Как изменить сопротивление акустики

Принято считать, что качество звучания громкоговорителя почти целиком определяется его АЧХ по звуковому давлению, ее неравномерностью в диапазоне воспроизводимых частот и коэффициентом гармоник. Однако субъективная (экспертами) оценка звучания не только любительской, но и промышленной звуковоспроизводящей аппаратуры показывает, что далеко не всегда громкоговорители с хорошими параметрами звучат одинаково хорошо.

Тщательное исследование работы динамиков позволило предположить, что одной из причин такого явления может быть различие в характеристиках переходных процессов входящих в громкоговорители СЧ головок.

Последовательное соединение динамиков

Если мощность акустической системы больше мощности усилителя, то здесь необходимо повысить сопротивление. Для уменьшения мощности и изменения омности используют последовательное соединение колонок. Их фазируют следующим образом: производят подключения плюса одного динамика к минусу другого. В итоге получается уменьшенная мощность системы и увеличенное сопротивление. При последовательном соединении нельзя использовать колонки с разным сопротивлением, так как будет разная громкость.

Параллельное соединение динамиков

В случае параллельного соединения акустической системы на выходе пропорционально количеству динамиков возрастает мощность, и сопротивление нагрузки снижается. Количество громкоговорителей будет зависеть от характеристик усилителя (в большинстве случаев легко справляются с нагрузкой в 2 Ома) и мощности колонок. Есть аппаратура, которая будет справляться с нагрузкой и в 0,5 Ома. Если брать разнообразие колонок, то мощность может варьироваться от 10-100 Ватт.

Также существует последовательно-параллельное соединение, этот способ зачастую применяется для увеличения количества динамиков в автомобиле, происходит увеличение суммарной мощности акустической системы, а сопротивление нагрузке остается на допустимом уровне. Здесь на один канал усиления можно устанавливать несколько колонок, в допустимых пределах сопротивления нагрузки.

При соединении динамиков в любой последовательности всегда нужно учитывать минимальную нагрузку усилителя. Практически вся аппаратура справляется с нагрузкой в 2 Ома.

Эквивалентная схема головки

Для анализа переходных процессов в области поршневого действия головки (низкочастотный диапазон воспроизводимых частот) удобно воспользоваться ее эквивалентной схемой, показанной на рис. 1а. Здесь Re и Le — соответственно сопротивление и индуктивность звуковой катушки головки, С = m и L = с — электрические эквиваленты соответственно массы m и гибкости подвеса с се подвижной системы, а Re — электрический эквивалент потерь на излучение и на трение узла подвеса. Численные значения эквивалентов пересчитаны к электрическому входу головки.

В области поршневого действия головки влиянием индуктивности Lk на ее частотную и временную характеристики можно пренебречь. В результате эквивалентная схема головки приобретает вид, показанный на рис. 1б.

Известно, что добротность контура из параллельно соединенных резистора, катушки индуктивности и конденсатора равна отношению проводимостей реактивной (индуктивной или емкостной) и резистивной ветвей. Добротность контура, изображенного на рис. 1б,

Здесь Gа,=1/Ra, — проводимость резистивной ветви, ωs, = √(mC) — резонансная круговая частота подвижной системы головки. Найденная таким способом добротность (Qa), называется акустической добротностью головки, поскольку она учитывает потери только в механической колебательной системе (Rа).

Ёсли же показанную на рис. 1б цепь подключить к генератору с нулевым выходным сопротивлением, то рассматриваемый LC-контур окажется зашунтированным сопротивлением Re. В этом случае его добротность определяется формулой Qe=ωsmRe и называется электрической добротностью головки (при ее определении не учитывается влияние Ra).

Добротность, определяемая с учетом влияния сопротивлений Ra и Re называется эквивалентной добротностью головки Qt. При нулевом внутреннем сопротивлении источника входного напряжения она равна:

Qt= Qa*Qe/(Qa+Qe)

А поскольку для всех без исключения головок Qa>>Qe величина Qt, лишь незначительно отличается от Qe.

При переходе от характеристик электрического эквивалента головки к ее акустическим характеристикам необходимо иметь в виду, что напряжение на параллельном контуре, состоящем из элементов m, C и Ra (рис. 1б), является электрическим аналогом колебательной скорости подвижной системы. Таким образом, чем больше величина Re, а следовательно, и Qt, при заданном значении Ra, тем больше неравномерность зависимости напряжения на контуре от частоты, что соответствует большей неравномерности звукового давления, развиваемого головкой в области поршневого действия.

Резонансные частоты низкочастотных головок лежат внутри воспроизводимых ими диапазонов частот, поэтому при выборе этих головок особое внимание обращают на численное значение эквивалентной добротности головки Qt и если оно превышает требуемое, принимают меры к его уменьшению и улучшению частотной характеристики.

Иная ситуация складывается при выборе среднечастотных (СЧ) головок. Их резонансные частоты лежат, как правило, ниже диапазона воспроизводимых ими частот. В результате, если традиционным методом (плавно изменяя частоту генератора) снимать АЧХ громкоговорителя по звуковому давлению, неравномерность характеристики СЧ головки вблизи ее резонансной частоты практически не обнаруживается в результирующей характеристике громкоговорителя, поскольку напряжение резонансной частоты, поступающее на эту головку, в значительной степени будет ослаблено полосовым фильтром.

Между тем реальный режим СЧ головок существенно отличается от рассмотренного выше. Напряжение вещательного сигнала на выходе полосового фильтра громкоговорителя можно рассматривать как гармоническое (синусоидальное), амплитуда и частота которого непрерывно и, в общем случае, достаточно резко изменяются во времени. По этой причине головка постоянно работает в переходном (динамическом) режиме, а не в установившемся режиме синусоидальных колебаний, который имеет место при снятии АЧХ по звуковому давлению.

Последовательное, параллельное и смешанное соединение динамиков

Самое главное при соединении динамиков – выполнить соединение так, чтобы ни один из динамиков не был перегружен. Перегрузка грозит выходом из строя динамика.

Важно понимать, что на динамик можно подавать мощность либо меньше, либо равную номинальной, на которую он, собственно, и рассчитан. В противном случае, рано или поздно даже самый качественный динамик выйдет из строя из-за перегрузки.

Понятно, что перед соединением динамиков нужно определить их:

Номинальную мощность (Вт, W);

Активное сопротивление звуковой катушки (Ом, Ω).

Всё это, как правило, указывается на магнитной системе динамика, либо на корзине.

1W — значит на 1Вт, 4Ω — сопротивление звуковой катушки.

Марка динамика — 3ГДШ-16. Первая цифра 3 — это номинальная мощность, 3 Вт. Рядом подпись — 8 Ом, сопротивление катушки.

Бывает и не указывают, но можно узнать по маркировке.

Среднечастотный динамик 15ГД-11-120. Номинальная мощность — 15 Вт, сопротивление катушки — 8Ω.

Соединение динамиков. Пример.

Давайте начнём так сказать с азов – наглядных примеров. Представим, что у нас есть 6-ти ваттный усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) и 3 динамика. Два динамика мощностью 1 Вт (сопротивление катушки 8 Ω каждый) и один динамик на 4 Вт (8 Ω). Задача состоит в том, чтобы подключить все 3 динамика к усилителю.

Сначала рассмотрим пример неверного соединения этих динамиков. Вот наглядный рисунок.

Как видим, сопротивления всех трёх динамиков одинаково и равно 8 Ω. Так как это параллельное соединение динамиков, то ток разделится поровну между 3-мя динамиками. При максимальной мощности усилителя (6 Вт) на каждый из динамиков будет приходиться по 2 Вт мощности. Ясно, что 2 из 3 динамиков будут работать с перегрузкой – те, чья номинальная мощность равна 1 Вт. Понятно, что такая схема соединения не годится.

Если бы усилитель выдавал на выходе всего 3 Вт звуковой мощности, то такая бы схема подошла, но динамик на 4 Вт работал бы не в полную силу — «филонил». Хотя это и не всегда критично.

Реактивное сопротивление АС: с чем едят и что делать?

О том, что надпись «4 Ома» на шильдике АС вовсе не означает, что так оно и есть, слышали все. Данная статья написана для увеличения числа знающих, что из этого следует.

Входное сопротивление отдельно взятого динамика в оформлениях и имеет чисто активный характер всего на двух частотах: механического (основного) и электромеханического резонансов. На всех остальных частотах полное сопротивление имеет реактивную составляющую, причём её модуль вблизи основного резонанса и на верхней границе рабочего диапазона может в разы превышать активное сопротивление и пренебрегать ею – бывает себе дороже. У двух- и трёхполосных АС, и в оформлениях и характеристика сложнее. Так, например, выглядит ЧХ сопротивления мощного 50-сантиметрового динамика в оформлении ФИ:

Вертикальная ось слева – в Омах, тонкая красная линия снизу – 4 Ома. Верхняя цветастая линия – участки с разным характером комплексного сопротивления АС.

Существует мнение, что индуктивность звуковой катушки – вещь реальная, проявляющая себя в полной мере, а реактивность вблизи частоты основного резонанса – типа виртуальная, не влияющая на подключённые устройства (фильтр или усилитель). Для проверки я проводил эксперимент (Чалов Денис довёл)). В результате оказалось, что реактивное сопротивление динамика 75 ГДН-1 является основной причиной горба в районе 80-100 Гц, взаимодействуя с деталями ФНЧ АС S-90. Но давайте послушаем умных людей.

Шкритек (см. литературу) приводит стандартный эквивалент нагрузки для проверки усилителей мощности (УМ):

Как видим, это эквивалент 6-омной АС, тип оформления – ЗАС с резонансной частотой около 50 Гц. Но что это? В схеме – живые катушка и конденсатор! Индуктивность звуковой катушки опущена, но всё же правильнее было бы добавить её последовательно с резистором 5,4 Ом. Вариант полной схемы эквивалента восьмиомного динамика от Селфа:

Первый и главный вывод: усилитель работает вовсе не на активную нагрузку, и все R в формулах надо менять на Z, комплексное сопротивление. Шкритек это давно сделал, я лишь приведу основные важные результаты. Увеличение пикового значения тока выходных транзисторов при работе на комплексную нагрузку – максимум в 5,6 раза:

Отала оценивает запас по пиковому значению в 6,6 раза «для наихудшего случая» (мой перевод с книги Селфа), а сам Селф рекомендует для дома как минимум двойной запас (2-3 раза). Отсюда растут ноги у схем, где по пять выходных транзисторов в параллель.

Второй вывод: комплексное сопротивление вблизи частоты основного резонанса динамика реально существует и влияет на характеристики подключенных устройств. В частности, горб АЧХ в НЧ звене тем больше, чем больше последовательная индуктивность в ФНЧ (в первую очередь) и чем больше конденсатор на землю после неё (влияние меньше), то есть, чем ближе частота среза ФНЧ к частоте основного резонанса ЗАС или ОЯ или к частоте верхнего горба ЧХ сопротивления ФИ. В двухполосных АС с частотой раздела выше 2 кГц эффект уменьшается до долей дБ и о нём можно забыть.

Третий вывод: при аварийных режимах типа щелчки коммутации в случае чрезмерно широкой полосы пропускания на ВЧ по входу, искрения или обрыва контактов АС запасённая в индуктивностях энергия может вызвать всплеск напряжения большого значения, выше допустимого для выходных транзисторов. Поэтому в усилителях для озвучивания часто включают два диода с шины выхода (после выходного развязывающего дросселя) на шины питания, которые в нормальном режиме под обратным напряжением и на работу не влияют. Не помешают они и домашнему.

Давайте посмотрим графики частотных характеристик (ЧХ) сопротивления разных АС.

S-30 (из Интернета). Имеем 4 зоны риска (показано красным).

Рассчитанная 15 АС-214 (доверительный интервал выше 200 Гц):

Весёлая получилась характеристика)

Рассчитанная S-50B (доверительный интервал выше 100 Гц):

Очевидно, что на ЧХ сопротивления при проектировании ЧиХали, благо, ГОСТ не был против! Кстати, западные стандарты – тоже.

Возьмём классику, S-90 без букв. Для упрощения я сделал её ЗАС с резонансной частотой около 35 Гц. Высота резонансного пика и крутизна скатов взяты приблизительно, выше 80 Гц – правда. Во всех дальнейших схемах трёхполосных АС в статье по умолчанию стоят схемы замещения динамиков, аналогичные данным. Схема для Мультисима:

Получаем частотную характеристику сопротивления:

Обратите внимание на провал при 6,5 кГц, вызванный «удачным» фильтром ВЧ полосы: там меньше 5 Ом активного сопротивления (при сопротивлении ВЧ динамика 15 Ом) при большой крутизне скатов. Теперь взгляните на совмещённые ЧХ сопротивления и АЧХ фильтров (масштаб по вертикали в децибелах, оранжевая линия – 86 дБ):

На пиках АЧХ фильтра имеем провалы Z-метровой характеристики, что вполне логично. Отсюда идея: пусть разделительные фильтры занимаются чем положено – разделением полос с минимальными выбросами АЧХ (и ФЧХ) при линейной суммарной Z-метровке, а коррекцией АЧХ пусть занимается параметрический эквалайзер, настроенный 1 раз по усреднённым в каналах проблемам в зоне прослушивания. Синтезируем схему такого чуда:

Схема монтажная, в Мультисим закладывалась с сопротивлениями катушек, конденсаторов и полными эквивалентными схемами динамиков. Его ЧХ сопротивления:

АЧХ фильтров:

Оценим остаточное влияние реактивности. Разница фаз между напряжением и током при комплексной нагрузке:

φ = arctg(XL/RL)

где XL – реактивная, а RL – активная составляющая комплексного сопротивления нагрузки.

Увеличение тока приблизительно обратно пропорционально косинус фи. Максимум XL/RL около частоты 200 Гц. В первом приближении здесь работают активное сопротивление звуковой катушки и катушки 1,2mH (2,9+0,3=3,2 Ом) и индуктивное сопротивление катушки 1,2 мГн (1,5 Ом на 200 Гц) Расчёт даёт сдвиг фазы 25 градусов и увеличение тока на 10%. Получаем тех же 3,2*0,9=2,9 Ома, это и будет АКТИВНОЕ сопротивление для расчёта усилителя под такую схему АС.

Теперь микрофоном измеряем АЧХ и настраиваем параметрический эквалайзер. Если что не понравилось в фильтре – начинаем всё сначала. Сложно и непривычно? Тогда поступим иначе: рассчитываем фильтр с нужной АЧХ и изначально хорошей Z-метровой характеристикой или же дорабатываем уже имеющийся. Вот, например, ЧХ сопротивления АС с фильтрами 1-го порядка из статьи NIVAGA больше не ENYGMA.

Как-то даже на душе потеплело… Но большинство динамиков не годится под первый порядок фильтра. Тогда вот, например, характеристика АС с фильтрами 2-го порядка из той же статьи (красная линия):

А теперь добавим 5 деталей, выделенных зелёным (результат – синяя линия, график тот же):

Ура! Теперь смело можно заявить, что у нас АС имеет сопротивление 4 Ома (±20%) в диапазоне 20-1200 Гц, а его комплексный характер не потребует увеличения запаса по току коллектора выходного транзистора больше тех же +20%, так как отношение реактивной составляющей к активной во всём звуковом диапазоне невелико. Рассчитываем усилитель на активное сопротивление 3,2 Ома (если не предполагается работа на неизвестные АС, конечно), что позволит сэкономить энное количество транзисторов + радиаторов и/или улучшить показатели усилителя и (спать) слушать спокойно, ибо +20% это Вам не 5 раз! Итак, есть несколько вариантов не наступить на грабли реактивного сопротивления, и все они осуществимы. Если Вам удалось уменьшить реактивную составляющую до приемлемой величины, то – получите Ваши бонусы: 1. Меньше требования к толщине соединительных проводов, в т. ч., внутри АС и УМ. 2. Ниже требования к величине номиналов и расположению блокировочных конденсаторов по шинам питания. 3. В случае применения датчика тока (для цепи ЭМОС, ПОСТ для создания отрицательного выходного сопротивления УМ или создания в УМ режима источника тока) выходное напряжение датчика гораздо меньше зависит от частоты, а при работе от УМ с высоким выходным сопротивлением (ламповым или ИТУН) – меньше и плавнее изменения АЧХ. 4. Меньше требования к запасу по перегрузке блока питания. 5. Стабильный коэффициент демпфирования на максимальной мощности. 6. Сопротивление на ультразвуковых частотах стабильно 20 Ом (для последней схемы). 7. Убирается горб на АЧХ в НЧ звене.

Касательно бонуса №7. Привожу расчётные АЧХ ФНЧ типа S-90, оформление ЗАС, Fр=35 Гц. Схема фильтра:

Зелёный цвет – с последовательным контуром, красный – без него (подписан выброс, возникающий из-за отсутствия резистора последовательно с 110 мкФ, есть в огромном количестве фильтров, поскольку – «и так сойдёт»):

Если же усилитель уже имеется и рассчитан, к примеру, с тройным запасом, то теперь можно будет либо оставить его как есть (все искажения, связанные с режимами больших токов, уменьшатся), либо сократить число выходных транзисторов до одного (при этом искажения уменьшатся у предвыходных каскадов, а выходной и предвыходной станут шустрее за счёт уменьшения ёмкостей => появится больший запас по фазе общей ООС). Кстати, об искажениях. Предполагаю, что такое выражение как «такой-то УМ с такой-то АС играет хорошо, а с вот такой – плохо» может объясняться отсутствием запаса по току выходного каскада при работе на разные АС, у которых разные ЧХ сопротивления. Уважаемый А.Сырицо в статье «Работа УМЗЧ на комплексную нагрузку» выражает сходные мысли и приводит интереснейшую статистику по комплексному сопротивлению АС. Полезно сравнить нелинейные искажения готового усилителя при работе на активную нагрузку и на эквивалент громкоговорителя на разных частотах. Ведь все те 0,00…% измеряются НА РЕЗИСТОРАХ. Только не сожгите УМ.

Какие же значения перегрузок УМ по импульсному току и импульсной мощности для реальных схем АС?

1. При подаче непериодического прямоугольного сигнала с временем нарастания фронта 100 мкс (и меньше) на цепь 6,8 Ом + 0,29 мГн последовательно (XL/RL=2,68 на частоте 10 кГц, 8-омная ШП головка мощностью порядка 20 Вт, без учёта основного резонанса) – 2,4 раза по току (Селф). При длительности фронта 500 мкс (сигнал без ВЧ составляющих) – 2,1 раза по току. Правда, Селф замечает, что вертикальные перепады уровня в музыке (он наблюдал рок) очень редки. В то же время, при синусоидальном сигнале в установившемся режиме на частоте 20 кГц наблюдалось уменьшение КГ до 5 раз! Остаётся сожалеть, что музыка – не непрерывный свист.)))
2. Максимальное значение XL/RL для схемы эквивалента нагрузки с параметрами: активное сопротивление катушки 3 Ом, конденсатор 1000 мкФ, индуктивность 20 мГн, сопротивление параллельно контуру 25 Ом, рассчитанное коллегой в Маткаде, равно 1,48, сдвиг фаз 56о. При сопротивлении параллельно контуру 100 Ом – соответственно 2,9 и 71о. Рост пиковых значений предсказать не берусь, но он существенен даже в первом случае.
3. В статье А.Сырицо при сдвиге фаз 60о увеличение пиковой мощности рассеяния транзисторов выходного каскада при синусоидальной форме сигнала составляет 3,1 раза, без увеличения пикового значения тока. Правда, он разрешает не увеличивать площадь теплоотводов, так как «одновременное уменьшение модуля сопротивления нагрузки и значительное изменение его фазы от частоты обычно наблюдается в достаточно узких диапазонах частот. Поэтому влиянием реактивности нагрузки при расчете тепловых режимов выходного каскада УМЗЧ можно пренебречь при работе с реальными источниками звуковых программ.» Если посмотреть статистику по зарубежным АС из его статьи, то можно сделать вывод: запас по пиковому току 2 раза и по пиковой мощности 3 раза для большинства АС западного производства того периода достаточен. Таким образом, критерием надёжности выступает пиковая мощность, а не ток.

Ну хорошо, RC-цепь поставить или сразу разработать фильтры с приятной ЧХ сопротивления на СЧ и ВЧ не очень сложно. Но последовательный контур на НЧ… Да, в небольшой корпус засунуть батарею в 300-500 мкФ и конский дроссель… Но если литров побольше + умеете снимать ЧХ сопротивления = можно пробовать Итак, начнём:

1. Измеряем ЧХ сопротивления АС на НЧ, находим резонансную частоту, оцениваем крутизну скатов и высоту пика. Для ФИ и ПИ берём более высокий по частоте пик. Если ЧХ плавная или пик невысокий (если для этого специально ничего не делали, то для хорошего низа это может быть плохое предвестие!), то и выравнивать особо нечего, иначе п.2.
2. Если есть симулятор (или знакомый-симулянт)), то подобрать параметры эквивалента НЧ головки до достаточного совпадения его ЧХ сопротивления со снятой ЧХ в районе пика. После чего добавляем в симуляторе последовательный контур и подбираем R, L и С. Практически линейная ЧХ не нужна, достаточно, чтобы она шла плавно и монотонно. Резистор при этом будет около 1,5*R катушки НЧ динамика, что облегчает задачу по созданию дросселя. На этом этапе стоит ещё раз подумать, надо ли оно Вам…
3. Дроссель желателен с плавной регулировкой индуктивности. Номинал большой, но спасает значительное допустимое сопротивление = активному сопротивлению катушки НЧ головки. Есть два варианта: на железе с переменным зазором и две катушки, приближающиеся торцами, включенные согласованно. Первая предпочтительнее, так как можно мотать меньше витков более тонким проводом.
4. Конденсаторы можно брать электролитические неполярные или полярные встречно включенные (потренировав их пару дней при номинальном напряжении для гарантии наличия диэлектрического слоя), их потери учтутся при настройке. Реактивная мощность важна, ток через них будет приличный, значит, габариты не должны быть мизерными. Помним, что они плывут со временем и при нагреве. Полярные периодически рекомендуется тренировать.
5. Подключаем батарею конденсаторов, резистор, догоняющий активное сопротивление дросселя до расчётного, и настройкой дросселя выходим на нужную ЧХ. Заканчиваем подгонкой номинала добавочного резистора.
6. Если симулятора или знакомого йок, подбор величин R, С и L – вручную методом приближения, долго.

Общие выводы:

1. При расчёте УМ для работы на неизвестную нагрузку запас транзисторов выходного каскада по пиковому току принимать не меньше 2 раза, по пиковой рассеиваемой мощности – не меньше 3 раз.
2. При расчёте УМ для работы на одиночный ШП динамик или на АС для озвучивания очень желательно устанавливать диоды с выхода УМ на шины питания.
3. При работе на ШП динамик для выравнивания сопротивления на ВЧ эффективна RC-цепочка параллельно АС с номиналами порядка 2-3 мкФ и 20-30 Ом, можно прямо в корпусе УМ. Шикарно компенсирует индуктивность звуковой катушки до 1 мГн при номинальных 4 Ом (динамик порядка 50 Вт). Выравнивание сопротивления и на СЧ потребует подбора номиналов RC-цепочки.
4. Разумное ограничение диапазона входных частот УМ – выгодно!
5. При выравнивании ЧХ АС нет необходимости добиваться полной независимости сопротивления от частоты, достаточно, чтобы изменения с частотой были плавными. Так, в приведённом выше примере (синяя линия) сопротивление на СЧ и ВЧ плавно стремится от 4 Ом к 8 Ом, но это не скажется на работе УМ.
6. При расчёте АС всегда обращайте внимание на её ЧХ сопротивления, не допуская резких пиков и провалов во всём звуковом диапазоне.
7. Фильтры с ломаной АЧХ имеют, как правило, такую же ЧХ сопротивления, если не применялись особые меры по спасению.
8. Неточности ±15% в номиналах цепочки для компенсации резонансного пика НЧ динамика дадут волнистость ЧХ, но практически не ухудшат соотношение XL/RL.
9. Все проблемы с реактивностью АС начинают проявляться при мощности УМ не менее 50-75% от максимальной. Если так не слушаете – проблем не будет (кроме случая с ШП динамиком, тут пункты 2-4 актуальны).

ЛИТЕРАТУРА:

1. Международный стандарт IEC 263-3. Гл. 1, п. 6.
2. А. Сырицо. Работа УМЗЧ на комплексную нагрузку. Радио, №1 за 2004 год.
3. M. Otalа, P. Huttunen, Peak current requirement of commercial loudspeaker systems, JAES (June 1987) 455. See Chapter 12, p. 294.
4. Douglas Self. Audio Power Amplifier Design Handbook. Fifth Edition.
5. П. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Москва, «Мир», 1991.

Автор работы: Николай Марков

Сопротивление динамиков, усилитель и т.д. (+)

Общую суть вопроса можно определить следующим образом: сопротивление акустических систем носит комплексный характер и включает в себя как активную составляющую не зависящую от частоты сигнала , так и реактивную зависящую от частоты сигнала. Реальный электрический аудио сигнал представляет собой сумму гармоник переменного электрического тока, таким образом, сопротивление импеданс акустической системы, сильно зависит от частоты входного сигнала. Значения импеданса указанные в паспортных данных на акустические системы, как правило, указываются усреднено-номинальными или же вообще можно увидеть диапазон импеданса например, Ом. Иными словами сопоставление цифр возможных сопротивлений указанных на ресивере и аналогичных данных на колонках весьма условно, следовательно, логика подбора компонентов, основанная на этом принципе, может привести к тому, что ваша система не будет работать устойчиво, а ассортимент выбираемой продукции будет ограничен несколькими возможно не интересными для вас моделями. Реальное сопротивление многих систем не соответствует заявленному значению, а этот параметр необходимо знать для правильного согласования с ресивером усилителем. Низкое значение импеданса колонок требует от усилителя выдавать в нагрузку большое количество электрического тока, а на это способны далеко не все модели. Такая микросхема, как правило, представляет собой тот же аналоговый многоканальный усилитель, но имеющий массу ограничений, прежде всего по питанию. Схемотехника и элементы такого гибридного усилителя далеки от концепции Natural Sound, это, прежде всего эконом класс, со всеми вытекающими последствиями.

Влияние полосового фильтра

Выше отмечалось, что эквивалентная добротность Qt головки соответствует работе ее от источника с нулевым внутренним сопротивлением, т. е. в режиме короткого замыкания.

Однако из-за влияния полосового фильтра работа СЧ головок на резонансной частоте заметно отличается от режима короткого замыкания. Рассмотрим, например, работу головки с фильтром второго порядка (рис. 2а).

Сопротивление колебательного контура L1C1 невелико только в полосе пропускания фильтра, а за её пределами по мере уменьшения частоты настолько возрастает, что вблизи резонансной частоты головка начинает работать в режиме холостого хода. Соответственно увеличивается. приближаясь к акустической, эквивалентная добротность, а следовательно, продолжительность призвука.

Аналогичная картина наблюдается и при использовании полосового фильтра шестого порядка (рис. 2в), но на этот раз из-за влияния контура L3C3.

Рис. 2. Варианты полосовых фильтров для динамиков: а) второго порядка, б) четвертого порядка, в) шестого порядка.

Несколько лучшее демпфирование головок СЧ обеспечивает полосовой фильтр четвертого порядка (рис. 2б). В этом случае вблизи резонансной частоты головка оказывается зашунтированной катушкой индуктивности L2, сопротивление которой по мере уменьшения частоты убывает.

Последовательное соединение динамиков

Если мощность акустической системы больше мощности усилителя, то здесь необходимо повысить сопротивление. Для уменьшения мощности и изменения омности используют последовательное соединение колонок. Их фазируют следующим образом: производят подключения плюса одного динамика к минусу другого. В итоге получается уменьшенная мощность системы и увеличенное сопротивление. При последовательном соединении нельзя использовать колонки с разным сопротивлением, так как будет разная громкость.

Пошаговая инструкция последовательного подключения

В данном варианте сопротивление суммируется и рассчитывается по формуле:

R = R1 + R2,

где R — общее,

R1 — первого динамика,

R2 — второго динамика.

При этом R1 должен равняться R2 или в противном случае акустическая система будет быстро изнашиваться, а ожидаемые звуковые эффекты не оправдают надежд. По такой схеме можно подсоединить сколько угодно колонок, но их значение R не должно превышать максимально допустимое R усилителя. Также стоит учитывать, что чем больше колонок соединено последовательно, тем меньше звуковой мощности будет на выходе.

1. Минусовой 1 соединяется с положительным каналом колонки 2.
2. Плюсовой 1 подключается к минусовой клемме устройства.
3. Минусовой 2 подключается к положительному выходу.

Последовательное соединение трех и более колонок осуществляется по такой же схеме, где каждая последующая полярно подключается к предыдущей, а крайние их контакты полярно соединяются с клеммой устройства.

Параллельное соединение динамиков

В случае параллельного соединения акустической системы на выходе пропорционально количеству динамиков возрастает мощность, и сопротивление нагрузки снижается. Количество громкоговорителей будет зависеть от характеристик усилителя (в большинстве случаев легко справляются с нагрузкой в 2 Ома) и мощности колонок. Есть аппаратура, которая будет справляться с нагрузкой и в 0,5 Ома. Если брать разнообразие колонок, то мощность может варьироваться от 10-100 Ватт.

Также существует последовательно-параллельное соединение, этот способ зачастую применяется для увеличения количества динамиков в автомобиле, происходит увеличение суммарной мощности акустической системы, а сопротивление нагрузке остается на допустимом уровне. Здесь на один канал усиления можно устанавливать несколько колонок, в допустимых пределах сопротивления нагрузки.

При соединении динамиков в любой последовательности всегда нужно учитывать минимальную нагрузку усилителя. Практически вся аппаратура справляется с нагрузкой в 2 Ома.

Последовательное, параллельное и смешанное соединение динамиков

Самое главное при соединении динамиков – выполнить соединение так, чтобы ни один из динамиков не был перегружен. Перегрузка грозит выходом из строя динамика.

Важно понимать, что на динамик можно подавать мощность либо меньше, либо равную номинальной, на которую он, собственно, и рассчитан. В противном случае, рано или поздно даже самый качественный динамик выйдет из строя из-за перегрузки.

Понятно, что перед соединением динамиков нужно определить их:

Номинальную мощность (Вт, W);

Активное сопротивление звуковой катушки (Ом, Ω).

Всё это, как правило, указывается на магнитной системе динамика, либо на корзине.

1W — значит на 1Вт, 4Ω — сопротивление звуковой катушки.

Марка динамика — 3ГДШ-16. Первая цифра 3 — это номинальная мощность, 3 Вт. Рядом подпись — 8 Ом, сопротивление катушки.

Бывает и не указывают, но можно узнать по маркировке.

Среднечастотный динамик 15ГД-11-120. Номинальная мощность — 15 Вт, сопротивление катушки — 8Ω.

Соединение динамиков. Пример.

Давайте начнём так сказать с азов – наглядных примеров. Представим, что у нас есть 6-ти ваттный усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) и 3 динамика. Два динамика мощностью 1 Вт (сопротивление катушки 8 Ω каждый) и один динамик на 4 Вт (8 Ω). Задача состоит в том, чтобы подключить все 3 динамика к усилителю.

Сначала рассмотрим пример неверного соединения этих динамиков. Вот наглядный рисунок.

Как видим, сопротивления всех трёх динамиков одинаково и равно 8 Ω. Так как это параллельное соединение динамиков, то ток разделится поровну между 3-мя динамиками. При максимальной мощности усилителя (6 Вт) на каждый из динамиков будет приходиться по 2 Вт мощности. Ясно, что 2 из 3 динамиков будут работать с перегрузкой – те, чья номинальная мощность равна 1 Вт. Понятно, что такая схема соединения не годится.

Если бы усилитель выдавал на выходе всего 3 Вт звуковой мощности, то такая бы схема подошла, но динамик на 4 Вт работал бы не в полную силу — «филонил». Хотя это и не всегда критично.

Акустическая система «по Чебышеву» (на сдвоенных динамиках)

Аудиофил никогда не успокаивается. Он хочет добиться совершенного звучания музыки у себя дома. В продаже есть большой выбор акустических систем (АС). Правда, цены больно «кусаются», но так было не всегда. Лет 40 тому назад у меня выбора не было: в продаже имелась стереорадиола «Симфония» (даже без стереодекодера, для его подключения был только разъем на задней стенке), по цене равная трехмесячной зарплате начинающего инженера (330 «полновесных» советских рублей). АС радиолы, в общем-то, работали хорошо, однако самые низкие частоты звучали «не убедительно» (даже с транзисторным усилителем) ведь закрытый ящик, резонансная частота динамика 70 Гц. А хотелось послушать и орган с его fн=16 Гц, и турецкий барабан, настроенный на 20 Гц, наконец, тот же концертный рояль (от 27,5 Гц)! Взгляните на рис.1, и вам станет ясно, что и как (в каком диапазоне) звучит.

Если что-то нельзя купить, то аудиофил строит «это» сам. Хорошие динамики для низких частот в ту пору в магазинах не продавались Их «добывали», привозили «из-за бугра». Как-то раз, будучи у своего знакомого, я увидел удивительные динамики из Великобритании. Назывались они «модуль Jordan Watts». Маленькие (152х152х50 мм), увесистые (3,2 кг), с диафрагмой из металла (анодированного алюминия) ди-метром 4 дюйма (10 см). Они имели ход диффузора 6,5 мм, резонансную частоту 41 Гц, мощность 12 Вт и полосу частот от 30-17000 Гц (по уровню ±3 дБ). К ним придавался лист спецификаций, на котором был изображен чертеж рекомендуемого ящика (рис.2) и таблица с семью вариантами АС. Там были конструкции с двумя и одной головками (модулями) разного размера (все – фазоинверторы). В зависимости от размеров получались разные нижние воспроизводимые частоты. Одна АС имела fн=20 Гц! Правда не был указан уровень звукового давления.

Воспользовавшись статьей из журнала «Радио», я произвел расчеты фазоинверторов по размерам из таблицы и получил неплохое (по тем вр-менам) совпадение с данными фирмы. Владелец динамиков построил АС «Juliet» по указанным в таблице размерам и был доволен результатами. В этой АС резонансная частота головки почти совпадала с частотой настройки фазоинвертора. В то время расчет фазоинверторов производился по эмпирическим формулам и графикам. Теория не была разработана, но считалось, что настройка ящика фазоинвертора должна совпадать с резонансной частотой динамика на открытом воздухе. А тут (для АС «Jupiter») — 41 Гц у головки и 20 Гц у самой АС. Загадка? Фантастика?!

И, вдохновленный, я решил сам построить АС. Какие? А самые лучшие! С трудом приобрел четыре головки 25ГД-26 (прямо из Бердска) для НЧ-звена (по две головки на АС) По материалам журнала «Радио» и книге М.Эфрусси спроектировал и изготовил солидные (90 л — наружный объем) ящики из ДСП толщиной 20 мм. Чертеж передней панели приведен на рис.3. Учел все рекомендации по заглушению стенок: наклеил слой ДВП (6 мм) на вибропоглощающей мастике, обтянул винилискожей. Фазоинверторы настроил на 25 Гц (динамики имели fр=36-42 Гц).

Стал слушать. Звучание на низких частотах не удовлетворило! Заполнил весь объем ящика ватой (почти 3 кг!). Звук стал лучше, но басы все равно звучали плохо (не было «легкости» и «мощи»). Кстати, не лучше звучали и появившиеся в продаже громкоговорители 35АС-1. По прикидке, финансовые затраты на мои АС соответствовали стоимости 35АС-1.

Прошло несколько лет, и появилась книга Э.Л.Виноградовой, открывшая глаза. Приведенная там теория все разъяснила и поставила «на свои места». Хорошо работающий громкоговоритель с фазоинвертором можно построить только в том случае, если соблюдать определенные соотношения между параметрами динамика и ящика. Параметры динамиков всегда (подчеркиваю, всегда!) нужно измерять. Существует производственный разброс. Материалы стареют (меняется гибкость подвеса, слабеет магнит), и тогда возрастает добротность. Описания АС, в которых не приводятся параметры примененных головок измеренные авторами, мне кажутся несерьезными, так что не советую слепо копировать подобные «шедевры».

Основные параметры при измерении динамика:

Еще некоторые соотношения:

Vas/V = (fh2 – fb2) ∙ (fb2 – fl2) / (fh2 ∙ fl2), где

fl и fh – частоты (нижняя и верхняя) «горбов» на Z-характеристике фазоинвертора;

fs’ = (fl ∙ fh) / fb, где
fs’ – резонансная частота головки с учетом присоединенной массы воздуха, возникающей при работе головки в фазоинверторе;
где Qb – добротность акустического оформления, учитывающая потери в щелях ящика и головки, в заполнении ящика и в трубе фазоинвертора;

Rb –сопротивление головки на частоте настройки фазоинвертора;

Rs – сопротивление головки на резонансной частоте.

Имея основные параметры динамических головок, можно по номограммам найти частоту настройки фазоинвертора fр и его нижнюю рабочую частоту по уровню -3дБ – f3.

В соответствии с теорией работы динамика в фазоинверторе, можно получить различные АЧХ полной мощности. Их называют по фамилиям математиков, исследовавших соответствующие кривые и математические выражения – полиномы, описывающие данные кривые. Это – полиномы Баттерворта, Чебышева, Кауэра и другие. При определенных соотношениях между параметрами получаются различные АЧХ громкоговорителя.

Если Qt=0,383, Vas/V=1,41, fb/fs=1 и Qb>10, имеем АЧХ Баттерворта (максимально гладкую). Такие АС чаще всего и строят. В них fb=fs, т.е. частота настройки фазоинвертора равна резонансной частоте головки. Когда Qb=10 номограммы соответствуют рис.4, для Qb=5 – на рис.5.

А если Qt имеющейся головки отличается от этих «баттервортских» значений? Тогда, как мы видим из номограмм, изменятся отношения Vas/V, fb/fs и f3/fs. Конечно, изменится и АЧХ: при росте Qt она из максимально гладкой (баттервортовской) превращается в волнистую характеристику Чебышева. И для нее f3/fs<1, т.е. можно получить АЧХ с нижней воспроизводимой частотой, меньшей, чем резонансная частота динамика. Вот и разгадка английских акустических систем (41 Гц и 20 Гц).

В моих АС динамики имели Qt=0,54, Vas/V=90/68=1,32. Головки стояли рядом, и Vas для двух головок был вдвое больше, чем для одной. А для Qt=0,54 (рис.4 и рис.5) нужно Vas/V=0,3, т.е. объем ящика должен в 3 раза превосходить эквивалентный объем головок. Получается: V=Vas/0,3=90/0,3=300 л.

Положение еще более усугублялось активным сопротивлением дросселя разделительного фильтра для НЧ-головки в АС, которое увеличивало Qt на 10%.

Но аудиофил никогда не успокаивается! Мысль пришла неожиданно. Эврика! Я вспомнил про сдвоенные головки. Ведь у них эквивалентный объем уменьшается вдвое по сравнению с одной головкой, добротность сохраняется, а fs=√(fs1∙fs2).

Сказано — сделано! Соединяю две головки диффузор к диффузору через прокладку 3 мм и вставляю этот «бутерброд» на место одного НЧ-динамика с внутренней стороны передней панели. Ничего, что магнит одной головки торчит наружу, а отверстие под второй динамик наскоро заделано заплаткой из ДСП (нижнее отверстие на рис.3) Главное идея! Измеренная Qt=0,5 — даже меньше, чем у одиночных динамиков. Одно и понятно, ведь излучение идет от тыльной стороны диффузоров, и эффективная площадь уменьшилась за счет окон в диффузородержателе, а сопротивление излучению — увеличилось. Линеаризовалась индуктивность звуковой катушки, уменьшились гармоники.

Кстати, искажения за счет эффекта Допплера не ощутимы у НЧ-звена, если его верхняя частота не выше 500-800 Гц, а нижняя 25-30 Гц. И здесь излучение по оси головок экранировано магнитами, а, как писал Дрейзен: «Сбоку от нейтрали громкоговорителя эти искажения не слышны». Желающие могут посчитать эти искажения по формуле:

KD = (18 ∙ 103 ∙ fв √Pa) / (fн2 ∙ d2) [%], Pa = Pэ ∙ КПД, где:

Pa – акустическая мощность, Вт;

Pэ – электрическая мощность, Вт;

d – диаметр диффузора, см;

fн, fв – соответствующие граничные частоты диапазона, Гц.

У меня, при Pэ=10 Вт, КПД=0,1%, fн=28 Гц, fв=800 Гц получилось:

KD = (18 ∙ 103 ∙ 800 √0,01) / (282 ∙ 202) = 4,5%.

Снимаю Z-характеристику АС, высчитываю Vas/V=0,29. Вот теперь все совпадает! Измеряю fs на открытом воздухе: головка 1: 34,5 Гц; головка 2: 42,8 Гц; сдвоенный блок (компаунд): 38 Гц.

По расчетам:

fsk = √(fs1 ∙ fs2) = √(34,5 ∙ 42,8) = 38,4 [Гц];

Vask/Vk = (41,42 – 242) ∙ (242 – 202) / (41,42 ∙ 202) = 0,29;

fsk = (f1 ∙ fh) / fb= (41,4 ∙ 20) / 24 = 34,5 [Гц].

Напоминаю, fsk<fsk за сче присоединенной массы воздуха в ящике с фазоинвертором. Нахожу Qak=5,148 и Qek=0,883, а также Qbk≈3,5. Qbk маловато, но, убрав лишнюю вату и оставиви около 700 г, приближаюсь к Qbk≈5. Теперь номограмма на рис.5 подходит, fbk/fsk≈0,75; f3k/fsk≈0,7, откуда нахожу fbk=25,9 Гц; f3k=24,2 Гц.

Проверяю АЧХ на слух по тестовому компакт-диску. Частоту 25 Гц слышу с небольшим завалом, 31,5 Гц – прекрасно. Звучание музыкальных программ с турецким барабаном просто радует («Траурная месса» Верди, часть – «Лакримоза», в исполнении Страсбургского филармонического оркестра). А когда на форте-фортиссимо хора и оркестра вступают ударные, подпрыгивает все, в том числе, от неожиданности, и я. Вот этого великий Верди и добивался! Такое звучание на НЧ я слышал только от АС «Таппоу» с объемом 200 л и диаметром головки около 380 мм.

Бубнит ли «Чебышев»? Я этого не заметил. А вот потери за счет дифракции – заметил, когда стал измерять АЧХ громкоговорителей, установленных на расстоянии 1,5 м от стен. Рассчитаем частоту, на которой образуется этот спад (-3 дб) по формуле:

f= 115 / W = 115 / 0,375 ≈ 300 [Гц], где W – ширина АС, м.

Это значение точно совпало с измеренным. Если АС стоят в углах комнаты размерами 6хЗх2,7 м по узкой стене, то падения НЧ за счет дифракции не происходит.

Конечно, надо учесть, что АЧХ громкоговорителя в обычной жилой комнате будет иметь множество пиков и провалов за счет отражений звука от стен, потолка, пола и других поверхностей. Это показано на рис.6(кривая 1 – АЧХ в комнате, кривая 2 в звукомерной камере).

Подведу итоги:

1. Если хотите получить самые низкие частоты, а резонансная частота динамиков где-то в 1,5 раза выше их, то вам поможет АС «по Чебышеву».
2. Чтобы не строить громадные ящики, можно применить сдвоенные головки.
3. Грамотно настроенные АС «по Чебышеву» не «бубнят»!
4. Аудиофил никогда не успокаивается (аксиома!).

Один вопрос у меня все же остался: пики на Z-характеристике немного разные по высоте, и выровнять их пока не удалось. Почему?

Автор работы: Пугачев И.

г. Минск

Сопротивление динамиков, усилитель и т.д. (+)

Общую суть вопроса можно определить следующим образом: сопротивление акустических систем носит комплексный характер и включает в себя как активную составляющую не зависящую от частоты сигнала , так и реактивную зависящую от частоты сигнала. Реальный электрический аудио сигнал представляет собой сумму гармоник переменного электрического тока, таким образом, сопротивление импеданс акустической системы, сильно зависит от частоты входного сигнала. Значения импеданса указанные в паспортных данных на акустические системы, как правило, указываются усреднено-номинальными или же вообще можно увидеть диапазон импеданса например, Ом. Иными словами сопоставление цифр возможных сопротивлений указанных на ресивере и аналогичных данных на колонках весьма условно, следовательно, логика подбора компонентов, основанная на этом принципе, может привести к тому, что ваша система не будет работать устойчиво, а ассортимент выбираемой продукции будет ограничен несколькими возможно не интересными для вас моделями. Реальное сопротивление многих систем не соответствует заявленному значению, а этот параметр необходимо знать для правильного согласования с ресивером усилителем. Низкое значение импеданса колонок требует от усилителя выдавать в нагрузку большое количество электрического тока, а на это способны далеко не все модели. Такая микросхема, как правило, представляет собой тот же аналоговый многоканальный усилитель, но имеющий массу ограничений, прежде всего по питанию. Схемотехника и элементы такого гибридного усилителя далеки от концепции Natural Sound, это, прежде всего эконом класс, со всеми вытекающими последствиями.

Предыдущие ограничения Bluetooth

До Bluetooth 5 возможности Bluetooth были несколько ограничены. Предыдущая версия, Bluetooth 4.2, позволяла выполнять сопряжение устройств только один-к-одному и имела радиус действия всего около 10-30 метров.

По сути, это означало, что прослушивание Bluetooth должно было быть ограничено одной комнатой и, возможно, следующей. Достаточно хорошо, если вы слушаете музыку в одиночестве, но, возможно, нет, если вы развлекаете гостей дома во время диджеинга со своего телефона.

Чтобы обойти это ограничение, было разработано несколько обходных путей, включая приложения и функции устройства. С Bluetooth 5 многие из этих решений теперь не нужны, если вы собираетесь подключать не более двух динамиков.

Помимо этого, вам может потребоваться использовать другие программные или аппаратные решения и, возможно, нужно будет искать другие возможности, кроме простого Bluetooth.