Зачастую любительские 3-полосные АС звучат гораздо хуже своих промышленных «собратьев» по причине того, что в них все головки АС расположены в одной плоскости. Дело в том, что в одной плоскости должны быть не крепежные места головок, а их акустические центры. В статье описывается как это сделать.
Для правильного воспроизведения меандра, первого приближения к реальному музыкальному сигналу, к которому синусоида вообще не имеет никакого отношения, должна быть правильной фаза всех его составляющих, или хотя бы первых 5-6 гармоник.
Акустические центры ВЧ, СЧ и НЧ головок у большинства 3-полосных АС не совпадают, поскольку в них головки расположены в одной плоскости.
Так если акустический центр ВЧ головки будет расположен ближе к слушателю, то её акустические колебания поступают в точку прослушивания раньше, чем следует, и сигнал меандра частотой 1 кГц будет искажен так, как показано на рис.1.
Рис. 1
Только при правильной фазе спектральных составляющих меандра он будет воспроизводиться как меандр (близко к его форме), как показано на рис.2.
Рис. 2
Таким образом, для корректного воспроизведения акустического сигнала 3-полосной АС, необходимо разнести диффузоры входящих в её состав акустических головок по глубине корпуса АС. Для того чтобы это правильно сделать предлагается воспользоваться следующим простым устройством.
Работа устройства
На вход предлагаемого устройства (рис.3) можно подавать сигнал, как от лабораторного генератора синусоидальных сигналов, так и от аудио карты компьютера, сгенерировав сигнал в компьютерном аудиоредакторе.
Рис. 3
Подстроечным резистором R3 на инвертирующем выводе компаратора DA1 выставляется такое напряжение, чтобы напряжение на выходе компаратора переключалось из уровня -5 В в уровень +5 В при переходе входного синусоидального сигнала через ноль.
На ИМС DD1 (рис.3) выполнен делитель частоты импульсов с выхода DA1 на 10. Выводы R и S ИМС DD2 подключаются к -5 В. Эта ИМС используется в режиме триггера делящего входную частоту на 2. Сигнал с выходов триггера DD2 поочередно включает верхний или нижний по схеме ключ ИМС коммутатора DD3. В результате на «Вых. 1» и «Вых. 2» будут поочередно поступать пачки из 10 периодов синусоиды с частотой входного сигнала.
Рассматриваемая схема также позволяет подавать на «Вых. 1» и «Вых. 2» пачки содержащие от 2 до 10 периодов синусоиды в каждой. Для этого надо сигнал с соответствующего выхода счетчика-делителя DD1 подать на вход DD2.1 и его же подключить ко входу сброса DD1 (выв. 15).
В данном устройстве для питания всех ИМС используется питающее напряжение ±5 В, что обеспечивает размах выходного сигнала компаратора от +5 В до -5 В.
В качестве компаратора DA1 можно использовать любой быстродействующий операционный усилитель, который работает при напряжении питания ±5 В.
Работа с устройством
Акустические головки АС сначала надо проверить микрофоном без подключения кроссовера. Если акустические центры выставлены правильно, то перемещение измерительного микрофона дальше / ближе к АС не должно приводить к изменению соотношения фаз.
Сигналы с «Вых. 1» и «Вых. 2» подают на НЧ и СЧ, а затем на СЧ и ВЧ головки АС. Настройка производится при помощи двухканапьного осциллографа, в котором сигнал от измерительного микрофона накладывается на экране на сигнал от генератора.
Если на экране осциллографа имеется отсутствие одного периода пачки или наложение периодов друг на друга, это означает, что сигнал от этой головки АС запаздывает на период. Если акустические центры всех головок совмещены правильно, то ни отсутствия части сигнала, ни его наложения быть не должно. При работе с устройством возможно ослабление амплитуды первых синусоид в пачке, особенно НЧ головкой.
Такие измерения желательно производить, если есть такая возможность, направив АС в открытое окно, т.е. используя режим воспроизведения в полуоткрытое пространство.
Неправильное воспроизведение сигнала головками 3-полосной АС показано на рис.4,а, а правильное — на рис.4,б.
Рис. 4
Конечно, можно размещать акустические головки в одной плоскости и использовать задержку подаваемого на них сигнала. На рис.5 показано, как можно изменить ФЧХ и диаграмму направленности АС с использованием задержки сигнала. На рис.5,а пунктиром показана область в которой излучение 2-полосной АС будет в фазе без принятия специальных мер. На рис.5,б показано, как изменяется область, в которой ВЧ и НЧ головки излучают в фазе при использовании задержки сигнала подаваемого на НЧ головку. Таким образом задержка НЧ сигнала значительно улучшает качество звучания АС и изменяет диаграмму её направленности.
Рис. 5
Однако в полосе звуковых частот реализовать задержку сигнала аналоговым способом, без его искажения, весьма затруднительно. Поэтому производится совмещение акустических центров в вертикальной плоскости, чаще всего, просто делая переднюю панель АС наклонной.
Фазолинейные кроссоверы
Для того чтобы 3-полосная АС корректно преобразовывала электрический сигнал в акустический недостаточно совместить акустические центры её головок, надо ещё использовать в ней кроссоверы, которые не вносят фазовых искажений. А вот здесь поля для маневра практически нет. Пассивные кроссоверы, кроме первого порядка, из-за значительных фазовых сдвигов, использовать нежелательно. А кроссоверы 1 порядка не дают требуемого затухания вне полосы пропускания, тем самым не обеспечивают нужное разделение полос частот подаваемых на различные головки АС.
Для того чтобы обеспечить одинаковое групповое время задержки (ГВЗ) акустического сигнала (это надо для правильной передачи его формы) надо уменьшить задержку НЧ составляющих в нём. А вот ГВЗ как раз и зависит от порядка пассивного фильтра. Поэтому в 3-полосных АС, в качестве пассивного фильтра для ВЧ головки используют фильтр третьего порядка, для СЧ-головки — второго, а для НЧ-головки — первого порядка (это может быть просто индуктивность).
Но такое решение чревато тем, что использование НЧ фильтра с малой крутизной обеспечивает довольно большой диапазон частот, где совместно работают НЧ и СЧ головка, что не очень хорошо.
Таким образом, в настоящее время, наиболее популярные решения — это использование активных и цифровых кроссоверов. Особенно популярны, для построения фазолинейных систем, цифровые фильтры с конечной импульсной характеристикой (англ. — FIR).
Заключение
Часто можно встретить утверждение, что «правильное» звучание определяется только спектром сигнала, а, мол, фазовые соотношение между его составляющими не важны. Это в корне не верно.
Как было показано выше, для того чтобы правильно передать даже такой простой сигнал как меандр, надо правильно передать не только уровни всех составляющих его гармоник, но и их фазы.
Именно ФЧХ АС определяет связь между различными частотами, присутствующими в акустическом сигнале, относительно друг друга. Таким образом, тембр и характеристики, которые позволяют слушателю определить тот или иной инструмент или звук, зависят не только от его спектрального состава, но и от того, как входящие в спектр гармоники соотносятся друг с другом во времени.
Подготовил: Андрей Семёнов, г. Владивосток
Источник: Радиоаматор №4/2017