Трёхблочная акустическая система

Е. ШАЛАГИН, Радио №1/2014, ст.8

В разработанной автором конструкции трёхполосной АС приняты меры по оптимизации ряда эксплуатационных характеристик — направленности излучателей, сопряжению их фазовых характеристик и подавлению паразитных вибраций корпусов. Достоинством конструкции является и возможность подключения полосовых громкоговорителей отдельными кабелями к общему или раздельным усилителям мощности.

Отличие описываемой АС от типовых вариантов акустического оформления состоит в том, что каждой из трёх полос звуковых частот соответствует свой корпус индивидуальной формы, продиктованной определёнными требованиями. Эту АС (фото на рис. 1) отличает возможность адаптировать направленность в каждой полосе и суммарную фазовую характеристику, оптимизируя качество звучания с учётом акустических особенностей конкретного помещения и размещения в нём слушателей.

Основной упор при разработке конструкции корпуса для низкочастотных головок ставился на минимизацию резонансных явлений и на снижение уровня вибраций. Вместе с тем при изготовлении АС не использовались редкие и дефицитные материалы и трудоёмкие технологии, связанные с выклейкой криволинейных форм. При повторении конструкции допустимо использовать и близкие аналоги применённых динамических головок, но важно обеспечить требования к форме, вибро- и звукоизоляции корпусов, которые изложены в статье.

Внешняя конфигурация корпусов частей АС (формы, наличие фасок для сглаживания углов) и способы соединения их элементов содействуют демпфированию и положительно влияют на акустические характеристики АС. На качество звучания также существенно влияет регулируемая диаграмма направленности. К достоинствам этой трёхблочной АС можно отнести возможность смещения акустических центров полосовых головок в вертикальной плоскости. К такой АС легко (и выигрышно) подключать многополосные УМЗЧ с активными разделительными фильтрами.

Основные технические характеристики:

• Номинальное сопротивление, Ом 4

• Полоса рабочих частот АС, Гц 30. 22000
• Чувствительность АС, дБ/Вт м 90
• Частоты разделения, Гц … .500 и 3000
• Для работы с описываемой АС рекомендуемая номинальная мощность усилителя в полосе НЧ — 150. 200 Вт, а в полосе СЧ— ВЧ — не менее 70 Вт.

Конструкция корпусов АС

Чертежи конструкции АС представлены на рис. 2, 3. Блоки для СЧ- и ВЧ-головок выполнены согласно рекомендациям [1,2] в виде отдельного узла, его угол наклона в вертикальной плоскости связан с расстоянием от места слушателя до АС. В нём легко регулируется сопряжение фазы излучения в области разделения полос НЧ и СЧ смещением этих блоков по глубине относительно передней плоскости корпуса для низкочастотных головок. ВЧ-головка установлена в шарообразном корпусе и установлена на шестигранном корпусе для СЧ-головки. Конструкция крепления блока ВЧ-головки обеспечивает возможность регулирования ее направленности по двум координатам независимо от ориентации блока СЧ-головки.

В полосах СЧ и ВЧ применены фильтры и динамические головки, хорошо зарекомендовавшие себя в конструкциях. Для полосы ВЧ была выбрана динамическая головка D26TG-35-06 фирмы VIFA, а для полосы СЧ — головка Н143 фирмы SEAS. Такой выбор был обусловлен их удачным применением в акустических системах С.Батя [3, 4]. В блоке НЧ использованы недорогие динамические головки фирмы KENWOOD KFC-WF255 (Рном = 140 Вт, Rном = 4 Ом, полоса рабочих частот — 28…800 Гц, чувствительность — 91 дБ/Вт*м), предназначенные для автомобильных сабвуферов.

Подставкой под громкоговорители АС общей массой трёх блоков около 80 кг служат плиты из ламинированной ДСП толщиной 25 мм, на которые с двух сторон наклеено два слоя линолеума. Помимо эстетической функции, эти подставки служат необходимым изолятором передачи вибраций через пол.

Схема и конструкция кроссовера

Фильтр для головок НЧ представляет собой ФНЧ второго порядка с частотой разделения 500 Гц, он рассчитан по методике, изложенной в [1]. АЧХ НЧ-головки рассчитана по паспортным данным с помощью программы Win ISD 0,50а7. Схемы фильтров для СЧ- и ВЧ-головок аналогичны описанным в [3, 4]. Схемы узлов кроссовера показаны на рис. 4,а, б.

Кроссовер полос СЧ и ВЧ смонтирован на печатных платах размерами 130×127 мм (соответственно рис. 5 и 6), выполненных из фольгированного стеклотекстолита. Конденсаторы в фильтрах — К73-16 на 63 В и МБГО на 160 В, резисторы — С5-5В и С5-16МВ. Соприкасающиеся детали монтажа (конденсаторы К73-16) задемпфированы силиконовым герметиком. Обе платы фильтров этих полос установлены в блоке СЧ и зафиксированы в пластмассовых направляющих, которые приклеены к корпусу через два слоя мягкого линолеума для исключения резонансных явлений.

Конструкционные параметры катушек аналогичны рекомендациям, данным в (3, 4). Параметры фильтра для головки Н143 взяты из [3] при повторении конструкции. Катушки каркасов изготовлены из оргстекла толщиной 3 мм и склеены дихлорэтаном. Их параметры и конструкционные размеры приведены в таблице В ней приняты следующие обозначения: D диаметр каркаса; Н и Т — размеры сечения обмотки; N — число витков; d диаметр провода. После намотки провод зафиксирован лаком, а каркасы катушек приклеены к плате герметиком.

Катушка фильтра НЧ содержит 259 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,32 мм. Чертёж катушки изображён на рис. 7. Он изготовлен из оргстекла толщиной 6 мм и склеен дихлорэтаном. Каждый слой обмотки катушек всех фильтров покрыт лаком. Выводы каждой НЧ-головки выведены в нишу фильтра НЧ медным многожильным проводом. Катушка приклеена в нише к корпусу блока НЧ клеем «Момент». Все элементы фильтра НЧ соединены навесным монтажом гибким медным проводом сечением 4 мм2 минимальной длины и установлены в нише задней панели (см. рис. 3).

Конструкция и сборка корпуса блока НЧ

При разработке конструкции и выборе материалов для корпуса и элементов виброизоляции и вибропоглощения учитывались рекомендации из [5]. При склеивании деталей из ДСП учитывают деформации заготовок, вызванные транспортировкой и хранением. Для скрепления частей корпуса применён клей ПВА. Его необходимо наносить на стороны, которые в дальнейшем будут взаимно компенсировать прогибы, т. е. вогнутую сторону одной заготовки клеить к вогнутой стороне другой, либо наоборот. Это позволяет избежать деформации корпусов АС в течение долгих лет эксплуатации. В качестве клея при сборке корпуса использован бесцветный силиконовый герметик, не дающий жёсткую механическую связь между деталями конструкции. Толщина слоя герметика при сборке лимитируется проволочными ограничителями Г-образной формы диаметром 2 мм, установленными с шагом 200…300 мм. Сборка корпуса осуществляется из готовых, предварительно покрашенных и покрытых лаком сборочных частей. Толщина передней панели корпуса блока НЧ равна 64 мм. Это сделано для уменьшения передачи колебаний от корпуса динамической головки на корпус АС.

Уровень звукового давления в обычной гостиной, создаваемого за счёт излучения стенок типичного корпуса, всего лишь примерно на 12 дБ ниже, чем от излучения диффузора, по крайней мере, в низкочастотной части 34. На отдельных частотах, где стенки корпуса имеют резонансы, амплитуда звука, излучаемого корпусом, может даже превысить амплитуду, излучаемую диффузором (6].

В конструкции данной АС для устранения этих негативных факторов применены методы виброизоляции и вибропоглощения. Эффект виброизоляции обеспечивается применением упругих амортизаторов (рис. 8) при креплении возбудителя вибрации — НЧ-головки (от диффузора 1 к диффузородержателю 2) к передней стенке корпуса 8, а иногда и передней стенки к боковым 10. В данной конструкции применены оба метода. Диффузородержатель головки закреплён через сплошную прокладку 7 из высококачественной плотной мелкопористой резины толщиной 4 мм, а головки шурупов 3 зафиксированы через металлические шайбы 4 с локальными опорными виброизоляторами 5, 6 из такой же резины. Для уменьшения передачи вибрации от корпуса динамической головки к передней панели через крепёжные шурупы они дополнительно изолированы втулками 11 из фторопласта, внутренний диаметр которых равен диаметру крепящего шурупа, а наружный равен диаметру крепёжных отверстий головки. При необходимости размер этих отверстий следует увеличить до соответствующего втулкам с толщиной стенки не менее 1,5 мм. Естественно, все эти мероприятия не должны влиять на герметичность места соединения головок и корпуса АС. Сама же передняя панель крепится к боковым стенкам на толстый слой (конечное сечение 3×25 мм) силиконового герметика 9, что позволило дополнительно уменьшить передаваемый уровень вибраций на боковые и задние стенки корпуса. Уголки при креплении этой детали не использовались.

Эффект поглощения вибрации обеспечен применением сэндвича линолеум-пенопласт толщиной 10 мм—линолеум, которым обклеены все внутренние поверхности корпуса АС, исключая переднюю панель. Слой синтепона, прошитого в четыре слоя, выполняет функцию демпфирования (весь набор в итоге около 35 мм толщиной). Линолеум необходимо применить как можно более толстый (3,5. .4,5 мм), качественный, не армированный и не утеплённый (однородный материал). Необходимо использовать пенопласт, имеющий максимальную плотность.

Сначала производился раскрой линолеума с учётом обеспечения зазора 40 мм по периметру внутренних поверхностей каждой внутренней стороны корпуса. Приклейка производилась послойно клеем «Момент» на собранную без передней панели конструкцию с простукиванием всех участков резиновым молотком после просушки клея После чего на первый слой линолеума наклеивались куски пенопласта толщиной 10 мм, размерами 50×50 мм с зазором 10…15 мм между ними. После высыхания наклеивался второй слой линолеума и только потом четыре слоя синтепона, прошитого через 20…30 мм.

Любая халатность на этих этапах работы может быть причиной появления необъяснимых призвуков и резонансов. Для получения разных характеристик боковых панелей одна из них в каждой АС имеет оба слоя линолеума двойной толщины.

Изготовление и сборка корпусов блоков СЧ и ВЧ

Детали корпуса блока СЧ изготовлены из предварительно покрытого шпоном ДСП, имеют одинаковый угол 22,5 град, и обеспечивают полную идентичность геометрии, отсюда лёгкость сборки. Собирают блок СЧ (см. рис. 1) на клею ПВА с помощью двух кондукторов, которые изготовлены размерами, аналогичными размерам перемычки, делящей внутренний объём корпуса на две части; единственное отличие — необходимо изготовить держатели. Сборку производят на горизонтальной поверхности, а всю конструкцию фиксируют резиновой лентой до полного высыхания. Торцы после высыхания укрепляют мебельными скрепками, а продольные швы изнутри необходимо проклеить полосками х/б ткани на клее ПВА.

Для звукоизоляции блока СЧ применены оклейка линолеумом внутренних поверхностей (исключая переднюю панель) в два слоя и заполнение объёма распушённой ватой или синтепоном. Блок красят и лакируют после сборки. Готовую переднюю панель приклеивают к корпусу герметиком. Опоры блока СЧ выточены из эбонита, и на их основания наклеены кружки из пробкового дерева.

Корпус блока ВЧ (рис. 9) изготавливают на токарном станке из переклейки четырёх слоев древесины во избежание эффекта рассыхания. В данной конструкции применена древесина липы из-за лёгкости обработки и массы. Узел крепления блока ВЧ показан на рис. 10, а на рис. 11 — часть этого узла, цилиндрическая опора, где 1 — винт с отверстием, в котором зацепляют пружину, как показано на рис. 2. Детали крепления изготовлены из нержавеющей стали.

Идея такого крепления проста и хорошо зарекомендовала себя в эксплуатации в течение шести лет. Выбранное направление излучения ВЧ-головки остаётся надёжно фиксированным благодаря тому, что на нижнюю поверхность блока ВЧ наклеено кольцо диаметром 60 мм из тонкой (1 мм) резины. В качестве провода от платы фильтров к головке использована витая пара из медного провода сечением 0,75 мм2 во фторопластовой изоляции.

Сборку блоков СЧ и ВЧ проводят в следующей последовательности. Прикрепляют собранную конструкцию к корпусу блока СЧ шестью шурупами,затем пропускают провод от платы фильтра канала ВЧ, после чего, установив корпус блока ВЧ, натягивают пружину из пружинной стали марок ОВС, ХВГ (диаметр проволоки — 0,8 мм, диаметр пружины — 5 мм, длина намотки — 25 мм), фиксируя её к крючку. Длины витой пары должно хватать для свободного подключения к ней ВЧ-головки.

После чего шурупами фиксируют головку к корпусу блока ВЧ. Отверстия под провода в блоках СЧ и НЧ тщательно герметизируют с последующей проверкой качества герметизации. Блок СЧ имеет две крышки из оргстекла, которые одновременно служат держателями выходных клемм блоков СЧ и ВЧ.

О проверке вибраций АС

Проверка корпусных резонансов блока НЧ производилась путём измерения уровня вибраций прибором АГАТ-М [7), поэтому графики параметров отражают зависимость частотно-линейных перемещений, которые адекватно показывают резонансные характеристики корпуса в точках контроля. Крепление датчика производилось простым неразрушающим методом. На необходимое место корпуса АС наклеивают скотч (тонкий и качественный). После тщательной притирки и обезжиривания на него приклеивают «суперклеем» корпус датчика и производят замеры на необходимых частотах. В качестве генератора НЧ применён ГЗ-112. Сначала было произведено измерение уровня передачи вибраций при стандартной конструкции крепления НЧ-головок, затем — при конструкции, описанной здесь. При стандартном креплении (с резиновым уплотнителем между громкоговорителем и корпусом) уровень передаваемых вибраций был в среднем на порядок выше. Эти измерения помогли также выявить и устранить резонанс корпуса установкой перемычки, как было рекомендовано в [5].

Подключение и настройка АС

В данный момент эта АС эксплуатируется С двумя УМЗЧ ROTEL RB-1070, включёнными по схеме двухполосного усиления (bi-amping). Левый канал первого усилителя работает с блоком НЧ, правый — с блоками СЧ и ВЧ, которые подключают параллельно; отсюда — раздельные кабели подключения Второй УМЗЧ подсоединён аналогично.

Настройка звучания по субъективным параметрам в конкретном помещении осуществляется выбором места установки АС (при размещении АС в углах помещения возникает ощутимый подъём низких частот), а также изменением геометрии расположения и направленности излучателей и сопряжения их фазовых характеристик [2, 3]. После проведения настройки (при прослушивании музыки разных стилей в конкретном помещении) рекомендуется зафиксировать положение корпусов блоков СЧ и ВЧ к блоку НЧ двусторонней липкой лентой.

После регулировки тонального баланса АС показала хорошую локализацию расположения инструментов при воспроизведении джазовой и оркестровой музыки. Тяжёлая и электронная музыка звучала также неплохо, что было обеспечено введением конструкционных особенностей корпуса НЧ и, как следствие, отсутствием резонансных явлений. Низкочастотные составляющие спектра музыкальных сигналов звучат в «нужный» момент и не оставляют резонансных призвуков, что говорит об эффективности применённых мер по виброизоляции и вибропоглощению в конструкции блока НЧ. Зона стереоэффекта значительно шире, чем у АС с типовым оформлением, и, что важнее, ярче (напоминает использование расширителей стереобазы) как по горизонтали, так и по вертикали помещения. Отчётливо стали различаться передний и задний планы сцены несмотря на небольшие габариты помещения Если после настройки «на слух» произвести анализ расположения блоков СЧ и ВЧ относительно блока НЧ, то нередко можно обнаружить несимметрию акустических характеристик конкретного помещения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алдошина И. А., Войшвилло А. Г. Высококачественные акустические системы и излучатели. — М.: Радио и связь, 1985,
2. Алексеев И. Об искажениях частотных характеристик малогабаритных акустических систем и «глубоких басах». — Радиохобби, 2000, № 5, с. 5-8
3. Бать С. Трёхполосный громкоговоритель с головкой W21EX001. — Радио, 2003, №8, с. 15-18.
4. Бать С. Любительские громкоговорители (Громкоговоритель УЗ). М РадиоСофт, журнал «Радио», 2002.
5. James К. Iverson. Теория резонансов корпусов громкоговорителей.
6. James Moir Механические резонансы в корпусах громкоговорителей. M.I.E.E.
7. АГАТ-М. Двухканальный измеритель вибраций — Руководство по эксплуатации