Навигация

Проектирование кроссоверов

Особенности проектирования кроссоверов для высококачественных АС

Д. Горшенин, г. Москва

Несколько слов о физических причинах появления нечётных гармоник ИНИ на средних частотах. Как уже говорилось, звуковая катушка - это фактически дроссель с незамкнутым магнитопроводом, роль которого играют элементы магнитной системы головки: керн, верхний и нижний фланцы и магнит. Под действием знакопеременного тока звукового сигнала, протекающего через катушку, происходит перемагничивание составных частей магнитопровода по частной петле гистерезиса. Уменьшение магнитной проницаемости магнитопровода из-за перемагничивания материалов элементов, из которых он состоит, приводит к периодическому изменению индуктивной составляющей импеданса катушки. Поскольку ток достигает максимального значения дважды за период синусоидального сигнала, то возникающее вследствие этого изменение импеданса продуцирует нечётные гармоники искажений тока в катушке: третью, пятую, седьмую и т. д. Подробнее об этом можно прочитать в хорошей инженерной статье [7] и в научной статье [8].

Вторая гармоника ИМИ на средних частотах является следствием эффекта, называемого "модуляцией потока", т. е. порождается той частью магнитного поля катушки, которое идёт по длинному магнитному пути: керн – нижний фланец - магнит верхний фланец. Это дополнительное поле, в зависимости от направления тока в катушке, или суммируется с полем постоянного магнита, или вычитается из него, изменяя магнитный поток в рабочем зазоре. Отсюда и название. Вторая гармоника ИНИ эффективно подавляется кольцами большого сечения, расположенными внутри мотора под магнитным зазором. Нечётные гармоники ИНИ преимущественно порождаются полем катушки, сосредоточенным в районе магнитного зазора. Силовые линии этого поля идут по короткому магнитному пути: верхняя часть керна - верхний фланец. Для их минимизации кольца приходится располагать или непосредственно в зазоре, что снижает чувствительность головки, или, что менее эффективно, вблизи зазора - сверху и снизу.



Важной особенностью ИНИ на средних частотах является их относительно слабая зависимость от уровня сигнала. С одной стороны, это хорошо: при больших уровнях сигнала (подводимая к головке мощность значительно больше 1 Вт) искажения, связанные с механическими процессами в диффузоре и подвесах, во много раз превышают ИНИ и маскируют их, с другой - при мощности 1 Вт и меньше ИНИ становятся доминирующим видом искажений и пренебрегать ими нельзя, особенно принимая во внимание тот факт, что классическую или джазовую музыку дома мы слушаем именно при таких средних уровнях сигнала.

На одной из схем показаны зависимости суммарного коэффициента гармоник ИНИ при разных частотах сигнала для головки с обычным мотором (Visaton AL170) и популярной Hi-End головки с улучшенным мотором (SHAS W15CY001 (F0C15)). По горизонтальной оси отложена величина тока, протекающего через звуковую катушку (напряжение на датчике тока). При измерениях приложенное к головке напряжение изменялось от 0,14 до 2,8 В (эфф.). Полученные результаты показывают, что на средних частотах при снижении уровня сигнала ИНИ падают очень медленно, особенно у головки с обычным мотором. Так, при снижении напряжения в 20 раз (а мощности в 400 раз) у AL170 на частоте 1 кГц коэффициент гармоник уменьшился всего в полтора раза: с чуть более 0,3 до 0,2 %, а у W15CY001 - примерно в три раза: с 0,17 до 0,055 %. Таким образом, у некоторых головок даже при подводимой мощности всего 2,5 мВт коэффициент гармоник, обусловленный ИНИ, может оставаться довольно высоким. Это надо иметь в виду тем разработчикам, которые рассчитывают получить очень низкие искажения АС, используя вместо одной качественной головки несколько дешёвых.

До сих пор речь шла о том, как выглядят ИНИ с электрической части головки, для нас же важно понять, как они преобразуются в акустический сигнал и насколько существенен их вклад в общей картине искажений по звуковому давлению (акустических искажений). На следующей схеме показаны АЧХ и частотно-зависимые уровни гармоник нелинейных искажений головки с металлическим (W15CY001) и бумажным (W18NX001) диффузорами, снятые при напряжении 2,8 В (эфф.). Здесь следует обратить внимание на то, что общий характер поведения гармоник искажений в среднем похож на поведение соответствующих гармоник ИНИ, приведенных для этих головок, но имеет ряд характерных отличий, на которых следует остановиться подробнее.

Важнейшая особенность проявления ИНИ в общей картине акустических искажений состоит в том, что на средних частотах графики ИНИ нечётных порядков (третьей, пятой и т. д.) по форме похожи на АЧХ головки, но при этом сдвинуты по частотной оси вниз - в три раза для третьей гармоники, в пять раз для пятой и т. д. Особенно хорошо это видно на примере головок с пиками и провалами на АЧХ. Эта закономерность распространяется и на вторую гармонику ИНИ, но обычно вторая гармоника "диффузорных" искажений маскирует этот факт. Поэтому, если на графике гармоник пики искажений совпадают по частоте с пиками АЧХ головки, это точно не ИНИ, а "диффузорные" искажения (далее - ДИ). Как показывают измерения, у головок с бумажными диффузорами спектр ДИ состоит практически только из второй гармоники, а в металлических диффузорах, кроме второй, могут генерироваться и гармоники более высоких порядков, хотя и с относительно небольшими уровнями. Если графики ИНИ напоминают график АЧХ головки, но сдвинуты вниз по частоте, то для больших выбросов на второй гармонике ДИ характерно отсутствие частотного сдвига - её пики обычно совпадают по частоте с пиками АЧХ головки. А вот третья или пятая гармоника ДИ по своему проявлению похожа на ИНИ. Третья и пятая гармоники искажений, скорее всего, имеют "импедансное" происхождение, а пики на второй гармонике - ДИ. Таким образом, сопоставляя форму АЧХ головки и форму графиков искажений, часто можно определить доминирующую причину их возникновения.

Для чего нужна такая сортировка гармоник? Для проектирования кроссоверов. Никаких средств, позволяющих влиять на ДИ головки в пределах её рабочей полосы в составе АС, не существует. Можно только отрезать кроссовером частоты, на которых наблюдаются особенно сильные деформации диффузора и связанные с ними выбросы ДИ, что обычно и делают при проектировании. Для ИНИ ситуация принципиально иная. Их можно, а в ряде случаев просто необходимо, минимизировать выбором адекватной схемной реализации кроссовера.

Подобие формы графиков гармоник ИНИ и АЧХ головки не случайно, а является проявлением того факта, что искажения, генерируемые током полезного сигнала в звуковой катушке с нелинейным импедансом, могут быть представлены в виде включённого последовательно с головкой дополнительного источника напряжения ИНИ – Еid , как это показано на схеме НЧ-СЧ звена одного из проектов АС. Такое представление объясняет подобие формы АЧХ самого сигнала и порождённых им гармоник ИНИ при измерении звукового давления: электрические гармоники ИНИ вместе с полезным сигналом преобразуются головкой в звуковое давление в соответствии с её АЧХ. Но есть очень важное отличие источника напряжения гармоник ИНИ Eid от источника напряжения полезного сигнала Е1:Eid всегда "включён" на выходе кроссовера, а Е1 — на его входе.



Введение источника напряжения ИНИ Eid не претендуя на полную адекватность отображения физики процесса, тем не менее оказывается очень удобным для объяснения и прогнозирования поведения ИНИ при разных схемах подключения головки к источнику сигнала, и особенно при использовании пассивного кроссовера. Для преобразования электрических ИНИ в звуковое давление источник напряжения искажений Eid должен создать ток в звуковой катушке. Наша же задача - максимально осложнить это преобразование. Из этого следует общеизвестный "предельный" вывод: наихудшим с точки зрения подавления ИНИ является случай, когда полезный сигнал на головку подаётся непосредственно (без фильтра) от источника напряжения, т. е. от источника с очень низким выходным сопротивлением, а наилучшим - питание головки от источника тока (ИТУН). В первом случае напряжение Eid целиком прикладывается к головке, развивая максимально возможный ток через неё, а во втором - высокое выходное сопротивление ИТУН предотвращает протекание тока искажений через головку. Ещё один вывод состоит в том, что для снижения излучения головкой ИНИ необходимо повышать выходное сопротивление кроссовера, причём не только в рабочей полосе, что более или менее очевидно, но и за её пределами - там, где лежат третья, пятая, седьмая и т. д. гармоники ИНИ полезного сигнала, т. е. фактически вплоть до частот, где акустическая отдача головки (без фильтра) существенно падает. А вот это, как показывает опыт, очевидно далеко не всем разработчикам.

Как это работает при анализе схем, разберём на конкретных примерах кроссоверов.

Вернёмся к схеме где показано НЧ-СЧ звено двухполосной АС, спроектированной известным в любительских кругах разработчиком из Дании Троелсом Гравесеном (Troels Gravesen) [9]. В этой полосе применена упомянутая выше головка SEAS W15CY001.

Следует сразу заметить, что кроссовер спроектирован неудачно, и АС имеет очень высокий уровень искажений в НЧ-СЧ звене. Судя по всему, автор проекта их вообще не измерял, что, к сожалению, очень типично для любительских разработок.

Коротко о назначении элементов кроссовера. Цепь L2011 ,С2021 .R2021 - фильтр НЧ второго порядка. Цепь L2031 .С2031 .R2031 предназначена для корректировки дифракционного спада звукового давления на низких частотах, называемого "baffle step". Цепь L2041, C2041 - режекторный фильтр, настроенный на частоту первого выброса на АЧХ головки в районе 8,2 кГц, связанного с мощным резонансом модовых колебаний металлического диффузора. Его задача - максимально подавить резонансный выброс, чтобы сгладить суммарную АЧХ АС. Применение режекторного фильтра потребовалось из-за выбора слишком высокой частоты раздела полос - 3 кГц. В этом кроссовере настройка режекторного фильтра должна производиться под конкретный экземпляр головки с очень высокой точностью. В частности, для головки, с которой выполнялись измерения, индуктивность дросселя L2041 пришлось увеличить до 360 мкГн.

На одной из схем показаны АЧХ звукового давления НЧ-СЧ звена для трёх вариантов кроссоверов: исходного, того же кроссовера, но без режекторного фильтра (L2041 и С2041 отсутствуют), и кроссовера, модернизированного для уменьшения ИНИ, о котором речь пойдёт ниже. Также на одной из схем приведены измеренные уровни гармоник нелинейных искажений звукового давления НЧ-СЧ звена с кроссовером Гравесена при наличии режекторного фильтра и без него. Из графиков видно, что добавление режекторного фильтра заметно улучшает спад АЧХ звена, но при этом практически никак не влияет на уровень искажений в пределах рабочей полосы (до 3 кГц). Сам же уровень нелинейных искажений НЧ-СЧ звена для высококачественной АС неприемлемо высок. Третья гармоника возрастает до 2 % на частоте 2,75 кГц, пятая гармоника - почти до 0,3 % на частоте 1,65 кГц. Причём эти 0,3 % отнюдь не безобидная величина, ведь И. А. Алдошина пишет (см. цитату в начале статьи), что субъективная слышимость пятой гармоники примерно в 6 раз выше, чем второй и в 3 раза выше, чем третьей.

Можно предположить, что в данном случае мы имеем дело с проявлением ИНИ, так как пятая гармоника частоты 1,65 кГц и третья гармоника частоты 2,75 кГц приходятся как раз на выброс АЧХ головки в районе 8,2 кГц. Пики искажений на указанных частотах есть и на графиках звукового давления головки без фильтра.

Почему кроссовер, ограничивающий частотой 3 кГц рабочую полосу НЧ/СЧ звена, не предотвратил появление искажений, причина которых находится за её пределами на частоте 8,2 кГц, поможет понять анализ тока, развиваемого генератором искажений Eid в звуковой катушке. Значение тока "импедансных" искажений Іid определяется выражением

Іid = Eid / Zid, где Zid - импеданс в цепи источника напряжения искажений Eid.

В свою очередь Zid определяется выражением

Zid = Zd + Zc, где Zd - импеданс головки; Zc - выходной импеданс кроссовера.

На одной из схем показана зависимость модуля импеданса Zid oт частоты для трёх рассматриваемых вариантов кроссовера: исходного, далее - того же, но без режекторного фильтра, и доработанного. Дополнительно показан модуль импеданса головки Zd. Из приведённых графиков видно, что для кроссовера Гравесена как с режекторным фильтром, так и без него, значение Zid в районе частоты 8,2 кГц практически одинаково и не отличается от импеданса головки. Это и объясняет высокий и при этом одинаковый уровень искажений, полученный при измерениях для этих двух вариантов. Следует заметить, что ненулевое значение Zc на частоте 8,2 кГц (примерно 4 Ом) ничего не добавило к суммарному импедансу Zid из-за взаимной компенсации части индуктивной составляющей импеданса головки и ёмкостной составляющей импеданса кроссовера.

Важно отметить, что именно цепь С2021, R2021 обеспечивает проход к головке напряжения искажений источника Eid. Иными словами, их высокий уровень в данном проекте является прямым следствием применения в кроссовере фильтра второго порядка. Но и при отключении цепи С2021, R2021 искажения останутся высокими, так как им гарантирован другой короткий путь к головке - через цепь режекторного фильтра L2041C2041.

Очевидно, для того чтобы снизить пики акустических искажений, возникающих из-за МНИ, необходимо существенно увеличить Zid хотя бы в районе частоты 8,2 кГц. Это можно сделать, например, за счёт увеличения выходного импеданса кроссовера Zc при замене параллельного головке режекторного фильтра на последовательный, настроенный на ту же частоту. АЧХ модифицированного кроссовера, показанная на одной из схем, зелёной линией, выглядит даже более предпочтительной, чем АЧХ звена с кроссовером Гравесена, но главное не это, а снижение излучаемых головкой нелинейных искажений. Увеличение Zid в области частот повышенной отдачи головки (на частотах выше 4 кГц) ожидаемо привело к значительному снижению уровня искажений в пределах рабочей полосы НЧ-СЧ звена. Но снижение искажений на частотах 1,65 и 2,75 кГц оказалось меньше ожидаемого, если исходить из отношения Zid в доработанном варианте к его значению в исходном кроссовере. Причина этого в том, что после доработки остаточный уровень искажений на этих "пиковых" частотах определяется уже не ИНИ, а "диффузорными" искажениями, против которых бессилен даже ИТУН. Дальнейшее снижение уровня искажений для головки W15CY001 возможно только при ограничении рабочей полосы НЧ-СЧ звена частотой, значение которой существенно меньше, чем частота выброса на АЧХ (8,2 кГц), делённая на три. В этом случае, по крайней мере, третья гармоника ДИ будет дополнительно подавлена.



ЛИТЕРАТУРА

7. Мухамедзянов Н. Мотор глазами схемотехника. - <http://reanimator-h.narod.ru/magn_s.htm>.

8. Пономарёв Ю. К закону намагничивания Рэлея. Симметричные и асимметричные петли гистерезиса. Эксперимент. - Физика металлов и металловедение, том 105, 2008, №3, с. 281—293.

9. SEAS W15CY001 + HIQUPHON OWI = Super mini-monitor. - <http://www.troelsgravesen.dk/W15.htm>.

(Окончание следует)