Коаксиально-контрапертурное СЧ/ВЧ звено

Искать не там, где светло, а там, где можно найти…

2007 – 2008

Широкополосные динамики имеют весьма значительный недостаток: в верхнечастотном диапазоне происходит снижение чувствительности и сужение диаграммы направленности, что приводит к существенной субъективной нехватке высоких частот/нарушению тонального баланса и сужению пространственной зоны стереоэффекта. Эта проблема может решаться по-разному.

Известны коаксиальные СЧ/ВЧ звенья. Твитер направлен вперед и выступает тоже вперед над диффузором СЧ динамика. Недостаток – несогласованное по фазе и ГВЗ излучение головок в области совместного излучения. Недостаточная ширина ДН твитера.

ВЧ-рупорок на ШП. Надо посмотреть…

Совмещенное СЧ/ВЧ звено, где твитер встроен в керн СЧ динамика. Пример – динамики фирмы “Tannoy” по технологии DualConcentric. Сложно. Не для DIY-конструкции :-)

Предлагается обдумать конструкцию, в которой твитер установлен коаксиально с СЧ/ШП динамиком, но его излучение направлено в сторону диффузора СЧ/ШП-динамика, отражаясь от него в сторону слушателя. Задница твитера оформляется в виде “пули” что должно способствовать лучшей дифракции ВЧ излучения, которое в этом случае должно скомпенсировать провал на ДН по оси динамиков. Диаметр твитера должен быть соизмерим с длиной волны на частоте раздела, чтобы и излучение СЧ/ШП динамика за счет дифракции на корпусе твитера (“пуле”) выровняло провал на его ДН по оси такой конструкции.

Вот картинки процесса излучения – твитером (рис. 1):

и СЧ/ШП динамиком (рис. 2):

Настройка по ГВЗ – исходя из наилучшего импульсного отклика изменением расстояния твитера от СЧ-диффузора, за счет времени прохождения ВЧ излучения до СЧ-диффузора. Естественно, СЧ/ШП должен быть ограничен в частотном диапазоне по ВЧ. Частота раздела – в районе 8-10 кГц. Другими словами – последнюю октаву формируем ВЧ головкой, направленной на диффузор СЧ/ШП головки и используем обратный ход звуковой волны для виртуального удаления ВЧ головки с целью согласования системы по ГВЗ. При разделе 4-м порядком необходимо скомпенсировать 60-70 мкс ГВЗ – это 20-25 мм разницы по расстоянию.

Возможен вариант, когда в качестве рефлектора будет использовано отдельное отражающее тело специальной формы, расположенное между диффузорами СЧ/ШП и ВЧ динамиков. Сторона, обращенная к диффузору СЧ/ШП динамика может способствовать расширению ДН этого динамика, а сторона, обращенная к твитеру – сформировать его требуемую ДН.

Рисунок 3:

В идеале, к которому надо стремиться (ИМХО), чтобы такая связка СЧ/ВЧ работала как единое целое – имея одинаковую ширину ДН на всех рабочих частотах. В меру диффузно, в меру направленно. Но не 360º, конечно 90-120, ИМХО, достаточно.

Подводные камни – стояк на ВЧ между диффузором твитера и диффузором СЧ динамика. Самая проблемная частотная область – вокруг частоты сопряжения при взаимодействии обоих излучающих поверхностей. Возможно проявление эффекта Допплера. Согласование по чувствительности и ДН. Что-то еще…

Стоячих волн можно избежать, если изменить взаимное расположение динамиков (рис. 4):

Геометрические центры излучения субъективно для слушателя также будут совмещены. В макете на динамиках 4 ГД-35 и 3 ГД-2 все это пока выглядит так (твиттер 16 Ом запитан через простейший кроссовер в 1 мкф :-)):

Рисунок 5:


2011

Прошло достаточно много времени, наконец-то нашлось время, чтобы довести первоначальную идею до более-менее практического варианта.

Первоначально нужно сформулировать конечную цель: получение “квазиточечного” когерентного СЧ/ВЧ звена с широкой диаграммой направленности в рабочем диапазоне частот. Слитность звучания различных излучателей можно описать терминами “фазолинейность” и “фазокогерентность”, но в данном случае, при совмещении геометрических центров излучателей (“точечность”), уже можно говорить о когерентности системы.

Предварительные промеры первоначальных вариантов обнаружили некоторые не очевидные недостатки: непредсказуемая АЧХ на ВЧ, слишком большая временная задержка в ВЧ-канале, проявление эффекта Допплера при отражении ВЧ-звуковой волны от СЧ-диффузора.

Для проведения экспериментов из бытового пьезотвиттера был сделан компактный купольный ВЧ-излучатель с подходящими параметрами (рис.6). При экспериментах он был задействован через последовательный LC-кроссовер, так как все замеры производились на ИТУНе (рис.7).

Рисунок 6:

Рисунок 7:

Сначала был опробован самый очевидный вариант: твитер “смотрит” в центр ШП-динамика (4 ГД-35). Для оперативного подбора оптимального взаимного положения излучателей (и не только) широко использовался пластилин (рис.8):

Результирующая АЧХ/ФЧХ представлена ниже. Результаты весьма обнадеживают, и на мой слух тоже, но есть куда двигаться дальше (рис. 9):

Для выравнивания тонального баланса чувствительность СЧ пришлось убавить, потому что бумажный диффузор – не лучший отражатель для ВЧ, кроме того, для совмещения переходной характеристики ВЧ и СЧ излучателей во временной области (рис.10) пришлось очень сильно приближать твиттер к диффузору ШП-динамика, что дополнительно снизило его результирующую чувствительность (рис.10):

Эксперименты были продолжены с применением сферических выпуклых отражателей (донышки от алюминиевых пивных банок ). Для того, чтобы уменьшить неравномерность АЧХ твитера в рабочей полосе частот, между его куполом и рефлектором из пластилина было сделано подобие нерегулярной структуры (рис.11), позволяющей уменьшить “стояки” в предкупольном пространстве и дополнительно расширить АЧХ (рис.11):

АЧХ получилась весьма ровной (рис.12), правда чувствительность пищалки на частоте 10 кГц упала в два раза (6 дБ). Произошло это из-за расширения диаграммы направленности такого излучателя (рис.12):

Но дальше ничего хорошего этот вариант не дал – уже при установке этого излучателя в горло диффузора ШП-динамика, его АЧХ преобразовалась до неузнаваемости… Это сказались отражения ВЧ-излучения от диффузора ШП-динамика, которые при суммировании с основным излучением дали такие провалы на АЧХ. Отбраковываем этот вариант (рис.13):

Физику такого явления можно увидеть на рис.14 (верхняя часть). Было решено поэкспериментировать с вогнутым рефлектором. С ним, теоретически (рис.14, нижняя часть), процесс излучения выглядит более регулярным. Некое подобие переднего рупора получается. Тем более ВЧ-волна в меньшей степени должна подвергаться воздействию эффекта Допплера.

Эти пробы проводились с “бывшим” автомобильным коаксиалом, С АЧХ было еще более-менее, но никак не удавалось совместить во временной области переходные характеристики: ВЧ-отклик отставал от отклика СЧ-звена на 80-100 мкс. Регулировка производилась перемещением твитера вдоль направляющих (рис.15). Это способ совмещения СЧ/ВЧ также был мною забракован.

Рисунок 14 и рисунок 15:

Все дальнейшие эксперименты проводились с вогнутым рефлектором. Аналогично, из пластилина в центре вылеплялась неоднородность, на которую укреплялся твитер (рис.16):

При этом уменьшение чувствительности твитера практически не происходило – ДН расширялась не так сильно, как в случае с выпуклым рефлектором. АЧХ/ФЧХ этого варианта можно посмотреть ниже (рис.17):

Характер излучения таким ВЧ-звеном (сравнительно с предыдущим вариантом) виден на рис.18 внизу. На рис.19 показано, как это все размещается над диффузором ШП-динамика. Рефлектор несколько экранирует собственное ВЧ-излучение ШП-динамика, создавая дополнительный спад АЧХ. Рис.20 дает представление об АЧХ/ФЧХ этой конструкции (подписи на рисунке). Сшивка звеньев по фазе происходит достаточно гладко.

Рисунок 18:

Рисунок 19:

Рисунок 20:

Напрашивается вариант, в котором у СЧ/ШП динамика удаляется (уже ненужный) центральный пылезащитный колпачок, и через стоечку к керну магнитной системы крепится ВЧ-звено. На обратной стороне рефлектора можно разместить тонкий слой звукопоглотителя.

Рисунок 21:

При этом уменьшается (+экранируется) излучение высоких частот центральной частью СЧ/ШП, уменьшая интерференцию с ВЧ-звеном.

Результирующая АЧХ (рис.22):

Переходная характеристика (рис.23):

Проверяем, что дает нам установка “пули” (как ее еще называют – “фазовыравнивающее тело”) на торец твитера. Форма “пули” выбрана несколько наобум, рисунок 24:

АЧХ по оси динамиков на ВЧ несколько приподнялась, при внеосевых замерах есть улучшение на ВЧ, выражающееся в меньшей неравномерности АЧХ.

Рисунок 25:

Рисунок 26:

Установка контрапертурного твитера в автомобильном коаксильном динамике на керн взамен родного, проходит совсем безболезненно , и тоже дает неплохие результаты.

Рисунок 27:

Рисунок 28 и рисунок 29:

 

С тыльной стороны на этом динамике крепление выглядит так (слева на фото). Рефлектор делается несколько приплюснутым с боков. Справа – ранние варианты рассеивателей (к фото 15).

Рисунок 30:

Продолжил эксперименты с дешевым автокоаксиалом Ivolga SR 2.6 (чтобы не жалко было сломать, если что). Рисунок 31:

После непродолжительного изучения конструкции динамика, удалось аккуратно отделить твитер и центральную стойку (рисунок 32):

Рефлектор сделан из двух сферических донышек от алюминиевых пивных банок (литровой и поллитровой). Рисунок 33:

Ниже показан тестовый способ крепления твиттера в центре диффузора СЧ-динамика с возможностью регулировки расстояний. В дальнейшем планируется использовать штатный, оставшийся от разборки коаксиала, крепеж. Задний торец твиттера будет прикрыт “пулей”(рис.34):

Полосы сшивались при активном делении, биампингом (ИТУНы). СЧ имеет естественный спад на ВЧ (примерно первый порядок), твиттер порезан вторым порядком на 4 кГц. Пищалка – довольно посредственная, пришлось несколько задирать ВЧ. Но, выше 15 кГц она принципиально играть отказывается… Да и фаза сигнала там весьма сильно крутится (рис.35):

В Arta можно посмотреть, как выглядит переходная характеристика этой парочки (желтый график – твитер, зеленый – суммарный step response). Рисунок 36:

Заключение: Предложенное решение позволяет эффективно расширить полосу рабочих частот ШП динамика в область высоких частот, обеспечивая при этом широкую диаграмму направленности с сохранением временнОй структуры сигнала, обеспечивая “слитность” звучания СЧ/ВЧ звеньев. Геометрическое совмещение центров излучения устраняет эффекты “многолепестковости” ДН, что позволяет использовать кроссоверы меньших порядков.

Автор работы: Мухамедзянов Н. (aka Nota Bene)

почта: reanimator-h<@>yandex.ru

По материалам: reanimator-h.narod.ru

Комментарии запрещены.