Трехполосный громкоговоритель с головкой W21EX-001

С. БАТЬ Радио №8/2003, ст.15

Очередная конструкция С. Батя представляет интерес для же­лающих изготовить акустическую систему самостоятельно. Этот громкоговоритель можно использовать как в классической двух­канальной, таки в многоканальной АС домашнего театра, где ис­пользуется отдельный сабвуфер. Относительно малый разброс параметров использованных головок позволяет рассчитывать на возможность успешного повторения конструкции в любитель­ских условиях.

Целью разработки описываемой конструкции было создание пригодно­го для повторения в любительских ус­ловиях громкоговорителя относительно небольшого размера с вы­сокими электроакустическими характеристиками. При выборе динамических головок учиты­вались их электроакустические параметры, а также опыт кон­струирования нескольких громкоговорителей, разрабо­танных автором ранее. Для низких частот выбрана динамическая головка SEAS W21EX 001 К началу разработки имелся положи­тельный опыт использования W21ЕХ 001 в двухполосном громкоговорителе за­крытого типа, который обеспечивал достаточно высокое качество воспро­изведения низких частот. Для средних частот выбрана головка SEAS Н143 с бумажным диффузором, для высоких частот — PEERLESS 810665 без маг­нитной жидкости, с куполом из пропи­танной ткани.

Чертеж корпуса громкоговорителя показан на рис. 1. Корпус имеет по­лезный объем 28 л для головки НЧ и 2,7 л — для головки СЧ Эти объемы заполнены синтепоном низкой плот­ности. С целью снижения вибраций внутренняя поверхность корпуса по­крыта гидростеклоизолом. Для дополнительного демпфирова­ния боковых стенок использованы накладки. В накладках имеются круглые выборки, в которые вложены резино­вые шайбы, по толщине превышающие глубину выборок на 0,5 мм. Накладки прикрепляют к боковым стенкам вин­тами-саморезами. По мере прижима накладок происходит деформация шайб, и они плотно прилегают к боко­вой стенке корпуса.

Наружная поверхность корпуса ок­леена шпоном вишни, накладки покра­шены черной акриловой краской. Тем­ные накладки на фоне светлого шпона подчеркивают форму конструкции, придавая корпусу более гармоничный внешний вид. Фото громкоговорителя показано на обложке предыдущего но­мера журнала (№ 7 за 2003 г.).

Описанию кроссовера целесооб­разно уделить особое внимание, по­скольку он является важным узлом трехполосного громкоговорителя. Начнем с уточнения некоторых по­нятий. Интервал частот, в котором обе головки участвуют в формировании результирующей АЧХ по звуковому давлению, является областью совме­стного излучения динамических головок, и частота раздела расположена внутри этой области. При симметрич­ных спадах АЧХ по звуковому давле­нию частота раздела может быть вы­числена как среднее геометрическое значение частот, определяющих гра­ницы области совместного излучения. Зависимости модуля полного сопро­тивления от частоты динамических го­ловок и громкоговорителя для кратко­сти {ввиду частого упоминания) будем называть Z-характеристиками.

При разработке кроссовера стави­лось целью обеспечить получение ми­нимальной неравномерности АЧХ гром­коговорителя по звуковому давлению.

Для моделирования кроссовера ис­пользована программа LEAP, которая позволяет работать с измеренными АЧХ и Z-характеристиками динамических головок. Это дает возможность просмот­реть предварительно работу разных схем фильтров, полу­чая достаточно наглядные результаты, и выбрать для реализации наиболее при­емлемый вариант. Программа LEAP имеет оптимизатор, позволя­ющий в автоматическом режиме рас­считать любой элемент фильтра по заданному критерию (например, по минимальной неравномерности АЧХ в заданном интервале частот). Исходными данными для разработ­ки кроссовера являются АЧХ чувстви­тельности и Z-характеристики динами­ческих головок. Все эти характеристики измеряются в корпусе громкоговорите­ля после настройки акустического оформления. Для выбора оптимальных частот раздела были проведены изме­рения АЧХ всех головок с помощью ми­крофона, расположенного вдоль оси го­ловки на расстоянии 0,5 м, а результаты усреднены в интервалах 0,2 октавы. Z-характеристики измерены в режи­ме генератора тока. Определим ориен­тировочно частоты раздела на основе анализа АЧХ динамических головок.

АЧХ головки НЧ (рис. 2) имеет не­равномерность 3 дБ в диапазоне час­тот 60…500 Гц; дальше с увеличением частоты следует подъем с максиму­мом на частоте 1,3 кГц. Такой характер АЧХ не является проблемой, поскольку в трехполосном громкоговорителе можно использовать головку НЧ в диа­пазоне частот не выше 600 Гц, где не­равномерность АЧХ достаточно мала.

АЧХ головки СЧ (рис. 3) в диапазо­не частот 600…4000 Гц имеет неравномерность 4 дБ. Неравномерность АЧХ характеризуется подъемом на частоте 1 кГц и провалом в диапазоне от 1 5 до 3 кГц. При разработке фильтров крое севера желательно уменьшить неравномерность АЧХ головки СЧ Для этого желательно выбрать частоту раздела недалеко от провала в ее АЧХ Выберем частоту раздела равной 3 кГц и проверим как это согласуется с параметрами головки ВЧ АЧХ этой головки (рис. 4) в диапазоне 3 20 кГц имеет неравномерность 3 дБ, а резонансная частота — около 950 Гц При разработке фильтра необходимо учесть что для защиты головки ВЧ от перегрузки средними частотами при­дется обеспечить ослабление сигнала на частоте 950 Гц не меньше 20 дБ При частоте раздела 3 кГц необходимое ослабление можно обеспечить с помощью ФВЧ третьего порядка

Схема кроссовера показана на рис. 5 Сигналы НЧ поступают на ди­намическую головку W21EX001 через ФНЧ второго порядка L4C7 обеспечивающий спад АЧХ по звуковому давлению 3 дБ на частоте 500 Гц Цепь R5C8 компенсирует увеличение полного со­противления головки с ростом часто­ты Симметричный спад АЧХ головки СЧ формирует ФВЧ первого порядка, в котором работает конденсатор СЗ.

Использование фильтра первого порядка при требуемом спаде АЧХ с наклоном 12 дБ на октаву оказалось возможным из-за того что начало ес тественного спада АЧХ головки СЧ ока залось близким к частоте раздела Формирование спада АЧХ произошло как результат взаимодействия переда точной характеристики фильтра и ес тественного спада АЧХ головки СЧ Ре зонансныи пик на Z характеристике этой головки скомпенсирован после довательным контуром L3C6R4. Эле менты R3 и С5 компенсируют увели чение сопротивления головки СЧ с ростом частоты В компенсирующем контуре R4 подбирается так чтобы в сумме активное сопротивление ка тушки индуктивности и резистора R4 составило 9 Ом

На рис. 6 показаны результаты компенсации нелинейности, присущей Z характеристике головки СЧ Фильтр низких частот второго порядка L2C4 формирует спад АЧХ головки СЧ который начинается с 2 5 кГц.

Совместно с головкой ВЧ работает ФВЧ третьего порядка который на час тоте 2 5 кГц обеспечивает ослабление 5 дБ Делитель R1R2 согласует головку ВЧ по уровню звукового давления с головками СЧ и НЧ

Параметры элементов кроссовера подобраны с помощью оптимизатора программы LEAP по критерию минимальной неравномерности АЧХ громкоговорителя по звуковому давлению. На рис.7 показаны АЧХ динамических головок работающих совместно с фильтрами, и результирующая АЧХ громкоговорителя Для наглядности уровень АЧХ динамических головок уменьшен на 1 дБ Область совместного излучения головок НЧ и СЧ находится в интервале 400 900 Гц, располагаясь симметрично относительно 600 Гц. Их АЧХ по зву­ковому давлению пересекаются на час­тоте 550 Гц. Область совместного излу­чения головок СЧ и ВЧ лежит в интерва­ле 2,5.. .4 кГц, располагаясь симмет­рично относительно 3,16 кГц. АЧХ по звуковому давлению головок СЧ и ВЧ пересекаются на частоте 2,9 кГц. На рис. 8 показаны передаточные характеристи­ки фильтров. Рассмотрим их характерные особенности.

Фильтр, работающий совместно с головкой НЧ, созда­ет небольшой спад в области низких частот. Спад начина­ется с 50 Гц и на 20 Гц со­ставляет 1 дБ. Так сказыва­ется влияние изменения полного со­противления головки НЧ: полное со­противление уменьшается с 30 до 8 Ом при изменении частоты с 50 до 20 Гц. Фильтр для головки СЧ используется помимо ограничения полосы рабочих частот и для корректировки АЧХ по зву­ковому давлению, в связи с этим его пе­редаточная характеристика в полосе прозрачности практически не имеет плоского участка. В результате в полосе частот 1…3 кГц неравномерность АЧХ громкоговорителя составляет 1,5 дБ, тогда как головка СЧ в этом диапазоне имеет неравномерность АЧХ 4 дБ.

Фильтр, защищающий головку ВЧ от внеполосных низкочастотных сигна­лов, обеспечивает на частоте 950 Гц ослабление 24 дБ.

В кроссовере используются метал­лопленочные керамические резисторы на мощность 5 Вт. Конденсаторы С1, С2, С4 — с полипропиленовым диэлектри­ком на рабочее напряжение 250 В фир­мы Solen. Конденсаторы СЗ, С5, С7, С8 — пленочные с лавсановым диэлек­триком (MKT axial) на рабочее напря­жение 160 В С6 — неполярный оксид­ный конденсатор Jamicon на рабочее напряжение 35 В.

Катушки индуктивности намотаны на каркасах, изготовленных из орг­стекла. На схеме указаны максимально допустимые значения активных сопро­тивлений катушек индуктивности. На­моточные данные катушек сведены в таблицу. В ней приняты следующие обозначения: D — диаметр каркаса; Н — высота намотки; Т — ширина на­мотки; N — число витков; d — диаметр провода.

На рис. 9 показана Z-характеристика громкоговорителя. Минимальное значение модуля полного сопротив­ления громкоговорителя составляет 4,3 Ом на частоте 300 Гц Выше часто­ты 3 кГц происходит увеличение со­противления, достигая максимума 18 Ом на частоте 7 кГц. Этот рост пол­ного сопротивления может привести к подчеркнутому воспроизведению высоких частот при работе громкого­ворителя с ламповым усилителем, имеющим повышенное выходное со­противление. Для компенсации подъ­ема параллельно входным клеммам громкоговорителя можно включить последовательный контур R6L5C9 (см. рис. 5). Z-характеристика с компенса­цией подъема показана на рис. 10.

Любители сокращать число эле­ментов кроссовера могут исключить компенсацию резонансного пика го­ловки СЧ. На рис. 11 показано изме­нение АЧХ по звуковому давлению этой головки, которое получается в результате исключения компенсиру­ющего контура R4L3C6. Без компенса­ции на уровне 12 дБ спад АЧХ приоб­ретает небольшую «полку» в диапазо­не 150…300 Гц. Изменение спада АЧХ происходит в основном за пределами области взаимного излучения и не приводит к заметным изменениям АЧХ громкоговорителя На слух с трудом удается заметить некоторое ухудше­ние звучания связанное с исключением компенсирующего контура Прослушивание громкоговорителя проводилось с транзисторным усилителем мощности Все участвовавшие в прослушивании дали положительные отзывы отметив хорошую артикуляцию басов и нейтральное звучание на сред них и высоких частотах Звучание гром­коговорителя на низких частотах было признано адекватным его размерам, но недостаточным для высококачест венного воспроизведения программ где существенную роль играют частоты ниже 60 Гц Расширить частотный диапазон громкоговорителя вниз до 35 Гц можно введением фазоинвертора для динамической головки W21ЕХ 001.