Непростой расчет кроссоверов акустических систем

Как любителями звука обычно проектируется многополосная акустическая система? Очень просто. Под имеющийся в наличии НЧ (НЧ/СЧ) динамик разрабатывается необходимого объема бокс. Ширину передней панели определяет размер НЧ (НЧ/СЧ) динамика, остальные динамики располагаются, исходя из эстетических соображений. Кроссовер рассчитывается также «классическим» методом на бумаге (или с помощью небольших программ) по формулам с давно известными коэффициентами для получения требуемой характеристики фильтра. Сложив все это вместе и получив какойто результат, одни остаются им довольны, а другие начинают задаваться вопросом: почему результат не соответствует расчетам. Не обходится и без особо «продвинутых», начинающих заявлять, что все многополосные системы, мягко говоря, не стОят внимания. Действительно, каков вывод! Впрошлом я сам рассчитывал акустические оформления и кроссоверы по формулам. Расчет кроссоверов производился, опираясь на номинальное сопротивление (Z) динамиков, после чего следовала долгая процедура подгонки «на слух». Получалось, но не ахти как. Удовлетворительно. Все дело в том, что яне учитывал целый ряд особенностей при расчете. Особенностей, которые отличают динамики от резисторов, а многополосную акустику от точечного излучателя. Сейчас мне проще, есть измерительный комплекс, с которым я научился хорошо работать, и есть CAD системы, которые позволяют промоделировать акустику, учитывая все ее тонкости. И вот при очередном знакомстве с изделием, рассчитанным по формулам и принесенном на измерения, я решил уделить повышенное внимание кроссоверу. Конструкция, как оказалось, была с несводимыми в принципе полосами, чего на первый взгляд не скажешь. Особенно, глядя на АЧХ простого и недорогого мидбаса:

 Непростой расчет ldsound_ru 1

Используемый кроссовер классика. Первый порядок на мидбасе (на изображении выше измерения проведены без кроссовера) и первый порядок на твитер. Казалось бы, что может быть лучше, чем фильтр первого порядка? Практически любой аудиофил скажет, что в двухполосной акустической системе сопряженные таким фильтром головки обеспечат линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ) и хорошую, без колебаний и затягивания, переходную характеристику (ПХ). А широкий совместный диапазон излучения можно компенсировать разнесением частот раздела. К сожалению, все хорошо только в теории. На практике же первый порядок фильтра редко работает с приемлемым результатом. Я попробую внести ясность, почему так происходит. Реальных результатов измерений не привожу, только моделирование в LspCAD. Как показала практика, результаты моделирования в этой CAD системе с высокой точностью подтверждаются результатами реальных измерений.

На изображении ниже показана двухполосная система с использованием фильтров первого порядка с частотой раздела полос 2500 Гц. Кроссовер рассчитан, исходя из номинального сопротивления нагрузки для ФНЧ – 6 Ом, для ФВЧ – 4 Ома. Динамикам присвоено константное сопротивление 6 Ом (Midwoofer) и 4 Ома (Tweeter). Размер их излучающих поверхностей составляет 1 мм, а акустические центры расположены в одной точке (x = 0, y = 0, z = 0). В общем, идеальные условия работы, чего в реальной жизни не может быть. Передаточная характеристика такой системы показана на графике рядом. Остальные характеристики в данном случае также линейны.

 Непростой расчет ldsound_ru 2

Непростой расчет ldsound_ru 3

На первый взгляд, кроссовер идеален. Но ведь и вся система здесь представлена идеальной. Исправим досадный недочет и немного приблизим ее к реальности. Добавим подходящий бокс ииспользуем размеры излучающих поверхностей для мидвуфера – 110 мм, а для твитера – 25.4 мм. Расположение твитера будет референсной точкой с координатами x = 0, y = 0, z = 0. Мидвуфер же, расположен ниже твитера, его акустический центр смещен вниз на 130 мм и углублен на 25 мм (x = 0, y= -130, z = 25). Среди двухполосных систем с использованием 4.5 дюймового мидвуфера и 1 дюймового твитера это типичные значения расположения акустических центров.

 Непростой расчет ldsound_ru 2Непростой расчет ldsound_ru 4

Непростой расчет ldsound_ru 5Непростой расчет ldsound_ru 6

На первом графике изображена АФЧХ системы, на втором внеосевые АЧХ. Ожидали такого результата? Так как акустические центры излучателей находятся на некотором расстоянии друг отдруга, между ними для звуковых волн существует временная разница, следовательно можно говорить о различии их акустических фаз. Выровнять фазовую характеристику можно двумя методами: расположением акустических центров головок строго на оси (коаксиальный излучатель), либо фазовойкоррекцией в кроссовере. Но поскольку речь идет о фильтрах первого порядка, по понятным причинам фазовая коррекция в кроссовере с ними невозможна. Поэтому идем другим путем.

Так как на изображении выше отчетливо виден сильный провал в области частоты раздела, напрашивается мысль о противоположном знаке акустических фаз излучателей в этой области. Пробуем противофазное включение, хотя это опять в разрез идет с теорией. На сей раз о синфазной работе головок при использовании фильтров первого порядка.

 Непростой расчет ldsound_ru 7

Непростой расчет ldsound_ru 8

Теперь АЧХ находится в пределах неравномерности +/-3 дБ, хотя с ФЧХ наблюдаются явно проблемы. Зато что происходит с внеосевыми АЧХ! А ведь это все еще «идеальные» динамики. Добавляем реальный импеданс.

 Непростой расчет ldsound_ru 9

Непростой расчет ldsound_ru 10

С таким фильтром твитер без какихлибо преград работает в области частоты резонанса (а она находится достаточно низко – 750 Гц). Мидвуфер же практически без ослабления воспроизводит всю полосу частот. Смотрим, что будет, если добавить реальные АФЧХ головок.

 Непростой расчет ldsound_ru 11

Непростой расчет ldsound_ru 12Непростой расчет ldsound_ru 13Непростой расчет ldsound_ru 14

Спрашивается: за что боролись? Совместная работа головок обеспечивается в диапазоне 600 Гц – 8 кГц, ФЧХ имеет излом. Внеосевые АЧХ и диаграмма направленности обещают окраску звучания в широком диапазоне частот, узкую зону стереоэффекта и необходимость прослушивания такой системы строго на оси твитера. Сам твитер работает в области резонанса, а мидвуфер за пределами поршневой зоны. Единственное, что осталось удовлетворительным ПХ.

При широком частотном диапазоне совместной работы головок, часто пользуются разнесением частот раздела. Пробуем такой вариант. Для ФНЧ используется частота среза 1 кГц, для ФВЧ – 6 кГц.

 Непростой расчет ldsound_ru 15

Непростой расчет ldsound_ru 16

Прежние недостатки еще больше усугубились. Теперь наблюдается большая неравномерность осевой АЧХ и худшие внеосевые АЧХ. Может, стоит попробовать высокую – 8…10 кГц частоту раздела? Так как мидвуфер по результатам измерений АЧХ работает до 8 кГц, можно подключить его без фильтра, а для твитера использовать фильтр первого порядка с частотой среза 10 кГц. Пробуем такой вариант.

 Непростой расчет ldsound_ru 17

Непростой расчет ldsound_ru 18Непростой расчет ldsound_ru 19Непростой расчет ldsound_ru 20

Как видим, ослабление на частоте резонанса твитера недостаточно даже для такой высокой частоты раздела. А что происходит с внеосевыми АЧХ? Мидвуфер работает без фильтра в широком диапазоне частот, твитер его только поддерживает вверху, а диаграмма направленности хуже, чем в любом другом случае. Мидвуфер, в силу законов физики, имеет сужение диаграммы направленности выше частоты, которая определяется размерами его излучающей поверхности. В идеальном случае, эта частота составляет c/d, где c – скорость звука в воздушной среде (345 м/с), d – диаметр диафрагмы (вметрах). Для используемого в примерах мидвуфера диаметр диафрагмы составляет 110 мм, что ограничивает его использование на частотах выше 3 кГц.

 Непростой расчет ldsound_ru 21

Непростой расчет ldsound_ru 22

Изменение внеосевых АЧХ и сужение диаграммы направленности проявляется и в комбинированных широкополосных динамиках. Для примера, ниже приведен результат измерения широкополосного динамика 4А28 при измерении на оси и с отклонением от оси на 45 градусов.

 Непростой расчет ldsound_ru 23

Как можно видеть, изменение АЧХ происходит, начиная с частоты 1500 Гц, что хорошо согласуется с вышеприведенной формулой (c/d = 1604 Гц).

По указанной причине, расположение акустических центров излучателей в многополосной системе должно производиться так, чтобы расстояние между ними не превышало длины волны на частоте раздела.

Что можно сделать для устранения всех перечисленных недостатков при использовании тех же мидвуфера и твитера. Не сильно углубляясь в моделирование, при использовании фильтров третього порядка я получил следующую картину.

 Непростой расчет ldsound_ru 24

Непростой расчет ldsound_ru 25Непростой расчет ldsound_ru 26Непростой расчет ldsound_ru 27

Проведя часдругой за моделированием, можно выровнять характеристики до погрешности в пару децибел, а диаграмму направленности сделать еще шире. Резонный вопрос: совпадут ли результаты моделирования с результатами реальных измерений. Предлагаю посмотреть на изображения ниже исамому ответить на этот вопрос.

 Непростой расчет ldsound_ru 28

Непростой расчет ldsound_ru 29Непростой расчет ldsound_ru 30

Непростой расчет ldsound_ru 31

Но для того, чтобы получить требуемые результаты, CAD системе необходимо «знать» о будущей АС все: размеры бокса, расположение динамиков, их АФЧХ и ИЧХ. Иначе вместо того, что можно было бы получить:

Непростой расчет ldsound_ru 32

получим то, что будет:

Непростой расчет ldsound_ru 33

 

Автор: Сирвутис Алексей Ромасович (Lexus)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *