Частотный преобразователь низких и высоких частот для сабвуфера

Главную часть сабвуферов представляет собой фильтр низких частот. Зачем требуется устанавливать ФНЧ? Сабвуфер излучает звуковые сигналы низкой частоты. Если подключить усилитель сразу на сабвуфер, звучание будет таким же, как и с обычными аудиоколонками.

Блок фильтров низкой частоты

ФНЧ срезает частоты, которые не нужны, передает на входной канал усилителя только низкочастотные колебания звуковой частоты. Многие фильтры срезают сигналы меньше 20 Гц и больше 200 Гц, при этом остается бас, который слышен из сабвуфера.

Базовые виды фильтров низких частот:

Фильтр пассивного вида включает в себя только резисторы и емкости.

Фильтры не имеют в составе компоненты усиления. Главное преимущество фильтра – это конструктивная простота, малое число компонентов.

Фильтры низких частот имеют негативную сторону. Проходящий через фильтр звук уменьшает громкость, и на выходе остается слабый сигнал, требующий усиления. Для усиления такого сигнала применяют усилитель, после которого сигнал идет на главный усилитель.

Фильтры пассивного вида производят первого порядка. Во втором каскаде фильтрации нет смысла, так как сигнал звука после него уменьшается в десятки раз.

Фильтры активного вида включают в себя пассивный фильтр и усилитель частот звука, который восполняет потери от фильтра, усиливает звук на выходе. ФНЧ можно изготовить с помощью одного транзистора. Фильтры изготавливаются на микросхемах, применяются усилители звука малой мощности.

Главное преимущество фильтра низкой частоты состоит в обеспечении высокого сигнала выхода, в регулировке частот необходимого интервала. Фильтры подключают к питанию. На главном трансформаторе создают обмотку питания фильтра.

Большое число радиодеталей, сложная схема являются вторым недостатком фильтров низкой частоты.

Виды преобразователей частоты

Изобретение частотных преобразователей стало прорывом в приводах электрической машины. Изменился подход в конструировании систем приводов двигателей. Когда создавали сложную конструкцию регулирования значений момента и скорости, то за основу брали двигатели, работающие на постоянном токе. Автономные инверторы тока с двигателями переменного тока вытеснили моторы постоянного тока.

В электрических приводах двигатели короткозамкнутые, вытеснили двигатели с последовательным возбуждением постоянного тока.

Классы преобразователей частоты

Прибор, изменяющий напряжение определенной частоты входа в напряжение с другой частотой является преобразователем частоты.

Реверсивный частотник – непосредственный класс прибора. Преимущество состоит в прямом подключении без дополнительных сетевых приборов.

Тиристорный, транзисторный частотник – это двухзвенный инвертор. Он отличается от непосредственного инвертора. Для безопасной эксплуатации ему нужно звено постоянной величины. Для соединения с сетями общепромышленного вида нужен выпрямитель. Выпрямитель, частотник комплектуют совместно, для дальнейшей работы в одной управляющей системе.

Двухзвенные инверторы

Преобразователь частоты, с фильтром, выпрямителем, созданный с инвертором с токовым звеном, называется двухзвенным.

ЭМ – машина электрическая, АИН – инвертор автономного типа, L_ф, С_ф, – емкость и индуктивность, f_нз – выходная частота, u_dз – выходного напряжения при применении выпрямителей, СУВ, СУИ – управляющие системы, u_нз – определение напряжения, В – выпрямитель. Включенные связи изображены пунктиром, зависят от типа прибора.

Чтобы улучшить сглаживание и качество энергии применяют фильтр LC. Схема подключения Г-образная. В схеме применяют сдвиг фаз, обмотки трансформатора включают в звезду и треугольник.

Эта схема подключения имеет высокую стоимость, используется совместно с индивидуальным трансформатором.

Выпрямительный блок бывает управляемым и неуправляемым. При управляемом выпрямителе опция регулировки напряжения достается ему или автономному инвертору. Выпрямитель должен иметь реверс и полное управление для осуществления рекуперации электроэнергии (двухкомплектный). Управление инвертором осуществляется методом импульсов. Широко применяемые способы – широтно-импульсные.

Автономные частотники используются в большей степени.

АИТ – автономный токовый инвертор, СУИ, СУВ – управление частотниками, УВ – управляемый блок выпрямителей, L_ф – индуктивность, f_нз – частота на выходе, і_dз – ток на выходе звена постоянного тока.

В автономном частотнике выходная величина – это напряжение. В автономном токовом частотнике ток – регулируемое значение. Частота коммутации имеет значение в образовании сигнала выхода заданной частоты. При повышении частоты улучшается качество синусоиды, увеличиваются потери в инверторе.

Результат работы модели инвертора на транзисторах при разных коммутационных частотах:

Частота коммутации 800 Гц

Коммутационная частота 2000 Гц

Частота коммутации 8000 Гц

Уменьшение частоты ухудшает качество тока выхода. Частоту коммутации определяют, чтобы не было пульсаций.

Индуктивность подключена последовательно, емкость параллельно. Работа инвертора образует гармоники, для их снижения применяют фильтры.

Непосредственный частотник

Напряжение сети идет по вентилям управления электрической машины. На фазах подключены частотники с реверсом.

Инвертор низкой частоты изменяет 3-фазное напряжение в 1-фазное. В и Н комплекты включаются, на выходе напряжение двухполярное. Чтобы управлять инвертором применяют законы синуса и прямоугольника.

При прямоугольном законе порядок действия следующий. Полуволна напряжения проходит, на комплект идут импульсы. Комплект работает как выпрямитель с углом опережения. Для уменьшения тока переходят в режим инвертора. Ток снижают, чтобы не было замыкания в частотнике. После паузы вступает комплект №2.

При управлении с синусом выходное напряжение меняется по синусу, а управляющий угол постоянно меняется.

Сабвуферный усилитель в автомобиль

Качественный усилитель на 100 ватт в автомобиль для сабвуфера, собранный на микросхеме ТДА7294, имеет мощность выше, чем на микросхеме ТДА1562 (на 50 Вт). В усилителе используют преобразователь на 12 вольт на две колонки по 40 Вт. В нем фильтр низких частот, размещен на плате с одной стороны, в схеме три блока.

Преобразователь сети сабвуфера

Прибор создан на драйвере КА7500. Существует блокировка перенапряжения, идет отключение, если на входе U больше 15 В. Защита недостающего напряжения уберегает от чрезмерного разряда, драйвер отключается при падении постоянного напряжения до 9 В.

Защита тока предотвращает от неисправностей транзисторов, защищает всю схему. Индикация диода зеленого цвета показывает работу в нормальном режиме, диод красного цвета сигнализирует отключение драйвера. Плавный пуск по схеме дает возможность плавно запустить преобразователь, хотя на выходе большие емкости.

Трансформатор можно изготовить самому, взять готовый от компьютера. Используются выходы на 12 и 5 В, коэффициент трансформации 2,4. Если подается напряжение 14 вольт на линию в 5 В, то получается больше в 2,4 раза. На линии 12 В выходит напряжение 33 В для питания усилителя. Частота тока переключения 50 Гц, изменяется установкой емкости.

Полевые транзисторы можно заменить мощностью выше 100 Вт на выходе.

ФНЧ и усилитель

Схема простая на одном усилителе операционного вида ТL072. Питание подается двухполярное, 12 В, стабилитроны формируют напряжение 12 вольт.

Мощный усилитель на микросхеме

В схеме применена микросхема ТДА 7294 по типовому подключению. Через необходимые цепочки R-C подключены контакты ST и MUTE.

Разбираемся в параметрах Тиля Смолла. Автозвук и DIY

Содержание

Содержание

Параметры Тиля-Смолла позволяют понять, как будет звучать динамик в том или ином корпусе без покупки, прослушивания и сравнительных тестов. Особенно это пригодится любителям автозвука, ведь именно им приходится иметь дело с голыми динамиками, которые монтируются в двери и багажники. Кто-то с помощью этих параметров рассчитывает подходящий объем и тип пространства для громкоговорителя, кто-то любит подбирать динамики от разных производителей и проверяет их совместимость друг с другом. Эта статья простым языком объяснит, кто такие Тиль, Смолл, что за параметры они придумали и что теперь с ними делать.

С кого все началось

Слева Тиль, справа Смолл

• Альберт Невил Тиль — австралийский инженер, в детстве, которое выпало на тридцатые, выступил со школьным хором на радио и заинтересовался акустикой, получил инженерное образование, исследовал трансляцию звука и картинки на заре телевещания, дослужился до главного инженера в крупных телераидокомпаниях. В 1961 году он выпустил научную статью, в которой предложил описывать характеристики любых динамиков одним набором параметров: «резонансной частотой, объемом воздуха, эквивалентного акустической гибкости громкоговорителя и отношением электрического сопротивления к сопротивлению движения на резонансной частоте». И, обращаясь к компаниям-производителям акустики, призвал «публиковать эти параметры как часть основных сведений об их изделиях».
• Ричард Смолл — электроакустик из Калифорнии, в детстве с отцом-пианистом крафтил усилители и колонки, получил степень магистра наук в MIT. Работал с Тиллем в семидесятых, вместе они довели набор параметров до ума. В частности, Смолл добавил понятие механической добротности. Любопытно, что в дальнейшем он долгое время работал в компании Harman-Becker главным инженером отдела автомобильной аудиотехники.

Что дают эти параметры

• Если в руки попал динамик без имени и маркировки, но с виду неплохой. Измерив параметры Тиля-Смолла можно об этом динамике многое узнать: на каких частотах он играет, сколько будет баса, в каком объеме его лучше разместить и т.п.
• Если есть акустическая система, но не нравится, как она звучит. Можно вытащить из нее динамики и, замерив, выяснить, соответствуют ли они вообще тому корпусу, в котором установлены. Часто бывает так, что нет шанса подружить громкоговорители с коробкой, в которую их поселил производитель, и тогда придется менять либо одно, либо другое.
• Если нужно подобрать акустическое оформление к низкочастотнику: вуферу, сабвуферу, мидбасу. Параметры Тиля-Смолла расскажут, как их установить, чтобы добиться наилучшего результата.
• Если нужно подобрать кроссоверы и настроить фильтры для твитеров таким образом, чтобы во время их работы они держались подальше от собственной резонансной частоты — так звук будет лучше, а всяких шумов, гула и артефактов будет меньше.
• Если нужно подобрать сабвуфер. Чем больше низких частот играет динамик, тем больше нужно учитывать параметры Тиля-Смолла, поскольку они описывают, в том числе, взаимодействие динамика с окружающей средой, а ведь именно басы заставляют дрожать стекла соседних домов от дабстепа из проезжающей мимо тачки с двумя 18 дюймовыми сабами.
• Если нужно построить сабвуфер. Некоторые покупают голые динамики для саба и с помощью параметров Тиля-Смолла и специальных калькуляторов рассчитывают подходящее акустическое оформление. Если пила и молоток не чужды умелым рукам, то получаются очень приличные сабвуферы за смешные для своего качества деньги.
• Если хочется скрафтить акустическую систему. Конструкторские эксперименты с сабами нередко вдохновляют и на более серьезные свершения в области акустической инженерии. Некоторые начинают строить собственные домашние АС и находят в этом новое хобби, а то и ремесло.

Основные параметры Тиля-Смолла

Чтобы понять их суть, нужно вспомнить, что динамик состоит из двух частей:

1. Неподвижной: жесткий каркас с магнитом.
2. Подвижной: катушка с обмоткой, которая при подаче электрического сигнала производит магнитное поле, взаимодействующее с постоянным магнитом. Это приводит катушку в движение, и та толкает прикрепленный к ней диффузор, размещающийся на гибком подвесе. А чтобы эту конструкцию не шатало влево-вправо, она поддерживается эластичной центрирующей шайбой.

Таким образом, подвижная часть динамика движется только вверх и вниз, подобно поршню. Это движение сжимает и расширяет воздух, создавая звуковые волны. Если налить в динамик жидкость, можно увидеть, как образуются эти волны:

Как раз работа такого поршня и описывается параметрами Тиля-Смолла. Фундаментальных параметров три.

1. Эквивалентный объем (Vas, м3)

У подвеса и центрирующей шайбы есть некоторая упругость, которая мешает всей системе двигаться свободно. Ее можно представить как пружину. Если взять такой объем воздуха, который по своей упругости равен этой пружине, то как раз и получится эквивалентный объем.

Чем эквивалентный объем меньше, тем подвижная система у динамика жестче.

Этот параметр относится скорее к желаемой характеристике корпуса, а не самого динамика. Однако это ни в коем случае не тот объем корпуса, в который нужно поместить динамик. Если такое провернуть, то чересчур вырастет добротность и резонансная частота. Подушка из воздуха поднимет резонанс и будет работать как пружина, мешая торможению динамика.

Эквивалентный объем рассчитывается путем умножения жесткости подвеса, диаметра диффузора (потому что эта поверхность взаимодействует с другой пружиной — воздухом), плотности окружающего воздуха и скорости звука в нем. Соответственно, чем жестче подвес, тем меньше будет тот объем воздуха, который будет влиять на динамик фактом своего существования. Аналогично с диффузором — чем больше мембрана, тем сильнее она сжимает воздух внутри корпуса колонки или саба, а следовательно и ответная сила противостоящего ему воздуха будет выше.

Именно Vas часто играет решающую роль при выборе динамика под определенный объем. Особенно это касается сабвуферов — большим диффузорам нужны большие объемы. Обычно советуют прицеливаться на саб с Vas в районе 30–50 л.

2. Резонансная частота (Fs, Гц)

Если флешбеки со школьных уроков физики еще не начались, то тут они точно появятся. Есть колеблющаяся система — например, качели. Если отвести их в сторону и отпустить, то они будут качаться с определенной собственной частотой. Это и будет резонансная частота. Если вдобавок толкать качели с ней в такт, это позволит раскачать их быстрее и сильнее, чем применив любую другую частоту.

Это имеет самое прямое отношение к динамику: подвижная система (прежде всего подвес) — это качели, а электричество — тот парень, который их толкает. Если подать на динамик сигнал на его резонансной частоте, то обе эти частоты сложатся и образуют резонанс. На графике импеданса, и даже графике АЧХ в этом месте будет пик.

Чем мягче подвес и больше масса, тем резонансная частота ниже.

Fs — один из важнейших параметров, поскольку ниже нее звуковое давление динамика заметно падает. Поэтому для сабвуферов нужна максимально низкая резонансная частота, так как после нее обычно идет серьезный спад АЧХ. Это значит, что чем резонансная частота ниже, тем глубже будет бас.

Важно также отметить, что резонансная частота измеряется у динамика без корпуса. При размещении громкоговорителя в корпусе на Fs влияет объем последнего. Если нужно, чтобы резонансная частота (и полная добротность, о которой ниже) остались прежними, тогда следует установить динамик в такой багажник, объем которого превышает Vas минимум втрое.

Резонансная частота поможет определить роль динамика в АС. К примеру, если Fs более 50 Гц, то сабвуфер с таким динамиком не построишь, ему лучше всего подойдет роль мидбаса. Если же Fs выше 100 Гц, то такой динамик лучше всего использовать для воспроизведения средних частот. Для саба же подходящим будет Fs в районе 21–35 Гц.

3. Полная добротность (Qts)

После того, как диффузор динамика воспроизвел звук, он возвращается в исходное положение, причем не мгновенно, а плавно затухая на резонансной частоте — подобно качелям, которые перестали раскачивать. То, как быстро диффузор вернется на место, и есть полная добротность.

Чем быстрее диффузор встанет в исходную позицию после излучения сигнала, тем добротность ниже.

Чем добротность ниже — тем лучше. Если диффузор будет долго возвращаться в исходное положение, из-за колебаний на резонансной частоте появятся посторонние шумы, гул и артефакты.

Полная добротность состоит из двух «неполных»:

1. Механическая добротность (Qms), которая зависит от массы подвижной системы (чем тяжелее, тем дольше будет останавливаться диффузор, тем добротность выше) и жесткости подвеса (жестче — выше).
2. Электрическая добротность (Qes). Именно ее добавил Ричард Смолл, выяснив, что катушка динамика при возвращении в исходное положение работает как электрогенератор. Движение обмотки напротив магнита дает электрический ток, который идет по обмотке и сталкивается с сигналом усилителя. Получается что-то типа короткого замыкания, которое мешает движению диффузора, причем гораздо сильнее, чем Qms. Электрическая добротность зависит от мощности магнита — чем мощнее, тем она ниже.

Любопытно, что добротность — параметр безразмерный. К примеру, если он равен единице, это означает, что для остановки диффузора последний должен совершить ровно один цикл колебаний (т.е. пропал сигнал, мембрана идет вверх-вниз, затем останавливается).

Считается, что наилучшая добротность для акустической системы равняется примерно 0,5-0,7 для обычной музыки и 0,8-0,9 для тех, кто любит жанры с преобладанием резкого баса. Чем она меньше этих значений, тем выше по графику АЧХ ползет спад басовых частот, лишая их слушателя. При больших значениях Qts на графике АЧХ случается горб в районе резонанса, а остальные характеристики ухудшаются.

Также важно соотношение резонансной частоты к полной добротности. Если результат деления обоих значений равен 50, то динамик стоит использовать лишь в закрытом объеме. Если же он достигает 100, тогда в конструкцию можно добавить фазоинвертор.

Второстепенные параметры

Три приведенных выше параметра — фундаментальные, но не единственные. Иногда в паспортах на динамик или АС встречаются и другие характеристики, однако не все они имеют значение и применимость. Обычно встречаются следующие:

• Sd (кв. м.) — эффективная площадь диффузора, требуется для расчета основных параметров.
• Mms (кг) — масса подвижной системы, при измерении которой берется во внимание даже масса движущегося вместе с мембраной воздуха. Нужна для расчета основных параметров.
• Xmax (мм) — максимальное смещение диффузора в одну из сторон, при котором сохраняется линейность хода (то есть не будет искажений звука).
• Bl, (Тл*м) — коэффициент электромеханической связи, произведение длины провода в зазоре между магнитом на силу магнитного потока. Чем выше Bl, тем сильнее «двигатель» динамика, тем лучше.
• Sensitivity (дб) — показатель чувствительности динамика, не относится к параметрам ТС, но очень важна, поскольку показывает будущую громкость АС. Чувствительность — это громкость, которую выдает динамик при определенной мощности. Грубо говоря, если взять два динамика и подать на них сигнал одинаковой мощности, то тот, который заорет громче, и будет чувствительнее.

Где найти эти параметры

Фундаментальные параметры Тиля-Смолла позволяют смоделировать как минимум среднюю громкость и импеданс будущей акустической системы. Также они помогут рассчитать конструкцию и объем корпуса, в который будет заключен громкоговоритель.

Но чтобы воспользоваться этими параметрами, нужно их для начала узнать. Иногда это просто, как с JBL STAGE3 607C. Достаточно открыть руководство по установке и вуаля!

Но часто они спрятаны глубоко под маркетинговыми лозунгами. К примеру, чтобы узнать искомые характеристики АС Morel Tempo Ultra 572, нужно найти в дебрях официального сайта pdf с презентацией линейки динамиков и отмотать в самый низ. Наградой станет здоровенная таблица со всеми параметрами всех динамиков в линейке производителя:

Есть и другие способы. Например, в одном из онлайн-калькуляторов можно найти базу моделей популярных динамиков. К примеру, нужно выяснить характеристики Ural АК-74.С. При выборе нужной модели в приложении открывается ее профиль с основными характеристиками, включая параметры ТС. А, кликнув на расчет короба, можно увидеть графики импеданса и Spl:

Как измерить самостоятельно

Из-под завалов хлама в гараже были извлечены пара ноунейм динамиков. С виду неплохие, но кто их сделал и для каких задач — тайна, покрытая мраком. Измерив их параметры, можно понять, что это за звери и на что сгодятся. Сделать это несложно, но понадобится несколько девайсов:

• звуковая карта;
• любой усилитель;
• самодельный аттенюатор из четырех резисторов, чтобы не спалить преамп звуковой карты;
• грузик для измерения эквивалентного объема методом добавочной массы. Нужно узнать точный вес этого груза, например, взвесить ювелирными весами медную монетку — важно, чтобы грузик не магнитился;
• программа Room Eq Wizard. Она бесплатная, можно скачать с официального сайта. В ней нужно будет провести всего два измерения — с грузиком и без.

Процедура несложная, но требует определенной подготовки, поэтому описание заняло бы самостоятельностью статью. Благо, на официальном сайте Room Eq Wizard есть такая статья на английском, а на ютубе — русскоязычные видео с подробным описанием процесса:

Параметры Тиля-Смолла очень полезно знать, работая с голыми динамиками. Они позволяют сконструировать объем для громкоговорителя, руководствуясь не только эстетическими предпочтениями, но также формулами и математикой. Научный подход позволит добиться максимально качественного звука в любых условиях.