однополосный или многополосный ?

                                                               =====Валентин и Виктор ЛЕКСИНЫ======

Вопрос, поставленный авторами в заголовке статьи, вообще говоря, не нов. Во времена ламповой техники двухполосные усилители НЧ были не редкостью. Предпочтение, отдавав­шееся таким усилителям, кроме умень­шения интермодуляционных искаже­ний, обусловливалось в значительной степени трудностями изготовления широкополосных выходных трансфор­маторов, согласующих усилительный тракт с громкоговорителем.

Пришедшие на смену лампам тран­зисторы сняли проблемы выходного трансформатора и за довольно корот­кое время позволили создать широко­полосные усилители с весьма высоки­ми характеристиками: рабочим диа­пазоном частот от единиц герц до десятков килогерц, коэффициентом гармоник порядка сотых и даже тысяч­ных долей процента и т. д. В результа­те у многих радиолюбителей и специа­листов сложилось мнение, что чуть ли не единственный путь к достижению высококачественного звуковоспроизве­дения — это дальнейшее совершенст­вование широкополосного усилитель­ного тракта, создание усилителя с практически идеальными характеристи­ками. Однако, как убедительно дока­зывают авторы статьи, этот путь не самый простой и, главное, не самый зффективный.

Верность звучания во многом зави­сит от громкоговорителя. А здесь до­стижения более скромны, чем в схемо­технике усилителей. Широкополосных головок, одинаково хорошо преобра­зующих электрические колебания в звуковые во всем диапазоне частот, притом с малыми нелинейными и ин­термодуляционными искажениями, по­ка что нет, а многополосным громко­говорителям свойствен ряд существен­ных недостатков, обусловленных при- менеюгем в них пассивных раздели­тельных фильтров. В этой ситуации су­щественно улучшить качество звуко­воспроизведения можно только при использовании многополосного усили­теля с разделительными фильтрами иа входе.

Особо следует отметить и такое, по­ка что еще очень важное для радиолю­бителей преимущество многополос­ных усилителей, как возможность их изготовления из доступных деталей.

Описание любительского трехполос­ного усилителя мощности редакция намечает опубликовать в одном из сле­дующих номеров журнала.

Приступая к разработке высоко­качественного звуковоспроизво­дящего комплекса, радиолюби­тели нередко сосредоточивают все вни­мание на достижении близких к идеаль­ным параметров электрического тракта, в частности такого его звена, как широкополосный усилитель мощности. Стремление получить минимальные ис­кажения всех видов при сравнительно большой (несколько десятков ватт) выходной мощности и достаточном за­пасе устойчивости приводит обычно к созданию сложных как в схемном, так и в конструктивном отношении устройств. Тем не менее даже с таким усилителем мощности качество звуко­воспроизведения во многих случаях получается недостаточно высоким. При­чина здесь — в игнорировании того в общем-то известного факта, что ка­чество звучания во многом определяет­ся параметрами громкоговорителя. По­лученные при испытаниях на чисто активной нагрузке высокие параметры усилителя часто не реализуются при согласовании с громкоговорителем. Именно поэтому одной из важнейших задач становится схемотехническое усо­вершенствование усилителя мощности для улучшения его согласования с гром­коговорителем.

Проблем здесь несколько. Одна из них — необходимость хорошего элек­трического демпфирования подвижной системы низкочастотной динамической головки громкоговорителя. Только при выполнении этого условия воспроизве­денный ею звуковой импульс будет иметь те же форму и длительность, что и электрический. Хорошо демпфиро­ванный громкоговоритель почти безы­нерционно возбуждается электриче­ским сигналом и прекращает излучение звуковых колебаний сразу после его окончания. При недостаточном демпфи­ровании подвижная система головки продолжает колебаться еще некоторое время и после снятия сигнала, но уже не с его частотой, а с частотой собствен­ного резонанса. В результате возникает неравномерность АЧХ громкоговори­теля по звуковому давлению. На слух это воспринимается как характерное «бубнение».

Для ускорения затухания свободных колебаний подвижной системы головки обычно используют шунтирование зву­ковой катушки малым выходным сопро­тивлением усилителя мощности. Но здесь-то и возникает проблема — вклю­чение пассивных разделительных филь­тров между выходом усилителя и дина­мическими головкамн многополосного громкоговорителя ухудшает электри­ческое демпфирование.

Другая проблема — в трудности соз­дания разделительных фильтров, к ко­торым предъявляются требования высо­кой крутизны скатов АЧХ звеньев, ма­лой неравномерности суммарной АЧХ и линейности ФЧХ в полосе пропуска­ния. Первое из этих требований обу­словлено резким ухудшением характе­ристик динамических головок на краях их номинальных диапазонов частот. Особенно это относится к средне- и высокочастотным головкам, у которых перекрытие номинальных диапазонов воспроизводимых частот, как правило, сравнительно невелико. Именно поэто­му разделительные фильтры для этих головок должны обладать АЧХ с кру­тыми скатами: при октавном (относи­тельно частоты раздела соседних полос) запасе по номинальному диапазону воспроизводимых частот необходимо применять фильтры с крутизной ската АЧХ не менее 12 дБ на октаву. Простейшие фильтры с крутизной 6 дБ на октаву можно использовать лишь в том случае, если запас по частоте составляет не менее двух октав.

Следует иметь в виду, что не все фильтры с высокой крутизной скатов АЧХ обеспечивают малую неравномер­ность суммарной АЧХ. С этой точки зрения наиболее подходят для приме­нения в многополосных громкоговори­телях так называемые фильтры Баттерворта первого (крутизна 6 дБ на октаву) и третьего (18 дБ на октаву) порядков, сопряженные по уровню —3 дБ (0,707). Часто используемые фильтры этого типа второго порядка (12 дБ на октаву) имеют недостаток: при синфазном включении соседних по частоте динамических головок в сум­марной АЧХ появляется провал до нуля, а при противофазном — выброс на 3 дБ.

Типовые разделительные фильтры даже с ровной суммарной АЧХ нередко являются причиной возникновения фа­зовых искажений, влияние которых на форму выходного сигнала особенно проявляется вблизи частоты раздела fр. Это наглядно видно из рис. 1, где показаны изменения, которые претерпевает сигнал в виде симмет­ричных прямоугольных импульсов дли­тельностью, примерно равной 1/f_р, пройдя через разделительный фильтр с нелинейной суммарной ФЧХ (рис. 1,г). Если на частоте раздела средне-и высо­кочастотной полос эти искажения до­пустимы, так как мало сказываются на качестве звучания, то в области частот раздела средне- и низкочастотной полос их желательно устранить, поскольку именно здесь сосредоточены наиболь­шие среднестатические уровни реаль­ного сигнала, и к тому же чувствитель­ность слуха максимальна.

Для неискаженной передачи сигна­лов импульсного характера, кроме ров­ной суммарной АЧХ, необходимо обес­печить одинаковую временную задерж­ку tз всех составляющих сигнала при прохождении через разделительный фильтр. Форма выходного импульсного сигнала для фильтра с линейной сум­марной ФЧХ (ее, в частности, можно получить, используя фильтры первого порядка) показана на рис 1. д.

Не менее важной проблемой при со­гласовании усилителя мощности с гром­коговорителем являются интерферен­ционные искажения звукового поля в зоне прослушивания, неизбежные при воспроизведении двумя головками ко­лебаний в общей полосе частот.  Если в одной полосе частот работают не­сколько головок, то для уменьшения интерференционных искажений в гори­зонтальной плоскости их необходимо расположить на одной вертикальной линии. Интерференция в вертикальной плоскости скажется на качестве зву­чания меньше, если головки разместить на уровне головы слушателя и повозможности ближе одну к другой. К со­жалению, полностью избавиться от по­добных искажений не всегда удается даже при использовании в каждой по­лосе частот всего по одной головке. В этом случае интерференция возникает в области частоты раздела, где сигналы, излучаемые, например, средне- и низко­частотной головками, близки по уровню. Интерференционные искажения отчет­ливо слышны при перемещении слуша­теля относительно громкоговорителя, излучающего синусоидальный сигнал, частота которого находится в области частоты раздела полос.

Для уменьшения влияния интерфе­ренции. помимо соблюдения электри­ческой полярности сигналов, целесооб­разно размещать все головки громко­говорителя на одной вертикальной ли­нии возможно ближе одну к другой и стремиться к тому, чтобы их звуковые катушки находились в одной фронталь­ной плоскости. Если по тем или иным причинам смещать головки в глубину корпуса громкоговорителя нежелатель­но, следует выбрать частоту раздела низко- и среднечастотной полос не­высокой. В этом случае взаимные фа­зовые сдвиги излучаемых головками колебаний будут достаточно малы н на качестве звучания скажутся меньше. Что касается фазовых сдвигов в об­ласти частоты раздела средне- и высоко­частотной полос, то бороться с ними значительно сложнее. Тем не менее их влияние на качество зву­чания можно ослабить, применив филь­тры с большой крутизной скатов АЧХ и выбрав частоту раздела достаточно высокой, т. е. вне диапазона среднестатического распределения наиболь­ших уровней звукового сигнала и наи­большей чувствительности слуха.

Все рассмотренные проблемы реша­ются проще и с лучшим эффектом при использовании многополосных усили­телей мощности с активными RC-фильтрами на входе вместо пассивных филь­тров, применяемых в громкоговорите­лях, предназначенных для работы с ши­рокополосным усилителем. К сожале­нию, среди радиолюбителей распростра­нено мнение, что, например, трехполос­ный усилитель мощности, втрое слож­нее и дороже однополосного. Но, если говорить о действительно высококачест­венном звуковоспроизведении, это да­леко не так, в чем нетрудно убедиться, если проанализировать весь комплекс вопросов разработки высококачествен­ного звуковоспроизводящего комплек­са с широкополосным усилителем мощ­ности. В самом деле, кроме недостатков, вытекающих из сказанного выше,— сложность расчета и построения пассив­ных разделительных фильтров выше первого порядка с равномерной сум­марной АЧХ и линейной ФЧХ, слож­ность согласования каждой из голо­вок громкоговорителя с выходом уси­лителя для получения равномерной суммарной АЧХ по звуковому давлению (используемые иногда для этой цели резистивные делители снижают КПД комплекса и ухудшают демпфирование), снижение степени демпфирования низ­ко- и среднечастотной головок из-за включения активной составляющей фильтра последовательно с низкоомной звуковой катушкой, потери мощности в пассивном фильтре и, наконец, необхо­димость изготовления крупногабарит­ных катушек индуктивности и приобре­тения конденсаторов большой емкости для разделительного фильтра, — одно­полосному усилению свойственен и такой недостаток, как необходимость иметь большой запас по выходной мощности. Дело в том, что реальный максимально допустимый уровень низко- и среднечастотных составляющих при воспроиз­ведении звуковой программы оказыва­ется значительно меньшим,чем получен­ный при налаживании усилителя по си­нусоидальному сигналу.

 Наложенные на составляющие низких частот средне- и высокочастотные составляющие пер­выми достигают границ динамического диапазона усилителя мощности, и для того, чтобы они были воспроизведены без ограничения, однополосный усили­тель должен иметь примерно двойной (по сравнению с многополосным) за­пас выходной мощности. Важно также, чтобы однополосный усилитель имел малые интермодуляционные и так на­зываемые динамические интермодуля­ционные искажения.Для уменьшения последних приходится ограничивать глубину общей ООС, а это приводит к росту нелинейных искажений, ухуд­шению степени демпфирования громкоговорителя (из-за увеличения выход­ного сопротивления усилителя). Устра­нение этих недостатков приводит к зна­чительному усложнению усилителя. На­конец, применение в широкополосном усилителе ЭМОС требует (для обеспе­чения устойчивости) введения RC-цепи, ограничивающей диапазон ее действия. Для компенсации возникающего при этом подъема АЧХ на низших частотах требуется дополнительная частотная коррекция усилителя мощности.

Указанные недостатки проявляются значительно слабее, а некоторые из них полностью отсутствуют в многопо­лосных усилителях мощности с актив­ными разделительными фильтрами на входе. Простые расчеты показывают, что по сравнению с одним (широко­полосным) усилителем многополосный при той же выходной мощности поз­воляет использовать более низкое на­пряжение питания. Следствием этого являются уменьшение габаритов усили­теля (благодаря использованию срав­нительно небольших по размерам низ­ковольтных электролитических конден­саторов в фильтре выпрямителя и для связи с нагрузкой, а также меньшим размерам теплоотводов транзисторов оконечных каскадов), увеличение его КПД, более широкие возможности вы­бора (по напряжению эмиттер — кол­лектор и частотным параметрам) всех транзисторов усилителя. В частности, в оконечном каскаде низкочастотного канала можно использовать недорогие германиевые транзисторы типов П210, П217 и т п , достоинство которых — малое напряжение насыщения эммитер — коллектор.

В многополосном усилителе мощ­ности разделительный фильтр ограни­чивает уровень высокочастотных со­ставляющих сигнала, поступающих на входы низко- и среднечастотного каналов, что отвечает известным рекоменда­циям по уменьшению динамических ннтермодуляцнонных искажений. В то же время высокочастотный канал имеет большой запас линейности амплитуд­ной характеристики, так как после ФВЧ уровень высокочастотных составляю­щих в соответствии со статистикой ре­ального музыкального сигнала очень мал, и динамические искажения здесь практически не возникают. Благодаря этому во всех каналах можно использо­вать простые усилители мощности с глубокими ООС.

В многополосных усилителях нет потерь мощности в разделительных фильтрах, имеются широкие возможностн в реализации активных разделительных фильтров высоких порядков с равномерной суммарной АЧХ. Воз­можно построение фильтров выше пер­вого порядка с линейной суммарной ФЧХ. Благодаря непосредственному (без фильтра) подключению головок к выходу усилителя не возникает проблемы с их электрическим демпфиро­ванием и согласованием по уровню звукового давления в каждой полосе частот (последнее делают простой установкой требуемых коэффициентов усиления каждого из усилителей).

Принципиальная схема возможного варианта активного разделительного фильтра для трехполосного усилителя мощности показана на рис. 2.

Для раз­деления ннзко- и среднечастотной полос использованы ФНЧ и так называе­мый фильтр дополнительной функции (ФДФ) на транзисторе V1. Выходной сигнал этого фильтра представляет со­бой разность между входным сигналом и сигналом, прошедшим через ФНЧ. Достоинства такого способа разделения полос — простота настройки и стабиль­ность характеристик (вследствие их автоматического сопряжения), равно­мерные суммарные АЧХ и ФЧХ, а сле­довательно, и идеальное воспроизведе­ние импульсных сигналов; недостатки — малая крутизна ската АЧХ ФДФ (6 дБ на октаву независимо от порядка ис­пользуемого ФНЧ) и «выбросы» на ней вблизи частоты среза, если порядок ФНЧ выше первого. Для уменьшения «выбросов» сопротивления резисторов R1, R2 и емкость конденсаторов С1, С2 выбраны одинаковыми. Часто­та раздела 

Для разделения средне- и высоко­частотной полос применены ФНЧ и ФВЧ четвертого порядка. Каждый из них составлен из двух (на транзисто­рах V2. V3 и V4, V5) соединенных последовательно фильтров Баттерворта второго порядка. Частота раздела  выбрана как среднегеометрическое ме­жду нижней границей номинального диапазона частот высокочастотной и верхней границей диапазона среднечастотной головок.

АЧХ звеньев разделительного фильт­ра изображены на рис. 3. Суммарная АЧХ фильтра не имеет ни провалов, ни «выбросов». В области наибольших среднестатистических уровней сигнала и наибольшей чувствительности слуха суммарная ФЧХ линейна, что важно для хорошего воспроизведения импуль­сных сигналов.

При использовании резисторов и конденсаторов с допускаемым отклоне­нием от номинальных значений не бо­лее ±5% фильтр настройки не требу­ет. Группа ТКЕ конденсаторов CI, С2, С5—С12— М47, М75, М750, M1 500 (С1 и С2 — могут быть и группы Н30).

В разработанном авторами устройст­ве применен недорогой комплект дина­мических головок, тип и число кото­рых в каждой полосе выбирались из условия обеспечения равномерной сум­марной АЧХ по звуковому давлению при примерно одинаковом — для наи­более полного использования напряже­ния питания — выходном напряжении полосных усилителей мощности. В каж­дом стереоканале использованы одна низкочастотная головка 6ГД-2 (среднее стандартное звуковое давление Р_срст = 0,3 Па, полное сопротивление звуко­вой катушки (Z) на частоте 1 кГц — 8 Ом, две параллельно включенные среднечастотные головки 2ГД-22 (Р_срст=0,2 Па. |Z| =15 Ом) и две со единенные последовательно высокочас­тотные головки 1ГД-3 (Р_срст =0,3 Па, \Z\ =12,5 Ом)

Звуковое давление Р на расстоянии l (в метрах) от геометрического цент­ра симметрии отверстия излучателя рассчитывалось по формуле 

где Рэ — электрическая мощность в ват­тах. При возбуждении головок каждой полосы сигналом, соответствующим их номинальной мощности звуковые давления на расстоянии 1 м получились следующие:

    в низкочастот­ной полосе (одна головка) — Р = 2,32 Па при 6,9 В; в среднечастотной (две головки) — Р=1,8 Па при 5,5 В; в высокочастотной (две головки) — Р —1,9 Па при 7 В. Для создания равномерного звукового давления пришлось уменьшить напря­жение, подводимое к низкочастотной головке до значения V = 6.9 х 1,8/2,32=5,4 В. включив последова­тельно с ней резистор цепи ПОС по току.

Для исключения взаимовлияния сред­не- и низкочастотной головок, облегче­ния борьбы с интерференционными ис­кажениями и обеспечения возможности поворота осей отдельных излучателей в горизонтальной плоскости было вы­брано акустическое оформление в виде трех поставленных друг на друга неза­висимых ящиков в каждом стереокана­ле. Громкоговоритель низкочастотной полосы — фазоинвертор. Его корпус с внешними размерами 345 х 295 х 635 мм изготовлен из древесностру­жечной плиты толщиной 20 мм. Все стенки, кроме передней, оклены изнутри рубероидом, поверх которого наклеены листы из пенополиуретана (поролона) толщиной 20 мм. Свободный внутрен­ний объем корпуса (без головки и тун­неля фазойнвертора — 36 дм³. Головка 6ГД-2 закреплена в верхней части пе­редней панели. Расстояние от центра ее диффузора до плоскости верхней стенки корпуса составляет 150, а до центра туннеля — 240 мм. Внутренний диаметр туннеля — 55, длина — 185 мм. Частота настройки — 30 Гц.

Акустическое оформление средне- и высокочастотного громкоговорите­лей — закрытые ящики из фанеры тол­щиной 8 мм с внешними размерами соответственно 310x250x210 и 95 х125x175 мм. Головки этих громко­говорителей установлены одна над другой. Корпус среднечастотного гром­коговорителя заполнен ватой.

С выходами полосных усилителей громкоговорители соединены короткими проводами большого сечения.

Благодаря разделению полос на вхо­де и использованию головок с хорошей отдачей оказалось возможным приме­нить сравнительно маломощные по­лосные усилители (6 Вт — на низких, 4 Вт — на средних и 2 Вт — на высоких частотах) при невысоком напряжении питания (±14 В). Каждый стереоканал обеспечивает уровень звукового давле­ния около 100 дБ на расстоянии 1 м от акустической системы. Качество зву­чания достаточно высокое.

Электронная часть описываемой си­стемы (два трехполосных стереоканала с активными фильтрами и теплоотводами транзисторов выходных каска­дов) выполнена в виде единого блока размерами 350x160x35 мм.

При использовании головок с мень­шим значением Р_ср.ст выходную мощ­ность полосных усилителей для полу­чения того же уровня звукового давле­ния необходимо, естественно, увели­чить. Например, если для низкочастот­ной полосы выбрана головка 25ГД-26 (Р_ср.ст =0,15 Па), то выходная мощ­ность соответствующего усилителя дол­жна быть не менее 24 Вт. Однако пре­имущества многополосного усиления мощности ощутимы и здесь, так как широкополосный усилитель (с учетом потерь в пассивном фильтре громко­говорителя и запаса мощности для не­искаженного воспроизведения всех со­ставляющих сигнала) в этом случае должен был бы обладать выходной мощностью вдвое большей (а это по­требовало бы увеличения напряжения питания и применения более дорогой элементной базы).

Итак, комплексное рассмотрение во­просов согласования усилителя мощ­ности с громкоговорителем показывает, что для достижения действительно вы­сококачественного звучания приходится идти на значительное усложнение широ­кополосного усилителя. Многополосные усилители в этом отношении значитель­но проще и, что очень важно для подав­ляющего большинства радиолюбите­лей, могут быть собраны из доступных деталей. Учитывая это. а также прини­мая во внимание тот факт, что высокие качественные показатели многополос­ных систем при воспроизведении реаль­ных сигналов можно получить значи­тельно проще, чем при использовании одного, широкополосного усилителя, можно сделать вывод, что затраты вре­мени и средств на изготовление много­полосной системы не превысят затрат на постройку широкополосного усили­теля с многополосиым громкоговори­телем.

г. Москва

ЛИТЕРАТУРА

Иофе В. К., Корольков В. Г., Сапожков М А.

       Справочник по акустике. Пол общ. ред. М. А. Сапожкова М . Связь. 1979.

Эфрусси М. М Громкоговорители и их применение М, Энергия 076 |МРБ вып 919).

Левннзон Г Л , Логинов А. В. Высококачественный усилитель низкой частоты М Энергия 1977 (МРБ. вып 95П

Relnhard С. Auf dem Weg zumOptimaleu Laut sprechersystem.— Funkschau 1977. № 3 s 115- — 117                                                                        ы

Lautsprccherkomblnalioncn — eleklrl' Welchen, Phascnfehler.— Funkschau, 1978. H> я 969—972 Nt 24, s. 1209—1212

Салтыков О. ЭМОС или отрицательное а д мое сопротивление ? — Радио, 1981. № l.c 41. '5