Фазове узгодження динамічних головок - Основи акустики
Трисмуговий УНЧ дозволяє позбавитися розділових фільтрів в АС, покращити узгодження УНЧ з головками, зменшити частотні, нелінійні та фазові спотворення. Трисмуговий УНЧ забезпечує однакову з односмуговим УНЧ гучність за меншої потужності підсилювачів смуг. Однак ніякого фізичного дива не слід очікувати. У кожній смузі використовуються підсилювачі малої потужності [7], які необхідно навантажувати на чутливі головки. Особливо це стосується НЧ смуги. Саме тому застосування компресійних головок небажане. Односмугові традиційні УНЧ для того і конструюються з підвищеними потужностями, щоб мати можливість регуляторами тембру піднімати посилення по краях звукового діапазону, якщо низький ККД головок. Для трисмугового УНЧ найкращими є головки 6ГД2, 4ГД8Е, 2ГД36. У кожну АС слід встановлювати дві штуки кожного типу, з'єднуючи їх між собою послідовно.
З кожною групою річне бажано послідовно включити потенціометр опором 10 - 30 Ом для підстроювання "на слух". В областях конструювання АС знайдено безліч оригінальних рішень, значна частина яких стосується технології виготовлення головок. Радіоаматори зможуть застосувати на практиці тільки розробки щодо вдосконалення ящиків АС з метою лінеаризації фазової характеристики гучномовця. Електричне фазування головок АС є очевидним під час виготовлення АС. Фазування акустичне - це також необхідний захід для адекватного перетворення електричного сигналу на звуковий. На рис. 1 показано традиційне розміщення головок на передній дошці АС. Очевидно, що геометричне зміщення Δt СЧ та ВЧ головок щодо НЧ головки викличенеодночасна надходження компонентів звуку складного спектра до слухача. Оцінимо вплив цієї нерівномірності. Розглянемо спочатку простий випадок, коли до голівок СЧ і НЧ підведено синусоїдальний сигнал, близький за частотою частотою розділу фільтрів в АС (або в трисмуговому УНЧ). Вважатимемо, що попередні ланки апаратури (УНЧ та фільтри) не змінили фазу сигналів, підведених до голівок. Головка СЧ розташована ближче до слухача. Очевидно, що звуковий сигнал, що відтворюється СЧ головкою, досягне слухача раніше, ніж такий же формою сигнал від НЧ головки.. Складаючись несинфазно, ці два сигнали створять у слухача невірне уявлення про чистоту тону, з'явиться деяка хрипкість звучання.
Більш правильним способом випробування АС буде метод збудження гучномовця сигналом прямокутної форми. Прямокутний імпульс можна у вигляді безлічі синусоїдальних сигналів широкого спектра частот, що заповнює цей імпульс, причому всі синусоїди точно сфазовані між собою. Подамо електричний прямокутний імпульс на АС. Гучномовець перетворює електричну енергію імпульсу на механічну енергію коливань дифузорів головок, рухи яких створять коливання частинок повітря. Цей вже акустичний імпульс можна прийняти вимірювальним мікрофоном і спостерігати на екрані осцилографа. Очевидно, якість АС тим краще, чим ближче схожість форм акустичного і електричного імпульсів. При розташуванні головок за схемою, показаною на рис. 1, не можна сподіватися на точне перетворення гучномовцем електричних сигналів в акустичні. Ймовірно, зсунувши СЧ і ВЧ головки на деяку відстань, поєднавши їх акустичні центри (центри випромінювання) з акустичним центром НЧ головки, можна домогтися одночасного приходу до слухача окремихскладових спектру імпульсу Схема такої АС показана на рис. 4. Дослідженнями встановлено, що передача таким лінійно-фазовим гучномовцем імпульсного сигналу прямокутної форми здійснюється значно правильніше, ніж АС за схемою, зображеною на рис. 1. Люди, які мають музичний або взагалі тренований слух, мають підвищену чутливість до описаних спотворень.
Критерій якості звучання пов'язаний насамперед із точністю відтворення перехідних процесів, властивих самим музичним інструментам [8] . Перехідні процеси, пов'язані з характером наростання та спадання звуку, передають слухачеві найбільш повну інформацію про інструмент та особливості гри виконавця. Тому АС із фазовою корекцією мають краще звучання. Вимірювання параметрів АС при випробуванні синусоїдальним або шумовим сигналом не дають уявлення про їхню якість при передачі музичної програми. Наприклад, якщо в ящик помістити близько 20 маленьких головок невисокої якості з відносно високою частотою резонансної (150 Гц), то така система буде працювати, починаючи з 20 Гц. Однак подібна АС не може відтворити послідовність прямокутних імпульсів із частотою повторення 50-100 с-1. Незважаючи на лінійність АЧХ по звуковому тиску, імпульси диференціюватимуться і відтворюватимуться у вигляді загострених піків. Інша картина спостерігається при збудженні такої АС синусоїдальним сигналом. Відстані між випромінювачами малі порівняно з довжиною хвилі, що випромінюється, тому кожен випромінювач повинен здійснити роботу з подолання встановленого звукового тиску, створеного всіма іншими випромінювачами.
Ця робота значно більша за ту, яку здійснював би одиночний випромінювач, долаючи лише пружну реакцію середовища (повітря), що вагається з однимдифузором. Тому систему таких випромінювачів можна уподібнити одному випромінювачу великого діаметра, що забезпечує АС рівну АЧХ при стаціонарному сигналі (синусоїда) з найнижчих частот. Однак із цього не випливає, що звучання такої АС виявиться задовільним. Сума посередніх випромінювачів принципово не може дати високої якості звучання, оскільки звукові імпульси, що збуджуються окремими головками, підходять до діафрагм інших випромінювачів не одночасно внаслідок обмеженої швидкості звуку та технологічної різновиди резонансних частот головок і відстаней між випромінювачами.
В результаті звукове поле, що збуджується такою АС від імпульсного сигналу, відповідатиме диференційованому вхідному напрузі. Тому рекомендації, що іноді даються радіоаматорам, застосування декількох НЧ головок з відносно високими резонансними частотами для заміни однієї якісної теоретично необгрунтовані. Крім того, у багатосмугових АС резонансні частоти СЧ і ВЧ головок також повинні бути по можливості нижче частот розділення фільтрів, щоб не відбувалося диференціювання імпульсів. Частота /в, до якої роботу динамічної головки прямого випромінювання можна з деякими припущеннями описати коливаннями поршня з площею, що дорівнює ефективної площі дифузора, визначається [2] :
де С-швидкість звуку в повітрі 330 м/с; D-діаметр основи дифузора, м; /В-верхня частота, Гц.
Ефективна площа дифузора вважається рівною 50-58% повної площі [9] :
Для знаходження акустичного центру динамічної головки з конусним дифузором слід замінити об'єм, який займає конус, на рівний йому об'єм циліндра з площею основи, що дорівнює ефективної площі конуса дифузора. Геометричний центр цього циліндра є акустичнийцентр голівки. Це справедливо в діапазоні частот, що визначаються за формулою (1).
Знайдемо спосіб визначення акустичного центру стосовно головок довільних розмірів. Відомо, що обсяг усіченого конуса (м3) визначається:
VK = (p / 3) * HK * (R2 + r2 + Rr), (3)
де R, r - радіуси більшої та меншої основ, м; Нк-висота усіченого конуса, м. н.
Об'єм циліндра (м3):
де S-площа основи, що дорівнює Sеф, м2; Hц-висота циліндра, м.
Сформульована умова відшукання акустичного центру вимагає заміни обсягу Vк на рівний HЦ:
Очевидно, що геометричний центр циліндра лежить на середині його висоти та є акустичним центром (рис. 2).
Мал. 2. Відстань від площини великої основи конуса дифузора до акустичного центру назвемо висотою акустичного центру:
h = 0,5HЦ = (π/6)* (1/SЕФФ)*HK*(R2 + r2 + Rr) = (1/6) ∙ (HK /KD2) ∙ (D2 + d2 + dD), (5 )
де D і d - діаметри більшої та меншої основ; До = 0,5-0,58.
За формулою (5) можна знайти висоту акустичних центрів СЧ та НЧ головок та обчислити величину зміщення Δh головки СЧ для збігу hСЧ та hНЧ (рис. б):
Оскільки базою, від якої вимірюється h, є площина великої основи дифузора, то для збігу hНЧ і hСЧ потрібно змістити базову площину СЧ головки щодо базової площини НЧ головки на величину Δh, тобто заглибити головну СЧ всередину АС (або висунути НЧ головку) . Зазвичай зменшення нерівномірності АЧХ рекомендують встановлювати СЧ головки, щоб їх базові площини лежали у площині зовнішньої частини акустичного екрану ящика АС. У той же час, головки НЧ зазвичай кріпляться до внутрішньої площини цього екрана. При товщині екрану 20-25 мм ще більше зростає розбіжність hСЧ іhНЧ, що збільшує фазовий зсув компонентів сигналу, що відтворюються. Наприклад, для головок 6ГД2 (Dеф
200 мм) та 4ГД7 (Dеф
10 мм = 0,01 м. Таке порівняно невелике h є наслідком близькості геометричних розмірів дифузорів. Випромінювання СЧ головки доходить до слухача із запізненням:
Δt = Δh/C = 0,03 μρ (7)
З урахуванням товщини екрану Δt
O.08 мс. Для головок 6ГД2 та 4ГД8Е (Dеф
100 мм) Δh = 20 мм і Δt
0,06 мс, а з урахуванням екрану Δt
0,12 мс. Однак не слід робити помилкового висновку, що рівність діаметрів НЧ та СЧ головок покращить АС. Збільшення Dеф знижує fв, що визначається формулою (1). При цьому виникнуть труднощі її узгодження у зоні спільної роботи з ВЧ головкою. Частоту, на якій відбувається повне придушення сигналу в зоні спільної роботи головок, можна визначити [6] :
Наприклад, при Δt
0,05 мс для СЧ і ВЧ головок відбувається спад високих частот з 10 кГц.
Фазовий зсув, що викликає часткове придушення деяких частот, визначається [5] :
Відрізок часу з моменту виникнення сигналу до t
0,5 – 1,0 мс найбільш суттєвий для сприйняття тембру інструментів. На цьому відрізку часу окремі частотні компоненти, сумою яких можна уявити результуючу форму сигналу, жорстко пов'язані між собою, тобто когерентні. Акустичні властивості приміщення ще не позначаються на сприйнятті сигналу. При монофонічному відтворенні сигнали від НЧ до СЧ головок однієї АС когерентні, практично тотожні і розділені для органів слуху, що сприймають їх, часом Δt. Час Δt замало, щоб сигнали сприймалися як два незалежних [3]. Тому створюється одне здається джерело звуку (КІЗ) тембральне звучання якого змінюється при зміні Δt [6],що викликано інтерференцією (взаємознищення окремих спектральних складових складного сигналу аналогічними за амплітудою і частотою складовими, але протилежними по фазі). При цьому звучання стає глухішим, оскільки інтерферують насамперед ВЧ компоненти.
В АЧХ гучномовця внаслідок цього з'являються глибокі провали. Крім того, у формулі (9) частина звукових компонентів, що випромінюються головками зі зсувом фази менше 180о, складаються, утворюючи нові співзвуччя, які відсутні в реальному джерелі програми, що відчувається у вигляді спотворень. Причому, КІЗ стає розмитим, менш локалізується [З]. При стереофонічному відтворенні сигнали від кожної пари (НС+СЧ) головок двох колонок все ж таки не тотожні. Відмінності їх тимчасових структур використовуються органом слуху зменшення інтерференційних спотворень сумарного сигналу, що формує слухове відчуття [6]. При цьому інструменти оркестру звучать природніше. Це одна з основних переваг стереофонії (крім можливості локалізації КІЗ). Ще більше знизити інтерференційні спотворення можна, зменшивши Δh головок. Обчислювати Δh між СЧ і ВЧ головками за формулою (6) вже не можна, оскільки не буде дотримано умова (1), тобто ВЧ головка не може бути представлена "поршнем". Формула (5) може бути лише орієнтиром для конструювання АС у межах зроблених припущень (1) і (2).
Мал. 3. Блок-схема пристрою для спостереження форми імпульсу щодо розташування ВЧ головки: 1 - генератор одиночних імпульсів; 2 – трисмуговий УНЧ; 3 – АС; 4 – вимірювальний мікрофон; 5 – мікрофонний підсилювач; 6-електронний ключ; 7 – осцилограф. Остаточне розташування СЧ і ВЧ головок по відношенню до НЧ головки краще вибирати, спостерігаючи форму імпульсу тривалістю τ
25 мкс [З], що відтворюється АС, за блок-схемою, зображеною на рис. 3. Електронний ключ 6 необхідний для відмикання та замикання входу осцилографа на час проходження імпульсу, щоб усунути акустичне вплив приміщення.
Переміщуючи СЧ і ВЧ головки і спостерігаючи форму імпульсу, можна знайти положення, коли відмінність від прямокутного імпульсу, що подається з генератора на АС, стане найменшим. СЧ та ВЧ головки встановлюються на верхній стінці ящика на рухомій підставці, що забезпечує можливість незалежного переміщення СЧ та ВЧ головок щодо НЧ головки. Сполучні кабелі між трисмуговим УНЧ та АС повинні мати по можливості малий опір постійному струму (0,1 Ом), а також малу ємність на одиницю довжини (15 пФ на 1 м).