Многие из нас стремятся к мощному и глубокому басу при просмотре фильмов и прослушивании музыки, и это вполне естественное желание. Однако достичь такого звука не всегда удается — дорогие и большие сабвуферы пока не так часто встречаются в наших квартирах, ведь их размеры могут быть почти как сама комната! Получить глубокий бас с частотой, начинающейся от 15-20 Гц, в ограниченном пространстве довольно сложно. Например, в случае с сабвуфером, выполненным в оформлении «закрытый ящик» объемом 40 литров и с сабвуферной головкой Peerless 830842, частотная характеристика показывает нижнюю границу на уровне 60 Гц — что, по сути, уже не является настоящим сабвуфером.
Рис. 1. АЧХ сабвуфера в оформлении «закрытый ящик» объемом 40 л на головке Peerless 830842:
Ситуацию можно улучшить, если ввести некую эквализацию в исходный сигнал, поднять тембр низких частот в усилителе сабвуфера таким образом, чтобы скомпенсировать это самое снижение громкости. При правильной настройке корректирующей цепи, спад на низких частотах динамика полностью компенсируется и результирующая АЧХ получается линейной аж от 13 Гц! Главное – правильно подобрать корректирующую АЧХ.
Рис. 2. Частотные характеристики сабвуфера, корректора и получившаяся результирующая:
Эту корректирующую АЧХ можно получить с помощью корректора Линквица, предложенный инженером Зигфридом Линквицем (Siegfried Linkwitz). Схема не только корректирует нужным образом АЧХ, но еще и имеет специализированную ФЧХ — так, чтобы «подкорректированная» колонка полностью соответствовала реальной, имеющей совсем другие (намного лучшие) свойства.
Рис. 3. Схема корректора Линквица:
Внимание! Схема инвертирует фазу! В случае использования переключите переключатель фазы сабвуфера либо полярность подключения колонки (или НЧ динамика в зависимости от конструкции всей системы)!
Внимание! Эта схема — специальный регулятор тембра и работает с сигналами маленькой амплитуды и маленькой мощности! К ней динамик подключать нельзя — сгорит! Сама схема подключается перед усилителем мощности. При этом она выполняется как отдельный блок, или встраивается в уже имеющуюся аппаратуру.
Естественно, такие великолепные характеристики даются не бесплатно. Цена расширения частотного диапазона вниз на 2-3 октавы — снижение громкости при той же мощности усилителя или рост подводимой электрической мощности к динамику при той же его общей громкости. Посмотрим на красную линию на рисунке 2: на частоте 30 Гц подъем АЧХ составляет 10 дБ, значит мощность повышается в 10 раз. На частоте 20 Гц: 15 дБ = 32 раза, на частоте 10 Гц: 20 дБ = 100 раз соответственно!
Это что, значит 300 ваттный сабвуфер будет звучать как 10-ти ваттный, или даже 3-х ваттный? Ну не совсем все так плохо. Ведь на частоте 30 Гц уровень сигнала меньше, чем на более высоких частотах, значит и перегрузка будет «не очень». На частоте 20 Гц сигнал еще меньше, а на 10 Гц так практически ничего и нет! На более высоких частотах где уровень сигнала больше — подъем АЧХ меньше, что дает не такую уж сильную перегрузку, как кажется на первый взгляд.
Я попытался оценить, насколько же реально возрастет общая подводимая мощность при использовании корректора Линквитца. Для этого нужно знать распределение спектра, а это штука довольно неопределенная. Для упрощения задачи, я разделил ее на две разные части: сабвуфер и «обычная» колонка. Разница между ними в том, что сабвуфер работает в узком диапазоне частот, причем весь этот диапазон попадает в область действия корректора и увеличение мощности для него будет более существенным, чем для широкополосной колонки, у которой значительная доля подводимой мощности приходится на диапазон выше 100 Гц, где корректор практически и не работает.
Итак сабвуфер.
Он используется и для музыки, и для кино, причем во втором случае он подключается к специальному низкочастотному каналу (LFE — канал низкочастотных эффектов), где уровень сигнала довольно высок. В музыке же содержание самых низких частот несколько меньше. Кривые плотности спектра, используемые в расчете, приведены на рис. 4 (распределение напряжения сигнала).
Рис. 4. Спектр, использованный для оценки перегрузки сабвуферов:
Третья кривая на графике — белый шум. Ом включен в «состав команды» из следующих соображений. Спектр звукового сигнала во всем звуковом диапазоне частот распределен примерно по закону розового шума, у которого амплитуда падает пропорционально частоте. На низких частотах начинает проявляться обратная тенденция — амплитуда падает с понижением частоты. Если оба процесса компенсируют друг друга, то как раз и выходит такая ровненькая линия. Понятно, что эта зависимость оказывается «притянутой за уши», но с другой стороны, она удобна для оценки — реальная перегрузка с большой долей вероятности будет значительно меньше, чем для белого шума. Все эти кривые довольно условны, но более-менее, они отражают усредненные реальные зависимости.
Итак, что получается с учетом наших спектральных распределений? Реальная перегрузка такова:
Перегрузка динамика сабвуфера, раз
| Рабочий диапазон частот от: | 5 Гц | 15 Гц |
| Белый шум | 17,65 | 7,02 |
| Музыка | 5,90 | 4,50 |
| Кино | 15,29 | 10,98 |
Здесь учтено два момента.
- Сверху частотный диапазон ограничен значением 100 Гц. Выше сигнала нет вообще (для нормальных сабвуферов это довольно близко к реальности).
- Снизу частотный диапазон ограничен частотами 5 и 15 Гц, ниже которых начинается спад амплитуды сигнала с наклоном 36 дБ/октава. Это также приводит модель в соответствие с жизнью. Какое значение использовать — выбирайте исходя из собственного уровня оптимизма.
Согласно моему взгляду на жизнь, перегрузка моделируемого мною сабвуфера составит 4-5 раз для музыки, и 10-11 раз в кино. Очень даже оптимистично звучит на фоне перегрузки в почти 105 раз, посчитанной «в лоб»! Причем даже в самом худшем случае, перегрузка составит 15-20 раз — с этим уже можно жить!
Вывод: если я свой 60-ти ваттный сабвуфер заменю 300 ваттным, таким, как описан выше, я буду иметь при той же примерно громкости (и даже чуть выше за счет воспроизведения более низкочастотных составляющих) басы вплоть до 13 Гц.
Теперь рассмотрим коррекцию широкополосной колонки.
Тыловая колонка корректируется и подключается вот к усилителю мощности на TDA7294 (с максимальной выходной мощностью на нагрузке 8 Ом порядка 25 Вт) через корректор на рис. 5.
Рис. 5. Частотные характеристики исходной колонки, корректора и получившаяся результирующая:
Хорошо видно, что маленькая колонка должна играть нормально от 30 Гц, а с некоторым спадом громкости — так аж от 20! Исходные данные я вводил такие:
| Частота среза исходной колонки | f(0) | 80 | Гц |
| Добротность исходной колонки | Q(0) | 0,64 | — |
| Результирующая частота среза | f(p) | 30 | Гц |
| Результирующая добротность | Q(p) | 0,8 | — |
И получил результаты расчета:
| Элемент | Расчетное значение | Реальные номиналы установленных в схему элементов | |
| R1 = | 8,73 | kOhms | 8,2 кОм |
| R2 = | 76,73 | kOhms | 75 кОм |
| R3 = | 62,11 | kOhms | 62 кОм |
| C1 = | 1,572 | µF | 1,5 мкФ |
| C2 = | 0,033 | µF | 0,033 мкФ |
| C3 = | 0,2211 | µF | 0,22 мкФ |
Про точность соответствия номиналов деталей — смотрим еще ниже!
Я изготовил корректор и испытал его, но об этом ниже, а пока посмотрим на перегрузку. Здесь использовано другое распределение спектра сигнала, чем в сабвуфере.
Рис. 6. Спектр, использованный для оценки перегрузки широкополосных колонок:
В отличие от саба, здесь частотный диапазон равен 10 — 600 Гц. В этом диапазоне сосредоточено 70-80% звукового сигнала. Вид спектра несколько утрирован в сторону увеличения содержания низких частот, однако фонограммы с таким спектром наверняка существуют (я встречал). Это опять же устанавливает верхнюю планку, в реальности басов обычно меньше.
Что получается с перегрузкой? А вот что:
Перегрузка динамика колонки, раз
| Синусоидальный сигнал при f -> 0 | 50,6 |
| С учетом спектра сигнала | 3,9 |
Рис. 7. АЧХ колонок при различных значениях результирующей добротности:
Получили такую кучу басов практически бесплатно — 4 раза не перегруз! Проверяем все это на практике.
Первое, что хочется отметить — коррекция для слуха получилась не оптимальной, а несколько избыточной. А все из-за того, что я элементы ставил не подбирая, а просто ближайшие по номиналу. Да и не стоило задавать результирующую добротность, равную 0,8; а взять бы 0,7 или даже 0,65.
Баса не стало больше, его стало глубже! Сохранилась упругость, сочность, мягкость, углубилась глубина. Никакого бубнения, никакой нереальности. Просто словно колонку заменили заметно большей по объему. Басовые партии, где контрабас и бас-гитара играют от 40 Гц шли на ура.
Минусы. Некоторая зажатость как была, так никуда и не делась. Возможно это из-за объема всего лишь в 8 л? Еще я не совсем понял как динамик работает ниже своей резонансной частоты (=49 Гц). Появилось желание повысить выходное сопротивление усилителя на 2-3 Ома, чтобы сделать его «слегка источником тока». Мне кажется, что тогда на самых низких стало бы лучше. Хотя, возможно это особенность данного динамика. Тем более, что хорошенько послушать и погонять от генератора мне не удалось.
Теперь о главном. Да, уровень максимальной неискаженной громкости звучания снизился. Но не так, чтобы очень. Одна колонка с 13-ти сантиметровым динамиком и усилителем на 25 Вт играла довольно громко. Практически для дискотеки в комнате хватило бы.
Что интересно. На этих же фонограммах я тестировал свой сабвуфер Sven-620 после переделки. Басы колонок с корректором Линквитца звучали в чем-то интереснее, чем на сабвуфере. Не скажу, что сабвуфер был очень хуже, но был более «размазанным» и «однообразным». Хотя «сотрясателем стен» в этой парочке, все же является сабвуфер. Маленькая колонка его в этом плане не заменила.
Эксперимент N2. Я пересчитал и переделал корректор, задав нижнюю частоту 40 Гц и добротность, равную 0,65. Таким образом условия для колонки получились более «легкими». Кроме того, я подобрал элементы схемы корректора. Что там с перегрузкой?
Перегрузка динамика колонки, раз
| Синусоидальный сигнал при f -> 0 | 18,54 |
| С учетом спектра сигнала | 2,3 |
Еще я добавил фильтр инфранизких частот (сабсоник) 1-го порядка на частоту 30 Гц. Это еще более облегчило жизнь колонке. Вот тут я послушал основательно. Это получилось как раз то, что нужно — и басов не перебор, и они есть (расширение почти на октаву вниз), и перегрузка приемлемая. Но все же чего-то не хватало. И тут я взял резистор 2 Ом/5 Вт и подключил его последовательно с колонкой. После этого все встало на свои места (при этом низкие пришлось несколько опустить темброблоком, иначе выходил перебор, так как последовательный резистор увеличил добротность и количество низких). Правда на большой громкости все равно динамик пытается выйти из диапазона линейного хода.
Итак, выводы:
- При использовании корректора Линквица реально снизить нижнюю рабочую частоту колонки на 1-2 октавы.
- Наступает расплата за расширение частотного диапазона в виде увеличения мощности, требующейся для «раскачки» колонки.
- Однако, эта перегрузка не такая уж и большая, как кажется на первый взгляд (но и не маленькая — иначе было бы все слишком просто).
- При использовании корректора обязательно нужен фильтр инфранизких частот (сабсоник), причем хорошо бы 2-го порядка — убрать подъем от корректора и внести спад в сигнал ниже рабочей частоты. Это особенно актуально — ведь идет перегрузка, нужно экономить каждый ватт мощности и каждый миллиметр линейного хода диффузора динамика.
- Даже если перегрузка динамика (и усилителя) по мощности не так уж и велика, нельзя забывать о величине линейного хода диффузора динамика. Линейный ход «сжирается» корректором со страшной силой. В моем эксперименте искажения начинались именно из-за того, что динамик «выскакивал» из диапазона линейного хода, так что экстрадлинноход — это то, что нужно для такого дела (или динамик с хорошим запасом линейного хода, например, намного большей мощности, чем нужно).
- Если корректируется широкополосная колонка, то сильно «оттягивать» вниз ее АЧХ не стОит. Максимум октава. Особенно, если нижняя частота колонки выходит меньше, чем резонансная частота динамика.
- Природу не обманешь. Лучше получить хорошие басы акустически, то есть выбрав более подходящие динамики, корпус и акустическое оформление.
- Увеличение выходного сопротивления усилителя очень помогает динамику «в трудную минуту», когда ему приходится играть те басовые частоты, которые ему изо всех сил мешает играть акустика корпуса колонки.
- Опять же для колонки не нужно пытаться получить результирующую добротность большой. Значения 0,55-0,6 вполне достаточно, максимум 0,65, не больше. Увеличивая добротность мы улучшаем бас, но расплачиваемся красотой звука. Влияние результирующей добротности Q на АЧХ показано на рис. 7.
- Если исходная добротность колонки невелика, то наилучший способ коррекции такой: сначала увеличивать выходное сопротивление усилителя до максимально возможного значения (исходя из пределов разумного), чтобы сделать АЧХ максимально ровной в области низких частот. А уж потом докорректировать АЧХ корректором Линквитца.
Немного о расчетах. Я слегка доработал известный расчет (выполненый с помощью MS Excel), добавив туда все эти спектральные и мощностные вычисления, не изменив ничего принципиально. На первой странице кроме параметров корректора можно увидеть коэффициенты перегрузки.
Linkwitz Pro-correct
В этом файле несколько листов. На первом (Linkwitz Transform Calculator) вводятся 2 главных для АЧХ параметра исходной колонки: частота среза f(0) и добротность Q(0). И желаемые результирующие параметры f(p) и Q(p). Там же увидите результат расчета — параметры деталей, АЧХ и перегрузку по мощности. Внимание! Значение емкости конденсатора С2 задается вручную. Исходя из нее считаются все остальные емкости и сопротивления. Старайтесь, чтобы значения сопротивлений лежали в пределах 3-600 кОм, а емкостей — 0,001-10 мкФ. Если значение параметра k в строке 12 отрицательно, значит схема не реализуема (при этом ячейка, содержащая параметр сменит цвет с зеленого на красный).
На последней странице (box) можно рассчитать колонку «на скорую руку» и, заодно, узнать параметры, используемые для расчета корректора. Внимание! Если объем корпуса колонки измеряется в литрах, то его значение нужно вводить со знаком «минус». Вводимые параметры такие:
| Параметр | Значение | Единица измерения | Описание |
|---|---|---|---|
| Fs = | 19.2 | Hz | резонансная частота динамика в открытом пространстве |
| Qts = | 0.19 | — | полная добротность динамика |
| Vas = | -88.4 | cu ft. (litres) | эквивалентный объем динамика (если в литрах, то вводится со знаком «минус») |
| Vb = | -40 | cu ft. (litres) | внутренний объем колонки (если в литрах, то вводится со знаком «минус») |
Результаты такие:
| Параметр | Значение | Единица измерения | Описание | Это значение используется для расчета корректора |
|---|---|---|---|---|
| Qtc = | 0.34 | — | полная добротность колонки | Q(0) |
| Fsc = | 34.40 | Hz | частота резонанса системы | f(0) |
| F3 = | 89.55 | Hz | нижняя частота среза АЧХ | — |
Корректор, на сайте самого Линквица
По материалам electroclub.info
