ) - коэффициент усиления усилителя с замкнутой петлей ООС. Если значение Ко велико, то

и
,

т. е. Практически не зависит от коэффициента усиления ОУ.

Обратимся теперь к рис. 8.7, б, в. На оси частот отмечена частота f пр , на которой сдвиг фаз между выходным и входным сигналом достигает 180°. Нетрудно теперь из графика определить наличие условий возбуждения в схеме. Если линия К*= 1/ пересекает АЧХ в точке, соответствующей частоте, большей f пр , то в схеме будут возникать ложные колебания. В этом случае сдвиг фаз по цепи обратной связи достигает величины, большей 360°. Следовательно, глубина отрицательной обратной связи усилителя ограничивается условием устойчивости ОУ. На рис. 8.7, б указаны пределы изменения возможного коэффициента усиления усилителя, при которых ОУ не возбуждается (область1).

Наиболее часто используемое на практике требование обеспечения устойчивости схемы, соответствующее максимально возможному запасу фазы в петле ООС (при принятой аппроксимации фазы на частоте f ср2 - 90°, в действительности 45°), заключается в следующем: прямая К*= 1/ (дБ) должна пересекать отрезок АЧХ с наклоном в 20 дБ/дек. В ряде случаев может оказаться достаточным и меньший запас по фазе на самовозбуждение, поэтому в усилителях с ООС удается использовать часть участка с наклоном 40 дБ/дек.

Е
сли требуется реализовать усилитель с ООС, для которого не удовлетворяется сформулированный критерий устойчивости, то в ОУ необходимо ввести цепи частотной коррекции. Последние должны в простейшем случае изменить АЧХ ОУ так, чтобы удовлетворялся критерий устойчивости для требуемогоК* . Если цепи коррекции выбраны таким образом, что наклон результирующей АЧХ ОУ составляет 20 дБ/дек и она проходит через точку частоты единичного усиления f T , то усилитель имеет полностью скорректированную частотную характеристику, которую называют оптимальной.

Рассмотрим некоторые цепи коррекции. Широкое распространение получила корректирующая цепочка дифференцирующего типа (коррекция на опережение по фазе) (рис. 8.8). Особенность АЧХ этой цепи - ее подъем в диапазоне частот от f 4 до f 5 со скоростью 20 дБ/дек.

Роль R1 обычно выполняет одно из внутренних сопротивлений ОУ. Часто и R1 реализуется внутри ОУ. Поэтому коррекция такого типа сводится лишь к подключению конденсатора С1 (иногда и R2 ) к соответствующим выводам.

Корректирующая цепочка интегрирующего тип
а (коррекция на отставание по фазе) приведена на рис. 8.9. АЧХ этой цепи по Боде в диапазоне частот отf 6 до f 7 падает со скоростью -20 дБ/дек. Роль сопротивления R3 играет, как правило, выходное сопротивление корректирующего каскада. Поэтому коррекция интегрирующего типа на практике сводится к подключению цепи R4С2.

К
ак же используются рассмотренные цепочки для коррекции двухкаскадных усилителей? На рис. 8.10 приведена исходная АЧХ двухкаскадного усилителя, частотные характеристики (кривые1 ’ , 2 ’ , 8 ’ ) используемых корректирующих цепочек (для них К< 0) и соответствующие скорректированные АЧХ (кривые 1, 2, 3). Из рисунка видно, что корректирующая цепочка дифференцирующего типа позволяет выполнить как частичную, так и оптимальную коррекцию АЧХ, при которой спад АЧХ во всей полосе частот ОУ составляет - 20 дБ/дек (кривая 2 на рис. 8.10, б ).

На практике для коррекции АЧХ ОУ применяется и ряд других цепочек. Важно отметить, что для каждого конкретного усилителя в справочных пособиях рекомендуется свой набор RС-цепочек, подключаемых к специальным выводам (высокоомным точкам схемы). Эти точки выбираются с таким расчетом, чтобы номиналы элементов цепи коррекции оказались небольшими. АЧХ современных двухкаскадных усилителей корректируются с помощью одной внешней цепи коррекции, трехкаскадных - как правило, с помощью двух цепей.

Ряд ОУ имеет встроенные цепи частотной коррекции, реализованные чаще всего на основе МОП-конденсаторов, формируемых в кристалле одновременно с другими элементами усилителя. Такие усилители сохраняют устойчивость независимо от величины обратной связи, что является их несомненным достоинством. (Упрощается проектирование схем на их основе). Однако ОУ с внутренней коррекцией имеют ограниченную полосу пропускания и, следовательно, не позволяют в полной мере использовать динамические свойства усилителя для К* >>1 (в них частотная коррекция выполнена для наихудшего случая, т.е. для К*= 1).

Звенья вещательных каналов вносят амплитудно-частотные искажения. Это означает, что их коэффициент передачи или затухание является функцией частоты и частотная характеристика коэффициента передачи отличается от горизонтальной прямой.

Во многих вещательных устройствах величину амплитудно-частотных искажений, проявляющихся как спад коэффициента передачи на крайних частотах, сводят к нормированному значению рациональным построением электрической схемы, выбором величин ее элементов и режима работы, применением отрицательной обратной связи. Но амплитудно-частотные характеристики некоторых звеньев вещательного канала, соединительных линий, устройств звукозаписи и звуковоспроизведения, междугородных линий, линий проводного вещания не имеют горизонтального участка. В этих случаях амплитудно-частотные искажения уменьшают, включая в вещательный канал особую цепь--корректирующий контур КК.

Принципы корректирования

Амплитудно-частотная характеристика КК должна быть такой, чтобы общая амплитудно-частотная характеристика искажающего звена и. КК в заданной полосе частот от fmax до fmin была горизонтальной прямой. Итак, условие частотной коррекции искажающего звена:

где и - соответственно коэффициент затухание (передачи) искажающего звена и корректирующего контура.

К методам корректирования амплитудно-частотных искажений по техническим приемам и способам расчета близки методы частотных предыскажений. Частотными предыскажениями называют искусственное искажение спектра вещательного сигнала с целью улучшения ОСШ. Частотные предыскажения широко применяют в каналах подачи вещательных программ, например в соединительных линиях, в устройствах звукозаписи, в радиовещании с частотной модуляцией.

Поскольку СЛ включают в вещательный канал в различных произвольных комбинациях, их рассматривают как самостоятельные звенья канала. Нежелательна компенсация амплитудно-частотных искажений, вносимых СЛ, в других звеньях канала - ЛУ или ПУ, так как в том случае невозможно маневрировать усилителями и СЛ и присоединять к любому усилителю любую СЛ. Каждая СЛ должна быть скорректирована, независимо от других звеньев канала. Идентичность АЧХ скорректированных СЛ облегчает их эксплуатацию и взаимное резервирование. АЧХ скорректированной СЛ должна укладываться в пределы шаблона:

В СЛ применяют принципиально иные метода корректирования АЧХ, чем в линиях проводного вещания. Ввиду большого количества СЛ, последовательно включаемых в вещательный канал, требуется высокая точность корректирования (см. табл. 1).

Соединительные линии нагружены на активное сопротивление, величина которого соизмерима с модулем волнового сопротивления СЛ. В этих условиях затухание СЛ монотонно возрастает с частотой. Физически это явление может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы.

Она справедлива, если длина линии не превосходит четверти длины волны передаваемого сигнала, т.е. при электрически короткой линии. Сопротивление проводов линии вместе с сопротивлением, образованным сопротивлениями активных и емкостных утечек между проводами линии, и сопротивлением нагрузки образуют делитель напряжения. С увеличением частоты модуль увеличивается, а модуль уменьшается. Поэтому коэффициент передачи этой цепи с увеличением частоты уменьшается, а затухание растет.

Дополнительные амплитудно-частотные искажения возникают из-за изменения входного сопротивления соединительной линии по диапазону частот. Поскольку СЛ является нагрузкой ЛУ, изменения входного сопротивления СЛ приводят к изменению падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника вещательного сигнала - ЛУ. Но при малой величине внутреннего сопротивления ЛУ эти искажения незначительны, и их не учитывают.

Для корректирования АЧХ СЛ используют особый четырехполюсник с сосредоточенными параметрами - корректирующий контур (КК). Его затухание в рабочем диапазоне частот должно изменяться так, чтобы общее затухание СЛ и КК не зависело от частоты. Предположение, что общее затухание СЛ и КК равно сумме затуханий и справедливо лишь в том случае, когда входное сопротивление КК постоянно в рабочем диапазоне частот и равно сопротивлению нагрузки. В противном случае при подключении КК к СЛ изменится нагрузка СЛ и изменится ее затухание.

Наибольшее затухание КК должен вносить на низшей рабочей частоте. До частот 500-700 Гц затухание должно оставаться примерно постоянным, а затем плавно спадать до нуля на высшей рабочей частоте.Физические свойства СЛ и КК различны; линия - четырехполюсник с распределенными параметрами, КК,- четырехполюсник с сосредоточенными параметрами. Поэтому достичь с помощью КК полной компенсации амплитудно-частотных искажений, вносимых СЛ, невозможно.

Чем больше будет взято точек на оси частот, для которых затухание КК должно совпасть с затуханием, полученным из идеализированной кривой, тем сложнее схема КК.

КК должен иметь минимальное количество настраиваемых (подбираемых) элементов. На высшей частоте затухание КК должно приближаться к нулю. Включение КК не должно изменять частотной характеристики затухания сопряженного с ним звена, в данном случае, СЛ, иначе частотное корректирование превратиться в сложный и трудоемкий процесс эмпирического подбора элементов КК. При включении КК в конце СЛ следует применять КК с постоянным входным сопротивлением, а при включении в начале СЛ - с минимальным выходным сопротивлением. Уменьшение выходного сопротивления КК желательно и при включении КК в конце СЛ, так как при этом уменьшаются напряжения внешних помех наводимые на входную цепь усилителя, следующего после КК. Постоянство входного сопротивления полезно и в тех случаях, когда КК включен перед СЛ, так как это стабилизирует режим ЛУ.

Следовательно, КК должен иметь постоянное входное сопротивление, минимальное выходное сопротивление, минимальное затухание на высшей рабочей частоте и наименьшее количество настраиваемых элементов.

Основные схемы КК:

Простейший двухполюсник, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой или параллельно нагрузке, не дает хорошего корректирования, так как входное сопротивление такого КК зависит от частоты и изменяет ход частотной характеристики СЛ.

Полный параллельный контур обладает постоянным входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением, изменяющимся с частотой. Полный последовательный контур имеет постоянное входное сопротивление и небольшое выходное сопротивление, также изменяющееся с частотой. По этой причине полный последовательный контур наиболее пригоден для корректирования СЛ. Т-образный мостовой контур обеспечивает постоянство входного сопротивления, но его выходное сопротивление больше, чем у полного последовательного. Поэтому он менее подходит для корректирования СД, хотя в типовой аппаратуре встречается довольно часто.

Степень сложности двухполюсников, и зависит от требуемой точности корректирования. Если двухполюсники и с содержат по два элемента, причем, образован параллельным соединением активного сопротивления и емкости, -последовательным соединением активного сопротивления и индуктивности, то расчетная характеристика затухания совпадет с идеализированной в двух точках - на (практически, в области низших частот) и на. Если, - трехэлементные, то совпадение получается в трех точках. При повышении требований к точности корректирования АЧХ одного КК оказывается недостаточно. Тогда используют два и более КК, причем дополнительные КК служат для корректирования неравномерности АЧХ, остающейся после введения первого КК.

Усложнение КК по экономическим причинам нежелательно. Поэтому обычно ограничиваются условием совпадения идеализированной и расчетной кривой затухания КК в трех точках, в качестве которых берут, и одну промежуточную. Расчетные формулы существенно упрощаются, если в качестве промежуточной точки принять частоту, на которой затухание КК равно половине максимального.

Схемы двухполюсников и синтезируют на основе следующих соображений.

В области низших частот сопротивления и должны быть чисто активными. На высшей расчетной частоте, должно обращаться в нуль, а приближаться к бесконечности. Этого можно достичь, выполнив в виде последовательного, a в виде параллельного колебательного контура. Резонансные частоты контуров должны быть равны и совпадать с высшей частотой рабочего диапазона. Затухание КК в области низших частот определяется соотношением и:

Крутизна частотной характеристики затухания КК растет с увеличением отношения, соответственно при этом увеличивается частота половинного затухания. Потери в колебательных контурах уменьшает точность корректирования на высших частотах. Поэтому катушки индуктивности и должны иметь возможно меньшее активное сопротивление. Конденсаторы и должны иметь малые диэлектрические потери.