Розробка двохсмугової активної акустичної системи з сабвуфером (стр. 2 из 12)
Однак, нерівномірність АЧХ при відтворенні звуку з допомогою АС можуть виникати за рахунок приміщення (відбиття від стін, стелі, підлоги, предметів що є в приміщенні). При цьому їх не завжди вдається усунути навіть з допомогою еквалайзерів. Цей факт говорить про те, що спроектована з мінімальними спотвореннями АС в іншому приміщенні може мати сильні акустичні спотворення і, як правило, в смузі низьких частот. Тому високоякісні АС потрібно проектувати під конкретне приміщення. Але це є незручним при проектуванні побутової радіоапаратури масового вжитку. Тому виникла необхідність розробки системи, яку можна було б без значних зусиль відрегулювати за мінімумом спотворень в області низьких частот під конкретне приміщення.
Такі акустичні системи називаються адаптивними.
Для високоякісного відтворення звуку проектуватимемо двосмугову акустичну систему з окремим підсилювачем низьких частот – сабвуфером.
Згідно із завданням паспортна потужність АС становить 50 Вт і половина її припадає на сабвуфер, а інша половина на двосмугову АС. Розподіл потужностей в двосмуговій активній АС проводиться наступним чином. В залежності від частоти розділу (fр = 1 кГц) із графіка (рис. 1.4) [1] визначаємо, скільки відсотків потужності повинно припадати на низькочастотний та високочастотний підсилювачі: РНЧ = 71 %, РВЧ = 29 %. Виражаючи дане співвідношення у ватах отримаємо РНЧ = 17,75 Вт, РВЧ = 7,25 Вт. Враховуючи те, що сигнал відтворюється в режимі “стерео”, тобто маємо правий та лівий канал, отримані значення потужностей необхідно розділити на 2.
 |
Отримаємо наступні дані 2хРНЧ = 8,875 ≈ 9 Вт та 2хРВЧ = 3,625 ≈ 4 Вт.
Для формування смуг використаємо активні RC-фільтри верхніх та нижніх частот з частотою розділу 1 кГц. Така схема забезпечує ідеальне фазове і амплітудне узгодження на границі між низькочастотним та високочастотним каналами. На входах фільтруючих ланок поставимо регулятори гучності для регулювання АЧХ та регулятори балансу між правим та лівим каналами для випадку, коли рівень сигналу у правому та лівому каналі буде не збалансований.
Для формування сигналу для сабвуфера просумуємо сигнали з правого та лівого каналів. Застосуємо потенціометр для регулювання рівня АЧХ на вході НЧ системи. Для відділення НЧ сигналу використаємо активний RC-фільтр з регульованою частотою зрізу в межах 100-200 Гц. Оскільки активні фільтри спотворюють фазу сигналу, то перед підсилювачем потужності поставимо регулятор фази, так званий фазовий компенсатор.
Побудуємо функціональну схему двосмугової акутичної системи з сабвуфером, яка б забезпечувала гладку АЧХ на частотах розділу 1 кГц і регулювала частоту зрізу у сабвуфері (рис. 1.5).
 |
2. Розрахунок фільтрів
2.1. Вибір фільтруючих ланок
Фільтр – це схема, розрахована на пропускання сигналів в певній смузі частот і подавлення сигналів за межами цієї смуги. Ланки фільтрації можуть бути пасивними та активними. До складу пасивних фільтрів входять лише резистори, котушки індуктивності та конденсатори. Активні фільтри включають в себе транзистори чи операційні підсилювачі.
Переваги активних фільтрів в порівнянні з пасивними:
- в них використовуються лише R і С елементи, тобто компоненти, властивості яких ближчі до ідеальних в порівнянні з властивостями котушок індуктивності;
- вони відносно дешеві;
- можуть забезпечувати підсилення в смузі пропускання ( на відміну від пасивних) і тому рідко вносять суттєві втрати;
- використання в активних фільтрах ОП забезпечує розв’язку входу від виходу (тому активні фільтри легко робити багатокаскадними і тим самим покращувати їх показники);
- активні фільтри відносно легко настроювати;
- фільтри для дуже низьких частот можуть бути побудовані на компонентах з відносно малими розмірами;
- активні фільтри малі за розмірами та масою.
Недоліки:
- необхідне одно або два джерела живлення;
- робочий діапазон частот обмежений зверху максимальною робочою частотою ОП. Це приводить до того, що активні фільтри працюють на частотах, що не перевищують декілька МГц.
Найчастіше як фільтри активних акустичних систем використовуються активні RС-фільтри Батерворта, які мають гладку амплітудно-частотну характеристику (АЧХ).
Важливим моментом є вибір порядку фільтра, адже необхідно забезпечити максимально-гладку АЧХ у всьому відтворюваному діапазоні частот. Потрібно врахувати, що в даному випадку ФВЧ та ФНЧ працюють ніби в парі, тому обидва фільтри мають мати точно однакову частоту зрізу.
При виборі порядку фільтра зважимо на те, що чим вищий порядок фільтра, тим більшою є крутизна спаду амплітудної характеристики за межою частоти зрізу. Проте збільшується кількість елементів, які необхідні для забезпечення відповідної крутизни АЧХ. І тому виникають труднощі, пов’язані із настроюванням фільтра на частоту зрізу.
Оптимальним варіантом є фільтри Батерворта другого порядку з крутістю характеристики 40 дБ/декаду (12 дБ/октаву).
Розділові фільтри всепропускаючого типу являють собою поліномальні фільтри з передавальною функцією:
Н(S)=1/Gn(S), (2.1.1)
де Gn(S) – поліном n-го порядку.
Такий спосіб формування поліномів Gn(S) дозволяє отримати амплітудно-частотну характеристику суми передавальних функцій пари фільтрів нижних та верхніх частот порядків n = 1, 3, 5, 7, ... постійну у всьому діапазоні звукових частот, тобто:
mod [HНЧ(S) + HВЧ(S)] = const. (2.1.2)
Для інших порядків, зокрема для n = 2, 4, 6, співвідношення виконується лише тоді, коли передавальна функція фільтра верхніх частот матиме знак мінус. В реальних умовах це забеспечується протифазним вмиканням гучномовців низькочастотного та високочастотного каналів.
2.2. Розрахунок фільтра нижніх частот
На рис. 2.2.1 показана схема RC фільтра Батерварта нижніх частот другого порядку.
 |
Вона дає спад 40дБ/дек., тобто при збільшенні частоти f від частоти зрізу до 10fзр амплітуда сигналу зменшується в 100 разів.
Операційний підсилювач в даній схемі включений так, що на постійному струмі він має одиничне підсилення. Резитор R3 у зворотньому зв’язку забезпечує компенсацію зсуву на нульовій частоті.
Коефіціент передачі такого фільтра можна записати так:
. (2.2.1)Передавальна функція
H(S)=1/Gn(S), (2.2.2)
де Gn(S) – поліном n-го порядку.
Скориставшись таблицею 1 і 2 [1] передавальну характеристику фільтра другого порядку можна записати так:
H(S)=1/(S+1)2=1/(S2+2S+1), (2.2.3)
де S – нормований оператор Лапласа по частоті зрізу ωзр для НЧ фільтра.
S = Р/ωзр . (2.2.4)
Підставимо S у формулу (2.2.2)
. (2.2.5)Враховуючи те, що Кu(P) = H(P), можна прирівняти вирази (2.2.1) та (2.2.5) і отримаємо рівняння:
. (2.2.6)Приймаємо рівними R1=R2=R. З формули випливає, що:
С1=С2=С=
. (2.2.7)Зазвичай значення R приймається в межах від 10 кОм до 100 кОм.
Приймаємо R=10 кОм, тоді за формулою (2.2.7) розрахуємо значення ємності С. Де ωзр=2fзр, fзр =1 кГц – частота розділу, задана в технічному завданні
С = 1/(2·π·1·103·10·103) = 1,59·10-8 = 15,9 нФ.
Значення ємності відповідно до стандарту приймаємо рівною 15 нФ.
Опір зворотнього зв’язку рекомендується приймати рівним:
R3 = R, (2.2.8)
R3 = 2·10·103 = 20 кОм.
Щоб задовільнити критерії, які ставляться перед фільтрами Батерварта, АЧХ повинна бути на рівні 0,707 на частоті зрізу fзр = 1 кГц та на рівні 0 дБ в межах смуги пропускання.
Провівши аналіз розрахованої схеми із застосуванням комп’ютерної програми Microcap 5.0 отримаємо такі результати:
При практичній реалізації даної схеми, елементи ФНЧ необхідно брати вищого класу точності з розкидом параметрів не більше 1 %.
У ролі ємностей С1 та С2 доцільно використати елементи К10-17-1б-Н50-0,015 мкФ ОЖО.460.172.ТУ;
R1, R2: C2-23-0,125-10 кОм ±1 % А-В-В-А ОЖО.467.104.ТУ;
R3: C2-23-0,125-20 кОм ±1 % А-В-В-А ОЖО.467.104.ТУ.
Ємність С3 – частотна корекція операційного підсилювача. Виробником рекомендується приймати рівною 30 нФ. Візьмемо елемент типу К73-17-63 В - 0,03 мкФ ОЖО.461.104.ТУ.
2.3. Розрахунок фільтра верхніх частот
На рис. 2.3.1 показана схема RC фільтра Батерворта верхніх частот другого порядку.
 |
Дана схема виконує обернену функцію ніж схема, описана в розділі 2.2. Тому розрахунок схеми є аналогічним, але із врахуванням окремих моментів.
Коефіціент передачі фільтра, зображеного на рис. 2.3.1, виражається через формулу
. (2.3.1)