ЭКВАЛАЙЗЕРЫ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ на микросхемах BA3822LS, LS2009, BA3842F и ТЕА6360
В. БРЫЛОВ, г. Москва
Радио №8 2000г.
Наряду с обобщением сведений о различных видах эквалайзеров автор приводит несколько схем
многополосных устройств на основе новых импортных специализированных микросхем, дает рекомендации по налаживанию самих устройств и настройке аудиосистем с блоком эквалайзера.
Современная аудиоаппаратура и акустические системы в полной мере обеспечивают высококачественное воспроизведение звука лишь в специально оборудованном помещении, предназначенном для прослушивания музыки. Большинство же жилых помещений, особенно небольших размеров, непригодно для этой цели. В любой точке подобных помещений имеет место такое явление, как интерференция (сложение с разными фазами) звуковых волн, пришедших непосредственно от акустических систем и отраженных от стен, потолка, пола. мебели. При этом на некоторых частотах возникают стоячие волны — пучности и провалы интенсивности звука с неравномерностью до 20 дБ, что вызывает необходимость регулировки АЧХ аудиосистемы в определенных полосах частот.
Недостаточная звукоизоляция помещения приводит к тому, что прослушивать звуковые программы приходится с уровнем, значительно сниженным по отношению к тому, на котором они формируются
(примерно 90 фон). В результате, для сохранения тембра звучания требуется подъем уровня громкости на частотах ниже 200 и выше 5000 Гц. Соответствующая компенсация, которую вводят в регуляторы громкости, как правило, бывает неполная.
Регулирование АЧХ необходимо и для решения других задач: корректирования звучания фонограмм
невысокого качества и погрешностей АЧХ аппаратуры, компенсирования возрастных изменений слуха,
подбора тембрального звучания по вкусу слушателя.
Для регулировки АЧХ используют регуляторы тембра и эквалайзеры.
Регуляторы тембра — пассивные и активные — относительно просты. Подробные сведения об их схемах с формулами расчета приведены в [1]. Они позволяют плавно изменять АЧХ на низких и высоких частотах на величину до ±14...18 дБ на краях диапазона. Максимальная крутизна АЧХ в реальных регуляторах может достигать 4...5 дБ на октаву.
Много это или мало? В небольших помещениях звуковые колебания с частотами ниже 40 Гц сильно
ослабляются, а в полосе 80...200 Гц. наоборот, несколько усиливаются. Спад на низших частотах может достигать 10 дБ и более. Казалось бы, регулятор тембра имеет достаточные возможности для компенсации этого спада. Но выровнять АЧХ на этом участке простым регулятором тембра принципиально невозможно.
При подъеме уровня самых низких частот одновременно будут усилены и без того завышенные сигналы в полосе 80...200 Гц. Положение может исправить лишь эквалайзер — многополосный регулятор, позволяющий устанавливать необходимый коэффициент передачи в узкой полосе частот.
Существуют эквалайзеры с ручным и электронным управлением. Первые,
в свою очередь, разделяют на графические, параметрические и параграфические.
Графические эквалайзеры (ГЭ) до недавнего времени были распространены наиболее широко. В них
диапазон звуковых частот разбит на полосы (максимально — 24 полосы в эквалайзере Technics SH-8020).
Регулировку коэффициента передачи в отдельных полосах производят переменными резисторами, например типа СПЗ-23, с линейным регулятором, так что положение их движков на панели регулировок наглядно отражает форму АЧХ, это и определяет название — графические. В [2] рассмотрено несколько таких устройств для ламповых и транзисторных усилителей, имеющих пять или шесть полос регулировки с частотами 40, 90, 250, 2000, 6000, 15 000 Гц.

Полосовые фильтры с LC-контурами в силу громоздкости и необходимости экранирования не нашли широкого применения. В современных эквалайзерах используются только пассивные и активные RC-фильтры. Подробно устройство ГЭ с активными полосовыми фильтрами рассмотрено в [3], где предложен пятиполосный эквалайзер. Построив такой эквалайзер, я столкнулся с тем, что введение коррекции регуляторами вызывает заметное нарушение стереобаланса звуковой картины. Причина этого явления была названа в [4]. Для сохранения стереобаланса при любом положении регуляторов необходимо, чтобы значения резонансной частоты и добротности фильтров в левом и правом каналах отличались друг от друга не более чем на 5 %. Отличие их от расчетных значений менее существенно. Для этого в устройстве используются пассивные компоненты с допуском не более ±3 %. Сделать это в любительских условиях сложно.
Проблема решается применением фильтров, собранных по схеме, показанной на рис. 1. Частотозадающую цепь в каждом из них образуют резисторы R2—R5 и конденсаторы С1, С2. Подстроечные резисторы R1 и R2 позволяют точно установить необходимые значения добротности (ширины полосы пропускания) и центральной частоты фильтра. В [4] приведено описание десятиполосного октавного; эквалайзера, собранного по этой схеме с использованием деталей с допуском 10 %. Частоты настройки фильтров в нем равны 30, 60, 120, 240, 480, 960, 1920, 3840, 7680, 15 360 Гц. Эквалайзер получается громоздким — в стереоварианте он содержит 11 ОУ типа К157УД2. более 250 резисторов и конденсаторов. Но это — плата за возможность построения устройства из деталей без подбора.
Целесообразность использования таких полосовых фильтров была подтверждена в подробной работе по расчету фильтров [5]. В ней указано, что их чувствительность к разбросу номиналов компонентов в
два—три раза ниже, чем в фильтрах, использовавшихся ранее.
Графические эквалайзеры широко применяют в аудиоаппаратуре. Пятиполосный эквалайзер усилителя "Ласпи-005-стерео" обеспечивает регулировку АЧХ на частотах 40, 250, 1000, 5000, 15 000 Гц. В отечественном тюнере "Корвет-004-стерео" использован шестиполосный ГЭ, а в стационарном эквалайзере с той же маркой имеются десять полос с частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000Гц.
В современных радиоприемниках и усилителях звуковой частоты ГЭ выполнены на специализированных
микросхемах, упрощающих эти изделия. Положительной стороной таких ГЭ является также и их низкая
стоимость, которая обычно не превышает 1 долл.
На рис. 2 и 3 показаны схемы включения микросхем BA3822LS фирмы ROHM и LS2009 фирмы SGS-Thomson, образующие пяти- и десятиполосные эквалайзеры. Эти схемы очень просты и в пояснениях не нуждаются.Теперь — о параметрических эквалайзерах (ПЭ). Они отличаются от графических меньшим количеством полос и тем, что центральные частоты полос и их ширина (добротность фильтра) могут быть изменены слушателем.
Трех-пятиполосные варианты этих устройств позволяют простыми средствами обеспечить эффективную регулировку АЧХ с результатами, достижимыми в ГЭ с 8—11 полосами. Но в каждой полосе ПЭ необходимы два регулирующих элемента и два органа управления.
Способы реализации параметрических устройств на базе пассивных регуляторов тембра с изменяемыми частотами точек перегиба АЧХ указаны в [1]. Первый образец такого двухполосного регулятора был описан в [6].
Схема и подробное описание с формулами расчета пятиполосного
ПЭ приведены в [7]. По словам авто- ра, он обладает широкими возможностями. Перестройка частоты в полосовых фильтрах предусмотрена в интервалах 19...60... 185; 62... 190...600; 190...600... 1850;
620...1900...6000; 8 1900...6000... 18 500 Гц, т.е. по два фильтра на частотную декаду, причем
каждый фильтр также перекрывает декаду. Постоянные резисторы и конденсаторы должны иметь допуск не хуже ±5 %. Как недостаток этой схемы следует отметить необходимость использования счетверенных переменных резисторов установки частоты фильтров. Добротность фильтров изменяется в пределах 0,5...2,5.
Параграфические эквалайзеры по построению схем не отличаются от параметрических. В них лишь
используется внешняя сторона ГЭ — наглядное представление АЧХ.
Есть еще один класс эквалайзеров — электронные, позволяющие устанавливать одну из нескольких заранее сформированных АЧХ. Формы таких характеристик для прослушивания звуковых программ различного характера и музыкальных жанров уже сложились. Фирма Sony, например, в своих изделиях использует такие фиксированные установки АЧХ:
CLASSIC — линейная АЧХ;
JAZZ — линейная АЧХ в области ниже 4000 Гц с плавным подъемом высоких частот;
POP — отличается от JAZZ дополнительным подъемом средних частот в полосе 500... 1000 Гц;
ROCK — подъем частот ниже 200 Гц и выше 4 кГц.
Фирма Philips ориентируется на несколько иной набор:
CLASSIC — линейная, но не горизонтальная АЧХ, ослабляющая низкие и поднимающая высокие частоты;
JAZZ — подъем низких и высоких частот;
POP — подъем частот в полосе 100...200 Гц и выше 5 кГц;
VOCAL — ослабление частот ниже 500 и выше 5 кГц;
ROCK - подъем частот ниже 200 Гц.
Практика показывает, что большинство владельцев аудиоаппаратуры выбирают именно такие установки регуляторов тембра и графических эквалайзеров. Для реализации такого набора фиксированных установок АЧХ выпущен ряд специализированных микросхем. В частности, это М62412Р фирмы Mitsubishi и BA3842F SMD фирмы ROHM. Переключение вариантов АЧХ производится в них подачей на входы микросхемы напряжения разного уровня. В каждом из стереоканалов М62412Р формы АЧХ могут регулироваться раздельно. В микросхеме BA3842F SMD (на рис. 4 показана схема ее включения) имеется блок подъема низких частот. Они выделяются специальным фильтром и после дополнительного усиления добавляются в обрабатываемый сигнал. Возможны три ступени такой регулировки. Резисторы R9, R10 подлежат подбору с целью получения указанных на схеме напряжений. Выпускаются и более сложные микросхемы, позволяющие выбирать до 15 фиксированных установок АЧХ, как в музыкальном центре Sony МНС RX110AV. Другие типы таких устройств предоставляют возможность самому слушателю формировать три—пять пользовательских установок АЧХ наравне с фиксированными, выбранными при проектировании микросхемы. Но все такие приборы управляются специальным микроконтроллером. Примером может служить микросхема ТЕА6360 фирмы Philips. Количество внешних компонентов для нее минимально, переменные резисторы отсутствуют. Строго говоря, эквалайзер с такой микросхемой можно назвать графическим лишь в том случае, если при его регулировке на табло выводится форма АЧХ. Соответствующее программное обеспечение микроконтроллера и новые эргономичные индикаторы такие возможности предоставляют. В связи с тем, что схема включения микросхемы ТЕА6360 в некоторых изданиях приведена с ошибками, на рис. 5 показан ее правильный вариант.
Рассмотрим другие технические характеристики эквалайзеров.
Полоса пропускания в них, как правило, равна 20...20 000 Гц. Этот параметр для аудиоаппаратуры обычно указывают одновременно с величиной неравномерности коэффициента передачи в данной полосе, но применительно к эквалайзеру подобная характеристика представляется излишней. Уровень входного сигнала равен 0,2...0,5 В и редко превышает стандартный 0,8 В. Коэффициент нелинейных искажений — менее 0,1 %.
Коэффициент передачи при среднем положении регуляторов близок к единице. Пределы его регулировки составляют обычно ±11 дБ, хотя в литературе встречаются описания конструкций эквалайзеров с пределами регулировки ±15...24 дБ (в одной из них было указано на возможность расширения этого диапазона до ±40 дБ).

При любом изменении усиления в какой-либо полосе частот эквалайзер по-новому перераспределяет
энергию входного сигнала, усиливая или ослабляя интенсивность составляющих его гармоник с частотами в пределах регулируемой полосы. Это означает, что на его выходе возникает сигнал с гармоническим составом, отличающимся от входного. Любое отклонение регуляторов от среднего положения приводит к появлению фазовых искажений, заметность которых возрастает с глубиной коррекции коэффициента передачи и увеличением частотного диапазона регулирования. Появление подобных искажений в сигнале, прошедшем эквалайзер, — плата за возможность более глубокой регулировки АЧХ.

Распространено мнение, что при изменении усиления в полосах не больше чем на ±4...6 дБ возникающие искажения вполне допустимы и практически незаметны даже для человека с музыкальным слухом. Значительные изменения в одной-двух полосах 10—12-полосного эквалайзера также позволительны. Но более широкое использование его возможностей вызывает появление заметных шорохов, звонов, отрывистых призвуков.
В переносной и невысокого качества стационарной аппаратуре сейчас наиболее часто встречаются
пассивные двухполосные регуляторы тембра с фиксированными точками перегиба АЧХ, описанные в [1], либо трех- и четырехполосные ГЭ. Возможности этих приборов близки, но эквалайзеры оказываются предпочтительнее в силу большей наглядности формы АЧХ. Невысокие характеристики аппаратуры этого класса позволяют без особого ущерба качеству воспроизведения звука использовать весь диапазон регулировки уровня передачи в полосах.
В аппаратуре высокого класса применяют эквалайзеры с пятью и более полосами регулировки. С учетом сказанного рабочий диапазон регулирования не должен превышать ±4...6 дБ. Непременным дополнением такого эквалайзера является анализатор спектра выходного сигнала. Целесообразность применения эквалайзера в системах высшего класса (Hi-End) во многих источниках подвергается сомнению. Остановимся на методах установки АЧХ, которые практически не освещены в литературе, хотя и относительно сложны. Эквалайзер должен исправлять недочеты двух видов: постоянно действующие (пониженный уровень громкости, дефекты АЧХ аппаратуры, акустических систем и помещения), а также оперативно возникающие — корректировка некачественных фонограмм, подбор желаемой окраски звука. Способы их исправления различны.
Корректировка погрешности АЧХ требуется редко — при установке аудиосистемы в помещении, после ее ремонта, изменения интерьера в помещении. Рекомендуется начать ее с уточнения места установки акустической системы с тем, чтобы, не нарушая размеров зоны проявления стереоэффекта, максимально уменьшить интенсивность стоячих волн в помещении, проявляющуюся в неравномерности звукового поля на низких частотах. Для этого следует попробовать переместить громкоговорители в другое место или развернуть их по отношению к слушателю. Небольшие изменения расстановки мебели, перемещение зеркал, картин, фотографий могут внести существенные изменения в распределение звукового поля. Регуляторы эквалайзера на этой стадии находятся в среднем положении. Звуковое поле (особенно это относится к самым низким частотам) должно быть диффузным —s его интенсивность во всех точках помещения должна быть одинаковой или равномерно спадать по мере удаления от излучателей звука. На практике можно лишь приблизиться к этому идеалу в пределах зоны, в которой наблюдается стереоэффект и размещаются слушатели. Возможно, для этого придется применить дополнительные звукоизлучатели.
Затем на частотах, где равномерность звукового поля не достигнута, ее исправляют регулировкой эквалайзера. Для выполнения этой коррекции необходима измерительная аппаратура: генератор шума, микрофон с известной АЧХ по звуковому давлению, анализатор спектра. Эквалайзеры высокого класса, выпускаемые ведущими зарубежными фирмами, комплектуются такой аппаратурой для их настройки. Если нет указанного набора аппаратуры, ее заменят звуковой генератор и микрофон с милливольтметром. Наконец, можно использовать кассету с измерительной магнитной лентой, а местонахождение точек максимумов (минимумов) звукового давления определять на слух.
Полученное положение регуляторов эквалайзера (их движки должны располагаться в виде плавной кривой) следует рассматривать в качестве нулевого для данной аудиосистемы в данном помещении. Неплохо, если оно будет как-либо отмечено на панели регулировок. Это позволит легко возвращаться к нему после любых изменений АЧХ. Оперативная регулировка должна производиться лишь на время, для получения какого-либо особенного звучания определенного музыкального произведения, и по его окончании — возвращаться к исходному положению регуляторов.
В связи с этим лучшим решением проблемы регулировки тембра звука представляется положение, когда в аудиосистеме имеются два эквалайзера: один — для совершенствования акустических свойств аппаратуры и помещения, а второй — для оперативной корректировки тембральной окраски прослушиваемых музыкальных произведений. В качестве первого рационально установить 10—12-полосный октавный ГЭ или пятиполосный ПЭ. Большое количество органов регулировки у них является благом, поскольку позволяет осуществить точную настройку АЧХ. В качестве второго лучше подобрать более простое устройство: электронный с фиксированными установками или пятиполосный ГЭ. Более изящным способом решения этой задачи будет применение электронного эквалайзера, формирующего разнообразные пользовательские установки АЧХ. Каждая из них должна реализовывать корректировку акустических свойств аппаратуры и помещения, а также накладывать на эту корректировку один из названных ранее звуковых эффектов. Принято считать, что регулировку ГЭ в большинстве случаев производят вслепую, случайным перебором установок регуляторов, и наилучшее их положение обычно не достигается. Это в еще большей степени относится к ПЭ. Облегчить эту работу, сделать ее осознанной можно только с помощью встроенного анализатора спектра — устройства для измерения и отображения уровней сигналов в нескольких частотных полосах. Включенный в аудиотракт, он позволяет контролировать распределение энергии входного сигнала
по частоте и объективно управлять этим процессом с целью достижения оптимального звучания.
ЛИТЕРАТУРА
1.Шихатов А. Пассивные регуляторы тембра. — Радио, 1999, № 1, с. 14, 15.
2.Зыков Н. Многополосные регуляторы тембра. — Радио, 1978, № 4, с. 34—36; № 5, с. 40,41.
3.Галченков Л., Владимиров Ф. Пятиполосный активный. — Радио, 1982, № 7, с. 39—42; 1983, № 4, с.
62; 1985, № 9, с. 60.
4.КозловА. Графический эквалайзер.— Радио, 1988, № 2, с. 42—45.
5.Романов И. Активные RC-фильтры: схемы и расчет. — Радио, 1994, № 1, с. 39, 40; № 10, с. 32, 33;
1995, № 3, с. 45—48; № 6, с. 44; № 12, с. 52, 53, 59.
6.Мосягин В., Сплин С. Регулятор тембра с изменяемыми частотами перегиба. Сб.: "В помощь
радиолюбителю", вып. 98, с 54— 61.-М.: ДОСААФ, 1987.
7.Старостенко М. Параметрический эквалайзер. — Радио, 1988, № 6, с. 16—18.