Акустическая система (Общие понятия и наиболее часто задаваемые вопросы)

1. Что такое акустическая система (АС)?

Это устройство для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей (ГГ), необходимые акустическое оформление (АО) и электрические устройства, как то переходные фильтры (ПФ), регуляторы, фазовращатели и т.п.

2. Что такое головка громкоговорителя (ГГ)?

Это пассивный электро акустический преобразователь, предназначенный для преобразования сигналов звуковой частоты из электрической формы в акустическую.

3. Что такое пассивный преобразователь?

Это такой преобразователь, который НЕ увеличивает энергию электрического сигнала, поступающего на его вход.

4. Что такое акустическое оформление (АО)?

Это конструктивный элемент, обеспечивающий эффективное излучение звука ГГ. Иными словами, в большинстве случаев АО - это корпус АС, который может иметь вид акустического экрана, ящика, рупора и т.д.

5. Что такое однополосная АС?

Фактически то же самое, что и широкополосная. Это АС, все ГГ которой (обычно одна) работают в одном и том же диапазоне частот (т.е.фильтрация входного напряжения при помощи ПФ, равно как и сами фильтры отсутствуют).

6. Что такое многополосная АС?

Это АС, ГГ которой (в зависимости от их числа) работают в двух или более разных диапазонах частот. Однако непосредственный подсчет количества ГГ в АС (особенно выпуска прошлых лет) может ничего не сказать о реальном числе полос, поскольку на одну и ту же полосу может выделяться несколько ГГ.

7. Что такое АС открытого типа?

Это такая АС, в которой влияние упругости воздуха в объеме АО пренебрежимо мало, а излучения передней и тыльной сторон подвижной системы ГГ не изолированы друг от друга в области НЧ. Представляет собой плоский экран или ящик, у которого задняя стенка или полностью отсутствует, или же имеет ряд сквозных отверстий. Наибольшее влияние на частотную характеристику АС с АО открытого типа оказывают передняя стенка (в которой смонтированы ГГ) и ее размеры. Вопреки распространенному мнению, боковые стенки АО открытого типа влияют на характеристики АС крайне мало. Таким образом важен не внутренний объем, а площадь передней стенки. Даже при сравнительно небольших ее размерах воспроизведение НЧ значительно улучшается. Вместе с тем в области СЧ и, особенно, ВЧ экран уже не оказывает существенного влияния. Существенным недостатком таких систем является их подверженность акустическому «короткому замыканию», которое приводит к резкому ухудшению воспроизведения НЧ.

8. Что такое АС закрытого типа?

Это такая АС, в которой упругость воздуха в объеме АО соизмерима с упругостью подвижной системы ГГ, а излучения передней и тыльной сторон подвижной системы ГГ изолированы друг от друга во всем диапазоне частот. Иными словами, это АС, корпус которой выполнен герметично закрытым. Преимущество таких АС в том, что задняя поверхность диффузора не излучает и, таким образом, акустическое «короткое замыкание» полностью отсутствует. Но закрытые системы имеют другой недостаток - при колебаниях диффузора он должен превозмогать дополнительную упругость воздуха в АО. Наличие этой дополнительной упругости приводит к тому, что повышается резонансная частота подвижной системы ГГ, в результате чего ухудшается воспроизведение частот, лежащих ниже этой частоты.

9. Что такое АС с фазоинвертором (ФИ)?

Стремление получить достаточно хорошее воспроизведение НЧ при умеренном объеме АО довольно хорошо достигается в так называемых фазоинверсных системах. В АО таких систем делается щель или отверстие, в которое может быть вставлена трубка. Упругость объема воздуха в АО резонирует на какой-то частоте с массой воздуха в отверстии или трубке. Эта частота называется резонансной частотой ФИ. Таким образом, АС в целом становится состоящей как бы из двух резонансных систем - подвижной системы ГГ и АО с отверстием. При правильно выбранном соотношении резонансных частот этих систем воспроизведение НЧ значительно улучшается по сравнению с АО закрытого типа с таким же объемом АО. Несмотря на очевидные преимущества АС с ФИ, очень часто такие системы, изготовленные даже опытными людьми, не дают ожидаемых от них результатов. Причина этого в том, что для получения необходимого эффекта ФИ должен быть правильно рассчитан и настроен.

10. Что такое bass-reflex?

То же самое, что ФИ.

11. Что такое кроссовер?

То же самое, что переходной или разделительный фильтр.

12. Что такое переходной фильтр?

Это пассивная электрическая схема (обычно состоящая из катушек индуктивности и емкостей), которая включается перед входным сигналом и обеспечивает то, чтобы на каждую ГГ в АС поступало напряжение только тех частот, которые они должны воспроизводить.

13. Что такое «порядки» переходных фильтров?

Поскольку никакой фильтр не может обеспечить абсолютного обрезания напряжения на заданной частоте, ПФ рассчитывают на определенную частоту разделения, за пределами которой фильтр обеспечивает выбранную величину затухания, выражаемую в децибелах на октаву. Величина затухания называется крутизной и зависит от схемы построения ПФ. Не углубляясь особо в подробности, можно сказать, что простейший фильтр - так называемый ПФ первого порядка - состоит всего из одного реактивного элемента - емкости (при необходимости обрезать НЧ) или индуктивности (при необходимости обрезать ВЧ) и обеспечивает крутизну в 6дБ/окт. Вдвое большую крутизну - 12дБ/окт. - обеспечивает ПФ второго порядка, содержащий по два реактивных элемента в цепи. Затухание в18дБ/окт. обеспечивает ПФ третьего порядка, содержащий по три реактивных элемента и т.д.

14. Что такое октава?

В общем случае - это удвоение или ополовинивание частоты.

15. Что такое рабочая плоскость АС?

Это плоскость, в которой расположены излучающие отверстия ГГ АС. Если ГГ многополосной АС расположены в разных плоскостях, то за рабочую принимается та, в которой расположены излучающие отверстия ГГ ВЧ.

16. Что такое рабочий центр АС?

Это точка, лежащая на рабочей плоскости, от которой производится отсчет расстояния до АС. В случае однополосных АС за него принимают геометрический центр симметрии излучающего отверстия. В случае многополосных АС за него принимается геометрический центр симметрии излучающих отверстий ГГ ВЧ или проекций этих отверстий на рабочую плоскость.

17. Что такое рабочая ось АС?

Это прямая, проходящая через рабочий центр АС, и перпендикулярная рабочей плоскости.

18. Что такое номинальное сопротивление АС?

Это заданное в технической документации активное сопротивление, которым замещают модуль импеданса АС при определении подводимой к нему электрической мощности. Согласно стандарту DINминимальное значение модуля импеданса АС в заданном диапазоне частот не должно быть менее 80% от номинального.

19. Что такое импеданс АС?

Без углубления в основы электротехники можно сказать, что импедансом называется ПОЛНОЕ электрическое сопротивление АС (включая и кроссоверы, и ГГ), в состав которого в виде довольно сложной зависимости входит не только привычное всем активное сопротивление R (которое можно измерить обычным омметром), но также и реактивные компоненты в лице емкости C (емкостное сопротивление, зависящее от частоты) и индуктивности L (индуктивное сопротивление, также зависящее от частоты). Известно, что импеданс является комплексной величиной (в смысле комплексных чисел) и, вообще говоря, предствляет собой трехмерный график (в случае АС он часто похож на «поросячий хвост») в координатах «амплитуда-фаза-частота». Именно по причине его комплексности, когда говорят об импедансе как о численной величине, говорят о его МОДУЛЕ. Наибольший интерес с точки зрения исследований представляют проекции «поросячьего хвоста» на две плоскости: «амплитуда-от-частоты» и «фаза-от-частоты». Обе этих проекции, представленные на одном графике, носят название «графика Боде». Третья проекция «амплитуда-от-фазы» носит название «графика Найквиста».

С появлением и распространением полупроводников усилители звуковой частоты стали вести себя более менее как источники «постоянного» напряжения, т.е. они, в идеале, должны поддерживать на выходе одно и то же напряжение вне зависимости от того, какая нагрузка на него повешена, и какова потребность в токе. Поэтому если предположить, что усилитель, приводящий ГГ АС в движение, представляет собой источник напряжения, то импеданс АС четко покажет, каков будет потребляемый ток. Как уже было сказано, импеданс не только реактивен (т.е. характеризуется ненулевым углом сдвига фаз), но еще и изменяется с частотой. Отрицательный угол сдвига фаз, т.е. когда ток опережает напряжение, обусловлен емкостными свойствами нагрузки. Положительный угол сдвига фаз, т.е когда ток отстает от напряжения, обусловлен индуктивными свойствами нагрузки.

Каков же импеданс типичных АС? Стандарт DIN требует, чтобы величина импеданса АС не отклонялась от указываемого номинала более чем на 20%.Однако на практике все обстоит гораздо хуже - отклонение импеданса от номинала составляет в среднем +/-43%! До тех пор, пока усилитель характеризуется низким выходным сопротивлением, даже такие отклонения не привнесут каких либо слышимых эффектов. Однако как только в игру вводится ЛАМПОВЫЙ усилитель с выходным сопротивлением порядка нескольких Ом(!), результат может быть весьма плачевным- окраска звучания неизбежна.

Измерение импеданса АС является одним их наиболее важных и мощных диагностических средств. По графику импеданса можно очень много сказать о том, что представляют собой данные АС, даже не видя их в глаза и не слыша. Имея перед глазами график импеданса, можно сходу сказать, какого типа данные АС- закрытого (один горб в области баса), фазоинверторного или трансмиссионного (два горба в области баса) или же какой либо разновидности рупорных (последовательность равномерно разнесенных пиков). Судить о том, насколько хорошо будет воспроизводиться бас (40-80Гц) и самый нижний бас (20-40 Гц) теми или иными АС можно по форме импеданса в этих областях, равно как и по добротности горбов. «Седло», образованное двумя пиками в низкочастотной области, типичными для фазоинверторной конструкции, указывает на частоту, на которую «настроен» фазоинвертор, каковая обычно является частотой, на которой отдача НЧ ГГ падает на 6дБ, т.е. приблизительно в 2 раза. Из графика импеданса можно также понять, есть ли в системе резонансы, и каков их характер. К примеру, если проводить измерения с достаточным разрешением по частоте, то, возможно, на графике появятся своего рода «зарубки», свидетельствующие о наличии резонансов в акустическом оформлении.

Ну и, пожалуй, самое важное, что можно вынести из графика импеданса, это то, насколько тяжела будет эта нагрузка для усилителя. Поскольку импеданс АС реактивен, ток будет либо отставать от напряжения сигнала, либо опережать его на фазовый угол. В худшем случае, когда фазовый угол составляет 90 градусов, от усилителя требуется выдать максимальный ток в то время как напряжение сигнала стремится к нулю. Поэтому знание «паспортных» 8 (или 4) Ом в качестве номинального сопротивления НЕ дает ровным счетом ничего. В зависимости от фазового угла импеданса, который будет на каждой частоте разным, те или иные АС могут оказаться тому или иному усилителю «не по зубам». Также очень важно отметить, что БОЛЬШИНСТВО усилителей НЕ кажутся нам не справляющимися с АС лишь потому, что на ТИПИЧНЫХ уровнях громкости, допустимых в ТИПИЧНЫХ домашних условиях, ТИПИЧНЫЕ АС НЕ требуют от ТИПИЧНОГО усилителя «пропитания» более чем всего несколько Ватт.

20. Что такое номинальная мощность ГГ?

Это заданная электрическая мощность, при которой нелинейные искажения ГГ не должны превышать требуемые.

21. Что такое максимальная шумовая мощность ГГ?

Это электрическая мощность специального шумового сигнала в заданном диапазоне частот, которую ГГ длительно выдерживает без тепловых и механических повреждений.

22. Что такое максимальная синусоидальная мощность ГГ?

Это электрическая мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, которую ГГ длительно выдерживает без тепловых и механических повреждений.

23. Что такое максимальная кратковременная мощность ГГ?

Это электрическая мощность специального шумового сигнала в заданном диапазоне частот, которую ГГ выдерживает без необратимых механических повреждений в течение 1с (испытания повторяют 60 раз с интервалом в 1 мин.)

24. Что такое максимальная долговременная мощность ГГ?

Это электрическая мощность специального шумового сигнала в заданном диапазоне частот, которую ГГ выдерживает без необратимых механических повреждений в течение 1 мин. (испытания повторяют 10 раз с интервалом в 2 мин.)

25. При прочих равных, АС с каким номинальным сопротивлением является более предпочтительной -4, 6 или 8Ом?

Более предпочтительной в общем случае является АС с более высоким номинальным сопротивлением, поскольку такая АС представляет собой более легкую нагрузку для усилителя и, следовательно, гораздо менее критична к выбору последнего.

26. Что такое импульсная характеристика АС?

Это ее отклик на «идеальный» импульс.

27. Что такое «идеальный» импульс?

Это мгновенный (время нарастания равно 0) рост напряжения до некоторого значения, «застревание» на этом постоянном уровне на короткий промежуток времени (скажем, доли миллисекунды) и затем мгновенный же спад обратно до 0В. Ширина такого импульса обратно пропорциональна ширине полосы частот сигнала. Если бы нам захотелось сделать импульс бесконечно коротким, то для того, чтобы передать его форму в полной неизменности, нам потребовалась бы система с бесконечной полосой пропускания.

28. Что такое переходная характеристика АС?

Это ее отклик на сигнал типа «ступенька». Переходная характеристика дает наглядное представление о поведении всех ГГ АС во времени и позволяет судить о степени когерентности излучения АС.

29. Что такое сигнал типа «ступенька»?

Это когда напряжение на входе в АС мгновенно нарастает от 0В до некоторого положительного значения и остается таким продолжительное время.

Добрый день, уважаемые читатели. Наконец я созрел на обзор усилителя, для рабочего места за компьютером, который сделал уже несколько месяцев назад.

Предыстория

Хотелось компактный усилитель на TPA3116 типа такого . Только с встроенным блоком питания и FM радио. Изучив предложения в разных китайских магазинах, ни чего для себя не нашел, то не нравиться, то дорого. Решено было слепить самому. Задумка была такая - устройство работает как обычный усилитель, с возможностью переключения в режим FM радио.

Комплектуха

Любому устройству нужен корпус. Сначала хотел собрать все в покупном пластиковом корпусе, но хотелось красиво. Решил использовать корпус имеющегося спутникового тюнера. Донором стал старый спутниковый ресивер Orton 4100C

В качестве усилителя выбрана была такая плата (фото продавца):


Сейчас продавец торгует платами из зеленого текстолита, мне пришла желтенькая:


Покупалось за свои, доставка в Украину 22 дня почтой Китая. Было запаяно в антистатический пакет и сверху замотано в пупырку.
Размеры:

Технические характеристики:
Класс D
Рабочее напряжение: DC 8 - 25В
Рабочий ток: 4.5 - 7.5A
Выходная мощность при питании DC 24В 4Oм 50Вт + 50Вт
Рабочая частота: 20 Гц до 20 кГц
Защита по току и от перегрева

Усилитель собран на микросхеме TPA3116D2 - даташит
Тестирования звукового тракта не будет, в сети тестов данной микросхемы достаточно.
В качестве FM радио будет работать широко известный MP3 модуль, покупался


Комплектация стандартная - сам модуль, проводки и пульт.
Питаться все это добро будет народным блоком питания DC2412, покупался

Краткие характеристики:
Входное напряжение - 85-265 В
Выходное напряжение - 24 В
Ток нагрузки - 4-6 А
Выходная мощность - 100 Вт (максимальная)
Размеры - 107х57х30мм

Ну и разъемы для подключения:


Покупались и

Сборка

Была идея максимально использовать родную лицевую панель ресивера, с минимальными доработками. Кнопки управления также будут использоваться родные. В ресивере внутри на лицевой панели стоит такая плата (микрики уже выпаял):


Из текстолита была сделана плата по размерам оригинальной, в ней был закреплен MP3 модуль и микрики для управления (донором микриков стала оригинальная плата):



Плату MP3 модуля пришлось немного укоротить (она упиралась в последний микрик), выпаять USB и mini jack разъемы, слот для SD карточки, а также кнопки (к контактам где были кнопки, припаял проводками микрики)

Задача была что бы дисплей модуля просвечивал через полупрозрачный пластик лицевой панели. Вот так это выглядит в корпусе (режимы "Усилитель" и "Радио" соответственно):


Ручка регулировки громкости которая шла с усилителем мне совсем не нравилась, на Али продают другие покрасивее, но цены мне тоже не нравятся. В итоге сам выточил из алюминия новую ручку:


Под нее в лицевой панели корпуса было вырезано отверстие:


С начала в планах было запитать MP3 модуль от основного блока питания, через DC-DC преобразователь (модулю нужно 5В). В процессе выяснилось,что при таком подключении появляется небольшой фон в динамиках. Такой вариант меня не устраивал, поэтому собрал простой трансформаторный блок питания со стабилизатором на LM7805:


Из блока питания и платы усилителя решил убрать все клеммы и разъемы, провода впаял напрямую. Блок питания изолирован от корпуса, установлен на пластиковые стойки. Антенный провод от FM радио вывел на заднюю панель на mini jack разъем. Вот так это все выглядит внутри:


Заднюю панель пришлось почти всю заменить, так как на родной после демонтажа разъемов ресивера почти не оставалось тела:


Внешний вид спереди:


Большая кнопка на лицевой панели переключает режимы "радио" или "усилитель", маленькие в режиме "радио" переключают станции. Незабываем что есть еще ИК пульт.
Звучание мне понравилось, мощности хватает (колонки S-30).
Вот такой получился симпатичный проект. Спасибо за внимание!

Усилитель НЧ собран на микросхеме TPA3116D2.

Технические характеристики.

Мощность на нагрузке 4 Ом. при U пит. 21В. – 2 x 50 Вт. (BTL), 100 Вт. (PBTL)
Уровень сигнала на входе. - 0,8 … 2В.
Отношение сигнал/шум. - 102 dB
Коэффициент гармоник на половине мощности 25Вт. - 0,1%
Напряжение питания – 4,5 В … 26 В.

Схема позволяет включать микросхему в двух режимах:

1. Мостовой BTL. В этом включении можно получить 2 канала по 50 Вт.
2. Параллельно – мостовой (PBTL). Так как в этом режиме два канала BTL включены ещё и параллельно, то на выходе получаем один канал с удвоенной мощностью – 100 Вт.

На схемах ниже показаны все необходимые изменения для обоих режимов.

1. Подготовка платы для работы в мостовом режиме. Стерео 50 Вт.
Собранный усилитель работает в мостовом режиме. Но если вы подаете на него сигнал по не симметричной линии, установите перемычки P7 и P12. Больше никаких перемычек устанавливать не надо.

2. Подготовка платы для работы в параллельно-мостовом режиме. Один канал 100 Вт.
Установите перемычки P14, P15 и соедините перемычкой выходы усилителя P3 с P4 и P8 с P11.
Теперь ваш усилитель будет работать в параллельно-мостовом режиме и выдавать 100 Вт. Громкоговоритель подключайте к P6 и P8. Сигнал подавайте на вход правого канала.

Подбором резисторов R5 и R8 можно подобрать уровень усиления и входное сопротивление, а также перевести усилитель в режимы ведущего (master) или ведомого (slave)

Усилитель имеет очень высокий КПД > 90%, поэтому он не очень требователен к теплоотводу. В качестве радиатора можно использовать, например этот . Форма, крепежные отверстия и размеры, которого сделаны специально для этого модуля. К тому же он имеет золотое покрытие, что внешне очень привлекательно.

Радиатор

Это открытый проект! Лицензия, под которой он распространяется –