35 АС-018М. Взгляд из середины

Допущение переворачивания «с ног на голову» подключения фильтра ВЧ динамика в предыдущей статье «35 АС-018. Новый взгляд» привело к возможности отказаться от среднечастотного звена в трёхполосном фильтре. В результате получился фильтр очень похожий на «последовательный». Многие их так и путают, хотя логика построения у них несколько разная. А вот патентное бюро разобралось и оценило оригинальность предложенного решения, выдав на него патент. Суть разработки была в выравнивании фазы в зоне общей работы соседних звеньев фильтра. А последовательная структура – всего лишь способ реализации этой идеи. При хорошей настройке звук АС с этим фильтром конечно впечатляет, но как оказалось не всех. Особо упёртые «товарищи эксперты» убеждены, что каждое звено фильтра должно управляться только своими компонентами, причём специального уровня исполнения. Всякое отклонение от классической структуры из 3-х параллельно работающих независимых фильтров, предложенной более 50 лет назад, считается у них «деревенской самодеятельностью». Ведь весь мир идёт по этому классическому пути, а весь мир ошибаться не может.  Для них главное в АС – линейная АЧХ, да малые нелинейные искажения. При этом нестыковка фаз в зоне совместной работы соседних звеньев фильтра стыдливо замалчивается, хотя предлагается множество решений по её снижению путём упрощения СЧ звена. А ведь в этой стыковке  «сидят» и объём, и сцена, и детализация, и воздух, и всё такое, что трудно измерить микрофоном.

Специально для особо упёртых «товарищей» предлагаю ещё один «деревенский» способ решения этой извечной проблемы не стыковки фаз, но уже без нарушения классической структуры фильтра.

Рис. 1. Исходная схема фильтра 35 АС-018:

Итак, начнём с самого начала. Рассмотрим исходную заводскую схему фильтра наших «подопытных кроликов» – колонок 35АС-018М, показанную на рис. 1. Нас более всего интересует полосовой фильтр среднечастотного звена. По классике он должен состоять из двух последовательно подключённых LC фильтров: C1L4 по низкой частоте и L2C5 по высокой частоте. Но разработчики упростили структуру и оставили только С1 без L4, что привело к изменению подключения ВА2. Для полноты картины и понимания дальнейших действий,  вернём L4 на своё место, чтобы восстановить полную структуру полосового фильтра и правильно подключить ВА2.  Если просмотреть варианты реализации СЧ-звена  в наших  любимых  «S-90» и их 4-омных  клонах, работающих практически на один и тот же динамик 15ГД-11А и его 8-омные аналоги, то можно увидеть довольно большое разнообразие номиналов L и С элементов, что указывает на большое разнообразие подходов разработчиков к реализации СЧ звена. На рис.1 показан диапазон номиналов, встречавшийся в разных версиях. Анализировать это разнообразие не будем, а посмотрим на усреднённую АЧХ фильтра, показанную на рис. 2:

Рис. 2. Примерная АЧХ 3-х полосного фильтра в классической структуре. Особо выделена область СЧ полосового фильтра:

Классическая, всем известная картинка, наглядно показывающая разнонаправленность векторов сигнала (амплитуда + фаза) соседних элементов фильтра в зонах совместной работы. Ориентировочно это зоны 250 – 600 Гц и 5 – 8 кГц. Как известно из учебников по акустике, в звуковом поле (после динамиков) идёт суммирование векторов сигналов всех звеньев в общий звуковой сигнал, который затем приходит в наши уши (плюс задержки, отражения, помехи…), а мозг уже пытается всё это снова расшифровать и разложить на составляющие. При показанных на рис.2 перекрещивающихся АЧХ в зонах совместной работы соседних конкурирующих ветвей фильтров суммарный вектор в звуковом поле будет иметь какое-то «своё» значение по амплитуде и направлению, не соответствующее ни одному из исходных векторов. Эта ситуация в режиме стерео ведёт к размыванию локализации, пропаданию объёма и панорамы, к пикам и провалам в общем звуковом поле. В общем ситуация давно известная, а выход разработчики упорно ищут в компромиссных вариантах стыковки соседних полос.

Итак, мой «деревенский» путь. Если переворачивание «с ног на голову» подключения фильтра ВЧ (по первой статье «35АС-018М. Новый взгляд») приводит к отказу от СЧ фильтра, то аналогичное переворачивание «с ног на голову» фильтра СЧ приводит к совмещению параметров конкурирующих ветвей фильтров вплоть до полного слияния и даже до дружеского поглощения.  Предлагаю после восстановления полной структуры полосового фильтра перевернуть подключение СЧ звена с минусового провода на плюсовой, что приведёт к АЧХ полос фильтра, показанного на рис. 3.

Как видим, в таком варианте подключения СЧ звена АЧХ и соответственно векторы сигналов соседних звеньев в зонах совместной работы будут направлены практически параллельно, а не перекрещиваться, как на Рис.2. Речь здесь идёт о напряжении на клеммах динамических головок в вольтах. В децибелах картинка вернётся к рис.2. А если соответствующие конкурирующие LC-контура максимально сблизить по частоте резонанса, то и вектора сигналов могут практически совпасть. А так как микширование в звуковом поле всё равно векторное, то получим суммирование в основном амплитуд без изменения фазы, что должно привести к более точной передаче пространственной перспективы в режиме стерео.

Рис. 3. Примерная АЧХ 3-х полосного фильтра в классической структуре, но с перевёрнутым подключением СЧ звена:

Реализовать идею схемотехнически довольно просто. Достаточно поменять местами подключение входа и выхода СЧ звена, как это показано на рис.4. Хотя на практике это довольно муторно, так как минусовой провод принят за «общий» и он вплетён в монтаж довольно витиевато, а нужно выделить участок именно СЧ звена. Рассмотрим поподробнее получившуюся структуру. Первое – НЧ и ВЧ динамики опираются на минусовой провод, как и в классике, а СЧ динамик опирается на плюсовой провод. Для генератора переменного тока, которым по сути является усилитель, оба подключения равнозначны. Ни один динамик не «висит» между элементами фильтра и все звенья работают только со своим спектром, что принципиально важно для особо упёртых «товарищей». Второе – параметры LC-контуров соседних звеньев выбираются не произвольно, а по выполнению некоторых условий. Для низкочастотной ветви условия такие: 1 – выполнить равенство L1(C3+C4+C6+C7+C8) = L4C1, что соответствует одной точке перегиба АЧХ обоих ветвей; 2 – выполнить отношение L1/(C3+C4+C6+C7+C8) =16, что соответствует нагрузке 4 Ома; 3 – выполнить отношение L4/C1 = 64, что соответствует нагрузке 8 Ом. Соответственно по высокочастотной ветви: 1 – выполнить равенство L2C5 = L3C2, что соответствует одной точке перегиба АЧХ обоих ветвей; 2 – выполнить отношение L2/C5 = 64, что соответствует нагрузке 8 Ом; 3 – выполнить отношение L3/(C2+С2,1) = 256, что соответствует нагрузке 16 Ом. Большой точности при этих вычислениях не требуется, и всегда можно подобрать ближайший номинал. Главное – осознать идею и далеко от неё не отклоняться. Третье – необходимость резисторов R3,R4, снижающих добротность контура L1(C3+C4+C6+C7+C8) определяется условиями эксплуатации. На полу они могут быть полезны. Я предпочитаю их коротить. Четвёртое – в связи с возрастанием ёмкости конденсатора С1 необходимо вводить делитель R6,R7 для выравнивания уровня сигнала на ВА2.

Теперь о главном – о фазе. На схеме рис.1 СЧ динамик подключён в противофазе с НЧ и ВЧ динамиками в связи с введением L4. При переворачивании схемы подключения СЧ фильтра СЧ динамик тоже перевернулся и оказался подключён плюсовым выводом к плюсовому проводу. Теперь все три динамика подключены синфазно по отношению к минусовому проводу, что улучшает переходные параметры всего громкоговорителя.

Рис. 4. Схема фильтра 35 АС-018 с перевёрнутой серединой:

Утверждать, что получил какой-то суперзвук, не буду. Звук конечно изменился и стал похож на то, что получилось по первой статье «35АС-018М. Новый взгляд». А ведь структура то фильтра осталась практически классическая «параллельная», но откуда-то появилась панорама, объём, сцена, чистая середина, в общем комфортный звук, чего не было в исходном виде.

Конечно схема фильтра получилась навороченная, и врят ли кто решится её повторять, но здесь важно было показать подход и некоторые следствия. Делаем выводы.

Вывод первый. Получить комфортный звук можно и в параллельной структуре фильтра, но более громоздко и дорого, чем в последовательной структуре.

Вывод второй. Как всякая параллельная структура, данный фильтр совместим с новомодными веяниями типа bi-amping, или bi-writing. Причём разрезать можно как по СЧ, так и по ВЧ. Это приходится учитывать при доработках современных бюджетных АС, заполонивших наш рынок.

Вывод третий. При выравнивании сопротивлений динамиков всех трёх полос в формулу 8-8-8, или аналогичную, возникает равенство реализаций условий для конкурирующих ветвей фильтра, описанных выше, и появляется возможность их объединения или «дружеского поглощения». Так как именно такая формула набора динамиков обычно используется у «продвинутых экспертов», рассмотрим этот вариант поподробнее.

Возьмём некую абстрактную трёхполосную акустическую систему (АС) с набором динамиков сопротивлением 8-8-8 и близкой чувствительности. Без названия. Спроектируем для неё фильтр с учётом вышеизложенных условий совмещения параметров конкурирующих ветвей в наиболее полном  виде. Получим схему на рис. 5.

Рис. 5. Схема фильтра с перевёрнутой серединой для набора динамиков 8-8-8. Полная версия:

Здесь пунктиром показаны элементы, которые допустимо закорачивать для приведения структуры к привычным  шаблонам. При тонкой настройке эти элементы могут добавлять некие нюансы. Резисторы R3-R6 – делители для подстройки АЧХ. Но не в них дело. Схема специально нарисована так, чтобы бросалось в глаза и вызывало вопросы наличие двух одинаковых контуров L1C1 и L2C2, включённых параллельно. Кто собирал подобные схемы, тот знает, что эти компоненты весьма увесисты, габаритны и дороги. У всех разумных людей (может кроме «упёртых» ревнителей классики) возникает желание их объединить, то есть провести «дружественное поглощение» одного звена фильтра другим. Проведём такое действие и получим схему на рис. 6.

Рис. 6. Схема фильтра с перевёрнутой серединой для набора динамиков 8-8-8. Поглощение НЧ звена:

Такая схема хорошо подходит для доработки всяких бюджетных АС с системой bi-writing или bi-amping. Схема легко режется по ВЧ-звену. Едем дальше. Если удалось поглотить НЧ-звено, то может удастся и ВЧ-звено поглотить? Действительно видим, что  контура L3C3 и L4C4 имеют одинаковые параметры и включены практически параллельно, так как емкостное сопротивление С2 ничтожно мало на высоких частотах.

Рис. 7. Схема фильтра с перевёрнутой серединой для набора динамиков 8-8-8. Поглощение НЧ и ВЧ звеньев:

Вполне можно объединить, но R1 придётся однозначно закоротить, да и R2 тоже. Получится схема, приведённая на рис.7.

Вот такой получился велосипед на двух LC-контурах. А начиналось всё с «лимузина» на рис.5. Возможно «пытливые умы» будут искать варианты «дружественного поглощения» при самых разнообразных сочетаниях сопротивлений динамиков. Допустимо. Но всё это будут компромиссы индивидуального характера. Каких-то рекомендаций пока нет.

Конечно для «продвинутых пользователей» эта последняя схема выглядит, как издевательство. По сути тот же набор элементов, что и в последовательном варианте из предыдущей статьи, но собранный несколько по другому. Образно говоря, полосовой фильтр, изгнанный в предыдущей статье, извернулся, перевернулся и поглотил своих «обидчиков» – фильтры НЧ и ВЧ. Если не нравится, то можно перейти к полной версии на рис.5. По-моему она несколько «святее Папы Римского». Во всяком случае звучит гораздо лучше исходной классической параллельной схемы, которой поклоняются наши упёртые «товарищи эксперты», но при этом сохраняет структуру параллельного фильтра.

Уважаемые оппоненты, прежде чем кидаться «тухлыми помидорами», может попробуете собрать и оценить хотя бы одно из предлагаемых решений. Тогда дискуссия получится конструктивной.

Сей трактат подготовлен 14.07.2020г.

Автор: Николай Васильевич (nivaga)