25АС-109 Фильтры высококачественных громкоговорителей
В АС высоких классов фильтры четных порядков обычно не используются из-за существенного нарушения равномерности суммарной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области частот раздела. Дело в том, что фазовые сдвиги, создаваемые фильтрами низших (ФНЧ) и высших (ФВЧ) частот в области раздела, одинаковы по величине (около 90°), но противоположны по знаку. В результате АЧХ АС имеют здесь либо глубокий провал при синфазном включении головок, либо подъем, достигающий +3 дБ при их противофазном включении [1,2]. Необходимо отметить, что во втором случае суммарная фазочастотная характеристика (ФЧХ) при переходе от низших частот к высшим изменяется на 180°, что, впрочем, не столь важно, если ФЧХ обеих систем стереокомплекса идентичны.
Между тем ФВЧ Баттерворта четных порядков имеют неоспоримое преимущество перед фильтрами других типов. Рассмотрим пример, когда в СЧ звене АС установлен ФВЧ второго порядка, причем спад АЧХ на высших частотах происходит естественным образом, за счет уменьшения отдачи СЧ головки. В таком случае имеет место достаточно эффективное электрическое демпфирование головки на частоте основного механического резонанса. Это обстоятельство обусловлено тем, что в области частот 63.. .200 Гц, где обычно и наблюдается основной резонанс, катушка фильтра обладает сравнительно малым сопротивлением и оказывает на головку сильное шунтирующее действие.
Эффективность демпфирования (ее можно определить по формуле: К=20 lg I rp/Zp I где Zp — полное сопротивление головки на частоте резонанса, гр — полное сопротивление цепи, состоящей из параллельно соединенных СЧ головки и катушки индуктивности фильтра на той же частоте) составляет не менее -26 дБ (для головки 20ГДС-4-8, например, эта величина может достигать -38...40 дБ), что зачастую позволяет отказаться от каких-либо дополнительных мер по снижению добротности головки. Это тем более ценно, что электрическое демпфирование СЧ головок последовательным контуром вообще затруднено из-за необходимости применения конденсаторов большой емкости и катушек с высокой индуктивностью. Кроме того, резистор, включаемый последовательно на входе СЧ звена для выравнивания отдачи головок, может иметь любое сопротивление, так как он практически не влияет на эффективность демпфирования. Отметим также, что ФВЧ, который можно применить в высококачественных АС, должен иметь порядок, обеспечивающий, по крайней мере, неизменную амплитуду колебаний диффузора головки (СЧ, ВЧ) с понижением частоты [3], что обеспечит малую величину нелинейных искажений. Этому требованию отвечают ФВЧ порядка не ниже второго.
Таким образом, использование фильтров второго порядка в АС было бы вполне оправданным, если бы удалось устранить порождаемую ими неравномерность АЧХ.
Наиболее простой способ сглаживания АЧХ приведен в [1]. Он заключается в разнесении частот среза ФНЧ (fH) и ФВЧ (fB). Аналитически несложно найти оптимальное их соотношение, при котором АЧХ будет максимально гладкой: fa/fH=1,18. П рак-тически допустимо, если эта величина будет находиться в пределах 1,1...,35.
С учетом описанного способа сглаживания АЧХ и была доработана 25АС-109. На необходимость доработки этой АС неоднократно указывали различные авторы (см., например, [4, 5]). Наиболее существенными ее недостатками являются: небрежное изготовление корпуса, особенно в местах разъемных соединений, что способствует росту щелевых потерь и, как следствие, уменьшению отдачи на частотах ниже 63 Гц; характерное низкочастотное "бубнение" из-за отсутствия эффективного демпфирования СЧ головки на частоте основного резонанса в области 100 Гц; применение металлического магнитопровода в катушке ФНЧ, что приводит к увеличению нелинейных искажений на низших частотах при больших уровнях подводимого сигнала; сравнительно большая отдача СЧ головки; неоправданно высокая частота среза ФВЧ (Ыколо 7,5 кГц), вследствие чего появляется глубокий (до -8 дБ) провал на АЧХ в области 6,3 кГц, поскольку СЧ головка в состоянии эффективно воспроизводить сигналы частотой не более 5,6 кГц; невысокое качество передачи высших частот, связанное с использованием устаревшей ВЧ головки ЗГД-31.
В ходе доработки АС выяснилось, что применение фильтров Баттерворта второго порядка позволяет устранить практически все упомянутые недостатки при небольших дополнительных затратах и наиболее полном использовании имеющихся в АС деталей.
Особенностью 25АС-109 является довольно сильный выброс (около +6 дБ) на АЧХ при частоте 2,1 кГц, обусловленный в основном акустическим оформлением как СЧ головки, так и самой АС. Выброс этот можно и устранить, однако он может оказаться полезен, поскольку позволяет легко реализовать эффект "присутствия'' [б] при условии сглаживания общей АЧХ АС. Эффект "присутствия" существенно улучшает восприятие вокальных партий и отнюдь не портит звучания партий инструментальных. Примерно вдвое меньшая по сравнению рекомендуемой в [6] высота резонансного пика дает возможность сохранить хорошо выраженный эффект и не нарушает естественности звучания музыкальных инструментов.
Основные характеристики доработанной АС: максимальная электрическая мощность — 35 Вт; номинальное входное сопротивление —4 Ом; диапазон эффективно воспроизводимых частот — не уже 40...20 ООО Гц; неравномерность частотной характеристики по звуковому давлению в диапазоне частот 40...10 ООО Гц (за исключением области вблизи 2,1 кГц)
— не более ±3 дБ, 400...1600 Гц — не более ±1 дБ; величина резонансного подъема АЧХ на частоте 2,1 кГц
— +5...8 дБ; характеристическая чувствительность
— 84 дБ/Вт/м.
Из приведенных характеристик видно, что неравномерность суммарной АЧХ АС после доработки уменьшилась на 6 дБ. В пользу выбранного способа доработки говорит также весьма малая неравномерность АЧХ в области частоты раздела ФНЧ и ФВЧ.
Рассмотрим теперь принципиальную схему АС (рис. 1). НЧ звено выполнено на элементах L1, CI, R1 и ВА1. Частота среза ФНЧ — около 750 Гц. Резистор R1 служит для приближения АЧХ фильтра к АЧХ ФНЧ второго порядка, снижая добротность контура L1C1 и уменьшая крутизну спада, которая при отсутствии этого резистора заметно превышает 12 дБ/ окт из-за влияния собственной индуктивности головки ВА1.
СЧ звено выполнено на элементах R2, С2, L2 и ВА2. Частота среза — около 1 кГц. Резистор R2 выравнивает отдачу НЧ и СЧ головок, он также снижает добротность контура L2C2. Полное сопротивление катушки L2 на частоте 100 Гц — около 0,8 Ом. Улучшение эффективности демпфирования головки ВА2, по сравнению с применяемым в 25АС-109 фильтром первого порядка, составляет не менее -20 дБ, что позволяет практически полностью устранить "бубнение" на частотах около 100 Гц. Выше частоты 5,6 кГц АЧХ головки ВА2 аналогичны характеристикам ФНЧ третьего порядка, поэтому для работы в ВЧ звене выбран фильтр третьего порядка с указанной частотой среза.
ВЧ звено состоит из выравнивающего резистора R3, собственно ФВЧ на элементах СЗ, С4 и L3, а также последовательного контура L4C5, настроенного на частоту собственного механического резонанса головки ВАЗ (около 1,4 кГц), чем обеспечивается демпфирование ВЧ головки. Элементы последовательного контура выбраны с учетом неравенства 1/2nfpC5 меньше Ro3 [7], где fp — частота резонанса головки ВАЗ, R03 — ее активное сопротивление. Выполнение этого неравенства необходимо для устранения нежелательных призвуков, придающих звучанию "металлический" оттенок. Особенность ВЧ звена — малое сопротивление R3, благодаря чему достигается подъем АЧХ в области частот выше 10 кГц примерно на 6 дБ. Это, конечно, значительно увеличивает нелинейность общей АЧХ АС, однако по субъективной оценке такая АЧХ предпочтительнее линейной в области ВЧ, так как в реальных условиях при прослушивании музыкальных программ почти всегда возникает необходимость в искусственном подъеме высших частот и крайне редко в их завале. В этом смысле лучше иметь некоторый запас в сторону увеличения уровня высокочастотных составляющих.
После переделки АС на практике подтверждена правильность выбора такой АЧХ — высококачественные музыкальные программы прослушиваются, как правило, в положении движка регулятора тембра ВЧ, соответствующем уровню -2...0 дБ, а с худшим качеством передачи высших частот — в положении движка +3...6 дБ. Неравномерность АЧХ на частотах более 10 кГц полностью определяется неравномерностью АЧХ головки ВАЗ, поэтому для дальнейшего улучшения качества звучания желательна ее замена на головку 6 ГДВ-4 или 1С}ГДВ-2.
Наряду с изменением электрической схемы АС, необходимо провести и механическую ее доработку, которая сводится к тщательной герметизации щелей корпуса и покрытию его стенок изнутри звукопоглощающим материалом.
Добротность НЧ головки в таком оформлении составляет 0,83±0,03, поэтому необходимость в применении усилителя мощности 34 с отрицательным выходным сопротивлением не возникает.
Большинство деталей, как уже отмечалось ранее, использовано из имеющихся в 25АС-109. Все конденсаторы — МБМ; резисторы R1 и R2 — самодельные и изготовлены соответственно из 0,5 и 2,5 м манганинового эмалированного провода диаметром 0,4 мм, намотанного на небольшие каркасы из немагнитного материала. При изготовлении R2 использовалась бифилярная намотка для сведения к минимуму собственной индуктивности резистора. С этой же целью из резистора R3 (ПЭВ-7,5) извлечен стальной винт. На плате фильтра его крепят либо с помощью винта из немагнитного материала, либо приклеивают эпоксидной смолой.
Катушка L1 намотана на пластмассовом каркасе диаметром 40 и длиной 20 мм, снабженном щечками диаметром 80 мм. Ее обмотка содержит 132 витка провода ПЭЛ 1,5 . Катушка L2 намотана на каркасе такого же диаметра, но длиной 25 мм (диаметр щечек 90 мм) и содержит 165 витков того же провода. Намотка катушек рядовая. При изготовлении катушек L1 и L2 необходимо использовать провод диаметром не менее 1 мм, поскольку эти катушки должны обладать особенно малым активным сопротивлением.
Катушка L3 изготовлена из катушки L2 (ФВЧ), имеющейся в 25АС-109. Для получения необходимой индуктивности от ее обмотки отматывают 5 витков.
Для изготовления катушки L4 используется катушка Ш25АС-109 (ФНЧ). Из нее извлекают стальной магнитопровод, и ее обмотку доматывают 15 витками провода ПЭЛ-0,8...1,5.
Все элементы, кроме катушек L1 и L2, размещены на деревянной панели внутри AC, a L1 и 12 — на боковой стенке возле СЧ и ВЧ головок соответственно.
АЧХ АС и график зависимости модуля ее полного сопротивления от частоты приведены на рис. 2.
Журнал "Радио" № 11, 1995 г. Д. ПАНКРАТЬЕВ, г. Ташкент, Узбекистан
