Добавил:

mihail1000 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Воронежский государственный технический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Учебное пособие 2142.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

30.04.2022

Размер:

7.5 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021 / 2921 22 23 24 25 26 27 28 29 > Следующая >>>

жет найтись место в реальной квартире при габаритах 98×62×64см и весе 80 кг (сравнить с габаритами выше рассчитанных АС на Lowther PM 4). Интересно отметить, что эта модель производится, по-моему, с начала 60-х годов прошлого века и выпускается до сих пор. Таким образом, Klipsch «La Scala» — это не АС, это легенда (с соответствующей ценой), их внешний вид представлен на рис. 5.43.

Рис. 5.42. АЧХ рупорных АС Klipsch «La Scala»

Рис. 5.43. Рупорные АС Klipsch «La Scala»

5.4. Разделительные фильтры

Большинство современных высококачественных АС являются многополосными, т.е. состоящими из нескольких ГГ, каждая из которых работает в сво- м диапазоне частот. Это обусловлено тем, что очень сложно создать широкополосный излучатель, обладающий хорошими характеристиками в широком диапазоне частот, поскольку требования, представляемые к ГГ для воспроизве-

136

дения, например, низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот противоположны. И, хотя, разработаны достаточно хорошие широкополосные ГГ, например, фирм «Lowther» и более бюджетные — «Fostex», проблема оста тся. Тем не менее, многие меломаны и аудиофилы предпочитают слушать широкополосные ГГ без всяких фильтров, считая недостатки таких ГГ гораздо меньшей бедой по сравнению с многополосием, особенно, когда число полос больше 2-х, да ещ и с неграмотными фильтрами.

Основное назначение фильтров в АС — распределение энергии входного сигнала между ГГ. Они влияют практически на все характеристики АС: АЧХ, ФЧХ, ГВЗ, направленность, сопротивление, уровень искажений и др. Выбор конкретной схемы фильтров определяющим образом зависит от применяемых ГГ, их взаимного расположения, а иногда и от акустического оформления ГГ [19].

Таким образом, создание многополосных АС с фильтрами, подбор ГГ и их сопряжение является очень большой и серь зной проблемой. Учитывая, что достаточно давно появились НЧ-СЧ излучатели с отличными характеристиками в диапазоне частот 25–3000 Гц ведущих мировых производителей «Seas», «Scan-Speak», «Vifa», «Focal» и др., возникает вопрос, а стоит ли вообще разр а- батывать 3-х, а тем более, 4-х полосные АС? Но верн мся к теме раздела.

Подробное и серь зное исследование теоретических аспектов проблемы, связанной с влиянием фильтров различных аппроксимаций с разными передаточными функциями и порядками абсолютно на все характеристики АС, содержится в работах И. А. Алдошиной и команды, например [1], особенно, [10] и др. Кроме того, в них приводятся нормированные значения элементов фильт- ров-прототипов и формулы для расч та фильтров вплоть до шестого порядка. Справочник Ханзела [20] содержит более чем всю информацию по расч ту фильтров, поэтому в настоящем разделе рассмотрим некоторые основные практические вопросы, связанные с применением, выбором и расч том фильтров.

Будем рассматривать 2-х полосные АС.

Основными параметрами фильтров являются: частота раздела fр, кру-

тизна спада АЧХ, определяемая порядком фильтра, добротность, передаточная функция, аппроксимированная дробно-рациональными функциями в виде отношения полиномов (п. 5.3). В зависимости от типа полиномов бывают фильтры Баттерворта, Чебышева, Гаусса (Бесселя), Кауэра и др. Все фильтры имеют одинаковую лестничную структуру, типичные примеры фильтров разных порядков показаны на рис. 5.44 [1].

Фильтры 1–4 порядков обеспечивают крутизну спада АЧХ в полосе пропускания соответственно 6, 12, 18 и 24 дБ/окт. Структура и схема фильтров Кауэра несколько иная (рис. 5.45) [20]. Полярность включения ГГ в каждом случае подбирается экспериментально — это очень важно.

Исторически первыми появились LC-фильтры типа «К» и «М». Тип «К» характеризуются монотонным спадом АЧХ в полосе задержания, но его малой крутизной, значительным изменением Rвх в полосе пропускания, из-за чего со-

137

гласование фильтра с нагрузкой уда тся осуществить только в части полосы пропускания. Согласование с нагрузкой и АЧХ можно улучшить за сч т усложнения схемы (тип «М»), но в этом случае появляется пик АЧХ в полосе заде р- жания.

Рис. 5.44. Схемы фильтров разных порядков в 2-х полосных АС: а) 1-й порядок; б) 2-й порядок; в) 3-й порядок; г) 4-й порядок; д) асимметричный, 1-й и 3-й порядки

Рис. 5.45. Схемы фильтров Кауэра: а) 3-й порядок; б) 4-й порядок

Позднее появились фильтры «постоянного входного сопротивления», об-

разованные из пары LC-фильтров Баттерворта лестничной структуры, работающих на активную нагрузку. Эти фильтры имеют гладкую АЧХ в полосе пропускания и монотонный характер изменения затухания в полосе пропускания и задержания. Фильтры ч тных порядков обеспечивают равномерную диаграмму направленности АС, но обнаруживают неравномерность АЧХ +3 дБ в области частоты раздела fр. Ч тные порядки дают ровную суммарную АЧХ по напряжению, но неравномерную направленность в полосе пропускания. Эти и другие фильтры обладают нелинейной ФЧХ [10].

Фильтры постоянного напряжения имеют равную АЧХ и равную нулю суммарную ФЧХ по напряжению на всех частотах, таким образом, суммарный

138

сигнал не испытывает искажений АЧХ и ФЧХ. Однако, отдельно ФЧХ обоих каналов различаются и не равны нулю, разница между ФЧХ НЧ и ВЧ каналов составляет 120–180о. Эти фильтры не нашли применения в АС.

Характеристики затухания фильтров Гаусса (Бесселя) и фильтров с линейной фазовой характеристикой монотонны в полосе пропускания и задерживания, они обладают хорошими фазовыми характеристиками, но имеют меньшее затухание, чем фильтры Баттерворта. Все фильтры с линейной фазовой характеристикой используются только как фильтры НЧ, поскольку при преобразовании в фильтр ВЧ или полосовой они теряют линейность ФЧХ.

Затухание фильтров Чебышева носит колебательный характер в полосе пропускания и монотонный — в полосе задерживания. Неравномерность ∆А затухания в полосе пропускания однозначно связана с коэффициентом отражения и КСВ напряжения. Фильтры Кауэра также имеют колебательный характер затухания как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания [20]. Эти типы фильтров в АС нам не встречались.

Существует ещ один тип фильтров, называемых фильтрами «всепропускающего типа». Подобно фазовым корректорам, которые не вносят амплитудных искажений и называются «всепропускающими цепями», эти фильтры обладают независимой от частоты суммарной АЧХ по напряжению для НЧ и ВЧ каналов. Они имеют ряд достоинств и преимуществ по сравнению с фильтрами других типов и обеспечивают: 1) гладкую АЧХ по напряжению; 2) одинаковую форму ФЧХ по напряжению для НЧ и ВЧ каналов; 3) низкий уровень фазовых искажений; 4) равномерные симметричные диаграммы направленности в области fр; 5) низкую чувствительность к изменению номиналов элементов фильтров. Поэтому фильтры «всепропускающего типа» являются наиболее перспективными в высококачесвтенных АС.

Фильтры «постоянного входного сопротивления» имеют постоянное Rвх в случае равенства и активного характера Rн НЧ и ВЧ каналов. Таким образом,

фильтры «постоянного входного сопротивления» неч тных порядков ничем не отличаются от фильтров «всепропускающего типа» неч тных порядков, а фильтры «постоянного входного сопротивления» ч тных порядков в отличие от фильтра «всепропускающего типа» имеют АЧХ с выбросом, достигающим 3 дБ на частоте разделения.

Интересно отметить, что при изучении разделительных фильтров многих АС, в том числе известных мировых брендов, нам редко удавалось их идентифицировать и определить как они рассчитывались. При этом некоторые АС из последней группы вполне достойно звучали, таким образом, получается, что на сегодня нет единого подхода даже к выбору и расч ту фильтров – интересное кино.

Почти всю сознательную жизнь мы полностью доверяли настольной книге [10] и использовали во всех АС фильтры «всепропускающего типа», рассчитанные по привед нным формулам. И вот, лет 15 назад явилась мысль озад а- чить дипломников и поручить им методом компьютерного моделирования ис-

139

следовать различные фильтры для 2-х полосных АС. Изучался широкий класс электрических фильтров: 1) типа «К»; 2) Баттерворта; 3) Гаусса (Бесселя); 4) «с линейной фазовой характеристикой»; 5) Чебышева; 6) Кауэра; 7) «всепропускающего типа» 2–4 порядков. Кроме того, были исследованы любимые нами асимметричные фильтры «всепропускающими типа» неч тных порядков и 2 последовательно включенных фильтра Баттерворта 2-го порядка (почему-то раньше популярные у радиолюбителей, сейчас не знаю). Изучались АЧХ, ФЧХ, частотные зависимости фазовой задержки, группового времени задержки, входного сопротивления. К сожалению, в то время публикаций со студентами не было, может быть следует повторить это моделирование с некоторыми изменениями и опубликовать. Тем не менее, из сохранившегося рукописного листа доклада следует: «наилучшие результаты получены для фильтров «всепропускающего типа». Спасибо И.А. Алдошиной и сотрудникам за большую часть жизни.

Формулы для расч та элементов фильтров 2-х полосных АС представле-

ны в табл. 5.3 [10, 20].

Таблица 5.3

Расч т элементов разделительных фильтров

Тип фильтра

Порядок

Расч т элементов:

Rн

[Ом], fр [Гц],

C [мкФ],L [мГн]

L1 =

160 R

160

103

;

С2

160

103

;

н ; С1

160 Rн

fр

L3 =

160 R

; С3

320 103

; L4 =

160 R

;

Тип «К»

С4 =

160 103

; L5 =

80 R

;

С5 =

160 103

R f

L6 = 160 Rн ;

С6 = 320 103

;

320 Rн

;

160 103

80 R

80 103

С7 =

R f

; С8 =

R f

; L8 =

н ; С9 =

R f

;

160 Rн

fр

140

Продолжение табл. 5.3

Тип фильтра

Порядок

Расч т элементов:

Rн [Ом], fр [Гц],

C [мкФ],L [мГн]

L1 =

225

225 103

; С2 =

113 103

;

н ; С1 =

113 Rн

fр

160

320 103

; L4 =

160

;

н ; С3

Баттерворт

С4 = 160 10

;

= 80 Rн

;

С5

160 10

122

296 103

; L7

296

н ; С6

н ;

С7

122 103

; С8

208 103

;

L8 =

86 R

86 103

;

н ; С9

208 Rн

fр

L1 =

343 R

; С1

92 103

; С2 =

75 103

; L2 =

280 R

R f

Гаусс (Бессель)

350 R

; С3

155 103

;

L4 =

54 R

; С4

73 103

;

L5 =

165

;

С5 =

470 103

360

; С6 =

175 103

;

L7 =

108 R

; С7 =

103

;

Гаусс (Бессель)

С8

71 103

;

L8 =

146 R

; С9 =

236 103

; L9

668 R

L1 =

104 R

; С1 =

337 103

; С2 =

247 103

; L2 =

76 R

R f

L3 =

68 R

; С3

167 103

; L4 =

360 R

; С4

372 103

;

R f

С линейной

154 R

; С5 =

72 103

фазовой

характеристикой

54 R

; С6

128 103

; L7 =

183 R

; С7 =

360

103

;

С8

472 103

; L8

200 R

; С9 =

140

103

; L9 =

72 R

141

Окончание табл. 5.3

Тип фильтра

Порядок

Расч т элементов:

Rн [Ом], fр [Гц], C [мкФ],L [мГн]

102

; С3 =

156 103

; L4 =

102 R

; С4

250 103

;

Чебышев

= 163 Rн ;

250 103

101 Rн

;

192 103

;

192 Rн ; С

101 103

;

R f

С8 =

253

103

; L8 =

133 R

С9 =

133 103

;

253 Rн

Rн

fр

н ;

Rн

fр

102

; L

0.96 R

; С =

155 103

; L

102

;

Кауэр

250 103

26.7 103

165 R

∆А = 0.011 дБ

С2

; С4

;

L4 =

н ;

(с 03-05-5)

250 103

38.4

; L

36.8 R

; С

97.6 103

;

Кауэр

126

;

С6

65.6 103

;

С7

667 103

;

fр

Rн fр

∆А = 0.00044 дБ

= 700 103

= 262 Rн

202 103

(с 04-01-28)

; L

;

382 Rн

fр

L =

160 R

; С =

160 103

fр

Rн fр

320 R

80 103

320 R

L1 =

н ; С1 =

R f

; С2 =

R f

; L2 =

Всепропускающего

240 R

;

С3 =

213 103

;

С4

107 103

;

fр

Rн

fр

Rн

fр

типа с плоской

120 Rн

;

320 103

АЧХ

С5

303 Rн

;

256 103

;

151 Rн ; С

47.2 103

;

R f

С8

84.5 103

;

= 100 Rн ;

170 103

;

457 Rн

142

Прежде чем приступить к расч ту разделительных фильтров, следует определиться с грамотным выбором ГГ. Помимо требований, предъявляемых выбранным типом акустического оформления, необходимо (желательно) следующее: 1 — ГГ должны иметь одинаковые номинальные сопротивления; 2

— сравнимые уровни характеристической чувствительности; 3 — необходимы АЧХ и частотные зависимости Z ГГ; 4 — АЧХ должны быть максимально

гладкими; 5 — желательно, чтобы Z не сильно возрастал на частотах f > f0;

6 — желательно, чтобы ГГ были одного типа (например, обе — электродинамические); 7 — f0 ВЧ ГГ должна быть не выше 2 кГц (можно

ниже); 8 — при выборе мощности ГГ следует руководствоваться табл. 5.4 [8].

Таблица 5.4 Отношение мощности вещательного сигнала в ВЧ канале к общей мощности

громкоговорителя в зависимости от частоты разделения (в соответствии с Публикацией МЭК № 268-1С)

Частота	Мощность	Частота	Мощность	Частота	Мощность
Частота	сигнала в	Частота	сигнала в	Частота	сигнала в
разделения,	сигнала в	разделения,	сигнала в	разделения,	сигнала в
разделения,	ВЧ канале,	разделения,	ВЧ канале,	разделения,	ВЧ канале,
Гц	%	Гц	%	Гц	%
	%		%		%
20	100	250	61	2500	8.5

25	100	315	55	3150	5.7

31	99	400	50	4000	3.9

40	96	500	44	5000	2.5

50	94	630	39	6300	1.4

63	91	800	32	8000	0.71

80	88	1000	22	10000	0.35

100	83	1250	21	12500	0.13

125	78	1600	17	16000	0.095

160	72	2000	12	20000	0.000
200	67

И, наконец, чем выше качество			ГГ, тем проще (а значит, и лучше)

фильтры, ниже порядки, меньше число элементов, короче путь сигнала, ниже стоимость (хорошие комплектующие и стоят хорошо), короче — лучше бы их (фильтров) и вообще не было.

Расч т начинается с правильного выбора fр , при этом следует руководствоваться следующими соображениями:

143

1.Ослабление неравномерности АЧХ НЧ-СЧ ГГ, возникающей из-за потери поршневого характера движения диффузора, для чего также необходимо снижать частоту среза и (или) повышать крутизну спада АЧХ фильтра для НЧСЧ ГГ.

2.Обеспечение допустимой входной электрической мощности ВЧ ГГ, что при относительно невысокой частоте раздела предъявляет повышенные требования к его конструкции. В двухполосных АС ВЧ ГГ должна иметь достаточно низкую резонансную частоту, высокую мощность и хорошо демпфированный резонанс.

3.Обеспечение максимально допустимого уровня звукового давления.

4.Обеспечение возможно более равномерных характеристик направленности АС. В двухполосных АС характеристика направленности претерпевает

изменение при переходе от НЧ-СЧ к ВЧ ГГ за сч т того, что изменяется соо т- ношение между длиной волны сигнала и диаметром излучателя λ /d . В Hi-Fi звуковоспроизведении, особенно в многоканальном, желательно обеспечить широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, для чего необходимо снижать частоту раздела.

5. Обеспечение допустимого уровня искажений Доплера. Искажения вследствие частотой модуляции зависят от соотношения амплитуды смещения диффузора НЧ-СЧ ГГ в низкочастотной области и максимальной частоты излучаемого сигнала. Таким образом, сужение рабочего диапазона частот ГГ с помощью разделительного фильтра приводит к уменьшению искажений Доплера [10].

Для примера на рис. 5.46 представлена электрическая схема фильтров, разработанных и изготовленных для ГГ фирмы «Vifa» (Дания), установленных в напольном оформлении акустический лабиринт [13, 19]. В конструкции были использованы НЧ-СЧ ГГ M17SG-09-08 и ВЧ D19SD-05-08.

Рис. 5.46. Электрическая схема разделительного фильтра

Применение НЧ-СЧ фильтра первого порядка обусловлено ровной АЧХ головки НЧ-СЧ вплоть до 5 кГц с плавным спадом на краю диапазона. Хорошо демпфированный резонанс ВЧ ГГ за сч т магнитной жидкости в зазоре и относительно невысокая резонансная частота позволили, используя фильтр третьего порядка, выбрать частоту раздела около 2400 Гц (примерно половина октавы от

144

резонансной частоты). Частоты среза НЧ-СЧ и ВЧ звена фильтров слегка разнесены для выравнивания АЧХ в области совместной работы ГГ. Применение разделительных фильтров нечетных порядков позволило, кроме того, улучшить диаграмму направленности АС, поскольку ВЧ головка расположена под НЧ-СЧ динамиком. Реактивные элементы L1, L2, С1 и С3 рассчитаны согласно табл.

5.3 для фильтров всепропускающего типа, по формулам:

L1	=	160 R ; L2	=	120 R ; С1	=	106 103 ; С3	=	320 103 ,
		fр		fр		R fр		R fр
где L1 и L2 — индуктивности, мГн, С1 и С3 —							мкости, мкФ;

R — сопротивление головки на частоте раздела, Ом, fр — частота

раздела, Гц.

Сопротивление ГГ носит индуктивный характер и увеличивается с ростом частоты, поэтому разделительный фильтр, будучи нагруженным на ГГ, сможет обеспечить расч тное затухание, строго говоря, лишь в одной точке. Для более высоких частот затухание будет уменьшаться по сравнению с рас- ч тным вследствие увеличения модуля электрического сопротивления. В идеальном случае модули НЧ-СЧ и ВЧ ГГ должны быть одинаковыми и постоянными во всей полосе пропускания фильтра. С целью компенсации изменения модуля электрического сопротивления НЧ-СЧ ГГ (в случае ВЧ ГГ модуль во всей рабочей полосе частоты изменяется очень слабо) принимают компенсирующие RC-цепи, включаемые параллельно ГГ (в нашем случае R1С2). При

этом R1 выбирают равным номинальному сопротивлению ГГ, а мкость

включенного последовательно с резистором конденсатора рассчитывают по формуле:

С2

160 103

= R

где С2, мкФ; Rн — номинальное сопротивление ГГ, Ом; f3 — частота, на

которой

модуль

электрического

сопротивления увеличивается

1.41

раза

(3 дБ), Гц.

Компенсирующие цепочки лучше подбирать, измеряя частотную зависи-

мость

ГГ +

R1С2, добиваясь

практически

независимости

от f

при

f > f0.

Как правило, ГГ в многополосных АС имеют различные значения номинальных сопротивлений и уровня характеристической чувствительности. Для выравнивания уровней звукового давления ГГ применяют делители. В рассматриваемом примере (рис. 5.46) чувствительность НЧ-СЧ ГГ — 88 дБ, ВЧ ГГ —

145

90 дБ, поэтому в схеме был использован аттенюатор на резисторах R2 и R3, которые рассчитываются по формулам

R2 = Rн (1− К) и R3 = RнК/(1− К),

где Rн — номинальное электрическое сопротивление головки, К — ко-

эффициент, обратный величине требуемого затухания делителя: К =1/n, где n — затухание, выраженное в абсолютных единицах [8].

Катушки L1 и L2 намотаны на немагнитных каркасах медным проводом

1.0 и 0.5 мм соответственно, конденсаторы использовались полипропиленовые «Solen» (Франция) рабочим напряжением 250 В с малыми значениями тангенса угла диэлектрических потерь – 10-4. В любых АС последовательные индуктивности, особенно у НЧ ГГ, следует выполнять проводом сечением не менее 1.0 мм, а лучше большим, желательно использовать катушки без сердечников. Габариты фильтров позволяют смонтировать их непосредственно на клеммнике «bi wiring» без всяких печатных плат, используя качественные скрутки выводов элементов с их облуживанием.

Иногда для коррекции АЧХ применяют режекторные фильтры, например, если на АЧХ ГГ имеется пик, увеличивающий общую неравномерность АЧХ АС, то перед ГГ с компенсирующей цепочкой устанавливается режекторный фильтр с АЧХ, обратной АЧХ ГГ с пиком (рис. 5.47).

Рис. 5.47. Режектирующее звено: а) принципиальная схема; б) АЧХ

Возвращаясь к теме выбора ГГ с характеристиками, близкими к идеальным, следует отметить, что в этом случае весь фильтр 2-х полосных АС может представлять собой один конденсатор, включенный последовательно с ВЧ ГГ без лишних и ненужных реактивностей и активностей. Существуют и другие подходы, например, фильтры АС «Корвет» 75АС-001 [11, рис. 1.35].

146

<<< < Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021 / 2921 22 23 24 25 26 27 28 29 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
30.04.20227.26 Mб7Учебное пособие 2137.pdf
#
30.04.20227.4 Mб14Учебное пособие 2139.pdf
#
30.04.2022331.09 Кб15Учебное пособие 214.pdf
#
30.04.20227.42 Mб9Учебное пособие 2140.pdf
#
30.04.20227.46 Mб3Учебное пособие 2141.pdf
#
30.04.20227.5 Mб76Учебное пособие 2142.pdf
#
30.04.20227.66 Mб14Учебное пособие 2143.pdf
#
30.04.20227.67 Mб8Учебное пособие 2144.pdf
#
30.04.20227.83 Mб6Учебное пособие 2145.pdf
#
30.04.20227.95 Mб18Учебное пособие 2147.pdf
#
30.04.20228.02 Mб12Учебное пособие 2148.pdf