Усилитель для вч динамиков

В многополосных акустических системах, кроме динамиков обязательно ставятся частотные фильтры. Это необходимо чтобы разделить полосу звука в зависимости от типа громкоговорителя. Все динамики можно разделить на следующие группы:

Низкочастотные
Среднечастотные
Высокочастотные
Широкополосные

Самые простые акустические системы, состоящие из одного широкополосного динамика, фильтров не имеют, но и диапазон воспроизведения такой системы невелик. Он может составлять 40-50 Гц – 12-16 кГц. Хорошие акустические системы включают в себя три динамика с разделением сигнала, поступающего от усилителя на три следующие полосы:

НЧ – 20 Гц-500 Гц
СЧ – 200 Гц-7000 Гц
ВЧ – 2000 Гц-22000 Гц

Разделение звукового сигнала на отдельные полосы осуществляется с помощью пассивных LC фильтров. Подключение ВЧ динамиков через конденсатор связано с необходимостью ограничения мощности на частотах, определяемых ёмкостью конденсатора. Дело в том, что высокочастотные «пищалки» имеют маленькие размеры и соответственно маленький диффузор, сделанный из твёрдого материала. Большая мощность низких частот может повредить высокочастотную динамическую головку. Кроме того «низы» воспроизводимые «пищалкой» будут звучать с сильными искажениями, нарушая всю звуковую картину.

Как подключить ВЧ динамик через конденсатор

Схема подключения ВЧ головки, состоящая только из одного конденсатора называется фильтром или пассивным кроссовером первого порядка. Он называется «High-passfilter» и работает следующим образом. Ёмкость конденсатора определяет полосу среза. Это не означает, что звуковые частоты, располагающиеся ниже уровня среза, не будут воспроизводиться высокочастотным громкоговорителем.Кроссовер первого порядка имеет чувствительность 6 dB (децибел) на октаву. Октава это в два раза меньше или больше. Если величина среза равна 2 000 Герц, то частота, лежащая на октаву ниже, то есть 1 000 Герц будет воспроизводиться с уровнем на 6 dB меньше, снижение уровня на 500 Герц будет уже – 12 dB и так далее.

Исходя из размеров и жёсткости диффузора высокочастотного громкоговорителя, можно считать, что низкие частоты не окажут существенного влияния на воспроизведение ВЧ диапазона. Существуют более сложные кроссоверы второго порядка, в схему которого, кроме конденсатора, входит дроссель. Они обеспечивают снижение мощности в 12 децибел на октаву, а фильтры третьего порядка позволяют получить спад в 18 децибел на октаву.

Какой конденсатор ставить на ВЧ динамик

Для получения качественного звучания акустических систем, нужно очень тщательно подходить к выбору конденсатора. Какой конденсатор нужен для динамика ВЧ. Китайские производители недорогих колонок ставят последовательно с катушкой высокочастотного динамика электролит ёмкостью 2-10 мкф.

Изделия такого типа являются полярными и по определению предназначены для работы в цепях постоянного тока. На переменном токе они ведут себя не совсем корректно, поэтому для подключения высокочастотного динамика в акустической системе из двух или трёх громкоговорителей нужно использовать плёночные изделия соответствующей ёмкости. Если имеется недорогая акустическая система китайского производства, то достаточно вскрыть её, и заменить электролит, на полипропиленовый или бумажный конденсатор, чтобы почувствовать разницу.

Если необходимой ёмкости нет, то нужные конденсаторы для ВЧ динамиков собираются из нескольких изделий, соединённых параллельно.Из отечественной продукции можно использовать К73-17 и К78-34. Это лавсановые и полипропиленовые изделия. Тип К78-34 специально разработан для установки в фильтры высококачественных акустических систем. Он корректно работает на частотах до 22 кГц при выходной мощности колонок до 220 ватт с динамиками 4 Ом.

Чтобы правильно подобрать конденсатор для ВЧ динамика 4 Ом нужно знать его резонансную частоту. Высокочастотные головки могут иметь сравнительно низкую резонансную частоту порядка 800-1 200 Гц, но у большинства «пищалок» резонанс будет на 2 000-3 000 Гц. Величины конденсаторов для разных уровней среза к динамику 4 Ом выглядят следующим образом:

5 000 Гц – 8,0 мкф
6000 Гц – 6,5 мкф
8000 Гц – 5,0 мкф
9000 Гц – 4,4 мкф

Обрезать полосу, с помощью фильтра первого порядка, нужно выше резонанса, в противном случае колонка будет неприятно вибрировать при воспроизведении звука. Рекомендуется, чтобы частота среза фильтра примерно в два раза превосходила величину резонанса высокочастотного громкоговорителя.

Наболее разнообразны конструкции высокочастотных (ВЧ) динамиков. Они могут быть обычными, рупорными или купольными. Основной проблемой при их создании является расширение направленности излучаемых колебаний. В этом отношении определенными преимуществами обладают купольные динамики. Диаметр диффузора или излучающей мембраны ВЧ-пищалок лежит в пределах от 10 до 50 мм . Часто пищалки наглухо закрыты сзади, что исключает возможность модуляции их излучения излучением НЧ и СЧ-излучателей.

Обычный миниатюрный ВЧ-динамик с коническим диффузором неплохо излучает звуки высоких частот, но имеет очень узкую диаграмму направленности — обычно в пределах угла от 15 до 30 градусов (относительно центральной оси). Этот угол задается при снижении отдачи динамика обычно на —2 дБ. Указывается угол при отклонении как от горизонтальной, так и от вертикальной оси. За рубежом этот угол называют углом рассеивания или дисперсии (dispersion) звука.

Для увеличения угла рассеивания делают диффузоры или насадки к ним различной формы (шарообразной, в форме рупора и т. д.). Многое зависит и от материала диффузора. Тем не менее обычные ВЧ-динамики не в состоянии излучать звуки с частотами заметно выше 20 кГц. Размещение перед ВЧ-динамиком специальных отражателей (чаще всего в виде пластиковой решетки) позволяет заметно расширить диаграмму направленности. Такая решетка часто является элементном акустического обрамления ВЧ-динамика или иного излучателя.

Извечной темой споров является вопрос о том, а нужно ли вообще излучать частоты выше 20 кГц, коль наше ухо их не слышит, и даже студийная аппаратура нередко ограничивает эффективный диапазон звуковых сигналов на уровне от 10 до 15—18 кГц. Однако то, что мы не слышим такие синусоидальные сигналы, не означает, что они не существуют и не влияют на форму временных зависимостей реальных и довольно сложных звуковых сигналов с гораздо более низкими частотами повторения.

Есть много убедительных доказательств того, что эта форма сильно искажается при искусственном ограничении частотного диапазона. Одной из причин этого являются фазовые сдвиги различных компонентов сложного сигнала. Любопытно, что наше ухо не ощущает сами по себе фазовые сдвиги, но способно отличить сигналы с различной формой временной зависимости, даже если они содержат одинаковый набор гармоник с одинаковыми амплитудами (но разными фазами). Большое значение имеет характер спада АЧХ и линейность ФЧХ даже за пределами эффективно воспроизводимого диапазона частот.

Вообще говоря, если мы хотим иметь равномерные АЧХ и ФЧХ во всем звуковом диапазоне, то реально излучаемый акустикой диапазон частот должен быть заметно шире звукового. Все это вполне оправдывает разработку широкополосных излучателей многими ведущими в области электроакустики фирмами.

Размещение ВЧ излучателей Существует проблема – результат в большой степени зависит от того, куда поставлены и как сориентированы головки. Поговорим о ВЧ-головке, или твитере.

Особенности ВЧ-головок Из теории распространения звуковых волн известно, что с увеличением частоты диаграмма направленности излучателя сужается, и это приводит к сужению зоны оптимального прослушивания. То есть получить равномерный тональный баланс и правильную сцену можно только в небольшой области пространства. Поэтому расширение диаграммы направленности ВЧ-излучателя – основная задача всех разработчиков громкоговорителей. Самая слабая зависимость диаграммы направленности от частоты наблюдается у купольных ВЧ-динамиков. Именно этот тип ВЧ-излучателей – самый распространенный в автомобильных и бытовых АС. Другие достоинства купольных излучателей – маленькие размеры и отсутствие необходимости создавать акустический объем, а к недостаткам следует отнести невысокую нижнюю граничную частоту, которая лежит в пределах 2,5-7 кГц. Все эти особенности учитываются при установке высокочастотника .На место установки влияет все: рабочий диапазон ВЧ-динамика, его характеристики направленности, количество устанавливаемых компонентов (2- или 3- компонентные системы) и даже ваш личный вкус. Сразу оговоримся, что универсальных рекомендаций по этому вопросу не существует, поэтому мы не можем вам указать пальцем – мол, ставь здесь и все будет ОК! Однако на сегодня есть множество типовых решений, с которыми полезно ознакомиться. Все нижесказанное относится к беспроцессорным схемам, но это актуально и при использовании процессора, просто его присутствие дает гораздо больше возможностей для компенсации негативного влияния неоптимального места расположения.

Практические соображения. Вначале напомним некоторые каноны. В идеале расстояние до левого и правого высокочастотника должно быть одинаковым, а установлены ВЧ-динамики должны быть на высоте глаз (или ушей) слушателя. В частности, всегда лучше по возможности выдвигать ВЧ-головки как можно дальше вперед, поскольку чем дальше они от ушей, там меньше разница в расстояниях до левого и правого излучателей. Второй аспект: высокочастотник не должен быть далеко от СЧ- или НЧ/СЧ-головки, иначе не получить хорошего тонального баланса и фазового согласования (обычно руководствуются длиной или шириной ладони). Однако если высокочастотник установлен низко, то звуковая сцена заваливается вниз, и вы как бы находитесь над звуком. При слишком высокой установке, из-за большого расстояния между ВЧ- и СЧ-динамиками, теряется цельность тонального баланса и фазовое согласование. Например, при прослушивании трека с записью фортепианной пьесы, на низких нотах один и тот же инструмент будет звучать внизу, а на высоких – резко взлетать вверх.

Направленность ВЧ-головки. Когда с местом установки ВЧ-головки разобрались, следует определиться с ее направленностью. Как показывает практика, для получения правильного тембрального баланса лучше направить высокочастотник на слушателя, а для получения хорошей глубины звуковой сцены – использовать отражение. Выбор определяется личными ощущениями от музыки, которую вы слушаете. Здесь главное – помнить, что оптимальное место прослушивания может быть только одно
Сориентировать в пространстве высокочастотник желательно так, чтобы его центральная ось была направлена на подбородок слушателя , то есть установить разный угол разворота левого и правого ВЧ-динамиков. При ориентации ВЧ-динамика, работающего на отражение следует помнить две вещи. Во-первых, угол падения звуковой волны равен углу отражения, во вторых, удлиняя звуку путь, мы уводим дальше звуковую сцену, и если увлечься, то можно получить так называемый туннельный эффект, когда звуковая сцена находится далеко от слушателя, как бы в конце узкого коридора.

Метод настройки. Наметив, в соответствии с приведенными рекомендациями, место размещения ВЧ-головок, стоит приступить к экспериментам. Дело в том, что никто никогда заранее не скажет, где именно будет обеспечено 100-процентное "попадание" с вашими компонентами . Наиболее оптимальное место позволит определить эксперимент, поставить который довольно просто. Возьмите любой липкий материал, например, пластилин, двусторонний скотч, "липучку" или модельный термоклей, поставьте свой любимый музыкальный или тестовый диск и, учитывая все вышесказанное, начинайте экспериментировать. Попробуйте разные варианты мест и ориентирования в каждом. Перед тем как окончательно установить высокочастотник, лучше еще немного послушать и подправить на пластилине.к нигде.

Творческий подход. Настройка и выбор расположения ВЧ-динамика имеют свои нюансы для 2- и 3-компонентных систем. В частности, в первом случае трудно обеспечить близкое расположение высокочастотника и НЧ/СЧ-излучателя. Но в любом случае не надо бояться экспериментировать, – нам встречались такие инсталляции, где ВЧ-головки оказывались в самых неожиданных местах. А есть ли смысл в дополнительной паре высокочастотников? Вот, скажем, американская фирма "Boston Acoustics" выпускает комплекты компонентных АС, где в кроссовере уже предусмотрено место для подключения второй пары ВЧ-головок. Как объясняют сами разработчики, вторая пара необходима для поднятия уровня звуковой сцены В тестовых условиях мы слушали их как дополнение к основной паре высокочастотников и были удивлены, насколько существенно расширяется пространство звуковой сцены и улучшается проработка нюансов

Очень часто поступает вопрос – как построить громкий фронт. Какой мощности подобрать усилитель под громкий фронт с поканальным усилением чтобы получить максимальную громкость? Как выбрать динамики для 3-полосного фронта? Какая мощность нужна под эстрадные динамики?

Задача подбора усилителя по мощности не такая простая, как может показаться на первый взгляд. Мощность динамиков нам известна, если даже не известна, её легко оценить по размеру звуковой катушки. Казалось бы, подбирай усилитель такой же мощности и вперёд. Такая система будет работать долго и счастливо, но не оптимально. Для начала, стоит отметить, что мощность и громкость это не одно и то же. Все мы знаем, что чувствительность динамиков (грубо говоря, громкость на единицу мощности) бывает разная. При подаче сигнала одной мощности, динамик с большей чувствительностью звучит громче. Это очевидно. Кроме того человеческий слух устроен таким образом, что лучше всего мы слышим звук на средних частотах, максимальная чувствительность слуха находится в диапазоне от 500 до 2500 Гц. Звук среднечастотника для нас всегда громче чем басовика или пищалки, даже если на эти динамики подается одинаковая мощность. Отсюда сдедует, что между громкостью и мощностью связь есть, но она не прямая. Именно потому что середину мы слышим лучше, подавляющее большинство систем с громким фронтом построено на среднечастотниках разных размеров.

Как распределяется мощность по полосам звучания

Далее. Громкий фронт – это Обычно это или 2-х или 3-х полосная система. Чтобы подобрать усилители для поканального усиления нужно понимать какие мощности рассеваются ("прилетают") по полосам. Музыкальный сигнал принято делить на три диапазона: низкие частоты (НЧ), средние частоты (СЧ), высокие частоты (ВЧ). В 3-х полосной системе каждый диапазон отыгрывает отдельный динамик, в 2-полосной – НЧ/СЧ диапазоны отыгрываются одним динамиком, который называют мидбасом. Музыкальные сигналы – то есть музыка – могут быть совершенно разными, с разным тональным балансом, в каких-то очень много баса, в некоторых много звенящих звуков, есть жанры, в которых используются не музыкальные звуки, которые создают повышенную нагрузку и в СЧ и в ВЧ диапазоне. Что бы учесть все возможные варианты музыкальных сигналов при проектировании акустических систем, в звукотехнике ввели понятие – обобщенный музыкальный сигнал. Это статический шумовой сигнал, усредненный по всем жанрам. Количество верхов, середины и низов в этом сигнале перекрывает любой жанр. Если вы рассчитали систему под обобщенный сигнал, она отыграет музыку с любым тональным балансом в пределах заданной мощности. Важнейшим свойством этой средней по всем жанрам музыки является то, что для нее можно точно выяснить распределение мощности по полосам звучания. Распределение мощности по диапазонам обобщенного звукового сигнала следующее:
низкие частоты: 63 – 250 Гц, 60% общей мощности
средние частоты: 250 – 5000 Гц, 30% общей мощности
высокие частоты: 5000 – 20000 Гц, 10% общей мощности
если систем 2-полосная, на мидбас играющий в диапазоне от 63 до 5000 Гц приходится 90% мощности.
Разделение на частотные диапазоны общепринятое, каноническое. Все современные 2-х и 4-х канальные усилители являются широкополосными и линейными(коэффициент усиления постоянный во всем диапазоне звучания). Поэтому в таких же пропорциях мощность усилителя распределяется по диапазонам. То есть усилитель развивает в Нч диапазоне не более 60% от своего номинала (дальше клип, грязный сигал, сгоревшая катушка), в СЧ диапазоне не более 30%, в ВЧ диапазоне – 10%.

Как подобрать усилители для поканального усиления

Какие практические выводы можно сделать из описанного выше?
1. Если вы подбираете широкополосный усилитель для среднечастотника и хотите чтобы он звучал максимально громко, берите усилитель с номинальной мощностью примерно в 3 раза превышающей номинал динамика. Если вы не будете нагружать динамик басами и выберите нижнюю границу диапазона 250 Гц, этот усилитель выдаст на вашу середину не более трети своей мощности и полностью нагрузит динамик. Получите максимально громкое звучание. Если понизить частоту нижней границы диапазона звучания, это приведет к увеличению рассеиваемой на динамике мощности. Может пойти дым. Стоит понизить уровень громкости или выбрать усилитель с меньшей мощностью, громкость при этом так же снизится.
Усилитель под басовик подбирается по таким же принципам – берете номинал динамика и делите его на 0.6 Получаете номинал усилителя, который нагрузит его полностью в диапазоне от 63 до 250 Гц. Если повысить нижнюю границу, мощность снизится. Если повысить верхнюю границу – нагрузка на динамик вырастет.
С пищалками все несколько сложнее. Номинальная мощность почти никогда не известна. Но почти все современные рупоры построены на одной и той же подвижке, которая выдерживает примерно 10-15 Вт мощности. Уровня их громкости хватает для большинства популярных середин, таких как X6 и подобные.
Нижняя граница ВЧ диапазона в последнее время выбирается не менее 8 КГц, а то и выше, поэтому их мощностью можно пренебречь и выбирать их только по чувствительности. Про чувствительность позже. Не стоит выбирать 8-омные бюджетные пищалки, их чувствительность на много меньше чем 4-омных. Исключение – профессиональные рупоры типа P.Audio
2. Если вы хотите построить сбалансированную 3-полосную систему подбирайте динамики с номинальными мощностями в пропорции НЧ:СЧ:ВЧ – 6:3:1 Если пропорция не соблюдается, максимальная громкость будет определятся тем динамиком, чья доля ниже оптимальной. Например, вы хотите построить 3-полоску с номинальной мощностью 100 Вт. Идеальным решением будет подобрать динамики с номиналами: 60 Вт – НЧ динамик, 30 Вт – СЧ динамик, 10 Вт – ВЧ динамик.
3. Если вы строите 2-полосный фронт, используя мидбас, подбирайте к нему усилитель с таким же или немного большим номиналом. Мощностью пищалки можно не заморачиваться. Если фильтр ВЧ будет её "резать" выше 5 КГц, что чаще всего и бывает в 2-полосных системах, мощность рассеиваемая на пищалках будет незначительной и ею можно пренебречь. Поканальное усиление в 2-полосной системе делать не обязательно, можно подключить пищалку к мидбасам параллельно, использую комплектный конденсатор или сделать чуть более сложный фильтр. Нагрузка на усилитель при этом возрастет не значительно. Общее сопротивление нагрузки будет равно сопротивлению мидбаса.
4. Очень важно! Если вы строите 2-х или 3-х полосную систему с поканальным усилением, нужно подбирать усилители с одинаковой мощностью на все полосы. Такие усилители имеют одинаковые коэффициенты усиления, у них на выходе сигнал с одинаковым уровнем. Небольшое не соответствие громкостей по полосам легко устраняется регулировкой. Если усилители имеют разную мощность, то максимальная громкость системы будет определятся самым слабым из них. Например, очень часто для поканалки покупается мощный усилитель для середин, а на пищалки усилитель блаупункт или мистери с номиналом 50 Вт. Человек выбирает его, руководствуясь соображением: мощность пищалки намного меньше мощности усилителя, его и так с головой хватает. Но, если пищалка включена через фильтр -конденсатор или цифровой фильтр в процессорной голове, не важно – усилитель с номиналом 50 Вт не сможет выдать более 5 Вт чистого сигнала и регулировкой ничего сделать не получится. Дальше усилитель будет клиповать, "грязный" сигнал на выходе прикончит пищалку. Лично я считаю, что слабый усилитель – это единственная причина выхода из строя рупорных пищалок. Особенно если они 8-омные, тогда усилитель клипует на громкости примерно на 3 дБ меньшей по сравнению с 4-омными. Исключением может быть профессиональный ВЧ излучатель с гигантской чувствительностью. Для него мощность усилителя может быть значительно меньше, но в автомобиле применяются они редко из-за огромных размеров.

Подбор динамиков по чувствительности

Теперь вернемся к чувствительности. Как уже говорилось в начале, при одинаковой подводимой мощности разные динамики могут звучать с разной громкостью. Если вы хотите построить систему, в которой звучание по НЧ, СЧ и ВЧ диапазонам будет гармоничным, выбирайте динамики с примерно одинаковой чувствительностью. При подборе динамиков для 3-полоски стоит ориентироваться на чувствительность измеренную на сигнале с амплитудой 2.83В на расстоянии 1м (2.83В/1м) Если указана другая чувствительность – 1Вт/1м – её легко привести к нужной размерности:
-если динамик имеет сопротивление 8 Ом, то для него чувствительность 2.83В/1м такая же как при 1Вт/1м
-если сопротивление динамика 4 Ома, то для него чувствительность 2.83В/1м будет на 3 дБ больше чем при 1Вт/1м
Низкочастотный динамик и середина должны иметь примерно одинаковую чувствительность +/- 0.5 дБ Настроить систему будет не проблема как при поканальном усиление, так и с пассивным кроссовером. Если чувствительность басовика ниже чувствительности середины примерно на 3 дБ, то в системе будет явный провал на басах. Такая ситуация возникает практически всегда, если сопротивление НЧ и СЧ динамиков одинаковое. Найти басовый динамик с такой же чувствительностью как и середина при одинаковом сопротивлении практически не возможно. Это обусловлено конструктивными особенностями басовика. Исключением могут быть басовики построенные на моторе с неодимовым магнитом. Чтобы решить проблему можно использовать динамики с разным сопротивлением: НЧ – 4 Ома, СЧ – 8 Ом. Можно так же удвоить количество басовиков, это тоже даст не достающую громкость в НЧ диапазоне. Если у вас поканальное усиление, можно отрегулировать всю систему по громкости басовика, но в этом случае потенциал середины и пищалки будет использован не полностью.
Вообще, низкая по сравнению с серединами, чувствительность – основной недостаток НЧ динамиков. Кроме того они гораздо крупнее и тяжелее середин при одинаковом типоразмере. Именно поэтому настоящие басовые динамики почти не применяются в громком фронте. В качестве басового в системах сейчас ставят середины большого размера. Некоторые из них могут играть от 100-150 Вт, но отдача на низах у них мизерная и считать эти системы 3-полосными на самом деле нельзя. Это 2-полоски со среднечастотными динамиками разного размера.
Подобрать пищалки по чувствительности очень просто. Как правило она указывается в инструкции и достаточно достоверна. На типовых рупорах она всегда заметно больше чем у популярных среднечастотников. Делается это конечно не случайно. Пищалку очень легко настраивать как при поканальном, так и при пассивном разделении. Избыток высоких частот корректируется либо громкостью соответствующих каналов усилителя, либо гасится включенным последовательно резистором при пассивном разделении.