Меня зовут Александр Федорович Ракитский, работаю инженером-конструктором в ОКБ, АО «ИЭМЗ «КУПОЛ», г. Ижевск, Республика Удмуртия, Россия. В данной статье я излагаю результаты (некоторые) своих исследований, связанных с улучшением звучания акустических систем (АС), в частности, АС с низкочастотными динамиками и сабвуферами.
В настоящее время сложилась парадоксальная ситуация – за счёт цифровых методов обработки информации, достижений в производстве электронных приборов, операционных усилителей, транзисторов и т.д. и т.п. достигнуты просто фантастические показатели качества акустического тракта от источника сигнала до выхода усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). А вот последний элемент – громкоговоритель – самое слабое звено, сводящее на нет все предыдущие усилия и достижения, является основным источником искажений – нелинейных, интермодуляционных, инерционных и т.д. и т.п.
На мой взгляд, есть два пути решения данной проблемы:
1 путь – создание сверхвысококачественных громкоговорителей:
- создание очень жёсткой, работающей в поршневом режиме, безинерционной подвижной части громкоговорителя на основе суперновейших материалов таких как кевлар, графен, вспененный титан и подобное;
- сверхвысококачественные материалы для подвеса подвижной части;
- сложные магнитные системы и материалы для их реализации;
- провода для намотки на катушку;
- технологии всё это осуществляющее и т.д. и т.п.
Всё это ведёт к очень резкому удорожанию АС, но не решает задачу по качественному воспроизведению звука до конца, так как всё равно остаются масса и инерционность воздуха внутри АС, стоячие волны внутри АС, внутренние резонансы и многое другое.
2 путь – охват УМЗЧ и АС единой обратной отрицательной связью (ООС).
Для этого снимается физический сигнал о каком-либо параметре движения подвижной части громкоговорителя – смещении (ℓ), скорости (v) или ускорении (a) – обрабатывается и суммируется соответствующим образом с входным сигналом, поступающим на УМЗЧ.
^Нажмите для увеличения^
Имелись попытки создания таких АС вплоть до малосерийного производства, где сигналом для ООС была скорость смещения подвижной части громкоговорителя или ускорение. Однако, широкого распространения данные АС не получили, массовое производство их так и не было реализовано.
Мной, в настоящее время, разработан и реализован 2 путь улучшения звучания громкоговорителя путём снятия физического сигнала о смещении подвижной части громкоговорителя от положения равновесия, его обработки и суммирования с сигналом, подаваемым на вход УМЗЧ.
^Нажмите для увеличения^
Для этого мною был разработан датчик, на выходе которого имеется напряжение, пропорциональное расстоянию от датчика до подвижной части громкоговорителя. Если из этого напряжения вычесть постоянную составляющею, то получим переменный сигнал, пропорциональный реальному колебанию подвижной части громкоговорителя. Схема и конструкция датчика описана в [1], а его внешний вид показан на рис. 3:
^Нажмите для увеличения^
Сигнал с выхода датчика поступает на блок формирования сигнала обратной связи и с его выхода, после соответствующей обработки, он подаётся на сумматор-вычитатель (рис. 2) и, в сумме с сигналом на выходе темброблока, поступает на вход УМЗЧ, а с выхода УМЗЧ – на вход громкоговорителя, замыкая обратную связь.
Можно сто раз говорить об улучшении качества сигнала, но лучше пару раз показать это конкретно.
На рис. 2 показаны точки А и Б, в которых снимались соответствующие эпюры напряжений с помощью цифрового осциллографа ATTEN ADS 1022CL+.
Первым тестовым сигналом была известная мелодия группы OTTOWAN с названием «HANDS UP», в современной обработке. Сигнал на выходе темброблока в точке А показан на рис. 4.
^Нажмите для увеличения^
Сигнал колебания подвижной части громкоговорителя без применения обратной связи (точка Б) показан на рис. 5.
^Нажмите для увеличения^
На рис. 6 показан сигнал колебания подвижной части громкоговорителя в случае применения обратной связи (точка Б).
^Нажмите для увеличения^
Сравнительный анализ форм колебаний подвижной части громкоговорителя без применения и с применением обратной связи по сравнению с формой колебаний на выходе темброблока однозначно показывает положительный эффект применения обратной связи по смещению, выражающийся в весьма точном повторении формы сигнала на выходе темброблока.
^Нажмите для увеличения^
Другим тестовым сигналом стала французская шансонная песенка с неизвестным названием, которую удалось записать с какого-то FM-радио. Форма сигнала колебания подвижной части громкоговорителя также очень близка при применении ООС к форме сигнала на выходе темброблока.
^Нажмите для увеличения^
Датчик прост и недорог – суммарная стоимость его деталей составляет около 300 рублей. Схемы предусилителя, темброблока, блока формирования сигнала обратной связи, сумматора-вычитателя собраны на популярной м/сх TL072, просты, повторяемы. УМЗЧ собран по широко известной схеме Сырицо на м/сх ТDA7294.
^Нажмите для увеличения^
Схема блока обработки сигнала, все нюансы изготовления и работы с датчиком – know-how автора статьи, если у нас с Вами сложится работа – то, пожалуйста, секретов нет. В АС применён громкоговоритель 8 ГД-1 РРЗ, внешний вид показан на рис. 10, а на рис. 11 показано, как устанавливается датчик:
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^
На рис. 12 показан новый датчик (с чувствительностью на порядок больше предыдущей модели, к сожалению, пока не могу показать его содержимое полностью):
^Нажмите для увеличения^
Расстояние до подвижной части громкоговорителя 100 ГДН-3-8 равно 62-64 мм (на этом громкоговорителе я планирую проводить дальнейшие исследования).
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^
На рис. 14 показан УМЗЧ с темброблоком и сумматором-вычитателем, а на рис. 15 – блок формирования сигнала обратной связи (старый вариант):
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^
Главное – даже самые лучшие сабвуферы в мире не обеспечивают такое повторение формы сигнала, не смотря на их фантастические стоимости. Кроме этого они вносят соответствующие фазовые искажения, обусловленные их схемотехническими решениями.
Чуть не забыл основного, для чего писалась статья – как изменился звук! Он перестал быть бухающим, затянутым, а стал динамически упругим, реальным, действительно зазвучали разные барабаны, а не бьёт по ушам какое-то неопределённое автомобильное «бухало»! Это надо, всё-таки, Вам хотя бы один раз услышать, милости просим Вас прослушать.
Предполагаемый вывод – средний по характеристикам НЧ динамик с помощью ООС по смещению, предлагаемою мной, по качеству выходит на уровень HI-END или весьма близким к этому.
Применение датчика по смещению позволяет осуществить большое количество других объективных и полезных измерений, таких как АЧХ и ФЧХ низкочастотных громкоговорителей в «голом» виде без акустического оформления, АЧХ и ФЧХ акустического оформления, провести анализ колебательности громкоговорителей, их добротности, нюансы переходных процессов, становится возможным их документирование, обработка и прочее. И ещё один важный момент – появилась реальная возможность сделать акустические исследования наукой даже для малых и средних акустических фирм, которые не могут часто бывать в дорогих специализированных акустических камерах.
И, наконец-то, должно резко уменьшиться количество отзывов о звучании той или иной АС типа: «Тёплое и чистое …», «Прозрачное…», «Бархатное…» и тому подобное, словно речь идёт о пиве или того хуже…
Дмитрий Менделеев сказал следующее: «Наука начинается там, где начинают измерять». И тут больше прибавить нечего.
С уважением, Александр Фёдорович Ракитский, инженер, Ижевск, [email protected]
Литература: «Радиолюбитель», Минск, №6, стр. 8 – 12, 2008 г.; № 7, стр. 8 – 11, 2008 г.
