Фазовый метод расчета разделительных фильтров акустических систем. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Акустические системы

 Комментарии к статье

В последние годы значительно возросли требования к качеству аппаратуры звуковоспроизведения. В первую очередь это относится к ширине рабочего диапазона частот и величине нелинейных и фазовых искажений. Качество воспроизведения в значительной степени зависит от конструктивного исполнения акустических систем (АС). В частности, для воспроизведения низких, средних и высоких частот нашли широкое применение многополосные АС, в которых устанавливаются по две, три и более динамических головок.

Для разделения полос звукового спектра динамические головки включаются через разделительные фильтры первого, второго или более высокого порядка. Однако, как известно, точное разделение частот сложного звукового сигнала на граничной частоте раздела fp выполнить невозможно (рис. 1). Поэтому между соседними полосами воспроизведения динамических головок имеется зона совместного действия. Сигнал с частотой раздела fp обе головки воспроизводят с примерно равным уровнем. На других частотах зоны совместного действия уровни сигналов, подаваемых на головки, резко отличаются друг от друга по амплитуде. Для идеального воспроизведения звука в зоне совместного действия должны быть обеспечены условия для синфазной по звуковому давлению работы обеих головок (в дальнейшем - синфазная работа головок), т. е. между токами головок не должно быть фазового сдвига, а зона совместного действия должна быть как можно меньше. Однако выполнить эти условия весьма затруднительно.

Фильтры первого порядка (рис. 1, а) просты, их амплитудночастотные характеристики (АЧХ) имеют пологую форму, и благодаря этому зоны совместного действия динамических головок относительно, широки. Например, зона совместного действия низкочастотной ВА1 и среднечастотной ВА2 головок примерно равна 50... 5000 Гц (рис. 1, б).

 
Рис. 1. Простые разделительные фильтры: а - принципиальные схемы; б - амплитудночастотные характеристики; в - фазочастотные характеристики

Для АС, содержащих три динамические головки, могут быть зоны одновременного действия всех трех головок (рис. 1, б, 500...5000 Гц). (Амплитудно-частотные характеристики строились до уровня сигналов практической слышимости звучания динамических головок.)

В таких разделительных фильтрах последовательно с низкочастотной (НЧ) головкой ВА1 включается дроссель L1, индуктивное сопротивление которого прямо пропорционально частоте. Как известно, в цепях с индуктивным сопротивлением ток отстает от приложенного напряжения, а в цепях, содержащих емкость,- опережает напряжение. Следовательно, амплитуда тока и угол сдвига между током и приложенным напряжением не остаются постоянными и находятся в сложной зависимости от частоты.

Например, для простых разделительных фильтров фазочастотная характеристика (ФЧХ) имеет вид, представленный на рис. 1, в. В зоне совместного действия 50...5000 Гц, в зависимости от частоты, угол (р сдвига фаз между токами, проходящими по головкам ВА1 и ВА2, изменяется соответственно от 142 до 35°. Аналогичная картина наблюдается и между фазочастотными характеристиками головок ВА2 и ВАЗ. Угол сдвига фаз между токами головок на краях зоны совместного действия составляет 60 и 100°. Очевидно, что угол сдвига фаз между токами головок ВА1 - ВА2, ВА2 - ВАЗ чрезмерно велик и зависит от частоты, следовательно, синфазная по звуковому давлению работа головок в зоне совместного действия не обеспечена.

Если ток в первой головке изменяется по закону Ii sin ot, а во второй-l2 sin (o)t+cpi2), следовательно, между токами динамических головок существует фазовый сдвиг на угол (pi2 и в этом случае в окружающем пространстве звуковое давление будет пропорционально так называемому эквивалентному току Iэ

I_Э = I₁ sin ωt + I₂sin(ωt + φ_1-2) = I_Msin (ωt + α),

амплитуда которого I_M определяется из выражения:

I_M = корень.кв(I₁² + I₂² + I₁I₂cos φ_1-2),

а угол между эквивалентным током и током первой головки можно определить таким образом:

tg α = (I₂sin φ_1-2) / (I₁ + I₂ cos φ_1-2),

т. е. угол а зависит не только от угла сдвига фаз между составными токами (pi2, но и от соотношения их амплитуд I₁ / I₂. В зоне совместного действия динамических головок угол сдвига фаз может изменяться в пределах от 0 до φ_1-2в зависимости от соотношения амплитуд токов и, следовательно, при звуковоспроизведении будут внесены искажения оригинала записи.

Рис. 2. Разделительный фильтр второго порядка: а - принципиальная схема; б - амплитудно-частотная характеристика низкочастотной динамической головки ВА1

При известных параметрах элементов разделительного фильтра и динамической головки могут быть рассчитаны и построены амплитудно и фазочастотные характеристики (рис. 2 б, в).

В формуле (1) присутствуют реактивные сопротивления конденсатора C3, дросселя L1 и катушки динамической головки ВА1, которые находятся в сложной зависимости от частоты. Вследствие этого в фильтрах второго порядка угол сдвига фаз между током динамической головки и приложенным напряжением не остается постоянным и в зависимости от частоты изменяется в широких пределах. Так, например, для низкочастотного разделительного фильтра угол сдвига фаз между током динамической головки и приложенным к фильтру напряжением в зависимости от частоты может изменяться в пределах от -10 до -270° на частотах 20 и 20000 Гц соответственно (рис. 2, в). Для среднечастотной динамической головки этот угол может изменяться от +110 до -75° на частотах 80 и 20000 Гц (рис. 3), а для высокочастотной - от +135 до -50° (на 150 и 20000 Гц).

Рис. 3.Разделительный фильтр средних частот второго порядка: а - принципиальная схема; б-зависимость угла сдвига фаз между током и напряжением, приложенным к фильтру: / - основной вариант (С4 =40 мкФ. L2=0,9 мГн, R4=0,75 Ом, Кд=б.З Ом, R3=0)

2 - то же, но при С4=20 мкФ

3 - то же, но при С4=20 мкФ (в статье видимо опечатка)

4-то же, но при C4=80 мкФ

5-то же, но при L2=0,6 мкФ

6-то же, но при R3=5 Ом

Таким образом, угол сдвига фаз между током низкочастотной динамической головки и напряжением, приложенным к фильтру, при изменении частоты подаваемого напряжения может изменяться . на 260°, а для среднечастотной и высокочастотной головок этот же угол изменяется на 185°. Это обстоятельство является основной причиной несинфазной работы динамических головок в зоне их совместного действия.

Изменением параметров элементов разделительных фильтров можно регулировать фазочастотную характеристику каждой динамической головки. Благодаря этому имеется возможность получения идентичных характеристик головок и, тем самым, обеспечения условий синфазности их работы в зоне совместного действия.

Так для низкочастотного разделительного фильтра по схеме рис. 2,а фазочастотная характеристика претерпевает следующие изменения:

при увеличении емкости конденсатора C3 (кривая 2) центральная часть характеристики смещается параллельно влево;

уменьшение емкости конденсатора C3 (кривая 3) смещает параллельно центральную часть характеристики вправо;

при увеличении сопротивления резистора R1 и уменьшении индуктивности дросселя L1 левая часть смещается в область малых значений углов с одновременным смещением центральной части вправо (кривая 5);

включение резистора R2 последовательно с конденсатором C3 смещает правую часть характеристики (кривая 4) в область меньших углов.

При изменении параметров разделительных фильтров происходит коррекция не только фазочастотной характеристики, но и деформация амплитудночастотной характеристики. Так, на рис. 2,6:

от увеличения емкости конденсатора C3 (кривая 2) незначительно возрастает амплитуда тока, полоса пропускания частот уменьшается; при уменьшении емкости конденсатора C3 (кривая 3) ток уменьшается, а полоса пропускания увеличивается;

увеличение сопротивления резистора R1 снижает максимальное значение амплитуды тока, не оказывая влияния на полосу пропускания фильтра (кривая 5);

уменьшение индуктивности дросселя L1 сопровождается увеличением амплитуды тока и расширением полосы пропускания фильтра и т. д.

Электрические схемы разделительных фильтров для среднечастотной и высокочастотной динамических головок могут быть одинаковыми, отличаясь лишь значением параметров элементов (рис. 3,а). Для такой схемы значение силы тока головки может быть рассчитано по формуле

При емкости конденсатора С4 = 40 мкФ для динамической головки ЗГД1 фазочастотная характеристика похожа по форме на характеристику низкочастотной головки, однако она смещена в область положительных значений углов.

Изменение параметров элементов разделительного фильтра оказывает влияние на фазочастотную характеристику (рис. 3,6) следующим образом:

- увеличение емкости конденсатора С4 (кривая 4) смещает центральную часть характеристики в область низких частот;

- уменьшение индуктивности дросселя L2 (кривая 5) смещает центральную часть в область высоких частот и левый конец характеристики в область меньших значений углов φ;

- увеличение активного сопротивления головки R_Д(или сопротивления резистора, включенного последовательно с ней) перемещает всю характеристику параллельно в сторону увеличения угла сдвига тока;

- увеличение сопротивления резистора R3 (кривая 6) спрямляет характеристику, смещая правую и левую части в сторону меньших значений угла.

Влияние изменений параметров этих же элементов на амплитудно-частотную характеристику следующее:

- увеличение емкости конденсатора С4 ведет к возрастанию максимального значения амплитуды характеристики, резкому повышению ее неравномерности, зона пропускания увеличивается в сторону низких частот;

- увеличение активного сопротивления головки R_Дв незначительной степени снижает неравномерность АЧХ;

- увеличение сопротивления резистора R4 снижает неравномерность АЧХ и одновременно смещает ее в сторону низких частот;

- сопротивление R3 сглаживает неравномерность характеристики.

При известных закономерностях влияния изменений параметров элементов разделительных фильтров на их фазо и амплитудно-частотные характеристики, создание идентичных (совмещенных) фазовых характеристик низкочастотной и среднечастотной динамических головок не представляет особых затруднений.

Наибольшую трудность вызывает согласование фазовых характеристик высокочастотной и среднечастотной динамических головок. Оба разделительных фильтра емкостные и, естественно, идентичность их фазочастотных характеристик может наступить при одинаковых значениях емкостей конденсаторов С4, а это противоречит условию разделения частот. Поэтому одним из вариантов является установка в высокочастотном фильтре конденсатора С4 малой емкости (около 2 мкФ) и дросселя L2 с незначительной индуктивностью (менее 0,1 мГн). Изменение емкости конденсатора С4 оказывает резкое влияние на фазовую и амплитудную характеристики. Кроме этого, могут проявляться резонансные явления, поэтому необходимо принимать меры к уменьшению неравномерности АЧХ, например, включить последовательно с конденсатором С4 (на рис. 3) резистор R3 с небольшим сопротивлением.

Вторым вариантом фазового согласования токов головок ВА2 и ВАЗ является построение фильтров по разным схемам: Например, головку ВАЗ можно включить через разделительный фильтр третьего порядка

Рис. 4.Схемы измерения полного сопротивления катушек динамических головок: а - измерение методом замещения; б - измерение с источником напряжения

Порядок расчета фазо и амплитудно-частотных характеристик акустических систем может быть следующим. Во первых, для выполнения расчета необходимо знать активные и индуктивные сопротивления каждой динамической головки на частотах в зоне их полезной работы. Активное сопротивление может быть измерено мостом постоянного тока, омметром или другим прибором. Определение индуктивного сопротивления динамических головок связано с некоторыми трудностями, так как оно находится в сложной зависимости от частоты и от условий монтажа головки. Поэтому индуктивное сопротивление динамических головок следует определять при нормальных условиях их работы (смонтированных в ящике с закрытой задней стенкой и т. д.). На практике индуктивное сопротивление динамических головок определяется экспериментально-расчетным путем. Для этого производят измерение полного сопротивления головки по схеме рис. 4. Активное вспомогательное сопротивление г в схеме рис. 4,а должно быть больше, а в схеме рис. 4,6 - меньше ожидаемого сопротивления головки в 10...20 раз. По указанным схемам снимается зависимость полного сопротивления динамической головки от частоты.

По схеме рис. 4,а измерение осуществляется методом замещения. Устанавливая через определенные интервалы частоту звукового генератора G, вольтметром PV замеряется падение переменного напряжения на сопротивление катушки динамической головки ВА. Затем вместо головки включается переменный резистор R и, изменением его сопротивления добиваются получения на нем того же значения напряжения. В этом случае активное сопротивление R равно полному сопротивлению 2д1динамической головки на данной частоте. Количество точек измерения определяется типом головки (НЧ, ВЧ) и неравномерностью ее характеристики. По полученному значению полного сопротивления для каждого значения частоты индуктивное сопротивление динамической головки определяется по формуле

Xдi = кор.кв(Zдi² - Rд²)

Уровень выходного напряжения звукового генератора влияния на результаты измерений почти не оказывает. Так, при изменении напряжения от 1 до 30 В полное сопротивление динамической головки изменяется на 5... 8 %. Измерения по схеме рис. 4,6 более точные, величина полного сопротивления головки равна

Zдi = r Uдi / Ur

По определенным значениям сопротивлений динамических головок для конкретных, частот и предполагаемым параметрам элементов разделительных фильтров по формулам (1) и (2) рассчитываются фазочастотные и амплитудночастотные характеристики. По построенным амплитудным характеристикам определяются граничные частоты раздела и зоны совместного действия динамических головок, а также неравномерность характеристик и необходимость в их выравнивании. По этим же характеристикам можно сделать заключение о крутизне разделения частот, об оценке качеств разделительных фильтров и о путях желательного изменения (смещения, сужения и т. д.).

Затем строятся фазовые характеристики и обращается особое внимание на их сближение в зоне совместного действия динамических головок. После анализа построенных характеристик и при наличии каких либо недостатков, на основе известного характера воздействия изменения элементов разделительных фильтров на их характеристики, намечается вариант корректировки и вновь просчитываются характеристики. Полученные характеристики строятся, анализируются и т. д. до получения необходимых результатов. Затем все элементы акустической системы монтируются и проводятся электрические испытания.

По изложенной методике нами были определены параметры разделительных фильтров для акустической системы на динамических головках: 6ГД2 (L1 = 7,9 мГн, R2 = 1 Ом, С3 = 30 мкФ, Rд = 5,5 Ом, R1 = 1,45 Ом); ЗГД1 (L2 = 1,3 мГн, R4 = 1 Ом, С4 = 60 мкФ, Rд6,8 Ом, R3 = 2 Oм); 1ГДЗ (L2 = 0,08 мГн, R4 = 0,5 Ом, С4 = 2мкФ, Rд = 8,70м, R3 = 1 Ом).

На рис. 5 и 6 представлены измеренные характеристики низкочастотной (НЧ - 6ГД2) и среднечастотной (СЧ-ЗГД1) динамических головок. Как видим, граничная частота деления f_P1 = 400 Гц, зона совместного действия 80...2000 Гц, а угол сдвига - между фазочастотными характеристиками составляет 150...190°. Следовательно, необходимо поменять полярность включения одной из динамических головок ("повернуть" ток на 180°). Как станет ясным из согласования среднечастотной головки с высокочастотной, следует изменить полярность включения среднечастотной головки (рис. 6, перевернутая СЧ-характеристика). В этом случае угол сдвига фаз между токами головок составляет 30 и 10° соответственно на частотах 80 и 2000 Гц. Для более точного совмещения характеристик в зоне 500...2000 Гц следует увеличить сопротивление R2 до 1,3 Ом (см. рис. 2,а). Аналогично выполено согласование фазовых характеристик средне и высокочастотной динамических головок.

В результате согласования фазовых характеристик низко, средне и высокочастотной динамических головок представляется возможным создание акустической системы с высококачественным воспроизведением всего диапазона частот и "кажущимся" расширением диапазона воспроизводимых частот.

При изготовлении разделительных фильтров в качестве конденсаторов C3 и С4 необходимо использовать бумажные конденсаторы на рабочее напряжение не менее 100 В, например МБГП2 на 160 В. Резисторы R1-R4 можно выполнить проводом диаметром 0,4...0,6 мм из любого высокоомного сплава; намотка производится бифилярно.

Дроссель в ВЧ фильтре выполняется на любом цилиндрическом каркасе медным проводом диаметром 0,6. ..0,8мм (около 140 витков). Дроссель L2 СЧ фильтра (примерно 240 витков) выполняется проводом диаметром 0,8 мм, активное сопротивление которого не должно превышать сопротивления резистора R4, так как на схеме под R4 обозначено активное суммарное сопротивление обмотки дросселя и дополнительного резистора. Если величина индуктивности окажется недостаточной при требуемом значении активного сопротивления, в катушку вставляется небольшой ферритовый сердечник.

Дроссель L1 низкочастотного фильтра выполняется на каркасе средних размеров (наружный диаметр 25... 30 мм) проводом 0,8 мм. Активное сопротивление обмотки 1,45 Ом. Для повышения индуктивности в катушку вставляется ферритовый П-образный сердечник от трансформатора строчной развертки. Сердечники из других материалов (трансформаторная сталь, карбонильное железо и т. п.) применять не следует, так как с ними проявляется зависимость значения индуктивности от силы или от частоты тока. Это может привести к появлению нелинейных искажений.

Соединительные провода в фильтрах должны иметь сечение не менее 0,8 мм², а для соединения с усилительной аппаратурой - не менее 1,5 мм². Это необходимо для снижения потерь напряжения и мощности в проводах и устранения возможных взаимных влияний между фильтрами.

Совершенно недопустимо использование отдельных элементов в схемах двух фильтров, например, конденсатор С4 высокочастотного фильтра включать после аналогичного конденсатора среднечастотного фильтра (как это часто практически делается). Если это условие не выполнять, появляются взаимные влияния на амплитудные и особенно на фазочастотные характеристики.

Автор: А. Вахрамеев; Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Акустические системы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Микропластик в атмосфере - скрытый ускоритель глобального потепления 31.05.2026

Микропластик уже давно признан одним из самых масштабных загрязнителей планеты. Он проникает в океаны, почву, организмы животных и даже в тело человека. Однако до недавнего времени мало кто задумывался о его влиянии на климатические процессы. Новое исследование показало, что микро- и нанопластик в атмосфере способен поглощать тепло, тем самым внося дополнительный вклад в глобальное потепление. Ученые обнаружили, что воздействие пластиковых частиц на климат зависит от их цвета. Светлые частицы отражают солнечный свет и способствуют некоторому охлаждению, в то время как более темные - активно поглощают тепло и излучение. Со временем пластик в атмосфере темнеет под воздействием ультрафиолета, что усиливает его согревающий эффект. Этот процесс напоминает пожелтение пластиковых парковочных талонов, оставленных на солнце. Соавтор исследования, заслуженный профессор наук о Земле в Университете Дьюка Дрю Шинделл отметил, что влияние микропластика на изменение климата пока относительно не ...>>

Универсальный бытовой робот-гуманоид GigaAI SeeLight S1 31.05.2026

Развитие робототехники постепенно переносит сложные машины из промышленных цехов прямо в повседневную жизнь людей. Китайская компания GigaAI сделала важный шаг в этом направлении, представив SeeLight S1 - первую в стране модель универсального бытового робота-гуманоида. Эта разработка призвана взять на себя рутинные домашние дела и стать настоящим помощником в повседневной жизни. Уже в конце текущего месяца сотня роботов SeeLight S1 начнет проходить испытания в специализированном жилом комплексе, предназначенном для работников высокотехнологичных отраслей. По словам генерального директора GigaAI Чжу Чжэна, в первой половине 2027 года роботы будут переданы для бесплатного тестирования обычным семьям в Ухане - столице провинции Хубэй. Такой подход позволит собрать реальные данные о работе устройства в домашних условиях. В демонстрационном видео робот, передвигающийся на колесах, уверенно справляется с множеством бытовых задач. Он нарезает овощи, жарит яйца, загружает стиральную маши ...>>

Вкусовые пристрастия формируются еще в утробе 30.05.2026

Предпочтения человека к еде закладываются задолго до первого прикорма. Современная наука подтверждает, что ребенок начинает знакомиться с ароматами и вкусами пищи еще до рождения, через околоплодные воды. Новое международное исследование показало, что регулярное потребление определенных продуктов беременной женщиной может формировать долгосрочные пищевые предпочтения у ребенка, сохраняющиеся даже спустя годы после появления на свет. Ученые из университетов Великобритании, Франции и Нидерландов провели эксперимент с участием беременных женщин. Одной группе будущих мам давали капсулы с порошком капусты кейл, другой - с порошком моркови. Реакцию детей на эти запахи проверяли в три этапа: сначала в утробе матери с помощью 4D-УЗИ на поздних сроках беременности, затем в возрасте трех месяцев и, наконец, когда детям исполнилось три года. Результаты оказались весьма убедительными. Дети женщин, принимавших порошок кейла, положительно реагировали на запах этой капусты, но негативно - на ар ...>>

Случайная новость из Архива Влияние братьев и сестер на формирование характера ребенка 27.10.2024 Долгое время существовало мнение, что наличие братьев или сестер может существенно влиять на личностное развитие ребенка. Например, считалось, что младший брат, выросший рядом со старшей сестрой, может стать более женственным, а сестра, воспитывающаяся с братьями, может приобретать черты маскулинности. Однако новое масштабное исследование, проведенное учеными из США, показало, что эти предположения не соответствуют действительности. Исследование фокусировалось на том, как пол братьев и сестер влияет на формирование характера, изучая отношения между детьми и их ближайшими старшими или младшими сиблингами. В рамках работы был собран уникальный массив данных, объединивший результаты 12 крупных репрезентативных опросов из 9 стран. В общей сложности было проанализировано 85 тысяч человек. Такой масштаб позволяет говорить о высокой точности выводов и обширном охвате различных культур и условий воспитания. Одной из особенностей данного исследования стало внимание к большому количеству личностных качеств. В отличие от предыдущих работ, которые часто ограничивались изучением лишь нескольких черт характера, это исследование охватило 9 ключевых аспектов личности. Кроме того, был создан специальный индекс, который оценивал степень владения характерно женскими чертами. Этот индекс позволял проверить, ведет ли взросление с сестрой к формированию у братьев более выраженных гендерных стереотипов в личности. Результаты научной работы оказались удивительными: пол братьев и сестер не влияет на личностные черты ребенка. Независимо от того, воспитывался человек с братом или сестрой, его характер не проявлял заметных отличий по личностным чертам. По всем 9 критериям исследователи не обнаружили значимых различий между людьми с братьями и с сестрами. Это верно как для младших, так и для старших братьев и сестер. Таким образом, наличие сестры не делает брата более женственным, а брат не оказывает влияние на маскулинность сестры. Эти данные опровергают давние стереотипы о том, что наличие сиблингов разного пола может формировать определенные гендерные черты личности в долгосрочной перспективе. Кроме того, масштаб исследования и количество охваченных людей делают выводы более точными и обоснованными, чем результаты более ранних и менее представительных исследований. Таким образом, можно утверждать, что формирование характера ребенка зависит от множества факторов - воспитания, окружения, личного опыта, - но пол братьев и сестер среди этих факторов не играет ключевой роли. Это исследование стало важным шагом в понимании динамики семейных отношений и развенчало распространенные мифы о влиянии братьев и сестер на личность друг друга.

Другие интересные новости:

▪ Катастрофы от глобального потепления не будет

▪ Оптимальное время для отхода ко сну

▪ Одноразовый эндоскоп

▪ Маска-респиратор Xiaomi Chi Light Haze Mask

▪ OQO model 02

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электрические счетчики. Подборка статей

▪ статья Экспозиция, динамический диапазон, баланс белого и зебра. Искусство видео

▪ статья Когда появились первые картины? Подробный ответ

▪ статья Прессовщик изделий строительной керамики. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Управление галогенными лампами 12 вольт при помощи диммера. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Неуклюжая звездочка. Секрет фокуса

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026