Материал: Проектирование и конструирование высококачественных акустических систем. Бадаев А.С

β1 = 4πcfКР1 = 12.34056 38 =1.4.

Будем использовать «узкогорлый» рупор с ПК с коэффициентом тран с- формации n = 2, тогда площадь горла SГ1 = Sд /2 ≈160 см2, объ м ПК из формулы

(5.91) Vк ≈ Vэ 14 = 4.6 дм3. Площадь «устья» определим из условия сравнимости

Рассчитаем широкогорлый экспоненциальный фронтальный СЧ-ВЧ- рупор. Как следует из рис. 5.38, НЧ-рупор является полосовым фильтром, поэтому выбираем fКР2 в пределах 2.5 октав от f0 = fКР1 = f1 , где АЧХ падает на

L2 = ln(2300314)= 27см.

7.4

Теперь, задавшись формой сечения НЧ-рупора, следует построить его контур, например, в масштабе 1:10, то же самое надо проделать для СЧ-ВЧ- рупора, не забывая, что лучше его построить с профилем рупора цилиндрической волны. И, наконец, осталось грамотно сложить НЧ-рупор и поместить его в корпус.

Энергетические характеристики рупорных АС с конкретными ГГ можно рассчитать, используя данные работ [5, 10]. На рис. 5.42 приведена АЧХ одних из немногих бескомпромиссных и честных тр хполосных полностью рупорных АС Klipsch «La Scala» (Model K-447). Крутизна спада АЧХ в области НЧ составляет 12 дБ/окт, завал начинается со 120 Гц, но что делать, зато им еще мо-

135

жет найтись место в реальной квартире при габаритах 98×62×64см и весе 80 кг (сравнить с габаритами выше рассчитанных АС на Lowther PM 4). Интересно отметить, что эта модель производится, по-моему, с начала 60-х годов прошлого века и выпускается до сих пор. Таким образом, Klipsch «La Scala» — это не АС, это легенда (с соответствующей ценой), их внешний вид представлен на рис. 5.43.

Рис. 5.42. АЧХ рупорных АС Klipsch «La Scala»

Рис. 5.43. Рупорные АС Klipsch «La Scala»

5.4. Разделительные фильтры

Большинство современных высококачественных АС являются многополосными, т.е. состоящими из нескольких ГГ, каждая из которых работает в сво- м диапазоне частот. Это обусловлено тем, что очень сложно создать широкополосный излучатель, обладающий хорошими характеристиками в широком диапазоне частот, поскольку требования, представляемые к ГГ для воспроизве-

136

дения, например, низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот противоположны. И, хотя, разработаны достаточно хорошие широкополосные ГГ, например, фирм «Lowther» и более бюджетные — «Fostex», проблема оста тся. Тем не менее, многие меломаны и аудиофилы предпочитают слушать широкополосные ГГ без всяких фильтров, считая недостатки таких ГГ гораздо меньшей бедой по сравнению с многополосием, особенно, когда число полос больше 2-х, да ещ и с неграмотными фильтрами.

Основное назначение фильтров в АС — распределение энергии входного сигнала между ГГ. Они влияют практически на все характеристики АС: АЧХ, ФЧХ, ГВЗ, направленность, сопротивление, уровень искажений и др. Выбор конкретной схемы фильтров определяющим образом зависит от применяемых ГГ, их взаимного расположения, а иногда и от акустического оформления ГГ [19].

Таким образом, создание многополосных АС с фильтрами, подбор ГГ и их сопряжение является очень большой и серь зной проблемой. Учитывая, что достаточно давно появились НЧ-СЧ излучатели с отличными характеристиками в диапазоне частот 25–3000 Гц ведущих мировых производителей «Seas», «Scan-Speak», «Vifa», «Focal» и др., возникает вопрос, а стоит ли вообще разр а- батывать 3-х, а тем более, 4-х полосные АС? Но верн мся к теме раздела.

Подробное и серь зное исследование теоретических аспектов проблемы, связанной с влиянием фильтров различных аппроксимаций с разными передаточными функциями и порядками абсолютно на все характеристики АС, содержится в работах И. А. Алдошиной и команды, например [1], особенно, [10] и др. Кроме того, в них приводятся нормированные значения элементов фильт- ров-прототипов и формулы для расч та фильтров вплоть до шестого порядка. Справочник Ханзела [20] содержит более чем всю информацию по расч ту фильтров, поэтому в настоящем разделе рассмотрим некоторые основные практические вопросы, связанные с применением, выбором и расч том фильтров.

Будем рассматривать 2-х полосные АС.

Основными параметрами фильтров являются: частота раздела fр, кру-

тизна спада АЧХ, определяемая порядком фильтра, добротность, передаточная функция, аппроксимированная дробно-рациональными функциями в виде отношения полиномов (п. 5.3). В зависимости от типа полиномов бывают фильтры Баттерворта, Чебышева, Гаусса (Бесселя), Кауэра и др. Все фильтры имеют одинаковую лестничную структуру, типичные примеры фильтров разных порядков показаны на рис. 5.44 [1].

Фильтры 1–4 порядков обеспечивают крутизну спада АЧХ в полосе пропускания соответственно 6, 12, 18 и 24 дБ/окт. Структура и схема фильтров Кауэра несколько иная (рис. 5.45) [20]. Полярность включения ГГ в каждом случае подбирается экспериментально — это очень важно.

Исторически первыми появились LC-фильтры типа «К» и «М». Тип «К» характеризуются монотонным спадом АЧХ в полосе задержания, но его малой крутизной, значительным изменением Rвх в полосе пропускания, из-за чего со-

137

гласование фильтра с нагрузкой уда тся осуществить только в части полосы пропускания. Согласование с нагрузкой и АЧХ можно улучшить за сч т усложнения схемы (тип «М»), но в этом случае появляется пик АЧХ в полосе заде р- жания.

Рис. 5.44. Схемы фильтров разных порядков в 2-х полосных АС: а) 1-й порядок; б) 2-й порядок; в) 3-й порядок; г) 4-й порядок; д) асимметричный, 1-й и 3-й порядки

Рис. 5.45. Схемы фильтров Кауэра: а) 3-й порядок; б) 4-й порядок

Позднее появились фильтры «постоянного входного сопротивления», об-

разованные из пары LC-фильтров Баттерворта лестничной структуры, работающих на активную нагрузку. Эти фильтры имеют гладкую АЧХ в полосе пропускания и монотонный характер изменения затухания в полосе пропускания и задержания. Фильтры ч тных порядков обеспечивают равномерную диаграмму направленности АС, но обнаруживают неравномерность АЧХ +3 дБ в области частоты раздела fр. Ч тные порядки дают ровную суммарную АЧХ по напряжению, но неравномерную направленность в полосе пропускания. Эти и другие фильтры обладают нелинейной ФЧХ [10].

Фильтры постоянного напряжения имеют равную АЧХ и равную нулю суммарную ФЧХ по напряжению на всех частотах, таким образом, суммарный

138

сигнал не испытывает искажений АЧХ и ФЧХ. Однако, отдельно ФЧХ обоих каналов различаются и не равны нулю, разница между ФЧХ НЧ и ВЧ каналов составляет 120–180о. Эти фильтры не нашли применения в АС.

Характеристики затухания фильтров Гаусса (Бесселя) и фильтров с линейной фазовой характеристикой монотонны в полосе пропускания и задерживания, они обладают хорошими фазовыми характеристиками, но имеют меньшее затухание, чем фильтры Баттерворта. Все фильтры с линейной фазовой характеристикой используются только как фильтры НЧ, поскольку при преобразовании в фильтр ВЧ или полосовой они теряют линейность ФЧХ.

Затухание фильтров Чебышева носит колебательный характер в полосе пропускания и монотонный — в полосе задерживания. Неравномерность ∆А затухания в полосе пропускания однозначно связана с коэффициентом отражения и КСВ напряжения. Фильтры Кауэра также имеют колебательный характер затухания как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания [20]. Эти типы фильтров в АС нам не встречались.

Существует ещ один тип фильтров, называемых фильтрами «всепропускающего типа». Подобно фазовым корректорам, которые не вносят амплитудных искажений и называются «всепропускающими цепями», эти фильтры обладают независимой от частоты суммарной АЧХ по напряжению для НЧ и ВЧ каналов. Они имеют ряд достоинств и преимуществ по сравнению с фильтрами других типов и обеспечивают: 1) гладкую АЧХ по напряжению; 2) одинаковую форму ФЧХ по напряжению для НЧ и ВЧ каналов; 3) низкий уровень фазовых искажений; 4) равномерные симметричные диаграммы направленности в области fр; 5) низкую чувствительность к изменению номиналов элементов фильтров. Поэтому фильтры «всепропускающего типа» являются наиболее перспективными в высококачесвтенных АС.

Фильтры «постоянного входного сопротивления» имеют постоянное Rвх в случае равенства и активного характера Rн НЧ и ВЧ каналов. Таким образом,

фильтры «постоянного входного сопротивления» неч тных порядков ничем не отличаются от фильтров «всепропускающего типа» неч тных порядков, а фильтры «постоянного входного сопротивления» ч тных порядков в отличие от фильтра «всепропускающего типа» имеют АЧХ с выбросом, достигающим 3 дБ на частоте разделения.

Интересно отметить, что при изучении разделительных фильтров многих АС, в том числе известных мировых брендов, нам редко удавалось их идентифицировать и определить как они рассчитывались. При этом некоторые АС из последней группы вполне достойно звучали, таким образом, получается, что на сегодня нет единого подхода даже к выбору и расч ту фильтров – интересное кино.

Почти всю сознательную жизнь мы полностью доверяли настольной книге [10] и использовали во всех АС фильтры «всепропускающего типа», рассчитанные по привед нным формулам. И вот, лет 15 назад явилась мысль озад а- чить дипломников и поручить им методом компьютерного моделирования ис-

139