Фвч для встроенного усилителя

8. Управление басом в АВ ресиверах

Bass Management или система управления басом.

Терминология:
Фильтр НЧ – фильтр, пропускающие низкие частоты – LPF – Low Pass Filter (или LF).
Фильтр ВЧ – фильтр, пропускающий высокие частоты –
HPF – High Pass Filter (или HF).
Кроссовер – комбинация НЧ и ВЧ фильтров с общей частотой среза.

Современные многоканальные звуковые форматы включают минимум 5 основных звуковых каналов, работающих с полным диапазоном частот (20Гц – 20кГц), а также один низкочастотный канал эффектов LFE (Low Frequency Effects), работающий исключительно в диапазоне низких частот 20Гц – 120Гц. Так как LFE канал работает в ограниченном частотном диапазоне, он обозначается как «*.1», и сигнал с этого канала воспроизводится специальной низкочастотной системой – активным сабвуфером. Большинство существующих конфигураций многоканального звука вы можете посмотреть в нашем модуле «Подбор системы – Конструктор домашних кинотеатров». Выбирая формат, вы увидите визуальное отображение расположения акустических систем в комнате.
Самый простой многоканальный формат, соответствующий базовому формату Dolby Digital – 5.1, а наиболее продвинутый, соответствующий одному из форматов Dolby Atmos – 7.1.4 (где первая цифра – основные каналы нижнего яруса размещения, вторая цифра – активный сабвуфер, третья цифра – количество каналов верхнего яруса, как правило потолочные или навесные системы). В системе может применятся 2 сабвуфера. В этом случае указанные выше форматы будут обозначаться 5.2 и 7.2.4 соответственно.
Логично предположить, что активный сабвуфер предназначен для воспроизведения звуковой дорожки LFE канала. Однако это не совсем так. Первая очевидная сложность при построении многоканальных систем домашнего кинотеатра – невозможность использовать все основные акустические системы, способные воспроизводить полный частотный диапазон (20Гц-20кГц). Если большие фронтальные колонки таким требованиям так или иначе удовлетворяют, то все другие системы имеют довольно компактные размеры, и их рабочий диапазон частот начинается снизу с частот 50Гц – 80Гц (а иногда и выше), особенно маленькие настенные решения каналов сурраунд или потолочные системы. Для того чтобы перенаправить часть частотного диапазона «неполноценных» колонок на системы способные этот НЧ диапазон воспроизводить и существует система управления басом. Таким образом, Bass Management – это процесс управления басом, или процесс перенаправления баса с основных каналов в канал сабвуфера и суммирование этих перенаправленных частот с частотами LFE сигнала.
Общие схемы системы управления басом представлены на рисунках ниже:

Помимо выше обозначенной основной задачи система управления басом должна обеспечивать гибкое управление и настройку, в том числе и для решения других прикладных задач. Например, представьте, что у вас в системе вообще нет сабвуфера, и требуется перенаправить LFE сигнал на фронтальные каналы. Или другой вариант: вы воспроизводите сигнал, где нет LFE дорожки. Это может быть любой обычный 2-канальный сигнал (CD, FM радио, Интернет радио, скаченная из Интернета музыка и т.д.), но при этом вы хотите, чтобы ваш сабвуфер работал вместе с фронтальными колонками. Для этого необходимо иметь возможность перенаправить часть НЧ диапазона с фронтальных каналов на сабвуфер, при этом не урезая их диапазон. Все эти задачи выполняет система управления басом. Реализуется эта система управления басом в АВ ресиверах или АВ процессорах. В системе меню АВ ресиверов всегда есть раздел «Громкоговорители», или «Колонки», где можно найти пункты меню: Конфигурация, Кроссоверы, Басы (ресиверы Denon), Конфигурация далее кроссовер, Сверх низкие частоты (ресиверы Yamaha). Именно здесь и производятся основные настройки системы управления басом.
В основном разделе – Конфигурация – вы активируете каждую систему и устанавливаете ее в режим «Большие» или «Малые» (Large или Small), в первом случае на эту систему пойдет полный диапазон 20Гц – 20кГц, во втором случае (установка Small), на эту систему пойдет только часть диапазона, срезанная фильтром высоких частот, значение среза которого задается в следующем разделе – Кроссоверы. В разделе Кроссоверы вы задаете срез ВЧ и НЧ фильтра, тех колонок, которые выставлены в режим «Малые» (Small) в предыдущем пункте. Бюджетные модели АВ ресиверов предлагают общую частоту среза для всех каналов, более дорогие ресиверы предлагают регулировку частоты среза каждой колонки по отдельности. Частота среза определяется исходя из частотных характеристик конкретной основной системы. Например, если речь идет о настенной тыловой колонке, которая имеет диапазон воспроизводимых частот 60Гц – 20кГц (паспортные данные), то срез, устанавливаемый в меню Кроссоверы для этой колонки не должен быть ниже 60Гц. Установив такое значение (60Гц), диапазон 60Гц – 20кГц пойдет на колонки, а весь нижний диапазон: 20Гц – 60Гц будет направлен на сабвуфер, а при его отсутствии – на фронтальные колонки.
Примечание: при установке частоты среза необходимо учитывать также и параметры мощности системы. В описанном выше случае тыловые колонки могут воспроизводить диапазон начиная с 60Гц, однако, если их мощность существенно меньше мощности фронтальных колонок, то именно на низких частотах в определенный момент воспроизведения может произойти перегрузка этой тыловой системы. В этом случае можно еще поднять частоту среза на тыловых системах, с целью перенаправить еще больше низких частот на сабвуфер, который, как правило имеет существенный запас по мощности.
В ресиверах компании Denon предлагаются 10 значений частот кроссоверов:
40, 60, 80, 90, 100, 110, 120, 150, 200, 250 Гц (по умолчанию: 80 Гц).
Модели Denon с раздельной регулировкой кроссоверов для каждого канала начинаются с модели AVR-S650H. В базовых моделях AVR-S250BT, AVR-S550BT такая установка общая на все Small каналы.
В ресиверах компании Yamaha предлагаются 9 значений частот кроссоверов:
40, 60, 80, 90, 100, 110, 120, 160, 200 Гц (по умолчанию: 80 Гц).
Модели с раздельной регулировкой кроссоверов для каждого канала начинаются с Yamaha RX-V685 (для модельного ряда 2019 года).
Ниже представлены схемы работы бас менеджмента в режиме установки всех основных колонок в режим «Малые» (Small) и в режиме установки фронтальных колонок в режим «Большие» (Large). Для наглядности, кроссовер ресивера на схемах представлен в виде раздельных НЧ и ВЧ фильтров:

Наиболее трудный для понимания многих пользователей пункт – Басы («Сверх низкие частоты» у ресиверов Yamaha).
В инструкции по эксплуатации для ресиверов Yamaha предыдущих поколений мы найдем следующий текст:
Сверх низкие частоты.
Выбор колонок для воспроизведения НЧ диапазона фронтальных каналов.
ВЫКЛ. (по умолчанию) – Низкочастотный диапазон фронтальных каналов воспроизводится либо фронтальными колонками (при установке Фронтальных колонок в Large), или сабвуфером (при установке Фронтальных колонок в Small).
ВКЛ. – Низкочастотный диапазон фронтальных колонок воспроизводится как фронтальными колонками, так и сабвуфером (эта настройка недоступна, если в Конфигурации Сабвуфер установлен в положение НЕТ или фронтальные колонки установлены в положение МАЛЫЕ (Small)).
В ресиверах Yamaha последних поколений пункт Сверхнизкие частоты был перенесен из меню настройки колонок, раздела конфигурации в дополнительное Option меню, и был модернизирован алгоритм его работы.

А вот как интерпретируется эта настройка компанией Denon:
БАСЫ
Настройка воспроизведения диапазона сабвуфера и LFE (НЧ эффектов).
РЕЖИМ САБВУФЕРА
Выбирает сигналы НЧ диапазона для воспроизведения сабвуфером.
LFE (по умолчанию) – Сигнал НЧ диапазона каналов установленных в режим «Малые» добавляется к выходному сигналу LFE.
LFE + Гл. – Сигналы НЧ диапазонов всех каналов добавляются к выходному сигналу LFE сабвуфера.

В разделе БАСЫ компания Denon предлагает еще настройку фильтра LFE сигнала.
LPF для LFE
Фильтр низких частот только для LFE имеет значения: 80, 90, 100, 110, 120, 150, 200, 250 Гц.
По умолчанию установлена частота 120Гц, что соответствует стандарту диапазона LFE.
Это факультативная функция.
Несмотря на отличие формулировок, пункты: Сверх низкие частоты (Yamaha) и БАСЫ (Denon) выполняют одну и ту же функцию – добавляют к сигналу LFE еще и НЧ диапазон фронтальных колонок для дальнейшего воспроизведения этого суммарного сигнала на сабвуфере.
На рисунке ниже представлена схема работы системы управления басом для режима, когда фронтальные напольные колонки установлены в положение «Большие» (Large), и включен режим «Сверхнизкие частоты» (LFE + Гл.).

Считается, что более правильный и чистый вариант – установка «Сверх низких частот» в положение ВЫКЛ. (чистый LFE режим у Denon). В этом случае НЧ диапазон, как и положено, воспроизводится только фронтальными каналами, а сабвуфер только добавляет LFE эффекты в общую картину звучания. Но в этом случае, как уже было замечено в начале статьи, сабвуфер не будет работать при воспроизведении стерео контента – там, где нет LFE дорожек – если конечно не назначить фронтальные колонки как «Малые». Есть и еще один очевидный аспект – далеко не все напольные фронтальные колонки качественно работают в диапазоне низких частот в районе нижней границы (20-40Гц). Хороший сабвуфер делает это гораздо уверенней.
Для того, чтобы фронтальные, напольные колонки воспроизводили полный диапазон, и сабвуфер также работал всегда и существует режим «Сверх низких частот» или LFE+Главные или LFE + Main.
Важно! Если активируются режим «LFE + Гл.» в АВ ресиверах Denon, в настройках Кроссовера появляется возможность установки частоты среза на фронтальные колонки даже если они были назначены вами как «Большие». И чтобы не дублировать воспроизведение одних и тех же частот, и фронтальными колонками и сабвуфером, рекомендуется для «Больших» колонок в этом случае частоту среза ставить пониже (40-60Гц), для того чтобы сабвуфер больше прорабатывал самый низ НЧ диапазона и не мешал работе напольных фронтальных колонок. А вот в ресиверах Yamaha нет возможности регулировать частоту среза «Больших» фронтальных колонок в этом «супер басовом» режиме.
Ниже представлена диаграмма распределения частот в 11-канальной системе. Сравнение чистого режима LFE и LFE + Main (LFE + Гл.) с комментариями:

AudioKiller’s site

Audio, Hi-Fi, Hi-End. Электроника. Аудио.

Материалы раздела:

Активный кроссовер для биампинга

Активный кроссовер для биампинга содержит два фильтра – фильтр нижних частот (ФНЧ – Low Pass) и фильтр верхних частот (ФВЧ – High Pass). Он разделяет входной сигнал на две полосы частот. Каждая полоса усиливается своим усилителем и подается на свой динамик. В результате получается биампинг, который создает очень хороший правильный звук.

Биампинг – очень хорошая штука, и наконец настала пора его внедрения в мою аппаратуру (в ресивер). Прошли все предварительные тесты и пробы. Ну и наконец появился новый вариант кроссовера. Это дальнейшее улучшение первой модели кроссовера. Разница в том, что я разработал его под качественные пленочные конденсаторы типа К73-17, К73-44, К78-16, EPCOS и др. (поэтому в плате много “лишних” отверстий для конденсаторов разных габаритов). Кроме того, чтобы уменьшить габариты платы, я использовал SMD резисторы размера 1206 – более мелкие погоды не сделают (конденсаторы-то все равно большие и именно они определяют размеры платы), а паять их сложнее. По этой же причине я использовал микросхемы в DIP корпусах – проще паять. SMD конденсаторы использовать нельзя – они керамические, и могут ухудшить качество звучания.

Читайте также:  Антенна с активным питанием (14, 21, 28 мгц)

Схема практически не изменилась (это один канал стерео варианта), в кроссовере используются фильтры Баттерворта 3-го порядка ВЧ и НЧ:

Использование именно активного кроссовера для биампинга очень выгодно, а применение фильтров Баттерворта позволяет получить такие преимущества:

  1. Оба фильтра кроссовера (ВЧ и НЧ) имеют максимально плоскую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в полосе пропускания. Поэтому все частоты диапазона будут воспроизводиться с максимально одинаковой громкостью.
  2. Фильтры 3-го порядка дают хорошую скорость спада АЧХ в полосе затухания. В результате все “вредные” частоты будут хорошо подавляться.
  3. Сигнал с фильтра НЧ кроссовера через свой усилитель подается на НЧ/СЧ динамик (мидвуфер), а с фильтра ВЧ через свой усилитель подается на ВЧ динамик (твиттер). Звук каждого из динамиков суммируется и получается полный диапазон сигнала. Применение таких фильтров дает плоскую суммарную АЧХ. Это значит, что громкость всех частот получившегося звука будет одинакова.
Программа для расчета кроссовера

Входной конденсатор С0 “отрезает” возможное постоянное напряжение на входе. И одновременно (совместно с резистором R0, который должен лежать в пределах 33…68 кОм) является сабсоник-фильтром – снижает уровень низких частот, ниже частоты среза, его можно рассчитать так:

С0 [мкФ] = (4…5) / Fmin [Гц]

Это для значения 47 кОм, если R0 имеет другое значение, то во сколько раз R0 больше, чем 47 кОм, во столько же раз С0 должен быть меньше, чем по формуле, и наоборот. Частоту среза лучше выбирать раза в 2…3 ниже, чем самая низкая рабочая частота вам требуется. Исключение составляют случаи, когда ну очень нужно обрезать низкие частоты, то в формулу подставляем нижнюю рабочую частоту.

Резистор R7 регулирует уровень верхних частот – обычно отдача ВЧ динамика выше, и сигнал для него приходится ослаблять. Это важно в биампинге – иначе возможен частотный дисбаланс. Здесь использован многооборотный подстроечный резистор – и герметичный (пыль не попадает и не изменяет сопротивления), и позволяет точно отрегулировать уровень сигнала. Резисторы R8, R9, R10 позволяют “отвязать” блок от источника питания и возможных земляных петель (чтобы кроссовер можно было бы без проблем встроить в уже существующую аппаратуру). Конденсаторы С7…С10 – фильтры питания. Они должны быть одинаковыми для “+” и “-” питания.

Номиналы некоторых деталей не указаны – они зависят от частоты среза фильтров. Сами фильтры можно рассчитать по этой программе расчета кроссовера. Только нужно, чтобы сопротивления резисторов лежали в пределах 10 кОм…1МОм (тогда будет меньше помех и влияния кроссовера на другие блоки).

Для себя я сделал фильтр с частотой раздела около 2,5 кГц. Вот его АЧХ – идеал! Я использовал это кроссовер для биампинга в своем ресивере, при помощи которого я смотрю кино и слушаю музыку. Про это можно почитать и посмотреть фотографии на странице Биампинг фронтальных каналов ресивера.

Я измерял АЧХ по старинке, при помощи генератора (с низкими искажениями), частотомера и электронного вольтметра. Точки, в который производились измерения показаны на линиях (черным и голубым цветом). Суммарная электрическая АЧХ – практически идеальная прямая с неравномерностью не более +-0,05 дБ.

Конденсаторы желательно по возможности подобрать по емкости, но я, например, сильно не усердствовал, более-менее близкие, и все тут. Резисторы я вообще не подбирал, и вот что получилось при рассматривании через микроскоп:

Очень хорошо. Неравномерность АЧХ фильтра НЧ в диапазоне от 20 Гц не более 0,3 дБ! Ниже частоты 50 Гц влияет входной конденсатор С0, а выше частоты 1000 Гц – это уже начинается нормальный спад фильтра НЧ.

Измерения искажений показали, что они (искажения) находятся на уровне предела измерений – менее 0,002%. Это при использовании микросхемы ОРА2134РА. Более “крутые” операционные усилители (ОУ) использовать не рекомендуется – разницы не услышите, но можете получить много проблем с устойчивостью и ВЧ помехами. Более “простые” ОУ будут работать весьма неплохо – глубина ООС большая и искажения хорошо компенсируются. Однако советую избегать применения микросхем типа 4558 – я исследовал линейность микросхем операционных усилителей, у этой микросхемы довольно плохая линейность и нагрузочные характеристики.

Сама плата в стерео варианте получилась чуть больше спичечного коробка. Я считаю, что стремиться сделать кроссовер еще более миниатюрным нет смысла: качественные конденсаторы все равно большие, а если элементы установить слишком тесно, то получатся лишние паразитные емкостные связи, да и “соплю” между дорожками легче заполучить.

Скачать схему и монтаж

Микросхемы и конденсаторы находятся с верхней стороны платы, резисторы (кроме R7) – с нижней.

Очень важный момент: плата двухсторонняя и отверстия имеют сквозную металлизацию. В любительских условиях ее сделать практически невозможно, а без металлизации может быть непропай и неконтакт.

Вот АЧХ динамиков в ближнем поле, каждый из которых подключен к своему собственному усилителю, а усилители включены через этот кроссовер. При измерении работали оба динамика, поэтому сигнал ВЧ присутствовал при снятии НЧ характеристики и наоборот, создавая некоторые помехи. Но эти помехи весьма малы. Суммарная АЧХ (вычисленная) – очень ровная. Видно, что у НЧ динамика на частоте 5…7 кГц резкий выброс, связанный с переходом диффузора в зонный режим работы. Фильтра 3-го порядка этот выброс успешно подавляет (на самом деле выброс еще меньше, это еще из ВЧ динамика сигнал попадает). Попробуйте так настроить пассивный фильтр! И учитывайте, что настолько сильно подавить выброс фильтром 2-го, а тем более 1-го порядка не получится!

Тестовые прослушивания были очень успешными: заслушивался! Вот сравнение АЧХ одной и той же колонки (колонка на своем штатном месте, микрофон в точке прослушивания) со встроенным пассивным кроссовером, и при биампинге с активным кроссовером (это другая колонка с другими динамиками). Волнистость АЧХ – влияние помещения (надо сказать вполне неплохое), а спад ниже 800 Гц – особенности измерения.

У пассивного кроссовера (красная линия) есть провал на границе стыковки полос 2…4 кГц. А у активного кроссовера такого провала нет!

Конечно, мне могут сказать, что кривоватая АЧХ с пассивным кроссовером (провал в области 2…6 кГц) – следствие недостаточно тщательной настройки пассивных фильтров. Я не отказываюсь! Еще пара недель настройки и возможно было бы лучше. На самом деле, настройке пассивного кроссовера сильно мешала зависимость сопротивления и индуктивности динамиков от частоты (а они еще и от амплитуды зависят!). Активный кроссовер параметры динамика вообще не чувствует, поэтому АЧХ получается наилучшей. Кроме того, если вспомнить, сколько для пассивного фильтра пришлось доматывать и отматывать катушки и параллелить конденсаторы! Жуть! А тут сразу раз, и заработало! Нужно было только выбрать частоту раздела, и подкрутить подстроечник, чтобы установить уровень на ВЧ.

PS. У меня есть платы промышленного изготовления, как заказать, см. Купить печатную плату.

Фвч для встроенного усилителя

На этот раз ко мне в лабораторию попал как раз один из таких – Steg K2.04. Модель на самом деле древняя, но с недавних пор компания GT Trading (как раз ей принадлежит бренд Steg) возобновила её производство. Заявленная мощность – 2х400 Вт на 4 Ом и 2х1400 на 1 Ом. А если в мост, то на 2 Ом обещано аж 2800 Вт. И это, на минуточку, усилитель АВ-класса!

На самом деле я уже тестировал модель помладше из этой же серии – Steg K2.03 и поначалу не видел особого смысла изучать эту же серию снова. Но, как оказалось, всё не так просто. Если протестированный тогда Steg K2.03 был произведён на фабрике в Юго-Восточной Азии, то усилитель, который я держу в руках сегодня…

Если сравнить их визуально, то некоторые внешние различия обнаружить можно, и главным образом это касается применяемых материалов и покрытий. Останавливаться долго на этом не буду, качество изготовления у обеих моделей в любом случае достаточно высокое.

Для подключения усилителя предусмотрены терминалы под кабель 2Ga, “нулёвка” в них не зайдёт. Потребляемая мощность у усилителя приличная, так что усилитель и дистрибьюторы питания лучше не разносить слишком далеко друг от друга.

Радиаторы по бортам дополнительно охлаждаются вентиляторами. Они работают не постоянно, а включаются только когда это необходимо. Снял защитную сетку, чтобы лучше было видно. Вентиляторы, кстати, можно двигать вдоль корпуса.

Интересный момент – со стороны “силы” нет разъёма под провод Remote. Он перенесён на “линейную” сторону.

Фильтрация может осуществляться двумя способами. Собственные встроенные ФВЧ и ФНЧ имеют несколько фиксированных значений частоты. Для ФВЧ дополнительно можно выбрать добротность (0,7 или 1,2), а для ФНЧ можно задать крутизну среза (12 или 24 дБ/октава). Подробнее работу фильтров разберу, когда буду делать измерения.

А можно использовать не встроенные фильтры, а внешние модули Steg AQXM2, каждый из которых рассчитан на фиксированную частоту. Такие модули предлагаются отдельно – всего в каталоге Steg их 55 штук – с настройками от 22 Гц до 8,5 кГц. С ними возможности настройки фильтров уже практически ничем не ограничены.

Модули представляют собой простые резистивные сборки с четырьмя одинаковыми резисторами, так что ничто не мешает изготовить их самостоятельно. Формула расчёта резисторов в описании не приводится, но она есть в сервисной документации Steg. При желании её можно найти и в интернете.

Другая фича Steg – разъём StegLink, через который усилитель можно подключить к компьютеру (понадобится ещё адаптер Steg USB-01). Правда, такое подключение нужно совсем не для настроек. Да и настраивать тут нечего, встроенный процессор никак не вмешивается в сигнал. Он нужен для мониторинга работы усилителя.

Эта фича может пригодиться сервисным службам и особо дотошным инсталляторам – с помощью софта My Steg Manager можно следить за работой усилителя, а в случае неисправности автоматически отсылать логи в техподдержку производителя. В этот раз адаптера для подключения к компьютеру у меня не было, но если интересно, подробности о работе программы есть в отчёте о тестировании Steg K2.03.

Внутри усилитель выглядит, конечно, шикарно. Качество изготовления платы и монтажа компонентов вопросов не вызывают.

Вентилятор внутри корпуса делит внутреннее пространство ровно на две части. Он дополнительно прогоняет воздух вдоль крышки с внутренней стороны, вход и выход воздуха, получается, осуществляются через торцы.

Читайте также:  Сдвиговый регистр 74hc595

Блок питания один на оба канала, и реализован он не совсем обычно. Во-первых, он стабилизированный. Судя по заявке, выходная мощность усилителя должна оставаться постоянной при колебаниях питания от 11 до 14,4 В. Во-вторых, он управляется микропроцессором, который позволил разработчикам гибко настроить поведение усилителя в разных нештатных ситуациях и напичкать его всевозможными защитами по самое “дальше некуда”.

Интересный момент – силовые линии реализованы медными шинами. Чаще для этого используются просто отрезки толстых кабелей.

Звуковая часть сделана по тем же принципам, что и в остальных усилителях серии K2. Разумеется, с “масштабированием” количества выходных транзисторов и напряжения питания.

Есть тут, кстати, одна особенность, которая перешла в новые Steg K2.04 из старых, “докризисных”. Выходные транзисторы (здесь стоят полевики FQP22N10 и FQP33N10), судя по даташиту, имеют максимальное напряжение сток-исток 100 Вольт. При этом выходной каскад питается напряжением, близким к этому значению.

Иными словами, усилитель тонко балансирует практически на пределе возможностей элементов. Не скажу, что это проблема (прежние “стеги” пачками в ремонт не попадали, как некоторые новомодные усилители), но требования к разбегу параметров элементов при таком раскладе уже предъявляются серьёзные.

Начну, пожалуй, с фильтров. Для ФВЧ доступно четыре значения частоты (60, 80, 100 и 120 Гц) и два значения добротности (0,7 и 1,2). Собственно, как заявлено, так и работает:

Для ФНЧ тоже можно выставить одну из четырёх частот (60, 70, 80 или 90 Гц). Добротность не меняется, но можно выбрать крутизну – 12 или 24 дБ/октава. Последнее доступно, когда каналы переведены в режим “моно” (сигнал в этом случае берётся только с одного RCA-входа).

Интересная фишка – если ФВЧ переключить из режима встроенного фильтра в режим модуля AQXM2, но сам модуль при этом не вставлять, то получим фильтр-сабсоник, настроенный где-то на 23-25 Гц. Если при этом включить ФНЧ, то получится грамотный набор фильтров для сабвуфера.

Дальше перехожу к гармоническим и интермодуляционным искажениям. В этот раз попробовал снять чуть больше спектрограмм выходного сигнала, чем обычно.

Обратите внимание на первые два графика. Это спектры выходного сигнала при подаче на вход 1 кГц. Только в первом случае – с малым уровнем, а во втором – уровень выше. Во-первых, так можно наглядно отследить, как меняется характер искажений с ростом уровня сигнала. Во-вторых, можно оценить, как усилитель работает на малом сигнале: в А-классе гармоники на малом сигнале практически отсутствуют, в В-классе они видны хорошо. Steg K2.04, судя по всему, ближе ко второму. Ну и реакцию усилителя на сочетание разных частот, как обычно, тоже оценил:

В принципе, было и так ясно, что при такой ломовой мощности Steg K2.04 не должен быть склонен к нежностям. Его основная задача – надёжно контролировать нагрузку. При этом уровень искажений на средней и высокой мощности достаточно удержать, что называется, просто в рамках приличия:

    Коэффициент гармонических искажений (4 Ом, P=0,1Pmax)

Зачем нужен усилитель для акустических систем?

Скажите честно, задумывались ли вы хоть раз, как появляется звук в колонке? Вы наверняка слышали, что для того, чтобы акустика работала и играла музыку, нужен усилитель. В некоторых акустических системах усилитель уже спрятан внутри, но в большинстве случаев в системах используются отдельные устройства – усилители.


На фото: ” Black Power Set ” – вот так выглядит классический стерео комплект: источник, усилитель и акустическая система

Конечно, большое количество людей весьма подкованы в этом вопросе и прекрасно разбираются в типах усилителей, их назначении, да и вообще, как собрать хороший акустический комплект. Но мы все чаще сталкиваемся с вопросом от представителей самых разных поколений, а зачем нужен усилитель? И как понять, в каких системах он нужен, а в каких нет? Так давайте разберемся.


На фото: SYNTHESIS Soprano – вот так может выглядеть современный ламповый усилитель высокого класса

На самом деле, усилитель нужен всегда, когда требуется, чтобы динамик начал звучать – он есть в смартфонах и телевизорах, да даже в «говорящих» детских игрушках.

В этой статье мы попробуем максимально простым языком ответить на вопросы: «что такое усилитель?» и «зачем он нужен для звука в акустических системах?»

Как вообще рождается звук?

Самое простое объяснение принципа работы любого усилителя для акустики кроется в самом процессе, как рождается звук нашей любимой музыки, которую мы слышим из колонок. И вот несколько простых определений для нашей базы:

Звук – это физическое явление, энергия, которая распространяется в пространстве в виде упругих волн вследствие механических колебаний.

Т.е. движение какого-то объекта создает колебания в воздухе, эти колебания волнами начинают заполнять пространство вокруг, а наше ухо слышит характерный этому движению звук. Если резко махнуть рукой, то тот самый звук «шух», который вы услышите – это и есть новорожденный звук, появившийся после конкретного механического движения вашей рукой.

В данной статье частотные диапазоны, амплитуды колебания и прочие термины мы затрагивать намеренно не будем.

Как появляется звук в колонке?

Излучатель звука – это устройство для преобразования электрических сигналов в акустические волны (звук) и излучения их в окружающее пространство.

Излучатели различают сразу нескольких типов по принципу действия, но мы пока остановимся, пожалуй, на самом распространенном и понятном примере – электродинамический громкоговоритель или, просто, «динамик».


На фото: фирменный медный динамик Klipsch Reference – таким мы, чаще всего, динамик себе и представляем

Мы обязательно напишем отдельную и подробную статью об устройстве динамика и принципе его работы. Сейчас же акцентируем внимание на самой сути, простыми словами.

Электрический сигнал приходит в динамик и дает ему информацию, как ему «толкать воздух», он создает механические колебания и толкает воздух таким образом, чтобы в звуковых волнах мы услышали именно ту музыку, которая и была заложена в исходном электрическом сигнале.

Сам этот электрический сигнал берется из источника звука – проигрыватель винила, CD-плеер, кассетный плеер, медиа плеер, телевизор, плеер внутри смартфона (и все другое виды, какие только сможете придумать).

На фото: проигрыватель винила Pro-Ject Essential III – классический аналоговый источник, золотой стандарт Hi-Fi индустрии

Извлечение звука и его усиление

Но почему этот сигнал изначально «слаб» и его нужно усиливать? Здесь важна небольшая историческая справка.

Очень давно процесс извлечения звука и его воспроизведения был полностью механическим. Например, помните громоздкие патефоны с огромным рупором? Так вот, там механическая игла «скребет» канавки пластинки, а считанные колебания усиливаются с помощью раструба-рупора. Когда мы говорим в рупор, наш голос тоже становится громче по такому же принципу.

На фото: патефон с рупором начала XX века

С развитием Hi-Fi индустрии в середине 20 века в такую чисто механическую схему приходит преобразование этих механических колебаний в электрический сигнал. Как раз в погоне за более высоким качеством воспроизведения звука. Первооткрывателем этого стандарта стала легендарная датская компания Ortofon, которая разработала звукосниматель (картридж проигрывателя винила) как раз для решения этой задачи.

Полученный с помощью этого картриджа электрический сигнал сам по себе не обладает достаточной мощностью, чтобы быть сразу преобразованным в звук динамиком. Вот тут-то и появляется задача для усиления этого сигнала.


На фото: Ortofon MC Windfeld Ti – звукосниматель считывает с пластинки механический сигнал и преобразовывает его в электрический

Причем, на нашем примере, чем громче мы хотим услышать звук, тем более мощный динамик нам нужен, а это значит, что еще более мощный сигнал должен приходить в этот динамик.

С цифровым сигналом ситуация слегка иная, но схожая. Для того чтобы цифровую музыку в виде электричества подать на динамики, ее сначала нужно преобразовать из цифры в аналог. Для этого используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), о них мы много и подробно поговорим в других статьях. Важно то, что и у них электрический сигнал на выходе точно также «слаб» для любого динамика и тоже требует усиления.

На фото: SYNTHESIS Roma 14DC+ – пример современного CD-проигрывателя класса High End

Усилитель – это устройство (цепочка устройств), которое позволяет исходному электрическому сигналу от источника обрести достаточную мощность, чтобы быть поданным на динамик акустической системы. И в результате получится громкий и четкий звук, которым мы с вами и будем наслаждаться.

На фото: современный ламповый усилитель Hi-Fi класса TAGA Harmony

Надеемся, что на таких простых примерах нам удалось объяснить, зачем же нужен усилитель и какова его роль в звуке Hi-Fi-системы. Еще лучше вы сможете разобраться в вопросе, поняв внутреннее устройство усилителя, его самые важные параметры, принцип работы, а также, какие типы усилителей бывают и где используются. И об этом мы поговорим с вами в следующих статьях.

Лабораторная работа № 7 усилители с частотно-зависимой обратной связью (активные фильтры)

Цель работы – исследование амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик усилителя и ее зависимости от вида и глубины обратной связи.

Частотно-зависимые цепи обратной связи (ОС) используются для создания усилителя (активного фильтра (АФ)) с необходимыми амплитудно-частотными (АЧХ), фазово-частотными (ФЧХ) характеристиками, а также с необходимой зависимостью времени задержки сигнала от частоты tзд (w). Именно вид цепи ОС и способ включения ее в усилитель определяют характерные свойства активного фильтра. Наиболее часто используются фильтры низких частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые пропускающие (ПФ-ПП) и полосовые заграждающие (ПФ-ПЗ) фильтры. Вид их АЧХ представлен на рис. 7.1, а, б, в, г соответственно.

Рис. 7.1. Характерные АЧХ фильтров: а – низких частот; б – верхних частот; в – полосовых пропускающих в заданной полосе частот;

г – полосовых заграждающих

Для создания усилителя – активного фильтра, например, фильтра верхних частот I порядка обычно используется операционный усилитель (ОУ), охваченный отрицательной обратной связью (ООС), представляющей фильтр нижних частот, и наоборот, использование фильтра нижних частот в качестве цепи ООС приводит к созданию усилителя – АФ-фильтра верхних частот. Можно использовать как последовательные, так и параллельные ООС.

Для примера рассмотрим работу АФ ФНЧ и подход к расчету его АЧХ. Пусть ООС будет последовательной. Цепь ОС (табл. 7.1, ряд № 1) является ФВЧ, поскольку сопротивление емкости С для верхних частот (w ³ wz) мало и соответственно КОС= U2 /U1

В области низких частот КОС определяется омическим делителем и составляет КОС= R1/(R1+R2). Вид АЧХ цепи ОС и ее математическое описание представлено в табл. 7.1 в том же ряду.

Включение данной цепи ОС в усилитель (табл. 7.2, сх. № 1) приведет к конечной величине коэффициента усиления по напряжению АФ КU = = 1+R2/R1 в области нижних частот. С повышением частоты КОС будет увеличиваться, глубина ООС будет возрастать, а КU – уменьшаться, стремясь к КU = 1. Таким образом, сформировался усилитель – АФ-фильтр нижних частот I порядка. Его АЧХ представлена в табл. 7.2 (строка № 1), и в области непрозрачности можно ожидать спада АЧХ вплоть до 20 дБ/дек.

Читайте также:  Наручные часы на гри (по проекту bars)

При расчетах АЧХ усилителей с цепью обратной связи используются законы Киргофа. Примем, что RВХ ОУ ® ¥, RВЫХ ОУ ® 0, а KU = KU 0 – величина конечная.

Для входной цепи (табл. 7.2, сх. № 1), поскольку ОС является последовательной, можно записать

Фильтры верхних и нижних частот

Цепь обратной связи

АЧХ и ФЧХ цепи ОС

Основные математические соотношения

Поскольку для данной цепи ОС Z1= R1, Z2 = R2 / (1+pCR2) и полагая, что практически, всегда выполняется условие КU 0 > (1+ Z2 / Z1), окончательно получаем

Это – математическое описание АЧХ активного фильтра. Данный фильтр является ФНЧ, и в области низких частот имеет коэффициент передачи КU = (1+R2/R1). Он является фильтром первого порядка в соответствии со степенью знаменателя относительно p=jw. Корень знаменателя является полюсом фильтра, имеет собственную частоту wP=1/R2C и определяет верхнюю граничную частоту ФНЧ, при которой модуль коэффициента передачи по напряжению уменьшится в раз по сравнению с коэффициентом передачи в области низких частот.

Корень числителя называется нулем фильтра, имеет частоту wz = 1/ (C (R1 ½½ R2)), что соответствует излому АЧХ в области высоких частот. Часто уравнение АЧХ записывается через безразмерный параметр Р=jw/w.

В этом случае уравнение АЧХ будет иметь вид

Аналогично можно определить АЧХ других фильтров, рассматриваемых в работе. В случае параллельной обратной связи эффективным методом решения является использование уравнения SIВХ= 0.

В табл. 7.2 (схемы 1– 4) приведены часто используемые схемы НЧ и ВЧ активных фильтров первого порядка и их АЧХ.

Фильтры Салена-Кея (табл.7.2, схема 5 – АФ ФНЧ, схема 6 – АФ ФВЧ) содержат как положительную обратную связь – (частотно-зависимую цепь Салена-Кея), так и ООС – частотно-независимую отрицательную обратную связь в виде резистивного делителя R1, R2, и являются активными фильтрами II порядка. Уравнение, описывающее их АЧХ и ФЧХ, имеет знаменатель – функцию II порядка относительно P.

Коэффициент передачи цепи положительной ОС аналогичен К2-3 для Т-моста (табл. 7.1, сх.№ 4) и имеет слабо выраженный максимум на частоте полюса. Он и определяет подъем АЧХ усилителя-фильтра на частоте w0. Приведенные в табл.7.2 математические соотношения справедливы и в случае “зеркальной” схемы Салена-Кея, когда резисторы и конденсаторы поменялись местами.Варьируя резистивный делитель R1,R2 цепи ООС, можно изменять усиление (К) эквивалентного операционного ОУ, (усилителя, охваченного только отрицательной ОС), и тем самым изменять соотношение между глубиной положительной и отрицательной ОС, и таким образом изменять коэффициент усиления по напряжению АФ в полосе пропускания (вблизи частоты w). Одновременно изменяется добротность полюса и, следовательно, АЧХ фильтра.

Фильтры Салена-Кея в области непропускания имеют спад АЧХ 40дБ/дек (. ), поскольку являются фильтрами II порядка. При К ³ 3 (см. К5, К6, табл. 7.2) в усилителе возникает генерация на частоте полюса w

w = 1/RC. Такие схемы часто используются как генераторы сигнала близкого к гармоническому.

Как выбрать усилитель?

Усилитель – далеко не самый необходимый элемент аудиосистемы, но добиться по-настоящему качественного звука без него практически невозможно. Оговоримся сразу, раскрыть все возможности усилителя можно лишь при наличии достаточно качественных головного устройства и акустической системы.
Первое с чем надо определиться при выборе усилителя это габариты. Особенно если планируется его установка в скрытых полостях автомобиля. Определенных стандартов здесь в отличие от головных устройств не существует, и каждый производитель использует размеры, которые считает оптимальными.

Классы усиления A, AB, B, D

Буквами обозначаются классы усиления (режимы работы). Как правило, на упаковке они не указываются, исключение составляет класс А.

  • Класс А – Усилитель, работающий в классе А, является законной гордостью производителя, так как косвенно указывает на его бескомпромиссность и четкую ориентацию на качественное звуковоспроизведение. Класс А отличают крайне низкие искажения, высокое потребление тока, большая теплоотдача и низкий К.П.Д.. Качество звука у него наивысшее среди всех классов. Однако в автомобильной аудиоаппаратуре применяется крайне редко в связи с повышенными требованиями к мощности аудиосистемы из-за повышенной шумности салона.
  • Класс B , наоборот обладает высокой эффективностью, низким тепловыделением и, к сожалению, повышенными искажениями. Класс AB применяемый в подавляющем большинстве автомобильных усилителей, является компромиссом между двумя вышеуказанными классами, и обеспечивает разумный баланс между эффективностью и качеством звука.
  • Класс D , называемый в обиходе “цифровым”, на самом деле таким не является, гораздо корректнее будет называть его импульсным. Изначально применялся только для усиления сигнала для сабвуфера. Сейчас все чаще встречаются широкополосные импульсные усилители. Их характерные особенности – это очень высокий К.П.Д. и соответственно малое выделение тепла. По качеству звука они почти сравнялись с традиционными усилителями класса AB.

6, 5, 4, .

Типовые схемы подключения усилителей

  • Фронт + Тыл/Фронт + Сабвуфер
    Для этой схемы минимально возможное количество каналов усиления 4. В первом случае каналы подключаются к каждому из четырех динамиков Левый/Правый Фронт + Левый/Правый Тыл.. Такая схема не рекомендуется для систем, ориентированных на высокое качество звуковоспроизведения. Тыловые каналы оттягивают звук на себя, что приводит к возникновению фазовых искажений и отсутствию “звуковой сцены”, также без поддержки сабвуфера низкочастотный диапазон воспроизводится не полностью.
    Во втором случае два тыловых канала подключаются в мостовом режиме на сверхнизкочастотный динамик (сабвуфер). Эта схема является оптимальной в простых инсталляциях, ориентированных на существенное повышение качества звучания. При отсутствии тыловой акустики становится возможным получить приемлемую “звуковую сцену” и качественную низкочастотную поддержку.
  • Фронт + Тыл + Сабвуфер
    Для этой схемы подойдет любой 5-ти или 6-ти канальный усилитель. Единственная разница будет заключаться в том, каким образом будет подключен сабвуфер: в мостовом режиме или отдельным каналом. Как правило, 5-ти и 6-ти канальные усилители ориентированы именно на такую схему подключения, основным различием является возможность третьей пары работать в стереорежиме.
  • Мультимедиа 5.1 (Фронт + Тыл + Сабвуфер + Центральный канал)
    Система, ориентированная на просмотр видеофайлов, схематически аналогична домашнему кинотеатру, минимальное количество каналов 6. Усилителей, предназначенных целенаправленно для таких систем, очень мало, поэтому центральный канал, как правило, усиливается отдельно. Остальная конфигурация аналогична предыдущей схеме включения.
    Идеальным вариантом подключения усилителей является схема с использованием отдельных двухканальных усилителей на каждую пару динамиков, но для ее реализации требуется свободное место для установки, либо готовность им пожертвовать, к тому же такая конфигурация весьма недешева.

Пара слов о мощности усилителя

Основным критерием оценки усилителя у непрофессионала является мощность, и, как правило, зря. Очень важно понимать, с использованием каких стандартов измерения мощности производилась оценка. Наиболее корректное представление о реальном потенциале усилителя могут дать стандарты DIN или RMS.

  • DIN – мощность, при которой усилитель может работать в течение длительного времени с сигналом “розового шума” и нелинейными искажениями на уровне 1%.
  • RMS (Rated Maxmum Sinusoidal) – Максимальная (предельная) синусоидальная мощность – мощность, при которой усилитель может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без выхода из строя. Обычно на 20 – 25 процентов выше DIN.
  • PMPO (Peek Music Power Output) – Пиковая кратковременная мощность, которую усилитель может выдать в течение короткого промежутка времени (обычно 10 мс.). Уровень нелинейных искажений при этом не учитывается.

Также необходимо обратить внимание, при каком сопротивлении нагрузки было проведено измерение. Сопротивление постоянному току у типичного автомобильного громкоговорителя 4 Ом. Соответственно при сопротивлении 8 Ом выходная мощность усилителя будет в 2 раза ниже. При сопротивлении 2 Ом теоретически в 2 раза выше, но на практике такое встречается крайне редко из-за ограниченных возможностей блока питания.

Остальные технические характеристики. На что обратить внимание.

Такие параметры как частотный диапазон, отношение сигнал/шум и переходное затухание мы здесь подробно обсуждать не будем, они уже давно в порядке у всех усилителей, и изучать их при выборе усилителя смысла нет.

Скорость нарастания сигнала на выходе – довольно важный параметр при работе усилителя в ВЧ-диапазоне, но при этом абсолютно бесполезный при подключении к сабвуферу. Приемлемый уровень от 2-х В/Мкс.

Демпинг фактор – оказывает влияние на контроль движения диффузора динамика. Тут все просто, чем больше, тем лучше. В совсем уж печальных случаях возможно “гудение” сабвуфера и потеря атаки мидбаса.

Дополнительные функции

90 процентов автомобильных усилителей мощности, помимо собственно усиления сигнала обладают рядом дополнительных и достаточно полезных функций.

Фильтры/кроссовер. (Hi-Pass/Lo-Pass/Band-Pass)

Фильтры присутствуют почти в каждом автомобильном усилителе мощности, с их помощью можно как ограничить сигнал сверху (оставить только нижние частоты) и оставить только низкочастотную составляющую (необходимо для ограничения воспроизводимого диапазона частот сабвуфера) – в этом случае используется Фильтр низких частот/ФНЧ/Lo-Pass , так и наоборот, Фильтром высоких частот/ФВЧ/Hi-Pass можно ограничить снизу полосу частот воспроизводимую НЧ/СЧ динамиком (во избежание его перегрузки и физического выхода из строя).

  • Полосовой фильтр (Band-Pass) применяется в случаях, когда необходимо ограничить воспроизводимый диапазон и сверху и снизу. Например, при поканальном усилении фронтальной акустики мидбас приходиться обрезать с обеих сторон диапазона.
  • Bass Boost – Достаточно бесполезная функция, представляющая собой однополосный эквалайзер на частоте как правило 40 Гц. и работающий только в плюс. Как правило, при увеличении звукового давления приводит к существенному ухудшению качества звучания. Крайне не рекомендуется пользоваться им в большом диапазоне.
  • Subsonic – Подтональный фильтр используется, как правило, в системах с фазоинвертором для отсечения полосы частот ниже частоты настройки порта фазоинвертора.
  • Дистанционный регулятор уровня – применяется для оперативной регулировки уровня сабвуфера с места водителя.

Очень редко и только в крайне ограниченном количестве моделей могут встречаться следующие функции:

  • DSP (Digital Signal Processor) – позволяет производить тонкую настройку системы, а также скорректировать огрехи инсталляции. При подключении по аналоговому входу теряет свои преимущества.
  • Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП/DAC) – позволяет подавать сигнал на усилитель в цифровом виде, что значительно снижает вероятность появления помех и фоновых шумов.

Резюме

При выборе усилителя ориентируйтесь на хорошо известные и зарекомендовавшие себя фирмы. Тогда вероятность ошибиться с выбором будет гораздо меньше.

Не думайте, что, послушав его на стенде, Вам будет проще сделать правильный выбор. Понять, как на самом деле будет звучать Ваш усилитель, Вы сможете только в салоне Вашего автомобиля и в составе Вашей аудиосистемы.

Для установки и настройки усилителя обращайтесь только в специализированные установочные центры. Только квалифицированные мастера смогут учесть все нюансы и “подводные камни” при установке усилителя, а Вы в свою очередь получите хорошо звучащую систему без помех и фоновых шумов.

К сожалению, далеко не факт, что усилитель с отличными характеристиками будет звучать столь же хорошо. Выяснить это можно только путем прослушивания.

Рекомендуемая мощность усилителя 70-120% от мощности акустических систем. Более мощный может повредить как НЧ, так и ВЧ часть вашей акустической системы, а недостаточно мощный может вывести из строя ВЧ-динамики.

Ведущий специалист car audio Прудников Алексей.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector