И снова 10МАС-1М. Возвращение к истокам

При написании статьи «35АС-018. Взгляд из середины» в приведённых в ней схемах была допущена неточность в полярности подключения СЧ динамика. Во второй статье «Взгляд из середины. Практика» эта ошибка была исправлена. Приведённые в ней схемы показали очень хорошие параметры при повторении. Дальнейший анализ причин появления этой ошибки фазировки привёл к пересмотру некоторых базовых понятий и, соответственно, к ряду последствий, причём довольно неожиданных. Об этом и хочу поведать.

Итак, начнём с самого общеизвестного. В научно-популярной литературе многократно утверждается, что звучание многополосных акустических систем (АС) не зависит от полярности подключения к усилителю. Особенно это подчёркивается для стерео систем. То есть, если в обоих АС, подключённых синхронно, одновременно поменять полярность подключения к усилителю, то в звучании ничего не изменится. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) АС тоже сохранится. Практика также сей факт постоянно подтверждает. Сомнений нет.

Теперь рассмотрим структурную схему классического двух или трёх полосного пассивного фильтра, принимающего сигнал от усилителя и распределяющего его по головкам громкоговорителя (ГГ). Она состоит из 2-х или 3-х независимых друг от друга звеньев, выделяющих каждый свой спектр сигнала, и подключённых между «фазной» (или плюсовой) и «нулевой» (или минусовой) шинами(если использовать электротехническую терминологию).Причём все ГГ(как нагрузка фильтров) привязаны к минусовой шине одним из выводов, то есть опираются на неё.

И тут мы со своими экспериментами. Бац, и меняем шины местами. И все ГГ оказываются привязанными к плюсовой (или фазной) шине. И что? И ничего! Как показывает практика, звук то не меняется. АЧХ тоже, так как микрофон эти ситуации не различает. То есть оба варианта привязки ГГ допустимы и равнозначны.

А вот если в составе блока фильтров использовать звенья с разной привязкой нагрузки, то как это повлияет на звук при сохранении линейности АЧХ? Вопрос не простой. Рассмотрим эту ситуацию поподробнее на примере двухполосного фильтра.

Классический двухполосный фильтр для 8-омных АС состоит из двух LC звеньев II порядка противоположно направленными АЧХ. Звенья фильтра представляют собой последовательные LC контуры, нагруженные на нагрузку, близкую к их характеристическому сопротивлению. Нагрузкой являются ГГ, привязанные к минусовой  шине своим (обычно отрицательным) выводом. Резонансные частоты этих LC контуров обычно раздвигают друг от друга примерно на одну октаву (удвоение частоты), чтобы получить спад в точке пересечения их АЧХ не более6 дБ. Типовая схема такого двухполосного фильтра показана на рис.15. Все конкретные технические решения подобных систем у разных производителей так или иначе «пляшут» вокруг этой типовой структурной схемы. Здесь резонансная частота контура L1C1 – около 1,5 кГц, контура L2C2 – около 3 кГц. Характеристические сопротивления обоих  контуров близки к 8 Ом. При заметной разнице в чувствительности НЧ и ВЧ громкоговорителей возникают разного рода аттенюаторы на ВЧ звене. Совмещение эпюр напряжений на нагрузке по частоте обоих фильтров на одном графике, как показано на рис.16, показывает появление зоны перекрытия работы обоих звеньев с разнонаправленными параметрами. И это ещё на «электрической» стороне. Т.е. на вход в оба преобразователя электрического сигнала в акустический (коими являются громкоговорители) приходит сигнал, потенциально перекрывающий поток соседнего звена, создавая зону совместной работы. На «акустической стороне» происходит неизбежное смешивание таких сигналов от обоих источников с появлением дополнительных искажений амплитуды и фазы, так как здесь уже другие скорости и другая физика передачи сигналов. И такой совмещённый и перемешанный сигнал приходит к нам в уши и к измерительному микрофону.

Рис.16 Теоретическое взаимодействие эпюр напряжения на НЧ и ВЧ ГГ в зоне потенциального перекрытия.

Свести эти перекрёстные искажения из зоны совместной работы к минимуму – голубая мечта всех разработчиков акустических систем (АС) подобного типа. Вариантов таких АС разработано и предложено великое множество, но наиболее признанными у специалистов почему-то считаются  полочные YAMAHA NS-10M studio. Они чаще всего используются в качестве мониторов ближнего поля в студиях звукозаписи. На них и будем ориентироваться, как на эталон звука АС с фильтром классического вида.

Рис. 16.1 АЧХ «YAMAHA NS-10M»

Вернёмся к поставленному ранее вопросу об изменении привязки нагрузки в одном из звеньев фильтра. В качестве подопытных кроликов были вытащены на свет пара 10МАС-1М. Исходная схема меня не интересовала, поэтому сразу была смонтирована схема с привязкой ВЧ ГГ к плюсовой шине. Исходные соображения такие:

• Чувствительность 3ГД-31 на 6 дБ больше, чем у 10ГД-30, поэтому сразу возник аттенюатор в виде резистора R1 последовательно ВЧ  ГГ;
• Сопротивление нагрузки контура L2C2 возросла с 8 до 16 Ом, что привело к его перерасчету под эту нагрузку.

 Окончательная схема фильтра для 10МАС-1М показана на рис.17.

Измерения микрофоном в черновом виде показали наличие резонанса на частоте 8 кГц более 12 дБ, что привело к появлению режекторного контура L3C3R2 параллельно ВЧ ГГ. Полагаю, что этот резонанс провоцируется сочетанием фазовой характеристики ВЧ ГГ в данной структуре и «звона» передней панели с выборкой под фланец ВЧ ГГ. Возможно, что при устранении «звонкости» передней панели и демпфирования установки ВЧ ГГ на переднюю панель АС, амплитуда резонанса упадёт, и даже может необходимость в режекторном контуре отпадёт. Не проверял. Надо изготавливать и вклеивать угловые распорки между передней панелью и боковыми стенками. Для меня это сложно. Если найдётся в московском регионе добровольный помощник со столярным оборудованием, то был бы признателен помощи.

Построим и рассмотрим предполагаемые теоретически эпюры напряжения на обоих ГГ по частоте и в привязке каждой  к своей шине. Попытаемся их совместить на одном графике, приведённом на рис.18. При построении эпюр сохраняем частоты резонанса контуров обоих звеньев также со сдвигом в одну октаву. Для удобства сравнений шкалы напряжений переведены в проценты. Не очевидно, но физически эпюра эффективных напряжений ВЧ звена формируется как разность между максимальным напряжением на «плюсовой» шине и напряжением, отфильтрованном контуром L2C2. Эта разность автоматически выделяется на контактах ВЧ ГГ с аттенюатором и на выводах вольтметра, показания которого и сформировали данную эпюру. Графически она оказалась привязана к «плюсовой» шине. Соответственно и фазочастотная характеристика (ФЧХ) ВЧ звена должна начинаться с точки, сдвинутой на 180 градусов относительно классических кривых на рис.16. Далее, кривые обоих эпюр по частоте в зоне перекрытия идут параллельно, что должно приводить к синхронной работе обоих преобразователей и простому суммированию амплитуд сигнала уже на «акустической стороне». На акустической стороне (после преобразования) мы снова придём к эпюрам на рис.16 и зоне совместной работы, но с другой фазовой характеристикой ВЧ звена по сравнению с классическим решением на рис.15. Как выглядят эти ФЧХ мне трудно представить, но появление резонанса на 8 кГц в схеме на рис.17 наглядно иллюстрирует изменение этих ФЧХ, так как в классической структурной схеме на рис.15  ГГ  3ГД-31 такой «фортель» не выкидывал.

Рис. 18 Теоретическое взаимодействие эпюр напряжения НЧ и ВЧ  ГГ в привязке каждой к своей шине.

Рис.18.1 АЧХ 10МАС-1М по структурной схеме на рис.17 с режекторным контуром.

Когда я запустил прослушивание 10МАС-1М с новым фильтром, то подивился неожиданной чистоте их звучания. Поначалу показалось, что бумажному конусу 3ГД-31 от БРЗ не хватает «широты взгляда» и локализация источников звука получается не так уверенно, как изысканному купольнику от ЯМАХИ, но она есть, и объём тоже. Да и искажения не терзают слух. Для более полного сближения с эталоном захотелось заменить ВЧ ГГ с конусных на купольные, как у эталона. Наиболее подходящими показались 10ГД-35-16. Они без проблем встают вместо 3ГД-31, так как фланцы совпадают, а их приведённая к 8 Ом чувствительность почти соответствует чувствительности 10ГД-30. Получившаяся схема фильтра АС с купольным ВЧ ГГ на базе 10МАС-1М показана на рис.19. Так как здесь масса 10ГД-35-16 заметно больше массы 3ГД-31, то и резонансных колебаний почти не возникает. Значит и от режекторного контура можно отказаться.

Рис.19.1 АЧХ 10МАС-1М по схеме на рис.19 с ВЧ  ГГ 10ГД-35-16 без режекторного контура.

АЧХ АС с этой схемой фильтра укладывается в требования ГОСТа с неравномерностью 12 дБ в диапазоне 100 – 10000Гц, как и в предыдущих схемах. Кто не верит – проверяйте. Вот в таком виде вполне можно «бодаться» и с ЯМАХОЙ. Но это уже дело экспертов, если таковые найдутся. Я разницу слышу, но я – лицо предвзятое. Нужна хоть какая-то объективность.

Структура, изображённая на рис.19, получилась исходя из установки резонансных частот контуров L1C1 и L2C2 на расстоянии в одну октаву друг от друга. При этом кривые эпюр напряжения на нагрузках идут параллельно, согласно рис.18. Вполне естественно может возникнуть желание эти кривые сблизить, и в пределе совместить. Если при этом значения L1 и L2 получатся близкими, то структура позволяет спроектировать  двухполосный последовательный фильтр, показанный на рис.20.

В отличие от классического варианта, предложенного полвека назад, здесь заложена другая фазировка подключения ВЧ ГГ (в соответствии с предлагаемой моделью) и введён дополнительный конденсатор С2, который образует фильтр III порядка C1L1C2 для ВЧ ГГ и дополнительно защищает его от низких частот. Звучит почти также, как и исходная схема на рис.19, но экономит одну катушку индуктивности. Для кого-то это ещё актуально.

Но вот если пойти в другую сторону, и раздвинуть резонансные частоты контуров L1C1 и L2C2 схемы рис.19 сразу до 4-х октав (от 300 до 4800 Гц), то получим явный провал в АЧХ, выправить который может введение среднечастотного ГГ в диагональ моста между контурами L1C1 и L2C2. Наиболее подходящим для этой цепи в компанию к имеющимся 10ГД-30 и 10ГД-35-16 будет ГГ 20ГДС-1-16. При этом получается комплект ГГ от АС «S-50». Случайное совпадение. Просто логика изложения привела к такому набору ГГ. Получающийся проект схемы изображен на рис. 21.

 Рис.21.1 Теоретическое распределение эпюр напряжения на зажимах ГГ в структуре трёх полосного последовательного фильтра.

 Рис.21.2 АЧХ Самодельной АС с набором ГГ, аналогичных S-50, собранной по схеме на Рис.21, как иллюстрация сводимости полос в данной структуре.

Схема сильно напоминает трёх полосный последовательный фильтр, предложенный в моей статье «35АС-018. Новый взгляд», но с нюансами, изменяющими этот самый взгляд до неузнаваемости. Как говорится: «Яйца те же, но вид сбоку». Десять лет я бился лбом об ту последовательную схему, пытаясь найти оптимальные соотношения элементов в рамках однажды заданной структуры. Тщетно. Только применив модель с разной привязкой НЧ и ВЧ  ГГ стала понятна логика взаимодействия составляющих, а также ограничения и способы настройки. Итак, особенности:

• жёсткая привязка ВЧ ГГ отрицательным выводом к «плюсовой» шине;
• дополнительная защита ВЧ ГГ от низких частот с помощью конденсатора С3, одновременно образующего фильтр III порядка C2L2C3 для ВЧ  ГГ;
• СЧ ГГ подсоединяется к фильтрам НЧ и ВЧ равно удаленно через аттенюаторы R1 и R2, чтобы максимально защитить выходы этих фильтров от реактивностей СЧ ГГ;
• так как резонансные частоты контуров L1C1 и L2C2 сильно раздвинуты, то и зона их перекрытия практически отсутствует;
• переходы НЧ/СЧ и СЧ/ВЧ формируются автоматически на резонансных частотах L1C1 и L2C2;
• возможно, что при практической реализации фильтра по структуре рис.21 «вылезет» резонанс в области 4 кГц. Тогда понадобится режекторный контур параллельно СЧ  ГГ;

Первые итоги по 2-х полосным АС

1. Структурные схемы, показанные на рис.15 и рис.19, с позиции микрофона совершенно идентичны. Причём как в прямом, так и в инверсном подключении к усилителю.
2. Идентичность АЧХ структурных схем рис.15 и рис.19 не обеспечивает идентичности звучания. Разница обусловлена изменением ФЧХ ВЧ звена в зоне совместной работы звеньев фильтра и выше.
3. Последовательные фильтры (как двух полосные, так и трёх полосные) по сути оказались экстремальными версиями структуры рис.19 (с привязкой ГГ к разным шинам) в зависимости от расстояния между резонансными частотами контуров L1C1 и L2C2;
4. Коррекция ранее предлагавшихся последовательных фильтров в моих статьях до структурных схем, приведённых здесь на рис.20 и рис.21, весьма желательна.

И напоследок об экспертизе. Серьёзных экспертов не нашлось, а остальные считают, что я «со свиным рылом лезу в калашный ряд», и ловить тут нечего. Приходится делать собственные заключения. Сравнение  NS-10 M и 10МАС-1М проводилось «в лоб» (в стерео режиме, от одного усилителя, с включённой тонкомпенсацией), с места прослушивания через пульт переключения. Попробую описать то, что я выслушал в процессе многочисленных переключений.

Сравнительная таблица

№	Критерий	Рис.19   10МАС-1М	Рис.15   NS-10M
1	Реверберация. Объём. Ассоциация.	Слабый отражённый сигнал с большой задержкой. Эффект большого помещения. Концертный зал, 7 ряд полного зала, все исполнители и инструменты в одну линию между АС.	Повышенная гулкость, принимаемая за объём-ность. Сельский клуб, сцена без кулис, 1 ряд пустого зала, солист торчит перед носом.
2	Атака ритмо-задающих баса и большого барабана (бочки).	Атака упругая и мягкая, как резиновый мяч об пол. Бас и бочка слышны по отдельности при синхронной атаке. Нет НЧ гула.	Атака рыхлая и вязкая. Сливается в общий НЧ гул в виде некоего «гундежа».
3	Голос солиста	Голос чистый, эмоциональный, высокая разборчивость текста. Хорошо заметен бэк-вокал.	Голос сопровождается «хрипотцой», ухудшением разборчивости текста. Еле угадывается бэк-вокал в потоке призвуков.
4	Звучание солирующих инструментов: фортепиано труба саксофон электрогитара аккордеон	Все партии соло звучат «стерильно» чисто и открыто, без призвуков. Передаются условия записывающей студии с отсутствием помех и искажений.	Все солирующие инструменты звучат с «хрипотцой» и «песочком», к которым быстро привыкаешь и принимаешь их за полезный сигнал.
5	Звучание медных тарелок	Каждая тарелка звучит отдельно, без дополнительного «песочка». Можно даже оценить число используемых ударником тарелок	Каждый удар по тарелке сопровождается «призвуками», которые маскируют звук других тарелок, и всё сливается в некий общий звон.

Конечно все эти оценки субъективны и могут не совпадать с оценками других экспертов. Наверное многое зависит от ожидаемого звукового образа: концертный зал или сельский клуб. Я предпочитаю комфорт концертного зала, и считаю, что приблизился к нему, применив структуру фильтра, изображённую на рис.19. Любителям акустики пустого сельского клуба беспокоиться не о чём. Классическая схема фильтра, изображённая на рис.15, обеспечивает желаемую звуковую обстановку. Она используется практически во всех заводских двухполосных АС.

Пока готовился этот материал, на «воспитание» пришли колонки «Grundig Box 550 pro». Они оказались полными аналогами «NS-10M», только 4-омными. Размеры и объём одинаковые, состав ГГ аналогичен (даже расположение их на передней панели совпадает), закрытый ящик. Появилась возможность сравнения систем с одинаковыми корпусами, но с разными структурными схемами фильтров. Получившаяся схема доработанного фильтра АС «Grundig Box 550 pro» представлена на рис.22, а получающаяся АЧХ на рис.22.1.

Рис.22.1 АЧХ АС по схеме рис.22

Характерно, что благодаря высокой жёсткости корпуса не «вылезают» никакие резонансы на частотах 5 – 8 кГц, как у 10МАС-1М при той же структурной схеме фильтра.

Как видим, АЧХ АС «YAMAHA NS-10M» и доработанных «Grundig Box 550 pro» очень близки и достаточно линейны, а вот звучат по разному. Критерии разногласий показаны в вышеприведённой сравнительной таблице. Попытка заменить в ней столбец  «10МАС-1М» на «Grundig Box 550 pro» ничего не изменила. Разногласия повторились в более ярком виде.

Таким образом вопрос о влиянии на звук привязки звеньев фильтра к разным шинам в начале статьи решается в сторону «влияния». Какой вариант звучания предпочтительнее (классический или альтернативный) – пусть определяют эксперты и потребители. При заинтересованности могу помочь с блоками фильтров по схеме на рис.17 данной статьи.

Сей трактат составлен 3.06.2024

Автор: Николай Васильевич Галахов (Nivaga)