Многополосные акустические системы

Высокие требования, предъявляемые к современным громкоговорителям, можно удовлетворить лишь с помощью многополосных акустических систем с двумя, тремя или более динамическими головками, каждая из которых воспроизводит только соответствующую часть спектра подводимого к громкоговорителю широкополосного сигнала. В зависимости от числа полос воспроизведения акустические системы могут быть двух-, трехполосными и т. д. Наибольшее распространение в любительской .практике получили двух- и трехполосные акустические системы. Акустические системы с большим числом полос используются профессионалами.

Неотъемлемой частью любой многополосной акустической системы являются разделительные фильтры, обеспечивающие подведение к каждой динамической головке только тех частот сигнала, для воспроизведения которых она предназначена. Общее число фильтров равно числу головок. В зависимости от полосы частот, для воспроизведения которых предназначена головка, различают низко-, средне- и высокочастотные динамические головки. Рекомендуемые значения граничных частот разделительных фильтров 500 Гц, 1, 2, 3, 4, 8 кГц. В большинстве двухполосных систем граничные разделительные частоты выбирают равными 500 Гц или 2 кГц, в трехполосных-ЭОО Гц и 4 кГц.

Выбор значений граничных частот разделения полос зависит от частотных свойств динамических головок и значений их номинальной мощности. На рис. 1 приведены кривые мощностей низко-, средне- и высокочастотных головок в зависимости от граничной частоты разделения полос по отношению к мощности широкополосной головки, способной воспроизвести мощность, равную выходной мощности УНЧ, для совместной работы с которым предназначена многополосная акустическая система. Штриховой линией обозначена мощность высокочастотной головки трехполосной системы.

Как видно из рис. 1, при высокой частоте границы разделения полос (2- 4 кГц) мощность головки низкой частоты должна быть равна мощности широкополосной головки, тогда как мощность высокочастотной головки двухполосной системы и среднечастотной трехполосной системы может составлять всего от 25 до 15%. При низкой частоте раздела мощности головок низкой и средней частоты (или высокой) должны составлять соответственно 82 и 60% от мощности широкополосной головки.

Теоретически, применительно к стандартным звуковым программам, мощность головок средней и высокой частоты можно было бы уменьшить в 1,5-2 раза по сравнению с данными рис. 1. Но делать этого не следует, так как необходимо иметь запас номинальной мощности головок на случай работы УНЧ с перегрузкой или его самовозбуждения. Если этого не сделать, то возможен выход высоко- и среднечастотных головок из строя.

Двухполосные разделительные фильтры.

На рис. 2 приведены принципиальные схемы наиболее простых разделительных однозвенных (а) и двузвен-ных (б) фильтров, а также дана их амплитудно-частотная характеристика при пооктавном изменении частоты сигнала (в). Однозвенные фильтры содержат по одному конденсатору и катушке индуктивности, обеспечивая крутизну ослабления за частотой разделения 6 дБ/окт, т. е. при каждом увеличении частоты сигнала вдвое относительно частоты разделения происходит ослабление сигнала на 6 дБ (в 4 раза по мощности).

Двузвенные фильтры содержат два конденсатора и две катушки индуктивности различных номиналов, как доказано на рис. 2,б. Они сложнее одно-эвенных, зато обеспечивают вдвое большую крутизну характеристики ослабления за частотой разделения -12 дБ/окт. Различие характеристик этих фильтров видно на рис. 2,в.

В зависимости от номинальных значений сопротивлений динамических головок Я, частоты разделения полос F емкости конденсаторов С и индуктивностей катушек L могут быть определены по известным формулам:

где С-емкость конденсатора, Ф; L-индуктивность катушки, Гн; F-частота разделения полос, Гц; R-сопротивление звуковой катушки головки, Ом.

При расчете параметров элементов однозвенных разделительных фильтров по схеме рис. 2,а удобно пользоваться данными номограммы, приведенной на рис.3,а, где представлены зависимости индуктивностей катушек и емкостей конденсаторов от частоты разделения полос и сопротивления звуковых катушек динамических головок (4, в и 16 Ом). Если известны размеры каркаса катушки и объем намотки, количество витков можно вычислить по формуле, в которой учтены размеры, указанные на рис. 3,б:

где n-число витков обмотки; Z,-индуктивность катушки, Гн; d-средний диаметр катушки, см; b-ширина обмотки, см; с-средняя толщина обмотки, см.

Данными рис. 3,а, б можно пользоваться и при расчете разделительных фильтров с двумя звеньями (см. рис. 2,б). В этом случае емкость конденсаторов уменьшается, а индуктивность увеличивается в 2 раза, что привадит к увеличению числа витков обмотки в 1,4 раза.

При изготовлении элементов разделительных фильтров следует иметь в виду следующее. Конденсаторы должны быть неполярными, т. е. неэлектролитическими. Это могут быть бумажные, металло-бумажные или керамические конденсаторы. Если нет конденсатора требуемой емкости, то его можно составить из нескольких конденсаторов меньшей емкости, подобрав их количество таким образом, чтобы суммарная емкость была равна требуемому значению. Рекомендуется применять конденсаторы, имеющие разброс емкости не более ±10% от номинального значения.

Намотку катушек индуктивности следует вести по возможности более толстым проводом марки ПЭВ-2, чтобы активные потери мощности сигнала в разделительных фильтрах были минимальными. В среднем намотка ведется проводом диаметром от 0,5 до 1 мм, причем чем больше подводимая мощность, тем толще должен быть провод. Это является большим недостатком многополосных акустических систем - в громоздких разделительных фильтрах теряется от 10 до 25% мощности, подводимой к громкоговорителю. В этом отношении у электроакустических систем с многополосным УНЧ явные преимущества.

Двухполосный фильтр для ... одиночной головки.

Пусть читатель не думает, что допущена опечатка. Все правильно. Речь идет о регулируемом фильтре, предназначенном для подчеркивания нижних и верхних частот в громкоговорителе, содержащем лишь одну динамическую головку.

Его принципиальная схема приведена на рис. 4,а, амплитудно-частотная характеристика - на рис. 4,b. С помощью переменного резистора R1 можно регулировать ослабление сигнала на средней частоте около 1 кГц до уровня -16 дБ относительно частот 0,1 и 10 кГц. Принцип действия фильтра основан на использования последовательного резонансного контура, состоящего из катушки индуктивности L1 на 1 мГн и двух последовательно соединенных электролитических конденсаторов С1 и С2 по 50 мкФ каждый. Встречное включение конденсаторов позволяет .использовать два электролитических конденсатора как один неполярный. Переменный резистор шунтирует резонансный контур, тем самым влияя на ам-плитудно-частотную характеристику фильтра в целом.

Регулируемый фильтр, включенный между громкоговорителем с одной широкополосной головкой Гр1 сопротивлением 8 Ом и УНЧ, способствует значительному улучшению качества звучания громкоговорителя при работе с малым уровнем подводимой мощности. Фильтр как бы учитывает физиологическую особенность уха человека снижать свою чувствительность на нижних и верхних частотах по сравнению со средними по мере уменьшения громкости звучания. Очевидно, что фильтр по схеме рис. 4,а наиболее подходящий для несложных электроакустических устройств, не имеющих эффективных регулировок громкости и тембра.

Трехполосные разделительные фильтры.

Принципиальная схема наиболее простого трехполосного двузвенного разделительного фильтра и его амплитудно-частотная характеристика приведены на рис. 5,а и б. Частоты разделения составляют соответственно 750 Гц (между нижними и средними) и 7 кГц (между средними и верхними). Крутизна спадов амплитудно-частотных характеристик за пределами полос пропускания -12дБ/окт. В зависимости от выбора емкостей конденсаторов и индуктивностей катушек фильтр может работать с низко-, средне- и высокочастотными головками, имеющими сопротивление звуковых катушек 4, 8 и 16 Ом. При этом в одной установке можно применять головки только с одинаковым сопротивлением.

При изготовлении трехполосного разделительного фильтра по схеме рис. 5,а данные о катушках индуктивности и конденсаторах берут из табл. 1. Подбирая конденсаторы и изготавливая катушки, следует ориентироваться на рекомендации, данные при описании двухполосных разделительных фильтров, а также пользоваться номограммой и чертежом, приведенными на рис. 3,а,б.

Как показывает радиолюбительская практика, применение двух- и трехполосных акустических систем, снабженных простейшими разделительными фильтрами, значительно улучшает качество звучания по сравнению с громкоговорителями использующими лишь одну широкополосную головку. В то же время наиболее полное использование возможностей многополосных систем требует специального акустического оформления головок и коррекции их характеристик.