close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Иванов Никита Олегович. Исследование АЧХ характеристик динамических головок в различных акустических оформлениях

код для вставки
Содержание
Введение .................................................................................................................. 6
Глава 1 Обзор видов акустических систем и их параметров ....................... 9
1.1 Виды оформления акустических систем ........................................................ 9
1.1.1 Акустическое оформление вида «Closed Box» .......................................... 9
1.1.2 Акустическое оформление вида «Free-Air» ............................................. 11
1.1.3 Акустическое оформление вида «Bass-Reflex» ....................................... 12
1.1.4 Акустическое оформление вида «Passive Radiator» ................................ 14
1.1.5 Акустическое оформление вида «Bandpass» ............................................ 15
1.2 Основные параметры акустических систем ................................................. 16
1.3 Методы измерения параметров акустических систем ................................ 20
Глава 2 Разработка методики создания акустических систем .................. 24
2.1 Разработка и настройка двух полосных АС с фазоинвертором ................. 24
2.2 Разработка фильтров второго порядка для акустических систем .............. 26
2.2.1 Разработка фильтра для НЧ и СЧ динамиков ........................................... 26
2.2.2 Разработка фильтра для ВЧ динамиков ..................................................... 34
2.3 Измерение и настройка АЧХ акустической системы .................................. 38
2.3.1 Измерение АЧХ ............................................................................................ 38
2.3.2 Настройка АЧХ ............................................................................................ 41
Глава 3 Расчет характеристик экспериментальной АС ............................. 46
3.1 Расчет конструктивных параметров звуковой колонки .............................. 46
3.2 Расчет чувствительности головки на частоте электромеханического
резонанса ................................................................................................................ 48
3.3 Расчет КПД динамической головки .............................................................. 48
3.4 Расчет размеров корпуса колонки и моточных данных трансформатора . 51
3.5
Расчет
частотной
характеристики
звукового
давления
(ЧХЗД)
динамической головки и звуковой колонки ....................................................... 58
3.6
Расчет
характеристики
направленности
звуковой
колонки
в
горизонтальной и вертикальной плоскостях ...................................................... 62
Глава 4 Проведение эксперимента с акустической системой .................... 64
4.1 Параметры Тиля-Смолла ............................................................................... 64
4.2 Методика тестирования акустических систем ............................................ 66
4.3 Измерения АЧХ акустической системы ...................................................... 73
4.4 Определение чувствительности акустической системы ............................ 81
Заключение ........................................................................................................... 84
Список литературы ............................................................................................ 86
Приложение А……………………………………………………………………90
Введение
Актуальность
исследования.
Акустическое
оформление
динамических головок состоит из ящика или экрана, предназначенного для
выравнивания амплитудно-частотных характеристик головок в области
нижних частот звукового диапазона. Динамические головки, не имеющие
акустического оформления, работают плохо на нижних частотах. Основная
причина этого заключается в том, что передняя и задняя поверхности
диффузора головки возбуждают звуковые колебания, равные по амплитуде,
но противоположные по фазе. На нижних частотах, где излучение
ненаправленное, противофазные колебания складываются и компенсируют
друг друга, в результате чего резко падает акустическая отдача головки [1, 2,
3].
Высокие требования к качеству работы акустической установки, с
одной стороны, и ограниченность площади помещения, где могут быть
размещены громкоговорители, с другой, заставляют проектировщиков искать
решения, удовлетворяющие этим требованиям, или находить приемлемый
компромисс.
Актуальность
измерительных
темы
методик
определяется
при
анализе
необходимостью
применения
характеристик
тестируемых
акустических систем, для получения полного представления об акустической
системе в сумме с субъективными измерениями.
Степень разработанности. Известные из научно-исследовательских и
практических работ результаты теоретико-прикладных исследований в
области проектирования акустических систем, показали, что не в полной
мере отражены вопросы применения методов экспертных оценок при анализе
характеристик акустических систем. Развитие теоретико-методических
подходов к организации испытаний на основе субъективного прослушивания
требует постановки и решения задачи.
Цель работы – повышение достоверности испытаний на основе
субъективного прослушивания за счет применения методов экспертных
оценок при анализе характеристик акустических систем. Для достижения
цели были поставлены следующие взаимосвязанные задачи:
1. Провести анализ состояния дел в предметной области.
2. Провести
обзор
принципов
и
методик,
используемых
при
разработке акустических систем.
3. Разработать акустическую систему для проведения эксперимента.
4. Произвести эксперимент с применением аппаратной и программной
части.
Объект исследования – акустическая система с разными типами
акустического оформления.
Предмет исследования – влияние разных типов акустического
оформления на АЧХ акустической системы.
Теоретическая и практическая значимость работы. Рассмотренные
в выпускной квалификационной работе теоретико-методические подходы,
позволяют повысить достоверность оценок при анализе характеристик
тестируемых
акустических
систем.
Результаты
выпускной
квалификационной работы носят прикладной характер и могут применяться
при разработке и настройке акустических систем.
Практическое
использование
полученных
результатов
позволяет
снизить неточность данных при проведении субъективного прослушивания,
что позволит повысить качество звучания настраиваемых акустических
систем.
Методология и методы исследования. Выпускная квалификационная
работа выполнена на основе работ отечественных и зарубежных ученых в
области повышения качества звучания акустических систем, в числе которых
Сальникова Е.Н., Стаценко Л.Г., Ефимов А.П., Иоффе В.К., Лизунков М.В.,
Никонов А.В., Папернов Л.З., Замятин А.В., Мешалкин, Л.Д., Allison R.,
Lighthill M.J. и многие другие специалисты. Теоретико-методологической
основой исследования явились натурные наблюдения, статистический
анализ, математическое моделирование, экспертные методы.
Информационная
база
исследования.
Законодательные
и
нормативные правовые акты, рекомендации МЭК, стандарты AES и DIN,
статистические данные.
Публикации. Основные положения выпускной квалификационной
работы опубликованы в статье:
Иванов Н. О. Применение методов экспертных оценок при анализе
характеристик
акустической
международной
информационные
системы
научно-практической
технологии
в
науке»
[Текст]
//
Сборник
конференции
(Челябинск,
статей
«Новые
29.12.2017).
–
Стерлитамак: АМИ, 2017.
Структура и объем работы. Выпускная квалификационная работа
состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 34
наименований. Текст выпускной квалификационной работы изложен на 97
страницах, включает 9 таблиц, 46 рисунков.
Глава 1 Обзор видов акустических систем и их параметров
1.1 Виды оформления акустических систем
Акустические
оформления
применяются
непосредственно
для
получения эффективного излучения динамических головок. В настоящее
время применяется большое разнообразие акустических оформлений:
акустический экран, закрытый ящик, фазоинвертор, полосовые, лабиринт и
ряд других менее распространенных [3]. Задача любого акустического
оформления заключается в разделении колебаний, излучаемых диффузором
головки от колебаний, создаваемых обратной стороной, одновременно в
противофазе с первым.
1.1.1 Акустическое оформление вида «Closed Box»
С конструкторской точки зрения самым простым оформлением
является закрытый ящик (closed box). В этом случае ненужные колебания
угасают в закрытом корпусе, при этом излучая тепло. Хоть и количество
тепла незначительно, оно все же оказывает некоторое влияние на
характеристику акустической системы. Если на это не обратить внимание
при проектировании акустической системы данного вида, то значительная
часть энергии будет рассеяна на находящемся внутри корпуса объеме
воздуха, что повлияет на упругость воздушного объема. Для того, чтобы
этого не происходило, внутреннюю полость закрытого ящика наполняют
звукопоглощающим материалом, преимущественно поролоном или ватой.
При поглощении звука, этот материал так же поглощает и тепло. Из-за
значительной разности плотностей у воздуха и звукопоглотителя, возникает
ощущение, что позади динамика больший объем, чем есть на самом деле.
Этим эффектом пользуются при создании увеличения акустического объема
перед геометрическим до 20%.
Так же стоит отметить, что повышение резонансной частоты головки
происходит из-за того, что упругость воздуха в закрытом ящике
складывается с собственной упругостью динамика. Упругость в ящике прямо
пропорциональна его объему. Чем меньше закрытое пространство ящика, тем
больше оказывает сопротивление воздух.
При
некоторых
заданных
параметрах ящика упругость воздуха становится эквивалентной собственной
упругости динамика. Отсюда вводится понятие параметра эквивалентного
объема динамической головки  . При помощи этого параметра повышение
резонансной частоты головки в закрытом ящике   можно описать
следующим выражением:
  =  √1 +

 
(1.1)
,
где  − частота резонанса динамика, Гц;   − объем
закрытого ящика, м3 ;   − частота резонанса динамика в закрытом
ящике.
Еще одним параметром для акустического оформления вида закрытый
ящик, является добротность системы следующего вида: динамик и закрытый
ящик. Добротность системы измеряется аналогично (1.1):
  =  √1 +

 
,
(1.1)
где   − добротность системы;  − собственная полная
добротность динамика.
Рисунок 1.1 – Схема акустического оформления «закрытый ящик»
Для хорошего воспроизведения, параметр   должен быть
равен единице с небольшими отклонениями, в противном случае динамик
будет
совершать
значительные
колебания
и
появится
характерное
«бубнение» и «монотонность» баса.
Для оптимизации добротности, динамические головки высокой
добротностью, в пределах от 0,6 до 0,7 следует устанавливать только в
большие ящики. Для малых ящиков повышение добротности вследствие
упругости динамика приводит к сильному подъему АЧХ на частотах (1.3):
(1.3)
 = 2 − 3 .
Так же стоит сказать, что динамические головки, с добротностью,
превышающую, 0,7 лучше не использовать в данном акустическом
оформлении. Головки с очень низкой добротностью могут работать в
закрытых ящиках малого объема. Так же увеличение объема ящика не всегда
приводит к понижению нижней граничной частоты АЧХ [4].
1.1.2 Акустическое оформление вида «Free-Air»
Рассматривая
далее
акустические
оформления,
стоит
обратить
внимание на одну разновидность закрытого ящика – бесконечный экран или
акустический экран (free-air).
Рисунок 1.2 – Схема акустического оформления «акустический экран»
«Бесконечность» данного оформления заключается в том, что
упругость, заключенного внутри него воздуха, является значительно меньше
упругости диффузора, из-за этого динамик эту упругость не замечает и все
параметры данной акустической системы определяются только на основе
параметров динамической головки [4].
1.1.3 Акустическое оформление вида «Bass-Reflex»
Фазоинвертор (Bass-Reflex) представляет собой один из случаев
реализации «Резонатора Гельмгольца». В классическом представлении
резонатор Гельмгольца описывается рядом уравнений:
Г = √
=
где
2 0
,
0

,

(1.4)
(1.5)
Г − собственная угловая скорость колебаний, рад/с;  −
показатель адиабаты, в большинстве случаев принимается за константу,
равную 1,4;  − площадь свечения горлышка м2 ;  − масса воздуха в
горлышке, кг; 0 − статическое давление плотности, Па; 0 − статический
объем плотности, м3 ;  − объем воздуха в горлышке, м3 ;  − длина
горлышка, м.
Рисунок1.3 – Схема резонатора Гельмгольца.
По определению плотности:
 1
= .
 
(1.6)
Поэтому (1.4) принимает следующий вид:
0 
,
0 
(1.7)
Г
.
2
(1.8)
Г = √
Г =
Скорость звука в газах:

= √
0
.

(1.9)
В итоге резонансная частота будет:
Г =
 
√
.
2 0 
(1.10)
Рисунок 1.4  Схема акустического оформления фазоинвертора
а) коробка без резонатора, б) коробка с резонатором.
Основываясь на (1.10) можно заметить, что параметры динамика,
устанавливаемого в ящик акустического оформления фазоинвертор, не
влияют ни на что и все идет на параметры самой конструкции фазоинвертора
[5].
Одна из трудностей
разработки
фазоинвертора заключается
в
следующем: если необходимо небольшой ящик настроить на низкую частоту,
то подставив в (1.10) для длины тоннеля большой диаметр то и длину
получим большую. Диффузор динамика с тыльной стороны будет
“проталкивать” воздух через туннель фазоинвертора. Поскольку объем
колеблющегося воздуха постоянен, то скорость воздуха в туннеле будет во
столько раз больше колебательной скорости диффузора, во сколько раз
площадь сечения тоннеля меньше диффузора. Если сделать тоннель в
десятки раз меньше, чем диффузор, скорость потока в нем окажется большей,
и при достижении определенной скорости потока воздуха, проявится эффект
студийного шума. Исследователь акустических систем Р. Смолл показал, что
минимальное сечение туннеля зависит от диаметра динамика, а также
наибольшего хода его диффузора и частоты настройки фазоинвертора. Р.
Смолл предложил эмпирическую формулу для вычисления минимального
размера туннеля:
max
min = 0,56 √
,
Г
(1.11)
где  − диаметр диффузора, дюйм; max – максимальный ход
диффузора, дюйм.
1.1.4 Акустическое оформление вида «Passive Radiator»
Акустическое
оформление
вида
пассивный
излучатель
(Passive
Radiator) является одной из разновидностей фазоинвертора. Суть работы
основана на том, что система позволяет утилизировать энергию, получаемую
с задней стороны диффузора при помощи встраиваемого сзади еще одного
диффузора, который не имеет связей ни с чем. При настройке пассивный
диффузор, производит колебания с наибольшей амплитудой, в отличие от
активного [5].
Рисунок 1.5 – Схема акустического оформления «пассивный излучатель»
При достижении определенных частот, амплитуда колебаний у
активного диффузора начинает превышать амплитуду колебаний пассивного
диффузора. Так как отдельный диффузор от динамической головки найти
проблематично, то данная акустическая система будет сложна в реализации в
домашних условиях.
1.1.5 Акустическое оформление вида «Bandpass»
Полосовые
(bandpass)
акустические
системы
являются
комбинированным решением, применённым в акустических оформлениях
вида “закрытый ящик” и “фазоинвертор” [5].
Простейший полосовой громкоговоритель (рисунок из двух камер,
одна из которых полностью закрыта, а вторая оснащена туннелем. Динамик
устанавливается в стену, на разделе двух камер.
Рисунок 1.6 – Схема акустического полосового оформления:
а) 4-го порядка, б) 6-го порядка
Преимущество такой конструкции заключается в том, что акустическое
сопротивление среды, возбуждаемой динамиком, очень мало. Также оно
несоизмеримо мало с трением и упругостью, происходящей во время
движения диффузора. В акустическую энергию переходит не более 0,5%, все
остальное гасится.
1.2 Основные параметры акустических систем
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой
зависимость выходного сигнала системы от частоты её входного сигнала, в
некоторых источниках её могут называть «частотным откликом системы».
АЧХ
измеряют
подачей
синусоидального
сигнала
постоянной
амплитуды при изменении его частоты. На плоскости графика, где частота
равна 1 кГц, принято отмерять на вертикальной оси уровень 0 дБ. Если АЧХ
представляется прямой линией, в таком случае АЧХ считается идеальной, но
в реальности у акустических систем такой вариант маловероятен. При
изучении АЧХ рекомендуется уделить строгое внимание на значение
неравномерности. Чем выше значение неравномерности, тем выше частота
искажения тембра в звучании.
На западе производители в большинстве случаев указывают диапазон
воспроизводимых частот, т.е. отмечают неравномерность и граничные
частоты.
Понижение уровня НЧ характеризуется потерей интенсивности и
насыщенности звучания басов. Повышение в области нижних частот создаёт
чувство «гудения» колонки. В завалах ВЧ звук будет казаться блеклым и
глухим.
При повышении уровня ВЧ появляются неприятные, шипящие и
свистящие звуки. У мультимедийных колонок значение неравномерности
АЧХ как правило выше, чем у так именуемых Hi-Fi систем.
Фазочастотная характеристика (ФЧХ) представляет зависимость
разности фаз между выходным и входным сигналами от частоты сигнала,
воспроизводимого АС. ФЧХ находится из АЧХ с помощью главного
значения интеграла по Коши. Если в системе нет частотных искажений, а
ФЧХ прямая и проходит через начало координат, то в таком случае она
является идеальной. В идеальной ФЧХ акустика называется фазолинейной.
Не так давно этой характеристике стали уделять должное внимание, так как
было доказано что фазочастотные искажения воспринимаются человеком. На
данный момент ФЧХ акустических систем измеряются и указываются в
документации.
Импульсная характеристика (импульсный отклик) – это выходной
сигнал АС как реакция на входной одиночный сигнал в виде дельта-функции
Дирака. В идеальном случае импульсная характеристика повторяет импульс
на выходе без преобразования. Обычно на выходе появляются импульсы
меньшей амплитуды, это говорит о том, что данный импульс на выходе
системы будет порождать паразитные колебания.
Переходная характеристика – реакция системы при начальных
условиях на одиночный ступенчатый сигнал (внешне напоминающий
ступеньку).
Данный импульс порождает паразитные колебания, это отражается на работе
АС, которая воспроизведет импульс и паразитные колебания. Используя
данную характеристику можно судить о когерентности системы.
Кумулятивное затухание спектра (КЗС) – это комплекс осевых АЧХ
АС, найденных с заданным временным интервалом при затухании
переданного на нее единичного импульса, и показанных на трехмерном
графике.
По трехмерному графику КЗС можно с полной уверенностью
определить, какие части спектра с какой частотой будут затухать после
подачи импульса, поэтому график КЗС позволяет определить запаздывающие
резонансы АС.
Импеданс АС – это полное электрическое сопротивление переменному
току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно импеданс акустических систем
равен 4, 6 или 8 Ом.
Импеданс в своём составе имеет активное сопротивление и реактивные
сопротивления индуктивностей и емкостей. Импеданс АС зависит от
частоты, так, как и от него зависит и реактивное сопротивление.
Как правило на графиках импеданса АС изучают его проекции на оси:
АЧ и ФЧ. При совмещении графиков АЧ и ФЧ, получается график Боде, а его
проекция АЧ – график Найквиста.
Когерентность – связанное течение группы колебательных процессов
в течении заданного участка времени. Проще говоря, поступивший сигнал от
различных гальванических головок АС поступит к пользователю в один
момент времени, т.е. сообщает о целостности фазовой информации.
Чувствительность – степень акустического давления, формируемое
громкоговорителем. Определяется на расстоянии 1 метра при подаваемой
мощности 1 Ватт на частоте 1000 Гц. Чем значительнее степень
чувствительность, тем громче воспроизводит звук АС. В двухполосных и
многополосных
АС
чувствительность
равна
чувствительности
чувствительной звуковой головки (чаще всего это сабвуфер).
самой
1.3 Измерение параметров акустических систем
В пункте 1.2 были кратко рассмотрены основные параметры, которые
описывают работу АС. Эти параметры принято делить на две большие
группы: электрические и электростатические, которые определяются при
измерениях.
Часть параметров обладает большей информативностью, но вместе с
этим порождает более сложные измерения, которые требуют специальной
сложной и дорогостоящей аппаратуры, а также особых условий для
измерений, которые доступны специализированным лабораториям. Особые
условия измерений под собой подразумевают заглушённые звукомерные
камеры.
Заглушённые звукомерные камеры доступны крупным фирмам,
которые занимаются разработками высокоточных и дорогостоящих АС.
Камеры имеют большие размеры для проведения испытаний начиная с самых
низких частот.
В
звукомерных
камерах
все
поверхности
отделываются
звукопоглощающим покрытием, в качестве материала используется тонкое
стекловолокно, из которого изготавливаются клинья (Рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 – Устройство измерительной звукомерной
заглушённой камеры
Большие габариты камеры, звукопоглощающая отделка необходимы
для достижения цели исключения в камере отражения и создания условия
свободного пространства.
В звукомерных камерах измеряются главные параметры АС, т.е. ЧХ
осевые и угловые, их отклонения, стандартное и среднее звуковые давления,
не линейность искажения, характеристики направленности и многие другие.
Типовая схема измерительной установки приведена на рисунке 1.8.
Рисунок 1.8 – Схема измерения частотных характеристик
Напряжение, подаваемое от генератора звука 1, через мощный
усилитель 2, с выхода которого подается к АС 3. С АС на измерительный
микрофон 4 влияет звуковое давление имеет ЧХ приближенную к идеальной,
то есть чувствительность малозависящую от частоты. Напряжение с выхода
микрофона поступает на микрофонный усилитель (МУ) 5, к которому
подключено устройство автоматической записи характеристик 6.
Рисунок 1.9 – Частотные характеристики головки
10ГД-20 под разными углами
Согласно
соответствующей
схеме
МУ,
происходит
прямо
пропорционально логарифму входного напряжения МУ и тем самым
логарифму звукового давления, воздействующего на микрофон.
Если фиксировать все частотные характеристики динамической
головки или АС, но характеристики под разными углами (Рисунок 1.9), то
это позволяет рассуждать о направленности этой динамической головки или
АС. При включенном анализаторе гармоник, можно найти нелинейные
искажения.
На чистых тонах (синусоидальных сигналах и полосах шума) можно
получить ЧХ и значения характеристик направленности. В настоящий
момент основными сигналами для проведения измерений являются 0,33
октавные полосы шума.
Так же стоит отметить, самым востребованным расстоянием от
тестируемой АС до микрофона при измерении является расстояние 1 метр.
Однако, в ряде случаев выбирают и другие расстояния, из-за ряда
причин, но полученные результаты приводятся к 1 метру. Порядок и
методика проведения электроакустических испытаний АС устанавливается
нормативным документом ГОСТ16122—78 «Громкоговорители. Методы
электроакустических испытаний».
Для
выполнения
электрических
измерений
необходимо
иметь
измерительный микрофон, микрофонный предусилитель и звуковую плату.
Подключая генератор звуковых частот к испытуемой АС через микрофонный
предусилитель и изменяя в процессе измерений частоту генератора звука в
диапазоне АС при напряжении, подаваемом к системе, можно путем
прослушивания установить присутствие или отсутствие звона у испытуемой
системы. Резонансная частота АС находится исходя из частоты, при которой
модуль комплексного сопротивления АС имеет максимальное значение.
При нахождении эквивалентного объема динамической головки
поочередно находят ее резонансную частоту без оформления 0 и далее
резонансную частоту 01 этой же головки, заключенную в закрытое
оформление уже известного объема V. В таком случае эквивалентный, объем
V может быть найдет по выражению (1.12):
2
01
э =  × ( 2 − 1),
0
(1.12)
Рисунок 1.10 – Схема определения добротности головки
и акустической системы
Для графика изображенного на рисунке 1.10 , сопротивление
тестируемой динамической головки определяется на постоянном токе 1 и на
резонансной частоте 0 . Затем с помощью изменения частоты вычисляются
те
значения 1 , 2 при которых сопротивление 2 = √1 0 . Тогда
устанавливаемая величина добротности будет находится по выражению
(1.13):
1
1 × 2
1
1 × 0
=√ × 2
=
×
,
√
0 (1 − 02 )
0 (1 − 0 ) × (1 + 0 )
(1.13)
Следует помнить, что такое нахождение резонансной частоты и
добротности можно использовать для головок как открытых, так и закрытых
АС. В АС с ФИ и ПИ понятие добротности не имеет смысла и поэтому,
необходимости в его определении нет. Однако, по ЧХ модуля комплексного
электрического сопротивления можно считать о степени эффективности
акустических систем с фазовым инвертором и акустических систем с ПИ, как
это показывается в ряде источников [6].
ГЛАВА
2
РАЗРАБОТКА
МЕТОДИКИ
СОЗДАНИЯ
АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
2.1 Разработка и настройка двух полосных АС с фазоинвертором
При разработке и настройке АС необходимо определиться с
габаритами помещения в котором будем эксплуатироваться АС. От
габаритов помещения зависит выбор диаметра НЧ - СЧ динамика.
Как правило, если акустическая система без «завала» воспроизводит
хотя бы от 100 Гц, звучание вполне основательно и «весомо», время от
времени исчезают необязательные, но очень необходимые в звуковой
палитре
звуки.
Потерянные
звуки
рекомендуется
восстанавливать
сабвуфером. Что бы при восстановлении не повредить звуковую картину,
необходимо согласовать сателлиты и сабвуфер [7].
Обычно данные указанные в паспортах на модели АС не совпадают с
реальными в области НЧ в диапазоне от 30 до 40 Гц. На самом деле в
создании
звуковой
картины
участвуют
только
те
НЧ,
которые
воспроизводятся без «завала». Все что проигрывается с «завалом» хотя бы на
4-5 дБ, скрывается «верхним басом» (80-160 Гц), поэтому рассматриваемый
размах начинается «снизу» от 50-80 Гц для большинства акустических
систем, описанное звучание воспринимается как воспроизведение от 30-40
Гц, исходя из паспортных данных, отвечающие вероятному отклонению в
диапазоне от -8 до -16 дБ.
В документации на выбранную головку необходимо обратить
внимание на частотные характеристики и отмерить, в зависимости с
представленным масштабом, уровень -3 дБ от средней границы. Из этого
будет видно, что даже
большие напольные акустические системы
продуктивно работают, начиная от 50 Гц. Если радиус диффузора 5-6 см,
чувствительность лежит в диапазоне 86-88 дБ/Вт/м, а мощность 20-30 Вт, то
о качественном воспроизведении звука на акустической системе придется
забыть.
В противоположность вышесказанного, динамики малого радиуса
довольно часто имеют в основном равномерную АЧХ, чем динамики
большого радиуса. Динамики малого диаметра лучше по ширине и
равномерности диаграммы направленности. К примеру, одна из известных
фирм SYSTEM AUDIO по производству акустических систем использует
НЧ-СЧ динамики маленького радиуса.
Полная добротность актуальных на сегодняшний день небольших
динамиков нижних частот как правило составляет 0,2-0,5. Опыт показывает,
что выбор динамиков с добротностью более 0,3-0,4 имея в своем составе
фазоинвертор, вряд ли обеспечит хороший бас. В таком случае, при
изготовлении колонок необходимо учитывать объем корпуса, который
должен
быть
примерно
равен
двойному
объему
динамика.
Для
рекомендуемых по параметрам динамиков эквивалентный объем будет
равен: 10 см - ~18 л, 16 см - ~26 л, 20 см - ~50 л.
Опытные специалисты способны точно устанавливать характеристики
ФИ акустического оформления, добиваясь максимально ровной АЧХ в
пределах от нижней граничной частоты АС до 125-200 Гц.
Помимо выше сказанного, оказываемое воздействие на звук не
идеальности параметров в области низких частот сильно обусловлено от
соотношения границы воспроизведения баса по сравнению со СЧ.
Необходимо помнить, что при взаимодействии акустической системы с
помещением, АЧХ в нижнем регистре в любом из вариантов будет
непостоянной. При разработке АС желательно уделить должное внимание
настройке, желаемой АЧХ в области СЧ и балансировке между нижними,
средними и высокими частотами.
При разработке корпуса АС, в идеале воспроизводят звук только
громкоговорителя. В реальности же, корпус откликается на работу
динамиков и вносит искажения. Самым простым выходом из сложившейся
ситуации будет уменьшение вибрации корпуса или увеличение толщины
стенок корпуса.
Тестирование
корпусов
разных
конструкций
показывает,
что
увеличение толщины стенок, достигнув определённого значения дает
незначительное улучшение звучания. К примеру, для полочных АС
достаточная толщина стенок обеспечивается при использовании 16-и или 18и миллиметровых листов ДСП или ДВП с учетом применения ребер
жесткости изнутри.
В статье [8] показаны варианты практического использования ребер
жесткости. В источнике подробно даны рекомендации по ряду вопросов:
 распределение звукопоглотителей внутри колонки;
 особенности разработки фильтров;
 изготовление и бандаж кабелей для прокладки трасс высокого
качества;
 требования к звукоизоляции корпуса;
 необходимые данные для выбора типа электрорадиоэлементов.
Описанный в статьях [8, 10] опыт проектирования акустических систем
показывает, что стенки толщиной 16 миллиметров, оснащенные ребрами
жесткости, обеспечивают хорошую виброзащиту. У эффективной концепции
акустических систем в «мёртвых» корпусах есть выбор – использование в
качестве материала массива пород дерева, но такой подход имеет недостаток:
детали корпуса, изготовленные из массива, со временем деформируются.
Однако, самые лучше и дорогие АС выполнены в корпусах из массива.
2.2 Разработка фильтров второго порядка для акустических систем
2.2.1 Разработка фильтра для НЧ и СЧ динамиков
В разных ситуациях не все динамические головки допускают
обеспечение оптимальной балансировкой АЧХ при применении кроссоверов.
Проблема усложняется из-за непростого взаимодействия динамиков от более
низкочастотного к более высокочастотному.
Для НЧ-СЧ динамических головок фильтры I порядка (динамик
последовательно включенный с катушкой индуктивности) в большинстве
случаев непригодны.
Фильтры I порядка в полосе пропускания деформируют и заваливают
середину АЧХ, тем самым искажают звучание делая его тусклым и гудящим.
В
некоторых
случаях
такой
фильтр
все
же
позволяет
немного
скорректировать АЧХ в части диапазона, который воспроизводится НЧ-СЧ
головками. Но при таком случае частота среза фильтра I порядка будет
стремиться к верхней частоте воспроизводимой динамической головкой.
В редких случаях динамики обладают ростом отдачи, которая
пропорциональна росту частоты сигнала в течении нескольких октав.
Фильтры II порядка в некоторых случаях могут сбалансировать АЧХ при
подборе значений индуктивности. Фильтры II порядка позволяют убрать
помехи и искажения АЧХ в полосе пропускания.
Если действовать фильтром как эквалайзером, то можно обеспечить
спад или рост АЧХ в полосе у частоты среза, если при настройке верно
подобрать номиналы индуктивности и емкости. Подбор номиналов является
одним из способов оптимизации АЧХ. На рисунке 2.1 показан фильтр II
порядка.
Рисунок 2.1 – НЧ фильтр II порядка
При разработке НЧ фильтра (Рисунок 2.1), емкость устанавливается в
параллель динамической головке, значения индуктивности и ёмкости для
фильтра без роста или спада на частоте среза рассчитываются по
выражениям (2.1-2.3).
1 =
1 =
 =

,
2 ×  × 
(2.1)
1
,
(2 ×  ×  )2 × 1
1
2 ×  × √1 × 1
,
(2.2)
(2.3)
При необходимости увеличения отдачи в области около  , будет
наблюдаться падение импеданса акустической системы в этой же области
частоты среза. Снижение импеданса нужно контролировать. Для контроля
импеданса существует методика [9].
Пункт 1. К выходу усилителя необходимо подключить цепь,
представленную на рисунке 2.2 (а). На вход усилителя подается сигнал
синусоидальной формы частотой 1000 Гц от генератора сигналов.
Потенциометрами, которыми задается громкость усилителя и уровень
выходного генератора устанавливается 1 В действующего напряжения.
Вольтметр переключается для снятия напряжения на контактах резистора R2.
Вольтметр покажет значение ~38,5 мВ. Необходимо подстроить схему до 40
мВ
Рисунок 2.2 – Схема измерения импеданса динамической головки
Пункт 2. Согласно схеме (Рисунок 2.2 (б)) необходимо за место
резистора R2 подключить АС. Плавно изменяя выходную частоту сигнала
генератора будет видно, что значения показаний прибора изменяются. Эти
показания пропорциональны частотно-зависимому значению импеданса
подключенной АС.
Следует обратить внимание на минимумы напряжения, плавно меняя
частоту. Эти точки на характеристике соответствуют минимумам импеданса
АС. С достаточной точностью можно считать, что значение импеданса |ZАC|
равны показаниям вольтметра, поделенным на 10.
Если тестер не позволяет производить измерения с большой точностью
сигналы, значениями десятки милливольт, в этом случае, установить на
клеммах усилителя выходной сигнал не 1, а 10 В. В режиме наших
измерений усилитель нагружен на сопротивление более 100 Ом. Такая
высокоомная нагрузка позволяет развить 10 В действующего напряжения
даже большинству маломощных усилителей, причем, без перегрева
усилителя.
При значениях напряжения в 10 В на выходе усилителя есть
вероятность вывести из строя резистор цепи, необходимый для обеспечения
устойчивости, который бывает в схемах большого числа усилителей.
Поэтому
произведение
рекомендуется.
измерения
Необходимо
на
помнить,
частотах
что
выше
выходное
3000
Гц
не
сопротивление
усилителя участвует в настройке фильтра АС.
В некоторых случаях можно обойтись без установления параметров
импеданса, если установить границу отдачи на частоте среза фильтра
значением в 1 дБ. В таком случае импеданс вряд ли снизится более чем на
20%.
Следует учесть, что параметры элементов фильтра, необходимые для
коррекции АЧХ, обязательны чтобы изначально не получить большую
погрешность.
При разработке простого
фильтра нижних и
средних
частот
динамической головки можно добавлять резисторы для корректировки АЧХ,
которые будут необходимы при регулировке разрабатываемой акустической
системы.
Резистор включается последовательно с динамической головкой, в
случае, когда средний уровень звукового давления высокочастотной головки
выше соответствующего параметра. Варианты включения - на рисунках 2.3
(а) и (б).
Рисунок 2.3 – НЧ фильтр второго порядка с добавочным резистором R1
Величину необходимого снижения отдачи нижних и средних частот
головки, которая выражается в дБ обозначается N. Среднее значение
импеданса динамика обозначим Д , тогда:

(2.4)
1 = Д × (1010 − 1),
Вместо расчетов можно воспользоваться следующей информацией:
Таблица 2.1 – Значения изменения уровня импеданса
Изменение уровня, в дБ
1 дБ
2 дБ
3 дБ
4 дБ
5 дБ
6 дБ
7 дБ
8 дБ
9 дБ
10 дБ
11 дБ
12 дБ
Изменение уровня,
(прирост) в процентах
10%
25%
40%
60%
80%
100%
120%
150%
180%
216%
255%
300%
Относительное
изменение уровня (Δ).
1,1
1,25
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,5
2,8
3,16
3,55
4
 = 20 lg
УС
,
Д
(2.5)
где УС - действующее значение напряжения на выходе усилителя; Д действующее значение напряжения на динамике.
Допустимая мощность рассеивания резистора 1 находится из
соотношения:
1 = Д ×
где
д
-
паспортная
1
,
д
мощность
(2.6)
нижних
и
средних
частот
громкоговорителя, 1 - допустимая мощность, рассеиваемая резистором R1.
При
дополнительной
коррекции
АЧХ
при
помощи
резистора
необходимо понижать подавление фильтром сигналов выше частоты среза,
можно как выход из ситуации применить схему, изображенную на рисунке
2.4.
Рисунок 2.4 – НЧ фильтр второго порядка с добавочным резистором R2
Применение резистора R2 в рассматриваемом случае ведет к
уменьшению отдачи в частоте среза  . Когда выше  отдача, напротив,
растет по сравнению с фильтром без 2 . Если необходимо восстановить
близкую к исходной АЧХ (измеренной без 2 ), следует уменьшить 1 и
увеличить 1 в одинаковой пропорции.
При коррекции АЧХ на достаточно равномерной характеристике
имеется зона завышенной отдачи («презенс») в области средних частот.
Можно применить корректор в виде резонансного контура (Рисунок 2.5).
Рисунок 2.5 – Резонансный контур
 =
1
2 ×  × √2 × 2
,
(2.7)
Контур имеет некоторое значение импеданса, в соответствии с
величиной которого сигнал на динамике ослабляется. Вне частоты резонанса
ослабление уменьшается, таким образом, контур может избирательно
подавлять "презенс". Ориентировочно рассчитать, значения 2 и 2 в
зависимости от  и степени подавления 2 (в дБ) можно следующим
образом:

Д × (1010 − 1)
1 =
,
2 ×  × 
1
1 =
,
(2 ×  ×  )2 × 1
(2.8)
(2.9)
Наиболее свободный от вредных эффектов способ коррекции требует
усложнения контура (Рисунок 2.6).
Рисунок 2.6 – Резонансный контур с корректирующим
резистором R4 в цепи C2
Резонанс контура 2 , 2 нужен, как обычно, для подавления "презенса".
Ниже  сигнал почти без потерь проходит на динамик через 2 . Выше 
сигнал идет через 2 и ослабляется резистором 4 .
Оптимизация корректора проводится в несколько этапов. Так как
введение 4 ослабляет резонанс контура 2 , 2 , то изначально следует
выбрать 2 больше, а 2 меньше. Это обеспечит избыточное подавление на
 , которое нормализуется после введения 4 . Δ выбирается в соответствии с
избытком верхней середины, сверяясь с таблицей 2.1.
В редких случаях требуется обратное воздействие на наклон АЧХ при
помощи корректирующей цепи, для этого 4 должен переместиться в цепь 2
(Рисунок 2.7).
Рисунок 2.7 – Резонансный контур, с корректирующим
резистором 4 в цепи 2
При необходимости можно использовать фильтр второго порядка и
корректирующий контур совместно. Варианты включения представлены на
рисунке. 2.8.
Рисунок 2.8 – НЧ фильтр второго порядка совместно
с резонансным контуром
При одинаковых номиналах элементов вариант, (а) обеспечивает
большую отдачу на средних частотах и на частоте среза. В принципе,
подбором значений элементов можно почти уровнять АЧХ АС для обоих
вариантов фильтра. По некоторым причинам, эксперты советуют чаще
применять вариант (а). Иногда очень выраженный «презенс» требует
применения варианта (б). Совместная работа фильтра и корректора
проиллюстрирована на рисунке 2.9.
Рисунок 2.9 – Пример неравномерности АЧХ и способ ее коррекции
2.2.2 Разработка фильтра для ВЧ динамиков
Фильтры второго порядка чаще позволяют добиться приемлемого
звучания. Особенно хорошо, если полоса воспроизведения НЧ динамика
ограничена таким же фильтром. Получается красивое решение проблемы
совместной работы НЧ и ВЧ секций.
Фильтр второго порядка, как и в случае НЧ динамика позволяет сильно
влиять на АЧХ звукового давления. Простейший фильтр изображён на
рисунке 2.10.
Рисунок 2.10 – ВЧ фильтр второго порядка
Необычное изображение схемы фильтра частично расшифровано в
статье [11].
Выбор направленности кабелей и элементов определяется тем, что от
источника (усилителя) к потребителю (АС) движется не ток, или электроны,
а информация, то есть источник «знает» соотношение элементов музыки во
времени по амплитуде и по спектру раньше, чем потребитель. Поэтому
«край» цепи, подключенный к источнику, является «оперением» стрелы, а
«край», подключенный к потребителю соответствует «острию» стрелы. А
электроны и переменный ток никуда не идут, а только колеблются в ритме
переменного тока.
В первом приближении элементы фильтра рассчитываются так же, как
для НЧ секции,  - частота среза фильтра:
Д
,
2 ×  × 
(2.10)
1
,
(2 ×  ×  )2 × 3
(2.11)
3 =
3 =
Частота среза фильтра  для ВЧ секции не обязательно совпадают со
значением  НЧ секции. Главное, чтобы результирующие АЧХ звукового
давления НЧ и ВЧ динамиков суммировались в максимально равномерную
АЧХ АС. Способы форсажа и подавления отдачи в области  - такие же,
как для НЧ секции.
Некоторые ВЧ громкоговорители имеют недостаток: - «презенс» на
частоте резонанса их подвижной системы (обычно от 1 до 2 кГц). Вредный
подъем АЧХ может достигать 12-20 дБ.
Существует простой и эффективный способ нормализации АЧХ.
Необходимо ввести в цепь 3 конденсатор 4 , образующий с 3 резонансный
контур, настроенный на частоту «презенса». Контур 3 4 имеет низкое
сопротивление на частоте резонанса. Он поглощает сигнал в области
«презенса», так как включен параллельно ВЧ динамику, то есть шунтирует
его на частоте резонанса.
 =
1
2 ×  × √3 × 4
,
(2.12)
Расчет величины 4 :
4 =
1
,
(2 ×  ×  )2 × 3
(2.13)
Если подавление отдачи избыточно, можно включить параллельно 4
резистор 5 , который уменьшит добротность (способность к резонансу)
контура 3 4 и, таким образом, уменьшит поглощение на  . Можно
добиться того же, включая R5 последовательно с 3 и 4 . По ряду причин,
предпочтительно параллельное включение 4 и 5 . Соответствующая схема
показана на рисунке 2.12.
Рисунок 2.12 – ВЧ фильтр второго порядка с контуром,
настроенным на резонансную частоту ВЧ динамика
Значение 5 подбирается экспериментально. Если отдача ВЧ динамика
выше, чем у НЧ громкоговорителя, добавляется резистор 6 . При
необходимой степени подавления, соответствующей некоторому значению
«Δ» (Таблица 2.1). Рекомендуемая схема включения 6 изображена на
рисунке 2.13.
Рисунок 2.13 – ВЧ фильтр второго порядка с добавочным резистором 6
Расчет значений 3 и 3 проводится по выражениям:
Д∑
,
2 ×  × 
(2.10)
1
,
(2 ×  ×  )2 × 3
(2.11)
3 =
3 =
С точки зрения разработки АС, удалось установить следующее:
1. Настройка АЧХ в области средних частот, примерно от 300 Гц до
3 кГц – основа качественного звучания АС. Незначительное нарушение
тембрального
баланса
в
этой
области
исключает
полноценное
воспроизведение музыки.
2. В большинстве помещений прослушивания невозможно обеспечить
равномерную АЧХ на низких частотах и на нижней середине. Причина –
стоячие волны в помещении. Точности измерений АЧХ недостаточно, да и
интерпретировать результаты измерений непросто.
3. Точность настройки АЧХ на высоких частотах позволяет добиться
улучшения естественности, красоты звучания АС. С другой стороны,
некоторые неидеальности формы АЧХ в этой области приемлемы. На
высоких частотах нет таких жестких требований, как для средних частот.
Дисбаланс ВЧ со средними частотами не так заметен, как дисбаланс
между НЧ и СЧ. Хуже, когда ВЧ преобладают. При этом подчеркиваются
ритмические рисунки, связанные с ВЧ звуками. Это удары медиатора по
струнам, ритм "хай-хета" и т.п. Примитивный ритм, выражаемый ВЧ
звуками,
маскирует
главный,
более
тонкий
ритмический
рисунок,
передаваемый солистами в области средних частот. Кроме того, избыток ВЧ
придает звучанию синтетический оттенок. В некоторых случаях такое
воспроизведение может раздражать слух.
2.3 Измерение и настройка АЧХ акустической системы
2.3.1 Измерение АЧХ
При измерении звукового давления, необходим измеритель, АЧХ
которого либо идеальна, либо известна. Близкие к идеалу во всем звуковом
диапазоне измерители дороги и малодоступны.
В таблице 2.2 приведены отклонения АЧХ от идеала для прибора Radio
Shack 33-2050 и равные им по величине компенсирующие поправки. Пример
использования таблицы 2.2 изображен на рисунке 2.14.
Таблица 2.2 – Отклонения АЧХ от идеала для прибора Radio Shack 332050
Частота, кГц
2,5
3
4
5
6
8
10
12,5
16
Отклонение АЧХ от
линейной, дБ
0,5
1,5
2,5
3
4
0
– 3,0
– 5,0
– 10,0
Компенсирующие
поправки, дБ
– 0,5
– 1,5
– 2,5
– 3,0
– 4,0
0
3
5
10
Выше 16 кГц точность измерений недостаточна из-за сильного падения
чувствительности шумомера. Для приблизительной оценки отдачи на частоте
20 кГц можно внести компенсирующую поправку +15 дБ.
Рисунок 2.14 – АЧХ с учетом поправок шумомера
Для того чтобы разрабатываемые АС с большой вероятностью
нормально звучали в жилых помещениях, предпочтительно производить
настройку в комнате с капитальным стенами, высотой потолка 2,6-3 метра и
площадью 12- 20 м2. В этом помещении должен быть ощутимый фонд
звукопоглощения: мягкая мебель, шторы на окне, ковер на полу.
Нежелательно чтобы в комнате было больше одного крупного шкафа или
серванта. Стереопара имеет другую АЧХ, чем одна АС.
При настройке, необходимо расположить АС на расстоянии 40-80 см от
стены позади нее и 1-2 м от боковой стены. Оператор с измерителем
звукового давления на расстоянии 1,5-2 м от АС. Измеритель не следует
располагать к стене ближе, чем на 60-70 см, при этих условиях измеряемая
АС будет находиться недалеко от углов комнаты, расположенных по
диагонали (Рисунок 2.15).
Рисунок 2.15 – Расположение АС и микрофона в комнате
В
качестве
измерительного
сигнала
не
следует
использовать
синусоидальный. Из-за стоячих волн в помещении измерения с помощью
чистого тона дадут плохо поддающуюся расшифровке, неинформативную
характеристику.
Измерения микрофоном, расположенным в одной точке, дают
результаты,
неадекватные
слуховому
восприятию,
так
как
даже
псевдошумовые сигналы не полностью устраняют влияние стоячих волн в
помещении. Чтобы результаты измерений были сопоставимы с реальным
звучанием АС, необходимо непрерывно перемещать микрофон. Это
известный метод «качающегося микрофона», применяемый, например,
фирмой "Брюль и Кьер" [12].
1. Плавно перемещайте микрофон перпендикулярно акустической оси,
измеряемой АС, сохраняя постоянной высоту шумомера от пола, равную 1 м;
2. Акустическую ось микрофона направляйте на АС (небольшая
погрешность - допустима);
3. Скорость движения должна быть не слишком медленной, колебания
плавными, но довольно частыми. Это требуется для эффективного
усреднения колебаний показаний прибора из-за стоячих волн в помещении.
При этом стрелка прибора не должна отклоняться от минимальной
отметки шкалы при выбранном диапазоне измерений. Шумомер позволяет,
переключая пределы измерений, присвоить отметке шкалы «0dB» значения
от 60-и до 120 дБ звукового давления.
Режиме "60dB" движения микрофона должны быть самыми плавными
и
медленными.
В
режиме
"120dB"
движения
могут
быть
очень
интенсивными. Оптимально присвоить нулевой отметке значение "80dB", так
как при этом на АС приходиться подавать мощность в диапазоне ~0,1-0,5 Вт
(в зависимости от чувствительности динамиков). Это безопасно даже при
длительных
измерениях ВЧ громкоговорителей. С другой стороны,
громкость около 80 дБ достаточно велика, чтобы обычный шумовой фон
жилого помещения не вносил существенной погрешности в измерения.
Оптимальная периодичность качания микрофона в этом случае - одно
движение «от себя - к себе» в течении 0,8-1,1 секунды. Амплитуда движений
- примерно 50 см.
Удобнее измерители с выносным микрофоном, соединенным кабелем с
неподвижным блоком обработки и индикации, но такие приборы имеют
высокую стоимость.
Необходимо
установить переключатели режимов измерения
на
шумометре в положение "С" (WEIGHTING) и SLOW (RESPONSE).
Положение
SLOW
соответствует
лучшему
усреднению
и
меньшим
колебанием стрелки. Тем не менее, полностью устранить эти колебания
нельзя.
Бывает, что стрелка совершает довольно сложные движения, например,
надолго зависает у отметки "-2dB", затем делает короткий бросок к отметке
"+4dB" и так в течении всего измерения. В таких случаях точнее усреднит
показания прибора исследователь, знакомый с понятием численного
интегрирования. Для остальных подсказка: чем дольше стрелка находится в
районе определенной отметки на шкале, тем больше надо учитывать
значение этой отметки при усреднении, делая небольшую поправку в
сторону кратковременных, но значительных отклонений стрелки.
2.3.2 Настройка АЧХ
Настройка АЧХ АС производится в несколько этапов.
Этап 1. На первом этапе изучение происходит в области низких частот.
Для изучения необходимо, полностью собрать, установить звукопоглотители
внутри «колонки», загерметезировать и вывести помеченные кабели
отдельно от ВЧ и НЧ головок. Рекомендуется проложить их наружу на время
измерения через щелевой ФИ, изготовив эти кабели достаточно длинными.
В первую очередь измеряется АЧХ в ближней зоне (микрофон в
нескольких сантиметрах от диффузора НЧ динамика). При этом ФИ надо
«превратить»
в
загерметизировать
закрытый
его
ящик.
выход
Для
этого
уплотнителем.
необходимо
Зарисуйте
плотно
полученную
характеристику. Пример характеристики представлен на рисунке 2.16.
Рисунок 2.16 – АЧХ в области НЧ (ближнее поле),
работа фазоинвертора
В процессе измерений необходимо сохранять расстояние между
диффузором и микрофоном неизменным.
Этап 2. АЧХ АС измеряется на расстоянии 1,5-2 м качающимся
микрофоном по вышеизложенной методике. Затем, ФИ разгерметизируется
от заглушающих материалов и измерения повторяются. Определяется
приращение отдачи по НЧ, связанное с работой ФИ и строятся АЧХ этого
приращения. Результаты измерений могут выглядеть так, как изображено на
рисунке 2.17.
Рисунок 2.17 – АЧХ в области НЧ, работа фазоинвертора
Подъем, возможный в области 80-160 Гц с максимумом в районе 100125
Гц
чаще
всего
связан
с
излишней
высокой
добротностью
громкоговорителя в конкретном акустическом оформлении. Если подъем
превышает +2дБ в диапазоне шире одной третьоктавной полосы, то имеет
смысл оснастить динамик панелью акустического сопротивления (ПАС).
Наиболее эффективный способ создания ПАС – заклеивание окон
диффузородержателя двумя слоями синтепона. Трение воздуха в порах
материала снизит добротность АС и уменьшит отдачу на НЧ, особенно в
области резонанса громкоговорителя.
Рекомендуется на этапе сборки корпуса разделить трубу ФИ на две
равные части продольной перегородкой по всей длине этой трубы. Места
соприкосновения этой перегородки с деталями корпуса, образующим ФИ,
нужно проклеить ПВА для герметизации и исключения дребезга от вибраций
корпуса. ФИ из двух труб позволит, при необходимости, за герметизировать
одну трубу. Это необходимо для случая, если область и величина подъема
НЧ при помощи ФИ окажется слишком велики. «Половинный» ФИ настроен
ниже по частоте и поднимает «бас» в меньшей степени. Перегородка в ФИ
несколько улучшает жесткость корпуса [13-15]. Поэтому, для укрепления
задней стенки, перегородку стоит сделать длиннее трубы ФИ и «дотянуть»
до верхней крышки АС. Эскиз ФИ с перегородкой изображен на рисунке
2.18.
Рисунок 2.18 – Перегородка в фазоинверторе
Признаком избыточной эффективности ФИ является подъем более
+2дБ на протяжении хотя бы двух третьоктавных полос в диапазоне от 40 до
100 Гц. Наиболее вероятен максимум в области 50-80 Гц. Для выравнивания
хода АЧХ на НЧ следует использовать результаты измерений в ближней
зоне, с учетом поправок, учитывающих действие ФИ. Если избыток отдачи
наблюдается только в пределах одной третьоктавной полосы, но величина
подъема превышает +3дБ, то следует принять перечисленные выше меры по
выравниванию АЧХ.
Этап 3. В процессе настройки нет необходимости охватывать диапазон
шире, чем 40 Гц - 16 кГц. Маловероятно, что полочная АС будет «страдать»
избытком отдачи при воспроизведении сигналов ниже 40 Гц. Напольные АС
редко эффективны в диапазоне 20-30 Гц. Расширение полосы вниз от 80 Гц
до 40 Гц очень заметно. Расширение полосы от 40 до 20 Гц - гораздо менее
заметно. Замеры в избыточно широкой полосе малоэффективны.
Нередко
при
попытках
провести
экспертное
прослушивание,
совершается ошибка: в качестве тестового материала используются короткие
фрагменты звучания разных музыкальных инструментов (как, например, на
тестовом диске фирмы STAX) или неудачные аудиофильские CD с красиво
записанными малыми составами музыкантов, создающими невыразительные,
малосодержательные художественные образы.
Интересно, что в США и Германии диски отечественной фирмы
"Мелодия" вдвое дороже других дисков с теми же музыкальными
произведениями. Речь идет о классической музыке, записанной хорошими
оркестрами под руководством выдающихся дирижеров в период от 60-х до
80-х годов.
Среди тестового материала обязательно, должны быть записи вокала,
фортепиано,
различная
трудновоспроизводимая
из-за
насыщенного,
некомфортного тембра музыка. Лучше всего отдавать предпочтение записям,
в которых исполнителями созданы интересные и понятные художественные
образы.
Глава 3 Расчет характеристик экспериментальной акустической
системы
3.1 Описание динамической головки
Для разработки динамической АС мы выбрали динамическую головку
модель
Модель
5ГДШ-9.
производится
на
заводе
«Динамик»
города
Гагарин
и
предназначается для использовании во встроенных открытых АС ТВприемников для работы в закрытых помещениях. Выпускается трех типов в
зависимости от исполнения: на экспорт, тропический, общепромышленный.
Срок эксплуатации по заводской гарантии — 2 года. Технические условия
описаны в Г23.843.052.ТУ.
Рисунок 3.1 – Динамическая головка 5ГДШ-9: а) АЧХ звукового давления; б)
габаритные и установочные размеры
Головка громкоговорителя широкополосная, имеет круглую форму с
экраном в виде электромагнитной цепи. Геометрические размеры и
параметры установки указаны на рис 3.1.
Диффузородержатель изготавливается из стального сплава методом
штамповки. Конструкция магнитной системы состоит из:
 ферритового
магнита
кольцевого
типа
М25БА170.
геометрические размеры К52x24x8 мм;
 керна с диаметром 14,8 мм;
 верхнего фланца, имеющего отверстие диаметром 16,7 мм.
Его
Магнитная система характеризуется высотой воздушного зазора в 3 мм.
Величина индукции в зазоре 0,7 Тл, а его радиальная ширина 0,95 мм
Подвижная система состоит из:
 Диффузора
пропитанной
конусного
типа
специальными
с
подвесом.
веществами
Производится
бумажной
из
массы;
Центрирующей шайбы. В качестве материала для ее изготовления
используется
Колпачка,
пропитанная
предназначенный
для
защиты
ткань;
от
грязи
и
пыли;
Звуковой катушки. В качестве провода намотки используется марка ПЭВЛ,
ее диаметр — 0,125 мм. Используется 2-х слойная намотка, первый слой
состоит из 26 витков, второй — из 23. Значение сопротивления находится в
диапазоне 4,3-0,9 Ом. Используется бумажный каркас из бумаги К080 ГОСТ
23436-79. Толщина бумаги составляет 0,080 мм. Высота катушки — 11,3
мм, диаметр внутренний — 15,3 мм, внешний — 16,1 мм. Внешний диаметр
считается вместе с имеющейся намоткой.
Внешний вид динамической головки 5ГДШ-9 представлен на рисунке
3.2.
Рисунок 3.2 – Внешний вид динамической головки 5ГДШ-9
Таблица 3.1  Технические характеристики динамической головки
5ГДШ-9
Габаритные размеры, мм
Установочные размеры, мм
Рпш, Вт
Рпк, Вт
Диапазон частот, Гц
Уровень хар. чувствительности, дБ
Сопротивление, Ом
3.2
Расчет
100х100х34
80х80
5
15
140-12500
90±3
4, 8
чувствительности
головки
на
частоте
электромеханического резонанса
Характеристическая чувствительность и уровень характеристической
чувствительности динамической головки на частоте электромеханического
резонанса определяются выражениями (3.24)-(3.25):
хч =
хч =
1.23
2√2
×
в
2√2
×
эм × д
 × √к
3,09 × 4,42 × 10−3
9,27 × 10−4 × √12
хч = 20
,
= 0,59
(3.24)
Па
√Вт
.
хч
0,59
= 20
= 89 дБ,
0
2 × 10−5
(3.25)
3.3 Расчет КПД динамической головки
КПД динамической головки находится по формуле [21] (3.26):
эа
эм 2
д 2
=
×
× ( ) × 100%,
к

2√2 × в
в
(3.26)
2
3,092
4,42 × 10−3
эа =
×
×(
) × 100% = 0,74 %
12
9,27 × 10−4
2√2 × 340
1,23
где в = 340 м/с – скорость звука в воздухе
Для наглядности графики построены на частотах 31,2 Гц … 16 кГц, все
остальные графики частотных зависимостей будут построены на частотах от
м = н до частоты, при которой  = 4. Графики частотной зависимости
модуля
и
фазы
полного
входного
электрического
сопротивления
динамической головки (Рисунки 3.3 и 3.4):
Рисунок 3.3 – Частотная зависимость модуля полного входного
электрического сопротивления динамической головки
Рисунок 3.4 – Частотная зависимость фазы полного входного электрического
сопротивления динамической головки
Объем помещения может быть определен исходя из того, что на
каждого слушателя должно приходиться по 6 м3 пространства (3.27):
з =  × 6 = 200 × 6 = 1200 м3 ,
(3.27)
Найдем длину l, ширину b и высоту h зала исходя из принципа
«золотого сечения зала» (3.28)-(3.31):
: : ℎ = 5: 3: 2,
(3.28)
3 4 × 1200
3 4×
з
 = 2,5 × √
= 2,5 × √
= 17,1 м,
15
15
(3.29)
3 4 × 1200
4 × з
√
 = 1,5 ×
= 1,5 × √
= 10,26 м,
15
15
(3.30)
3
3 4 × 1200
3 4×
з
ℎ=√
=√
= 6,84 м.
15
15
(3.31)
Звуковое давление, создаваемое динамической головкой у дальней
стенки зала (3.32):
1 =
хч
0,59
× √э =
× √3 = 5,96 × 10−2 Па.

17,1
(3.32)
Уровень звукового давления, создаваемого динамической головкой у
дальней стенки зала (3.33):
1
5,96 × 10−2
1 = 20
= 20
= 69 дБ.
0
2 × 10−5
(3.33)
С учетом того, что звуковое давление у задней стенки  должно
составлять не менее 0,632 Па ( = 90 дБ), число головок в звуковой колонке
должно быть (3.34):
=

0,632
=
≈ 12.
1 5,96 × 10−2
(3.34)
Полученное значение N следует округлить до ближайшего целого
числа, являющегося четным или делящимся на три.
3.4 Расчет размеров корпуса колонки
Рассмотрим эквивалентную схему громкоговорителя в закрытом
оформлении, изображенную на рисунке 3.5 [22].
Зададимся гибкостью объема воздуха, приходящегося на одну
динамическую головку в колонке. В зависимости от диаметра диффузора
(3.35):
0,5с ≤ с ≤ 2с .
(3.35)
причем чем меньше динамическая головка, тем больше гибкость с .
Рисунок 3.5 – Эквивалентная схема громкоговорителя
в закрытом оформлении
Так как в нашем случае используется небольшая динамическая
головка, положим (3.36):
с = 1,8с = 1,8 × 4,37 × 10−4 = 7,87 × 10−4
м
,
Н
(3.36)
Как
следует
механической
из
эквивалентной
схемы,
суммарная
системы
динамической
головки
и
объема
гибкость
воздуха
(приходящегося на одну головку) (3.37):
 × 
4,37 × 7,87 × 10−8
м
∑ =
=
=
2,81
.
 +  (4,37 + 7,87) × 10−4
Н
(3.37)
Резонансная частота колонки (3.38):

4,37
10 = м × √ + 1 = 250 × √
+ 1 = 312 Гц.

7,87
(3.38)
Выполнив расчет модулей номинальной колебательной скорости
движения
и
смещения
звуковой
катушки
на
частоте
f10,
можно
дополнительно проверить правильность расчета высоты намотки катушки.
Сила, действующая на звуковую катушку при номинальной мощности
(3.39):
 = эм × н = 3,09 × 0,5 = 1,54 Н.
(3.39)
Модуль номинальной колебательной скорости движения звуковой
катушки в магнитном зазоре на частоте 10 (3.40):
|10 | = |
|10 | = | ×

|,
 × 2 ×  × 10 × 
(3.40)
1,54
м
=
0,85
.
|
2 ×  × 3,12 × 9,269 × 10−4
с
Модуль номинального смещения звуковой катушки в магнитном зазоре
на частоте 10 (3.41):
|10 | =
10
,
| × 2 ×  × 10 |
(3.41)
причем модуль номинального смещения должен удовлетворять условию
(3.42):
|10 | ≤
ℎк
,
3
(3.42)
0,85
3,93 × 10−3
−4
|10 | =
= 4,34 × 10 <
= 1,31 × 10−3 м.
| × 2 ×  × 312|
3
т.е. условие выполняется.
Объем воздуха, приходящийся на одну динамическую головку в
звуковой колонке (3.43):
 =  × в × в2 × д2 ,
(3.43)
 = 7,87 × 10−4 × 1,23 · 3402 · 4,422 × 10−6 = 2,18 × 10−3 м3 .
Внутренний объем звуковой колонки (3.44):
∗ =  ×  = 12 × 2,18 × 10−3 = 2,62 × 10−2 м3 ,
(3.44)
Далее следует расчет габаритов и массы звуковой колонки. Корпус
колонки изготавливается из многослойной фанеры. Передняя стенка колонки
должна быть толще всех остальных, т. к. она несет механическую нагрузку (к
ней крепятся динамические головки), при малой толщине передней стенки
возможно появление дребезга или иных неприятных звуковых эффектов.
Высота внутреннего пространства корпуса звуковой колонки (3.45):
к∗ = 3 ×  ×  = 3 × 3,75 × 10−2 × 12 = 1,35.
(3.45)
Высота корпуса звуковой колонки (3.46):
к = к∗ + 2∆ст = 1,35 + 2 × 0,01 = 1,37 м.
Ширина
внутреннего
пространства
определяется соотношением (3.47):
корпуса
звуковой
(3.46)
колонки
к∗ ≥ 3 ×  = 3,5 × 3,75 × 10−2 = 0,13 м.
(3.47)
Ширина корпуса звуковой колонки (3.48):
к = к∗ + 2∆ст = 0,13 + 2 × 0,01 = 0,15 м.
(3.48)
Длина (глубина) внутреннего пространства корпуса звуковой колонки
(3.49):
к∗

2,622 × 10−2
= ∗
=
= 0,148 м.
к × к∗
1,35 × 0,13
(3.49)
следует учитывать, что глубина внутреннего пространства звуковой
колонки должна удовлетворять условия (3.50):
к∗ ≥ 2ℎ.
(3.50)
Полученное значение к∗ удовлетворяет условию (к∗ =0,148 м > 2h = 0,1 м).
Длина корпуса звуковой колонки (3.51):
к = к∗ + 2∆ст + ∆пер.ст = 0,148 + 0,01 + 0,02 = 0,178 м.
(3.51)
Объем стенок звуковой колонки (3.52):
ст = к × к × (∆ст + ∆пер.ст ) + 2∆ст × к × (к + к ),
(3.52)
ст = 1,37 × 0,15 × (0,01 + 0,02) + 20,01 × 0,178 × (1,37 + 0,15),
ст = 1,16 × 10−2 м3 .
Масса фанерных стенок звуковой колонки (3.53):
ст = ф × ст = 900 × 1,16 × 10−2 = 10,46 кг.
где ф = 900
кг
м3
(3.52)
– плотность фанеры.
Полная масса звуковой колонки (3.53):
кол = ст +  × г + тр ≈ ст + ( + 1) × г ,
(3.53)
кол = 10,46 + (12 + 1) × 0,18 = 12,8 кг.
где тр – масса трансформатора, примерно равная массе головки. На
рисунке 3.7 приведен боковой разрез и передний вид звуковой колонки.
Электрическая схема соединения динамических головок в колонке
представлена на рисунке 3.6. В связи с тем, что число головок выбрано
четным или кратным трем, удобно соединить головки в несколько ветвей по
две или три головки в каждой. В нашем случае (N = 12) динамические
головки соединены в четыре ветви, в каждой ветви по три головки.
Рисунок 3.6 – Электрическая схема включения головок в звуковой колонке
Рисунок 3.7 – Боковой разрез и передний вид звуковой колонки
В случае вышеописанного электрического соединения динамических
головок, электрическое сопротивление соединения головок рассчитывается
по формуле (3.54):
г =
в2 × к в × к 9 × 12
=
=
= 12 Ом.

2
12
(3.54)
гдев – выбранное число головок в ветви (2 или 3), 2 – количество
параллельных ветвей.
При вышеописанном электрическом соединении динамических головок
ток во вторичной обмотке трансформатора определяется как (3.55):
2 =
н ×  0,5 × 12
=
= 2 А.
в
3
(3.55)
Номинальная мощность звуковой колонки (3.56):
зк = 2 2 × г = 4 × 9 = 36 В.
(3.56)
Очевидно, что напряжение во вторичной обмотке трансформатора (3.57):
2 = 2 × г = 2 × 9 = 18 В.
(3.57)
На первичную обмотку трансформатора подается напряжение линии
л = 240 В. Тогда коэффициент трансформации определяется выражением
(3.58):
тр =
Задавшись
значением
л 240
=
= 13,33.
2
18
числа
витков
во
(3.58)
вторичной
обмотке
трансформатора 2 = 30, число витков в первичной обмотке можно
определить по формуле (3.59):
1 = тр × 2 = 13,33 × 30 = 400.
Электрическое
сопротивление
головок
(3.59)
трансформируется
в
сопротивление колонки (3.60):
кол = тр 2 × г = 13,332 × 9 = 1600 Ом.
(3.60)
3.5 Расчет частотной характеристики звукового давления (ЧХЗД)
динамической головки и звуковой колонки
При расчете ЧХЗД динамической головки следует учитывать, что она
находится в замкнутом объеме, гибкость воздуха в котором составляет с∗ . В
этом случае полное входное механическое сопротивление динамической
головки описывается выражением (3.61):
м = 1 +  × 2 ×  ×  ×  +
Полное
входное
электрическое
1
.
 × 2 ×  ×  × с∗∑
сопротивление
(3.61)
описывается
выражением (3.62):
2
эм
э = к +  × 2 ×  ×  × к +
.
м
(3.62)
Частотная характеристика звукового давления динамической головки
на расстоянии 1 м от нее описывается выражением (3.63):
ЧХГ =
в
2 × √2 × 
×
 × 2 ×  ×  × эм × д
.
м × э
(3.63)
Используя выражения (3.61) – (3.63) выполняем построение графика
ЧХЗД динамической головки. Частотные зависимости должны быть
построены на частотном интервале от м до частоты в , при которой  = 4.
Частота в определяется по формуле (3.64):
в =
2 × в
2 × 340
=
= 5772 Гц.
 ×  3,75 × 10−2
(3.64)
Прилагается аналогичный график в логарифмическом масштабе по оси
ординат. Нормировка проведена по максимальному значению ЧХЗД, в
данном случае на 10 . Построим график ЧХЗД по формуле (3.65):
ЧХГ [дБ] = 20 lg (
ЧХГ ()
).
ЧХГ ()
(3.65)
График ЧХЗД динамической головки для рассматриваемого примера
приведен на рисунке 3.8 и 3.9.
Рисунок 3.8 – График ЧХЗД динамической головки
Рисунок 3.9 – График ЧХЗД динамической головки в
логарифмическом масштабе по оси ординат
Выражение для ЧХЗД звуковой колонки (3.66):
(3.66)
ЧХГ = ЧХГ × √Ω() × ().
где Ω() – коэффициент осевой концентрации и () – коэффициент,
характеризующий эффективность работы излучателя в колонке.
Однако можно существенно упростить расчет ЧХЗД колонки, если
множитель √Ω() × () в формуле (3.66) аппроксимировать выражением
(3.67):
3
2××
× )
(
в
√Ω() × () = √ × 1 +
.
8
(
)
(3.67)
ЧХЗД колонки в этом случае будет рассчитываться по формуле (3.68):
ЧХГ
3
2××
× )
(
в
= ЧХГ × √ × 1 +
.
8
(
)
(3.68)
Прилагается график в логарифмическом масштабе по оси ординат.
Нормировка проведена по максимальному значению ЧХЗД.
Рисунок 3.10 – График ЧХЗД звуковой колонки
Рисунок 3.11 – График ЧХЗД звуковой колонки в логарифмическом
масштабе по оси ординат
Далее
выполняют
расчет
характеристической
чувствительности
звуковой колонки. Как и при расчете ЧХЗД звуковой колонки используется
приближенное выражение (3.69):
ЧХГ =
в
2 × √2 × 
×
эм × д
√к × 
3
2 ×  × 2 × м
× )
(
в
√
× × 1+
. (3.69)
8
(
)
ЧХГ =
1,23
2√2 × 
×
3,088 × 4,418
√12 × 0,926
× √12 × (1 +
×
3
2 ×  × 4 × 250
× 3,75 × 10−2 )
(
340
8
) = 2,08
Па
.
√Вт
Уровень характеристической чувствительности звуковой колонки
(3.70):
ЧХГ = 20 lg
ЧХГ
2,08
= 20 lg
= 100 дБ.
0
2 × 10−5
(3.70)
Звуковое давление, создаваемое колонкой у задней стены зала (3.71):
 =
ЧХГ × √ × э 2,08 × √12 × 3
=
= 0,73 Па.

17,1
(3.71)
Уровень звукового давления, создаваемого колонкой у задней стены
зала (3.72):
 = 20 lg

0,73
= 0 lg
= 0,73 Па.
0
2 × 10−5
(3.72)
т.е. у задней стенки зала уровень звукового давления, создаваемого звуковой
колонкой будет несколько превосходить требуемые 90 дБ.
3.6 Расчет характеристики направленности звуковой колонки в
горизонтальной и вертикальной плоскостях
Расчет характеристик направленности звуковой колонки проводится
для
переднего
полупространства
излучения.
Расчет
в
заднем
полупространстве излучения достаточно трудоемок, поэтому воспроизвести
его не представляется возможным.
Выражение для характеристики направленности звуковой колонки в
горизонтальной плоскости имеет вид (3.73):
г () = |
2 ×  × ( ×  × sin())
|.
 ×  × sin()
(3.73)
Выражение для характеристики направленности звуковой колонки в
вертикальной плоскости имеет вид (3.74):
в () = |
2 ×  × ( ×  × sin())
|
 ×  × sin()
3×××
sin (
× sin())
2
×|
|. (3.74)
3××
 × (sin (
× sin()))
2
Расчет по формулам (3.73) и (3.74) проводится при  ×  =
0,25; 0,5; 1; 2; 4. Графики характеристик направленности звуковой колонки
приведены на рисунке 3.12 (а) и (б).
Рисунок 3.12 – Характеристика направленности звуковой колонки в:
(а) горизонтальной плоскости; (б) вертикальной плоскости
Глава 4 Проведение эксперимента с акустической системой
4.1 Параметры Тиля-Смолла
Параметры Тиля-Смолла — это характеристики, с помощью которых
можно описать работу динамика. Есть конструктивные параметры, например,
масса, эквивалентный объем, и не конструктивные, являющиеся следствием
конструктивных. Чтобы определить, какой динамик установлен в колонке,
хватит четырех основных параметров [23].
Резонансная частота динамика Fs (Гц) — частота резонанса
динамика, работа которого осуществляется без акустической «оболочки».
Значение параметра изменяет свое значение в зависимости от веса
подвижной части, а также от жесткости подвеса. Стоит отметить, что ниже
этого параметра динамик перестает звучать из-за быстрого снижения уровня
звукового давления.
Эквивалентный объем Fas (литр) — объем корпуса, который
необходим для эффективной работы динамика. На значение этого параметра
влияют две составляющие: гибкость подвеса и площадь диффузора. Этот
параметр очень важен, так как работа динамика основана не только на его
конструктивных особенностях, но и на находящемся внутри его корпуса
воздухе. Отклонение в давление от необходимого уровня приводит к плохой
работе динамика.
Полная добротность Qts – соотношению всех имеющихся в
подвижной части динамика сил (вязких и упругих) около резонансной
частоты устройства. Чем выше значение этого показателя, тем больше
упругость подвижной части и тем лучше начинает звучать динамика на
частотах резонанса.
Полная
добротность
представляет собой
суммарную
величину,
складываемую из добротностей электрической и механической. Под
механической понимают упругость двух конструктивных элементов: подвеса
и гофры центрирующей шайбы. Она составляет 10-15% от полной
добротности. Оставшиеся 85-90% представляют собой электрическую
добротность, которая формируется работой катушки и действием магнитного
поля в пространстве АС.
Сопротивлению току постоянной направленности Re (Ом) 
величина,
с
которой
обмотка
головки
устройства
сопротивляется
постоянному току.
Механическая
добротность
Qms
–
отношение
упругих
сил
механических компонентов конструкции АС к вязким силам.
Электрическая добротность Qes – отношение величины упругих сил
устройства к величине вязких сил. Первые образуются в электрической части
конструкции.
Диффузорная площадь Sd (см2) — чаще всего обозначает площадь, в
которой происходит движение воздуха при работе динамика. Стандартное
значение параметра — 18 дюймов (1150 см2). Существуют динамики с
меньшей площадью диффузора, например, 15-ти дюймовые (890 см2).
Нередко, чтобы определить диффузорную площадь, учитывают и
глубину динамика. Чем выше глубина, тем будет больше площадь диффузора
при
идентичных
диаметрах.
Вот
почему
можно
увидеть
разную
эффективность динамика с одинаковыми диаметрами. То есть те динамики,
которые имеют эффективную площадь больше, у них, либо более глубокий
динамик, либо их подвес меньших размеров, что также повышает
эффективность.
Чувствительность SPL (дБ) — звуковое давление, которое может
развить громкоговоритель. Для измерения даются следующие параметры:
мощность — 1 Ватт, частота — 1 Гц. Замеры производятся на расстоянии 1
метр. Чувствительность SPL напрямую влияет на громкость звука. Чем она
выше, тем громче играет динамик. В 2-х и 3-х полосных АС данный
параметр равен по модулю чувствительности самой системы.
Индуктивность Le (Гн) –индуктивность конструкции катушки.
Импеданс Z (Ом) — соотношение амплитуды напряжения к силе тока.
Значение высчитывается для комплексных величин на определенных
частотах.
Пиковая мощность Pe (Вт) — пиковое значение выходной мощности
на динамике.
Масса подвижной системы Mms (г) — эффективная масса, которая
состоит из массы диффузора, а также воздуха, приводимого им в движение.
Относительная жесткость Cms (м/Н) — характеристика гибкости
подвижной
части
головки
громкоговорителя.
Чем
выше
значение
относительной жесткости, тем более мягким является подвес.
Двигательная мощность BL – это произведение длины мотков
проводки в катушке на плотность создаваемого в динамике магнитного
потока.
4.2 Методика тестирования
Для
проведения
тестирования
экспериментальной
акустической
системы будем использовать классическую методику, которая была описана
в первой главе, но с внесенными корректировками, которые позволяет более
эффективно адаптировать ее под нашу АС. Комплекс мероприятий разделен
на две основные части: аппаратную и программную [24, 25].
Для проведения измерений мы будем использовать конденсаторный
микрофон Nady CM-100 (Рисунок 4.1). Микрофон имеет круговую
диаграмму направленности и при его невысокой стоимости по сравнению с
аналогами
обладает
прекрасными
характеристиками.
Микрофон
был
специально спроектирован для использования в бюджетных вариантах
измерительных лабораторий. Заводские параметры микрофона, описанные в
прилагаемой к нему документации, указаны в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Технические характеристики микрофона Nady CM-100
Название характеристики
Значение
Импеданс, Ом
600
Чувствительность, дБ
−40
Частотный диапазон, Гц
20 − 20000
Максимальное звуковое давление, дБ
120
Питание (фантомное), В
15-48
Рисунок 4.1 – Измерительный микрофон Nady CM-100
Для крепления микрофона используется стойка Proel – она позволяет
надежно закрепить устройство в пространстве на необходимой высоте и под
необходимым для проведения измерений углом наклона. Четкое крепление
снижает воздействие паразитных интерференций и пере отражений, что
повышает точность выполняемых измерительных работ.
Микрофонным предусилителем служит M-Audio Audio Buddy (Рисунок
4.2). Устройство изготовлена для работы в сфере звуковой аудиозаписи; его
конструкция спроектирована для взаимодействия с микрофонами, которым
требуется
фантомное
питание.
Кроме
того,
пользователь
может
задействовать два выхода: балансный и небалансный TRS.
Технические характеристики предусилителя M-Audio Audio Buddy,
описанные в прилагаемой к нему документации, указаны в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Технические характеристики микрофона Nady CM-100
Название характеристики
Значение
Частотный диапазон, Гц
5 − 50000
Микрофонное усиление, дБ
60
Входное сопротивление микрофонного входа, Ом
1000
Усиление инструментов, дБ
40
Входное сопротивление инструментального входа, Ом
Питание, В (А)
105
9, 300
Рисунок 4.2 – Микрофонный предусилитель M-Audio AudioBuddy
Для проведения последующего анализа получаемый выходной сигнал
из усилителя поступает на вход программного интерфейса. В своей работе
мы используем PCI-плату ESI [email protected] (Рисунок 4.3). Данное оборудование
относится к полупрофессиональным.
Рисунок 4.3 – Звуковая плата ESI [email protected]
Технические характеристики PCI-платы ESI [email protected], описанные в
прилагаемой к нему документации, указаны в таблице 4.3.
Таблица 4.3 – Технические характеристики PCI-платы ESI [email protected]
Название характеристики
Значение
4 входа (2 аналоговых, 2 цифровых),
Количество I/O
6 выходов (2 аналоговых, 4 цифровых)
АЦП/ЦАП, кГц
24 − бит/192
Частотный диапазон, Гц
20 − 21000
Динамический диапазон, дБ
114 дБ/112 дБ
Интерфейс
PCI
Синхронизация
MTC, S/PDIF
Неравномерность тракта, расположенная в частотном диапазоне 20 —
20 000 Гц лежит в границах +/- 1...2 Дб. Это позволяет выполнять измерения
с большой точностью.
Самой большой проблемой, которая оказывает негативное влияние на
проделываемую работу, является проведение замеров в обычной комнате,
для которой характерна стандартная реверберация. Измерения проводятся в
помещении площадью 190 м2. Объем пространства — 1200 м3.
Применение безэховой камеры может повысить точность результатов,
однако ее чрезмерно высокая стоимость не позволяет приобретать ее для
выполнения работ с маленьким бюджетом. Обычно такие камеру используют
только крупные производители АС или другие «богатые» организации. Но
есть в этом недостатке и свою преимущества. АЧХ, получаемая в реальных
условиях будет отличаться от той, что можно получить в камере [26, 27].
Второй, не менее важный компонент для проведения измерительных
мероприятий, является программное обеспечение. В современной области
АС используется несколько программных продуктов, например, RightMark
Audio Analyzer ver 5.5 (Рисунок 4.4) или TuneRTA ver 3.3.2 (Рисунок 4.5). Это
не все возможное программное обеспечение, поэтому для выполнения работ
необходимо выбрать то, которое будет полностью отвечать заявленным
требованиям.
Чаще всего специалисты прибегают к программе RMAA; она
распространяется совершенно бесплатно, регулярно обновляется — все это
обеспечивает практичность и высокую точностью результатов измерений.
Требования
регламентирующих
к
проведению
документах.
измерений
описаны
Во-первых,
это
в
нескольких
устаревшие
государственные стандарты за номерами 16122-87 и 23262-88, разработанные
еще во времена СССР [28]. Во-вторых, рекомендации МЭК за номерами 268-
5, 581-5, 581-7 [29]. В-третьих, немецкий стандарт DIN 45500 [30]. Можно
использовать еще и положения, принятые на территории США - AES и EIA.
Рисунок 4.4 – Программа RightMark Audio Analyzer
Рисунок 4.5 – Программа TrueRTA
Акустическая
система
располагается
в
центре
помещения;
ее
местоположение удалено от стен и больших предметов. Для ее фиксации
применяется стойка метровой высоты. Микрофон должен быть зафиксирован
на расстоянии метр от стойки на прямой оси. Высота расположения
микрофона должна быть таковой, чтобы он был направлен примерно
посередине между среднечастотными и высокочастотными динамиками.
Рисунок 4.6 – Измерительный модуль JustMLS программы LSPCad
Получаемая в ходе работы АЧХ, которая является одной из самых
важных
характеристик
воспроизведения
—
это
неравномерности
АЧХ.
в
классической
параметр,
Кроме
АЧХ
электроакустике.
который
напрямую
измерению
Верность
зависит
подлежат
от
угловые
характеристики АС. Если выполнять работу по всем правилам, то важно
получить полный набор зависимостей в двух плоскостях с шагом 10-150.
Только так можно с уверенностью говорить о диаграмме направленности
динамиков. Угловые характеристики не менее важны, чем АЧХ, получаемая
на прямой оси; они позволяют охарактеризовать звук, который доходит до
человека после отражения от предметов, расположенных в помещении.
Статистика утверждает - отражения в месте прослушивания составляет 80%.
Рисунок 4.7 – Упрощенная блок-схема процесса измерений
После
проведения
измерений,
необходимо
проанализировать
полученные результаты. Слуховая система человека представляет собой
многоканальную систему, усложненную 4000 избирательных фильтров.
Такая «конструкция» позволяет системе «пропускать» коротковолновые
импульсы за счет высокой фильтровой прозрачности. При этом малые
значения
звуковой
интенсивности
увеличивают
разрешительную
способность слуха, вот почему специалисты в области акустических систем
рекомендуют
музыкальные
композиции,
где
высокая
интенсивность
встречается крайне редко, например, классика или джаз.
Музыка агрессивных стилей дает возможность проанализировать
паразитные резонансы, изучить атаку АС и сделать вполне однозначные
выводы по оказываемому во время прослушивания давлению. Именно
поэтому направления музыки должно чередоваться.
Если говорить в общих чертах, то АЧХ слуховой системы человека
близка по характеристикам к АЧХ низкочастотного фильтра 2-го порядка,
для которого характерна частота в 2 кГц. Это объясняется падение слуховых
возможностей при повышении интенсивности выше 2 кГц с уклоном 12 дБ на
октаву. Этот факт указывает на то, что частоты средней длины оказывают
большое влияние на создание музыкального образа.
4.3 Измерения АЧХ акустической системы
Для измерения, которое осуществляется по двухканальной системе,
используются микрофон на основе капсюлей DH6050A, усилитель и звуковая
плата Audigy 2ZS. Динамик располагается в оформлении 3Я, в котором
передняя панель представляет собой акустический экран.
Чтобы
получить
наиболее
правдоподобную
АЧХ,
в
которой
отсутствуют перекосы в одну или другую сторону по частоте (а это
происходит крайне часто), измерения необходимо производить, как
минимум, три раза для СЧ-головок акустических АС и по два измерения для
НЧ и ВЧ-головок. В случае с СЧ-головками все измерительные мероприятия
проводятся для трех зон: дальней, средней и ближней. Для НЧ — в средней и
и ближней, для ВЧ — средней и дальней зонах.
В большинстве технической литературе можно встретить описание
измерительных работ, выполняемых в дальней зоне (50 — 100 см) или
ближней (3 — 5 мм). Но, чтобы правильно «сшить» получаемые в ходе
работы графики, необходимы данные полученные во время измерений в
средней зоне. На приведенном ниже рисунке вроде ясно, что проводить
сшивание графиков необходимо на частоте 1300 — 1500 Гц, но при более
детальном рассмотрении становится ясно, что в ближней зоне искажения
проявляются уже на частоте 1000 Гц, а в дальней они дотягивают до 2500 Гц.
Рисунок 4.8 – Измерения АЧХ в ближней и дальней зонах
Именно по этой причине для измерения АЧХ АС крайне важно
получить данные в промежуточной зоне (15 — 35 см). При этом,
необходимость такого измерения пропорционально расстоянию микрофона
от ГД.
Порядок измерений:
1. В самом начале необходимо провести измерительные работы на
расстоянии 50 см (это расстояние от микрофона до лицевой панели
акустической системы или до пылезащитного колпачка) с окном 10 мс. Жмем
«Start». После, на вкладке Time domain корректируем показатель Offset,
выставляя его значение таким, чтобы пик, который приходит с клемм
динамика равнялся пику с микрофона; Во время измерения НЧ-динамика
происходит
затягивание
переднего
фронта,
что
является
причиной
неверности построения фазы, так как при совпадении пиков, импульс,
образующийся в микрофоне, доходит раньше. Для решения этой проблемы
(при попытке измерить АЧХ низкочастотных динамиков) выстраивать их
надо относительно передних фронтов. В этом случае движение фазы будет
направлено вниз, что нам и надо. Нажимаем «Start» и регистрируем
полученный в ходе измерений график. Для этого надо нажать «Store1».
Рисунок 4.9 – Измерения АЧХ в дальней зоне
2. Чтобы получить данные в средней зоне, измерения проводятся на
расстоянии 50 см и с окном 50 мс. Повторяем все действия, описанные в
пункте 1, и сохраняем получившиеся данные, нажав кнопку «Restore2»;
Рисунок 4.10 – Измерения АЧХ в средней зоне
3. Измерения в ближней зоне не отличаются от измерительных
мероприятий в дальней и промежуточной. Проводятся они на расстоянии 1
см с окном 100 мс. Для запоминания необходимо нажать кнопку «Restore3»;
Рисунок 4.11 – Измерения АЧХ в ближней зоне
4. Анализируя полученные данные, можно заметить, что АЧХ в
дальней зоне (на частотах 1-2,5 кГц) подвергаются искажению, в отличии от
АЧХ в промежуточной и ближней зонах. В ближней зоне АЧХ искажается, и
на высоких, и на средних частотах (1-2 кГц). Производим сшивание
графиков, которые были получены в дальней и промежуточной зонах в
наиболее схожей зоне. Как видно из рисунка, это частота 2,7 кГц.
Измерительные фазы полностью совпали, что может говорить о том, что
импульсные характеристики нами сориентированы правильно — подбирать
задержку нет смысла.
Рисунок 4.12 – Сшиваем измерения средней и дальней зон
5. Сшиваем измерения, которые были нами получены в пунктах 1 и 4.
Для них наиболее схожий участок на графике — 1,3 кГц. В этом случае
измерительные фазы не совпадают, что говорит о неверности сделанной
ориентации импульсных характеристик. Производим подбор задержки для
ближней зоны — 30 мкс;
Рисунок 4.13 – Сшиваем измерения ближней и средней зон
6. Из-за присутствия в ближней зоне эффекта Saffle Step (влияние на
получаемые измерения малых размеров корпуса, чаще всего, ширины),
необходимо
учитывать
его
во
время
проведения
измерительных
мероприятий. Чтобы учесть указанный выше эффект, необходимо рассчитать
«серединную» частоту, при которой значение подъема составляет 3дБ.
Определяется она по формуле f=115/W, где W – ширина панели (м), к
которой крепится динамик. Полученное при расчете значение 144 Гц вводим
в поле Baffle Step и жмем «Apply». Получаем график следующего вида [3135]:
Рисунок 4.14 – Результат измерений
4.4 Определение чувствительности акустической системы
Для определения чувствительности динамика необходимо правильно
определить чувствительность ГД. Сделать это можно двумя основными
способами. Первый — использовать шумомер, качественное, но весьма
дорогостоящее оборудование. Этот метод использует непосредственную
оценку характеристик, отчего и получил свое название. Второй —
использование фирменного динамика. Метод получил название метода
замещения. Шумомер необходим только для проведения профессиональных
измерений, в домашних условиях можно обойтись более простыми
измерительными приборами [36].
В своей работе мы будем использовать метод замещения в связи с его
простотой и дешевизной. Заменим измерительный динамик эталонным —
Visaton BG20. Выбор на эту модель пала по причине совпадения ее АЧХ с
заводской.
Измерение АЧХ и ВЧХ выполняем при напряжении на выходе
усилителя мощности 2,828В, которое соответствует величине мощности в 1
Ватт с нагрузкой 8 Ом. Калибровка ПО JustMLS идентична калибровке
программы LspLAB (каждая программа имеет свою калибровку, но она
неизменна). Если производить перекалибровку программного обеспечения,
сохранив схему подключения используемых приборов, получится тот же
калибровочный график, который мы имели ранее. Все измерения в ближней
и промежуточной зонах сводятся относительно измерений, получаемых в
дальней, так как они производятся на неизменяемом удалении от экрана АС и
при неизменном усилении. Получение реальных данных возможно при учете
разницы в мощностях на катушках динамиков , а также увеличении
показателя Scale на величину, которая позволяет уровнять АЧХ эталонного
динамика с его же АЧХ при установленных заводских параметрах. В
проводимых измерения величина, на которую необходимо поднять параметр
Scale, равняется 95,4 дБ. Разницу в сопротивления катушек динамиков можно
выразить звуковым давлением. Сделать это можно по следующей формуле:
 −
1
1
( 1 1)
= 10 20 × √ ,
2
2
Так как U1=U2, получаем;
1
2 = 1 + 20 log √ или
2
 = Э + ПОПР ,
где,
1
ПОПР = 20 log √
2
Поэтому при известной SЭ - чувствительности эталонного динамика (в
наших измерениях ею выступает значение параметра Scale=95,4 дБ) мы
получаем равные сопротивления катушек для обоих динамиков. Это поможет
нам
определить
чувствительность
измеряемого
полученные значения будут иметь точность +/-0,5 дБ.
динамика,
притом
Получив значение Sпопр, равное -2,97 дБ, увеличиваем его на значение
Scale. Это и будет реальная чувствительность динамика, полученная на
расстоянии в 1 метр, при подводимой мощности в 1 Ватт. Описанный метод
позволяет получить реальные показатели чувствительности любого динамика
акустической системы.
Рисунок 4.15 – Полученная АЧХ динамика с реальной чувствительностью
Надо отметить, что если график не был должным образом от
монтирован, но при этом он был сохранен в текстовой файл, то сделать его
обработку можно при помощи функции импорта в программах LspLAB и
LspCAD, причем вторая прекрасно принимает файлы, полученные в JustMLS.
Чтобы использовать файлы justMLS в LspLAB, надо заменить первую
строчку в текстовом файле (который получается в justMLS) заменить на
строку, выделенную цветом Freq db Phase. Это позволит импортировать файл
графика в LspLAB и вносить в него любые корректировки.
Заключение
В ходе написания выпускной квалификационной работы были
рассмотрены пять видов акустического оформления: «Closed Box», «FreeAir»,
«Bass-Reflex»,
«Passive
Radiator»
и
«Bandpass».
Акустическое
оформление «колонки» в виде закрытого ящика.
Так
же
были
рассмотрены
методики
создания
и
настройки
многополосных полосных АС, разработка фильтров второго порядка и
измерение и настройка АЧХ АС.
Был подробно описан весь ход расчета звуковой колонки. Весь расчет
можно
условно
динамической
разделить
головки
и
на
две
расчет
части:
определение
параметров,
получение
параметров
графиков
характеристик звуковой колонки.
При расчете параметров динамической головки было уделено
внимание на то, что ее подвижная система обладает малой массой по
сравнению с массой всей головки. Особое внимание следует обратить на
звуковую катушку. Для повышения надежности и качества работы
динамической головки необходимо выполнение сразу двух условий:
ограничение плотности тока в звуковой катушке и достаточная удельная
площадь охлаждения катушки. При несоблюдении данных условий звуковая
катушка будет перегреваться, а может даже выйти из строя. Все это
отразится
на
качестве
звуковоспроизведения.
динамической
головки
оказывается
Очевидно,
совершенно
что
недостаточно
одной
для
озвучивания зала. Приходится использовать несколько динамических
головок, объединенных в одной звуковой колонке. В этом случае достигается
необходимый уровень звукового давления у задней (дальней) стенки зала. На
характеристиках направленности видно, что звуковая колонка является
широко направленной в горизонтальной плоскости и остронаправленной в
вертикальной плоскости.
Диапазон
(250…5772Гц).
разумеется,
частот
Для
рассчитанной
звуковой
высококачественного
использовать
нельзя,
для
колонки
невелик
воспроизведения
музыки,
этой
цели
используются
широкополосные акустические системы. Однако рассмотренный расчет
ставит целью демонстрации наиболее значимых свойств, характеристик
динамической головки и звуковой колонки. Часто используются для
озвучивания больших помещений и пространств.
При проведении эксперимента с разработанной АС были рассмотрены
параметры Тиля-Смолла и параметры для субъективного прослушивания.
Согласно представленной в работе методики тестирования АС было выбрано
оборудование: измерительный микрофон Nady CM-100, микрофонный
предусилитель M-Audio AudioBuddy и звуковая плата ESI [email protected] В качестве
программного обеспечения была выбрана программа RightMark Audio
Analyzer, т.к. она соответствовала всем требованиям.
При проведении эксперимента по рассмотренной методики были
получены следующие результаты:
 АЧХ в дальней зоне (на частотах 1-2,5 кГц) подвергаются
искажению, в отличии от АЧХ в промежуточной и ближней зонах
 в ближней зоне АЧХ искажается, и на высоких, и на средних
частотах (1-2 кГц)
 измерительные фазы полностью совпали, что может говорить о том,
что импульсные характеристики нами сориентированы правильно.
Список литературы
1. Багларов И.А., Ефимов А.П., Никонов А.В. Стереофоническое
вещание.М.: Радио и связь, 1993.
2. Allison R. The Influence of Room Boundaries on Louspeaker Power
Output. – J. Audio Eng. Soc., Vol. 22, #5, 1974, рр. 314-319.
3. Сальникова Е.Н., Стаценко Л.Г. Акустические системы: уч.
пособие. – Дальневосточный Федеральный университет, 2016. – 102 с.
4. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically. II. Turbulence as a
source of sound. // Proc. Roy. Soc. (London). – A 222. – 1954. – Р. 1–32.
5. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically. I. General theory //
Proc. Roy. Soc. (London). – A 211. – 1952. – Р. 564–587.
6. Иоффе В.К., Лизунков М.В. Бытовые акустические системы.-М.:
Радио и связь, 1998.
7. Акустика студий звукового и телевизионного вещания. Системы
озвучивания: учебно-методическое пособие/сост. Л.Г. Стаценко, Ю.В.
Паскаль. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006 – 96 с
8. Замятин А.В., Сухомлинова В.В «Алгоритм расчёта первых
отражений на основе геометрической модели» [Электронный ресурс] //
Интернет-журнал
«НАУКОВЕДЕНИЕ»,
№3
2012
http://naukovedenie.ru/sbornik12/12-89.pdf (доступ свободный) – Загл. с экрана.
– Яз. рус
9. Беранек Л. Акустические измерения. М., ИЛ, 1952, с. 542-564.
10. Кремер Л. Объем информации, требуемый для акустической
характеристики помещения/в сб. Проблемы современной акустики. М., Издво Академии наук СССР, 1963, с. 137-140
11. Волков Ю.В., Ефимов А.П. Расчет студии звукового вещания:
Задания на курсовой проект и метод. пособие по его выполнению. – М.:
МТУСИ, 1994.
12. Никонов А.В., Папернов Л.З. Измерители уровня звуковых
сигналов. – М.: Радио и связь, 1981.
13. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты: метод.
указания к курсовому проектированию / сост.: В. А. Ефимов; Владим. гос.
ун-т. – Владимир: Ред.-издат. комплекс ВлГУ, 2005. – 44 с.
14. Завьялов, С. А. Схемотехника усилителей мощности низких частот:
учеб. пособие / С. А. Завьялов, К. В. Мурасов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010.
− 92 с.
15. Атаев Д.И., Болотников В.К. Функциональные узлы усилителей HiFi. – М.: МЭИ, 1994.
16. Алдошина И.А. Электроакустические измерения и оценка качества
звучания. – СПб.: СПГУТ им. М.А. Бонч-Бруевича, 1998.
17. Стаценко Л.Г., Паскаль Ю.В. Акустика студий звукового и
телевизионного
вещания.
Системы
озвучивания:
учебно-методическое
пособие/сост. Л.Г. Стаценко, Ю.В. Паскаль. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ,
2006 – 96 с.
18. Лихницкий А. Комната прослушивания – рекомендации по
проектированию А. Лихницкий. А/М №4 2001.
19. Смирнова Н. А., Уваров К. Акустический проект студии записи.
Учебно-методическое руководство по выполнению курсовой работы для
студентов специальности «Аудиовизуальная техника» Смирнова Н. А.,
Уваров К.- СПб.: изд. СПбГУКиТ, 2010.- 18с .
20. Виноградова
Э.
Л.
Конструирование
громкоговорителей
со
сглаженными частотными характеристиками. — М.: Энергия, 1978.-48 с.
21. Куценко А.Н., Раскита М.А. Методическое пособие по курсу
«Электроакустика и звуковое вещание». Часть 1 «Громкоговорители». –
Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. – 103 с.
22. Ефимов А.П., Никонов А.В., Сапожков М.А., Шоров В.И. Акустика:
Справочник / А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А., Сапожков, В. И. Шоров;
Под ред. М. А. Сапожкова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь,
1989. - 336 С.: ил.
23. Эфруси М.М. Микрофоны и их применение. – М.: Энергия, 1974.
24. ГОСТ
16122-88.
Громкоговорители.
Методы
измерения
электроакустических параметров. – М.: Стандарты, 1988.
25. Вахитов Ш.Я. Современные микрофоны. Теория, проектирование. –
СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2003. – 396 с.
26. Вахитов Ш.Я., Ковалгин Ю.А., Фадеев А.А., Щевьев Ю.П.
Акустика: Учебник для вузов / Ш.Я. Вахитов, Ю.А. Ковалгин, А.А. Фадеев,
Ю.П. Щевьев; Под ред. профессора Ю.А. Ковалгина. – М.: Горячая линия –
Телеком, 2009.
27. Вахитов Я. Ш. Электродинамические громкоговорители: теория
расчета. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. –
Л.: ЛИКИ, 1983.
28. ГОСТ
23262-88
Системы
акустические
бытовые.
Общие
технические условия. – М.: Стандарты, 1988.
29. Рекомендации МЭК (публикации 268-5, 581-5 и 581-7)
30. DIN 45500-10-1990 High fidelity audio equipment and systems;
minimum performance requirements for headphones DIN 45500-10(1975.09) DIN
IEC 84(CO) 8(1986.06) Дата опубликования: 01.03.1990
31. IJData - официальный сайт пакета LspCAD [Электронный ресурс], http://www.ijdata.com/
32. justMLS manual - руководство по использованию justMLS
[Электрон-ный ресурс], - http://www.ijdata.com/justMLS manual.pdf
33. LoudSpeaker LAB Homepage - официальный сайт пакета LspLAB
[Электронный ресурс], - http://www.lsp-lab.com/
34. LoudSpeaker LAB 3 Description - описание возможностей пакета
LspLAB [Электронный ресурс], - http://cxo.lv/soft/comsoft/52-lsplab
35. Методика измерения с помощью justMLS [Электронный ресурс], http://article.techlabs.by/49_1020_2.html
36. Работа с LoudSpeaker LAB 3 - руководство по работе с программой
LspLAB
[Электронный
ресурс],
- http://www.soundlab-speakers.com/pdf-
files/Sound-Lab+..
37. Акустические измерения с помощью программы LspLAB 3
[Электронный ресурс], - http://cxo.lv/soft/6/55-lsplabf
Приложение А
УДК 534.4
РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА УСТРОЙСТВА ИССЛЕДОВАНИЯАЧХ
ДИНАМИЧЕСКИХ ГОЛОВОК В РАЗЛИЧНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ
ОФОРМЛЕНИЯХ
Иванов Н.О., гр. 21-В-М,
рук. к.т.н. Тугарев А.С.
Аннотация
Иванов Н.О., гр. 21-В-М, рук. к.т.н. Тугарев А.С. Разработка проекта
устройства исследования АЧХ динамических головок в различных
акустических
оформлениях.
Разработан
проект
устройства
на
микроконтроллере семейства PIC, которое выполняет считывание и
воспроизведение аудиофайлов для последующего анализа акустических
характеристик динамических головок.
Введение
Корректировка
амплитудно-частотных
характеристик
при
прослушивании музыкальных произведений или просто тестировании
различной звуковой аппаратуры – одно из важных направлении при
разработке акустических систем. Это основывается на передаче аудио
сигнала с минимальными потерями, т.е. устранении пиков и провалов в АЧХ,
будь то винил, CD или VHS проигрыватель.
В данной работе описывается процесс проектирования устройства
воспроизведения и корректировки АЧХ, для последующего анализа, как при
помощи дополнительного вспомогательного оборудования и программных
средств, так и при помощи субъективного восприятия слушателей. При этом
устройство предполагает следующие базовые функции:
1. Чтение данных с Secure Digital (SD) карты по протоколу
Serial Peripheral Interface (SPI);
2. Передача данных на аудио декодер по протоколу SPI, для
последующего воспроизведения;
3. Усиление звуковых частот и разделение на звуковые
полосы при помощи фильтров (кроссовера) для устранения пиков и
провалов АЧХ.
Кроме базовых функций устройство так же реализует ряд функций
управления процессом воспроизведения: воспроизведение / пауза, выбор
громкости, выбор аудиофайла.
Структурная схема устройства
Структурная схема разрабатываемого устройства представлена на
рисунке 1, на которой показано, что устройство состоит из пяти основных
блоков, выполняющих определенные функции.
Рисунок 1. Структурная схема разрабатываемого устройства.
Рассмотрим каждый из блоков подробно.
1.
любой
SD-карта – flash-карта памяти формата SD c NAND-архитектурой
емкости
со
встроенным
SPI-интерфейсом
[1,
c.279].
В
разрабатываемом устройстве используется для хранения данных.
2.
Микроконтроллер
–
устройство,
выполняющее
основные
функции управления всем устройством и выполняет роль посредника,
передавая данные с SD карты аудио декодеру. По результатам анализа
задачи, было принято решение об использовании МК семейства PIC
производства Microchip [2]. Выбор конкретной микросхемы определяется
поставленными задачами – напряжение питания микросхемы от 2 до 5 вольт,
что дает возможность работать с SPI, для работы которого требуется 3,3
вольта.
3.
является
Аудио декодер – ведущей функцией данной микросхемы
воспроизведение
аудиофайлов,
поэтому
необходимо
иметь
возможность декодировать этот тип данных и преобразовывать его в
аналоговый сигнал для воспроизведения. Существует несколько способов
для реализации этой задачи – либо программно-аппаратная реализация
воспроизведения с использованием каналов широко-импульсной модуляции
(ШИМ) в МК, либо использование микросхемы декодера, который способен
декодировать
аудиофайл
и
воспроизводить
его
без
использования
вспомогательного кода. Решено было использовать микросхему аудио
декодера VS1001 [3] производства Solution.
4.
УЗЧ – усилитель звуковых частот, предназначенный для
усиления маломощных электрических сигналов звуковых частот. УЗЧ
предполагается собрать на схеме TDA1558 производства Philips [4]. В
документации указаны несколько типов подключения, а именно для
двухканальной
системы
с
выходной
мощностью
2 × 22
четырехканальной системы с выходной мощностью 4 × 11 Вт.
Вт
и
5.
Корректирующие фильтры – система из пассивных фильтров
низких частот (20 Гц – 1000 Гц), средних частот (1000 – 5000 Гц) и высоких
частот (5000 – 20000 Гц). Основная функция таких фильтров – создание
оптимальных условий для работы динамических головок в частотных
полосах и устранение недостатков за их пределами. Так же от этих фильтров
зависит равномерность характеристик направленности в области совместного
действия головок, на которую влияет АЧХ; ослабление пиков и провалов
АЧХ акустической системы.
Принципиальная схема устройства
Принципиальная схема разрабатываемого устройства показана на
рисунке 2.
Рисунок 2. Схема электрическая.
Технические характеристики разрабатываемого устройства:

Напряжение внутреннего источника питания: 3,3 В (12 В
для усилителя);

Напряжение
внешнего
источника
питания:
3,6
В
(Батарейка), 12 В (блок питания);

Максимальная выходная мощность УЗЧ: 22 Вт.
Для того, чтобы устройство могло воспроизводить любой аудио сигнал,
было решено использовать внешнюю flash память. Это дает возможность
пользователю самому выбирать вид аудио сигнала, будь то музыка, для
последующей оценки звучания или шум (розовый, белый) для оценки
работоспособности динамической головки. Объем памяти карты так же
остается на выбор пользователя, в пределах до 2 Гб.
Передача данными между микроконтроллером DD1 и flash-картой
осуществляется при помощи SPI интерфейса. В качестве ведущего идет
микроконтроллер DD1, а в качестве ведомого – SD карта. Так как многие
контроллеры не имеют SPI, то эта проблема решается программным путем.
В микроконтроллер DD1 так же добавлена возможность регулировки
громкости (SB1, SB4), выбора проигрываемого аудиофайла (SB2, SB5) и
возможности остановки воспроизведения SB3.
Аудио
декодер
DD2
осуществляет
передачу
данными
с
микроконтроллером DD1 при помощи того же интерфейса SPI, что и обмен
данными между микроконтроллером DD1 и SD картой. Аудио декодер
использует кварцевый резонатор с тактовой частотой 24 МГц (24,576 Гц).
Сформированный сигнал подается на интегральный усилитель звуковых
частот DA1. Этот стереофонический мостовой УМЗЧ для применения в
аудиосистемах. Микросхема DA1 предполагает наличие радиатора.
Частотная коррекция была разработана на основе пассивных LCфильтров [5, с. 38-42]. Данная схема проста в применении, а компоненты
рассчитываются всего по двум уравнениям:
=
1
,
2н
(1)
Н
,
2
(2)
=
где  − частота разделения полос, н − сопротивление динамика. Беря
в расчет частоты разделения полос между НЧ и СЧ равным 1 = 100 Гц и
частоту разделения полос между СЧ и ВЧ равной 1 = 1000 Гц получаем
следующие номиналы для С18, С19, С20, С21, L1, L2, L3 и L4:
18 = 19 =
1
= 40мкФ
2 ∙ 1000 Гц ∙ 8 Ом
20 = 21 =
1 = 3 =
1
= 4мкФ
2 ∙ 100 Гц ∙ 8 Ом
8 Ом
≈ 0,125 мГн
2 ∙ 1000 Гц
2 = 4 =
8 Ом
≈ 1,25 мГн
2 ∙ 100 Гц
Рисунок 3. АЧХ фильтров. Зеленая линия – НЧ, красная – СЧ, синяя –
ВЧ.
Из полученных характеристик фильтра видно, что разделение
между НЧ и СЧ происходит на частоте 920 Гц.
Методика оценки качества звучания динамических головок
Основным документом, используемым при организации субъективной
экспертизы является стандарт AES [6], в котором определены следующие
критерии:
1. Условия
прослушивания
(помещение,
размещение
слушателей, параметры звуковоспроизводящего тракта);
2. Условия тестирования (выбор прослушиваемого материала,
методы оценки, интерпретация полученных результатов);
3. Условия подбора экспертов (проверка слуховых порогов,
проверка опыта прослушивания);
4. Выбор оценочных таблиц и способов статистической
обработки результатов.
Стандарт [2] устанавливает два метода тестирования: метод парного
сравнения и метод абсолютной оценки качества звучания. Первый метод
заключается в сравнении акустической системы с заранее отобранным
эталонным
образцом.
Экспертиза
оценивает
разность
отличия
экспериментального образца от эталонного. Оценка должна проводиться
вслепую, т.е. визуально не прозрачный, но прозрачный в акустическом
понимании экран. Влияние экрана не должно приводить к спаду АЧХ к
высоким частотам более чем 1 дБ на 10кГц. Второй метод базируется на
сравнении звуковоспроизводящей аппаратуры с “живым” звуком. Для этого
метода требуется привлечение экспертов, имеющих большой опыт слухового
контроля (музыканты, звукорежисеры).
Заключение
В ходе проектирования устройства были рассмотрены многие
схемотехнические и программные решения подобных устройств, а так же
мануалы ведущих компаний в звукотехнике, таких как Samsung, Sony, Digma
и многих других. Так же была разработана система разделения звукового
сигнала по звуковым полосам частот (кроссовер).
Так же на основе требований, предъявляемых к субъективной оценке
звучания звуковоспроизводящей аппаратуры следует отметить то, что
устройство должно иметь возможность воспроизводить аудио сигнал,
который будет иметь минимальный спад, при прохождении через замкнутую
поверхность. Это было достигнуто путем проектирования усилителя,
основанного на микросхеме TDA1558.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Бережена А. Б., Цололо С.А. Разработка устройства
воспроизведения mp3-файлов на микроконтроллере семейства AVR //
Информационные
управляющие
системы
и
технологии
и
компьютерный мониторинг – 2011 – с. 278-282.
2.
PIC16F88 Datasheet [Электронный ресурс] – режим доступа:
http://datasheet.octopart.com/PIC16F884-I/P-Microchip-datasheet17835.pdf
3.
VS1001K Datasheet [Электронный ресурс] – режим доступа:
http://www.vlsi.fi/fileadmin/datasheets/vs1001.pdf
4.
TQA1558Q Datasheet [Электронный ресурс] – режим
доступа: http://lib.chipdip.ru/225/DOC000225574.pdf
5.
Васильев
В.
А.
Зарубежные
радиолюбительские
конструкции. // 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1982 – 96
с. с ил.
6.
AES-20-96
(s2008)
AES
Recommended
practice
for
professional audio-subjective evaluation of Loudspeaker. – New York. 2008
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа