Установка звуковоспроизводящей аппаратуры в легковом автомобиле (стр. 4 из 11)

Ламповые усилители в силу конструктивных особенностей имеют низкий демпфирующий фактор, что обуславливает "мягкий" бас в звуковой картине. Производители транзисторных усилителей стараются повысить демпфирующий фактор для репродукции "жесткого" баса, так как при желании бас можно смягчить, заключив в короб низкочастотный динамик. Ужесточить же "мягкий" бас сабвуферным коробом гораздо сложнее.

3.1.2 Подключение и настройка усилителей

Схема с одним двухканальным усилителем

На рисунке показана схема подключения одного двухканального усилителя, к каждому каналу которого подключены две компонентные акустические системы (две вперед и две в заднюю часть салона). Это наиболее простая и дешевая схема усиления без применения активного кроссовера. Обратите внимание, что пара задних динамиков подключаются к основной передней паре параллельно. Параллельное подключение динамиков уменьшает их сопротивление в два раза. Если усилитель имеет полное сопротивление нагрузки равное 4 Ом, то параллельное подключение двух восьмиомных динамиков является вполне приемлемым. Главное при подсоединении динамиков, правильно рассчитать их общее сопротивление. Не следует делать его меньше, чем сопротивление нагрузки усилителя.

Рисунок 1. Схема с двумя двухканальными усилителями.

На рисунке 2 показана схема усиления низкочастотного спектра звукового сигнала отдельно от среднего и высокочастотного диапазонов, разделенных электронным кроссовером. Так как сабвуфер имеет К.П.Д. меньший, чем высокочастотный динамик, он потребляет больше мощности от усилителя, чем последний, для создания равного звукового давления. Усиливаясь в одном усилителе, низкие частоты отбирают большую часть мощности и практически ничего не оставляют для средних и высоких частот, которые начинают плохо вырисовываться в звуковой картине. Увеличение громкости для "вытягивания" средних и высоких приводит к искажениям в области низких частот. Звуковая картина окончательно портится.

Если же усиливать низкие частоты отдельно от остальных, то мы имеем великолепную возможность сделать средние и высокие частоты достаточно громкими и яркими, не искажая низкочастотную составляющую сигнала. Звуковая картина становится четкой, а эффективность системы значительно возрастает.

К примеру, если мы имеем усилитель для сабвуфера мощностью 60 Вт, то для хорошего звука в салоне для средне- и высокочастотных динамиков достаточен отдельный усилитель мощностью лишь в 20 Вт. Если кроссовер правильно настроен, то есть каждый усилитель получает свою порцию частотного диапазона, то потенциальный уровень звукового давления (SPL) этой системы будет эквивалентен мощности 150 Вт, а не 80 Вт (60 Вт + 20 Вт).

Рисунок 2 Схема с двумя усилителями

3.2 Высокочастотные динамики

Традиционно раздел полос СЧ и ВЧ (или мидбас-ВЧ) производят пассивными кроссоверами (разделительными фильтрами). Это особенно удобно при использовании готовых компонентных наборов. Однако, хотя характеристики кроссоверов и оптимизированы для данного комплекта, они не всегда удовлетворяют поставленной задаче.

Рост индуктивности звуковой катушки с частотой приводит к увеличению импеданса головки. Причем индуктивность эта у "среднестатистического" мидбаса составляет 0,3-0,5 мГн, и уже на частотах 2-3 кГц импеданс возрастает практически в два раза. Поэтому при расчете пассивных кроссоверов применяют два подхода: используют в расчетах реальное значение импеданса на частоте раздела или вводят цепи стабилизации импеданса (компенсаторы Цобеля). Об этом уже написано немало, поэтом не будем повторяться.

У пищалок стабилизирующие цепи обычно отсутствуют. При этом исходят из того, что рабочая полоса частот невелика (две-три октавы), а индуктивность незначительна (обычно менее 0,1 мГн). Вследствие этого рост импеданса невелик. В крайнем случае, увеличение импеданса компенсируют резистором сопротивлением 5-10 Ом, включенным параллельно пищалке.

Однако все не так просто, как кажется на первый взгляд, и даже такая скромная индуктивность приводит к любопытным последствиям. Проблема заключена в том, что пищалки работают совместно с фильтром ВЧ. Независимо от порядка в нем имеется емкость, включенная последовательно с пищалкой, и она образует с индуктивностью звуковой катушки колебательный контур. Частота резонанса контура оказывается в полосе рабочих частот пищалки, и на АЧХ возникает "горб", величина которого зависит от добротности этого контура. В результате неизбежна окраска звучания. В последнее время появилась немало моделей пищалок высокой чувствительности (92 дБ и выше), индуктивность которых достигает 0,25 мГн. Поэтому вопрос согласования пищалки с пассивным кроссовером приобретает особую остроту.

Для анализа [3] использовалась среда моделирования Micro-Cap 6.0, но те же результаты можно получить и с помощью других программ (Electronic WorkBench, например). В качестве иллюстраций приведены только наиболее характерные случаи, остальные рекомендации даны в конце статьи в виде выводов. В расчетах использовалась упрощенная модель пищалки, учитывающая только ее индуктивность и активное сопротивление. Данное упрощение вполне допустимо, поскольку резонансный пик импеданса большинства современных пищалок невелик, а частота механического резонанса подвижной системы находится за пределами рабочей полосы частот. Учтем также, что АЧХ по звуковому давлению и АЧХ по электрическому напряжению - две большие разницы, как говорят в Одессе.

Взаимодействие пищалки с кроссовером особенно хорошо заметно у фильтров первого порядка, характерных для недорогих моделей (рисунок 3):

Рисунок 3 АЧХ фильтров первого порядка

Видно, что даже при индуктивности 0,1 мГн имеется выраженный пик в области частот 7-10 кГц, придающий звучанию характерную "хрустальную" окраску. Увеличение индуктивности смещает резонансный пик в область более низких частот и увеличивает его добротность, что приводит к заметному "цыканью". Побочное следствие увеличение добротности, которое можно обратить на пользу - увеличение крутизны АЧХ. В области частоты раздела она близка к фильтрам 2 порядка, хотя на большом удалении возвращается к исходному для 1 порядка значению (6 дБ/октава).

Введение шунтирующего резистора позволяет "приручить" горб на АЧХ, так что на кроссовер можно возложить и некоторые функции эквалайзера. Если шунт сделать на основе переменного резистора (или набора резисторов с переключателем), то можно проводить даже оперативную регулировку АЧХ в пределах 6-10 дБ (рисунок 4).

Рисунок 4. АЧХ фильтров второго порядка

Однако фильтры первого порядка обеспечивают слишком малое затухание за пределами рабочей полосы, поэтому пригодны только при небольшой подводимой мощности или достаточно высокой частоте раздела (7-10 кГц). Поэтому в большинстве серьезных конструкций используют фильтры более высоких порядков, от второго до четвертого.

Рассмотрим возможности воздействия на АЧХ для фильтров второго порядка, как самых распространенных. Для наглядности использована модель с большой индуктивностью. Те же результаты получаются и с традиционными пищалками, только параметры фильтров и степень воздействия на АЧХ будут другими. Для пищалок с малой индуктивностью шунт не обязателен. Первый способ - изменение добротности фильтра при неизменной частоте раздела за счет соотношения емкости и индуктивности фильтра (рисунок 4).

Рисунок 5. АЧХ фильтров второго порядка

3.3 Кроссоверы

Кроссоверы - это устройства в звуковых системах, которые создают нужные рабочие частотные диапазоны для динамиков. Динамики сконструированы таким образом, чтобы работать в определенном частотном диапазоне. Они не приемлют частоты, не входящие в эти рамки. Если на высокочастотный динамик (твитер) подать низкую частоту, то звуковая картина испортится, а если сигнал еще и мощный, то твитер "сгорит".

Высокочастотные динамики должны работать только с высокими частотами, а низкочастотные динамики должны получить от общего звукового сигнала только низкочастотный диапазон. Оставшаяся средняя полоса достается среднечастотным динамикам (мидвуферы). Следовательно, задача кроссоверов заключается в разделении звукового сигнала на нужные (оптимальные) частотные полосы для соответствующих типов динамиков.

Допустим, кроссовер имеет частоту среза равную 1000 Гц. Это означает, что один из его фильтров срезает все частоты ниже 1000 Гц и пропускает только частоты выше 1000 Гц. Такой фильтр называют high-pass фильтром. Другой фильтр, пропускающий частоты ниже 1000 Гц называется low-pass,. Графически работа этого кроссовера представлена на рисунке 4. Точка пересечения двух кривых есть частота среза кроссовера равная 1000 Гц. В трехполосных кроссоверах присутствует еще и среднечастотный фильтр (band-pass), который пропускает только средний диапазон частот (приблизительно от 600 Гц до 5000 Гц.) На рисунке 6 изображена частотная характеристика трехполосного кроссовера.

Рисунок 6. Обобщенная АЧХ кроссовера первого порядка

Рисунок 7 Обобщенная АЧХ кроссовера второго порядка