Вибір і розрахунок регуляторів гучності

3.4. Вибір і розрахунок регуляторів гучності

Враховуючи той факт, що вхідний звуковий сигнал є незмінним і рівний 1 Вт згідно з ТЗ, а підсилювачі міають постійний коефіціент підсилення, то на вході акустичної системи потрібно ставити регулятори гучності. Оскільки дана акустична система фактично поділяється на дві окремі системи, то необхідно зробити регульовані входи, як у сабвуфері так і в двосмуговій активній системі.

Враховуючи різні нюанси відтворення та запису звуку, вхідний сигнал може бути не збалансований по правому та лівому каналу. Виходячи із попередніх міркувань, в даному випадку доцільним є застосування мікросхеми, яка б виконувала всі ці функції.

Візьмемо мікросхему М 51523L фірми виробника MITSUBISHI ELECTRIC. Схема включення зображена на рис. 3.4.1.

Електричні характеристики М51523L:

-  напруга живлення U_Ж = 6 ... 18 В;

-  опір навантаження R_Н = 10 кОм;

-  коефіціент шуму К_Ш = 12 мкВ;

-  коефіціент гармонік К_Г = 0,2 %;

-  регулювання гучності в межах –50 ... 0 дБ.

Конденсатори С1, С2, С6, С7 – роздільні конденсатори по постійному струму вибираються в межах 1...10 мкФ. Виробник пропонує застосовувати дані конденсатори номіналом 1 мкФ. Візьмемо електролітичні полярні конденсатори К53-4-10-1 ОЖО.467.037 ТУ.

С3 – згладжуючий конденсатор по живленню. Щоб не було пульсацій по напрузі живлення, завод виробник пропонує поставити ємність у 100 мкФ. Візьмемо полярний електролітичний конденсатор К53-4-25-100 ОЖО.467.037 ТУ.

Для забезпечення необхідної внутрішньої корекції заводом виробником пропонується приймати рівними конденсатори С4 = 100 мкФ, С5 = 68 мкф. Візьмемо полярні електролітичні конденсатори К53-4-25-100 та К53-4-25-68 ОЖО.67.037 ТУ.

Резистори R1 та R2 необхідні для балансу між каналами та регулювання гучності. В даному випадку змінні резистори повинні мати лінійну характеристику. Щоб мікросхема оптичмально виконувала свої функції, дані резистори потрібно взяти із номіналами 10 кОм. Застосуємо резистори СП3-9а-16-10кОм±20%.

На сабвуфер звук заходить із правого та лівого каналів, який для початку необхідно просумувати, а потім регулювати.

Застосуємо наступну схему (рис. 3.4.2).

Коефіціент передачі такого регулятора складає

К_u = -z₂/z₁. (3.4.1)

Враховуючи, що максимальний коефіціент передачі рівний 1, ланки z₁ та z₂ повинні бути рівні. Номінали резисторів вибираються в межах від 4,7 до 100 кОм. Для забезпечення оптимальної лінійної регуляції звуку приймаємо R1 = R2 = R3 = 47 кОм, причому резистор R3 є змінним. Застосуємо резистори С2-23-0,125-47кОм±5% А-В-В-А ОЖО.467.104 ТУ. Враховуючи властивості слуху людини, змінний резистор застосуємо із логарифмічною характеристикою СП5-1Б-47кОм ОЖО.468.505 ТУ.

Резистор R4 включений у зворотній зв’язок для того, щоб при R3 = 0 не було короткого замикання виходу на землю. Резистор R4 візьмемо С2-23-0,125-1кОм±5% А-В-В-А ОЖО.467.104 ТУ.

Конденсатор С1 – роздільний конденсатор. Застосуємо конденсатор полярний електролітичний К52-4-10-1 ОЖО.467.037 ТУ.

В якості ОП застосуємо LM301A.

4. Вибір гучномовців та розрахунок корпусів

4.1. Основні елементи конструкції

Корпус АС являється основним конструктивним елементом, формуючи її електроакустичні характеристики в області низьких частот за рахунок регулювання навантаження на тильну поверхню дифузора і використання чи подавлення випромінювання цієї поверхні. Він здійснює суттєвий вплив на електроакустичні параметри АС як в області низьких частот (таких як АЧХ, ФЧХ, характеристика напрямленості , коефіціент нелінійних спотворень), так і в області середніх і високих частот за рахунок коливань стінок корпусу і його внутрішнього об’єму, а також за рахунок впливу форми корпусу на характер дифракційних ефектів.

Найбільш поширеними типами корпусів в сучасних АС є закритий корпус та корпус з фазоінвертором (рис. 5.1.1).

Закритий корпус служить для подавлення випромінювання тильної поверхні дифузора гучномовця. Корпус фазоінверторного типу відрізняється наявністю в ньому отвору, що збільшує рівень звукового тиску у визначеній області низьких частот завдяки випромінюванню тильної поверхні дифузора.

Традиційно в більшості АС застосовують прямокутні корпуса.

Випромінювачі, які використовуються в більшості АС, являють собою електромагнітні головки гучномовців. В ряді АС застосовуються також електростатичні, ізодинамічні та ін.

При виборі типу гучномовця ставляться наступні вимоги:

-  ефективний робочий діапазон частот гучномовця повинен повністю охоплювати той діапазон частот, у якому відтворює звук підсилювач;

-  нерівномірність частотної характеристики звукового тиску повинна бути найменшою;

-  рівень характеристичної чутливості у всіх гучномовців АС повинен бути близьким одни до одного;

-  повний коефіціент гармонічних спотворень повинен бути найменшим;

-  номінальний електричний опір гучномовця повинен відповідати опору навантаження підсилювача;

-  паспортна потужність гучномовця має бути в 1,5...2 рази більшою ніж максимальна вихідна потужність підсилювача.

4.2. Розрахунок конструкції сабвуфера

Виходячи із умов ТЗ та попередніх розрахунків гучномовець для сабвуфера вибираємо виробництва чеської фірми Acoustics TVM типу ARN-150-02/4.

Технічні характеристики:

1. Амплітудно частотна характеристика звукового тиску представлена на рис. 4.2.1.

2. Паспортна потужність 50 Вт.

3. Максимальна короткочасна потужність 100 Вт.

4. Електричний опір 4 Ом.

5. Резонансна частота 45 Гц.

6. Робочий діапазон частот 45...5000 Гц.

7. Рівень чутливості 85 дБ.

8. Еквівалентний об’єм 16 л.

9. Повна добротність 0,24.

10. Габаритні розміри ø 150×65,5 мм.

11. Маса 0,8 кг.

Перед початком розрахунку корпусу перевіримо умову встановлення труби фазоінвертора:

f₀/Q > 100, (4.2.1)

f₀/Q = 45/0,24 = 0,87.

Звідси бачимо, що даний гучномовець просто природжений працювати у корпусі з фазоінвертором.

Така акустична система в цілому складається так ніби з двох резонансних систем – рухомої системи гучномовця і оформлення з отвором. При правильно вибраному відношенні резонансних частот цих систем відтворення низьких частот значно покращиться в порівнянні з закритими та відкритими акустичними системами з таким же об’ємом оформлення. Це пояснюється тим, що на частотах вище резонансної частоти фазоінвертора швидкість коливань частот в отворі зсунута по фазі від швидкості коливань задньої сторони дифузора рухомої системи.

Для правильного вибору відношення параметрів фазоінвертора скористаємось методикою описаною в [4].

На рис. 4.2.2 приведені криві відношення резонансної частоти фазоінвертора f_B до резонансної частоти гучномовця f₀, крива добротності гучномовця на резонансній частоті Q і крива відношення частоти f_З, на якій получається спад до низьких частот частотної характеристики в 3 дБ, до резонансної частоти гучномовця f₀. Всі ці величини далі в залежності від величини відношення V₀/V еквівалентного об’єму гучномовця до об’єму оформлення.

Встановлюємо перпендикуляр із точки на осі ординат (зліва) Q = 0,24, цій точці відповідає абсциса V₀/V = 1,2. Звідси об’єм оформлення:

V = V₀/1,2 = 1,6/1,2 = 13 л.

По кривих f_З/f₀ і f_В/f₀ аналогічно відраховуємо (по правій шкалі ординат) f_З/f₀ = 0,90 і f_В/f₀ = 0,95. Таким чином спад частотної характеристики на 3 дБ буде на частоті:

f_З = 0,9f₀ = 41 Гц.

Резонансна частота фазоінвертора буде рівною

f_В = 0,95f₀ = 43 Гц.

Максимальне значення діаметру трубки обмежується тим, що визначена по формулі її довжина має бути не більшою 1/12 довжини хвилі на резонансній частоті. Крім того, трубка своїм другим кільцем не повинна впиратись в стінку, протилежну тій на якій вона закріплена. Цей кінець повинен бути на відстані від стінки не менше ніж на 4 см. Трубку конструктивно можна виконати із картону.

Розміри трубки визначаємо із формули:

, (4.2.2)

де d – діаметр трубки;

l – довжина трубки;

с = 343 – пружність повітря в середині об’єму.

Як видно із формули, діаметр трубки і її довжина можуть знаходитись в різних співвідношеннях, задовільняючи при цьому формулу.

Для цього спочатку обчислимо

.

Задаємось діаметром трубки 0,05 м ( 5 см).

Тоді її довжина буде

l = (356·d² – 3,4·d)/4 = (356·64·10^-4 - 3,4·8·10^-2)/4 = 0,18 м.

Габаритні розміри акустичного оформлення визначаються із співвідношення:

aхbхc = 2х2^1/2·1. (4.2.3)

Виходячи із формули

V = a·b·c (4.2.4)

можна записати:

0,013 = 2х·2^1/2х·х,

звідси визначаємо х = 0,166, тоді

а = 2·0,166 ≈ 0,33 м,

b = 2^1/2·0,166 ≈ 0,24 м,

c = 0,17 м.

Отримуємо габаритні розміри конструкції сабвуфера: 0,33×0,24×0,17.

4.3. Розрахунок конструкції двосмугової акустичної системи

Дана двосмугова акустична система складається із пари “колонок”, тобто правого та лівого каналу. Оскільки вони ідентичні між собою, то достатньо розглянути лише один варіант розрахунку.

Виходячи із ТЗ та попередніх розрахунків в ролі низькочастотного гучномовця вибираємо 20ГДН-2 вітчизняного виробництва.

Технічні характеристики:

1. АЧХ (рис. 4.3.1).

2. Ефективний робочий діапазон частот 80...3150 Гц.

3. Нерівномірність частотної характеристики звукового тиску не більше 18 дБ.

4. Рівень характеристичної чутливості не менше 81 дБ.

5. Робоча потужність 15 Вт.

6. Повний коефіціент гармонійних спотворень на частотах:

200 Гц – 5 дБ;

400...1000 Гц – 4 дБ;

2000 Гц – 2,5 дБ.

7. Номінальний електричний опір 2,5 Ом.

8. Гранична шумова (паспортна) потужність 20 Вт.

9. Гранична довгочасна потужність 30 Вт.

10. Гранична короткочасна потужність 45 Вт.

11. Частота основного резонансу 50 Гц.

12. Габаритні розміри ø 125×70,7 мм.

13. Маса 1,2 кг.

В ролі високочастотного вибираємо гучномовець чеської фірми Acoustics TVM типу ARZ 6604.

Технічні характеристики:

1. АЧХ (рис. 4.3.2).

2. Паспортна потужність 8 Вт.

3. Максимальна короткочасна потужність 25 Вт.

4. Електричний опір 4 Ом.

5. Резонансна частота 55...90 Гц.

6. Робочий діапазон частот 60...20000 Гц.

7. Рівень чутливості 89 дБ.

8. Еквівалентний об’єм 12 л.

9. Повна добротність 1,15.

10. Габаритні розміри ø 200×80 мм.

11. Маса 0,84 кг.

При розрахунку корпусу двосмугової акустичної системи ми не враховуємо високочастотний гучномовець, оскільки він закритий спеціальним ковпаком із внутрішньої сторони: не вноситиме ніяких спотворень на АЧХ низькочастотного гучномовця.

Перевіримо чи доцільно встановлювати трубу фазоінвертора із використанням вибраного гучномовця:

f₀/Q > 100, (4.3.1)

f₀/Q = 50/0,5 = 100

Як бачимо, дана акустична система може працювати, як і з фазоінвертором, так і без нього. Для спрощення конструкції корпусу застосуємо закритий корпус.

Мінімально допустимий об’єм оформлення [4] визначається із формули:

, (4.3.2)

де Q₁ – добротність акустичної системи,

Q – повна добротність гучномовця,

V₀ – еквівалентний об’єм гучномовця.

Добротність акустичної системи не рекомендується вибирати більшою Q=1, тому що рухома система виходить “роздемпфованою”. Це означає, що при її збудженні, тобто, при подачі на неї напруги музичної або розмовної програми, вона, крім того, щоб коливатись тільки в такт з цією напругою, буде коливатись із частотою власних коливань, близьких до резонансної частоти. Для слухача це буде проявлятись в тому, що до звучання музики буде замішуватись звучання цієї частоти як свого роду “гудіння”. Таким чином, будуть мати місце своєрідні спотворення, які носять назву перехідних. Ці спотворення практично майже не чути, коли добротність не перевищує одиниці.

.

Розрахуємо резонансну частоту системи при об’ємі V = 20 л,

, (4.3.3)

де f₀ = 50 Гц – резонансна частота гучномовця.

 Гц.

Як бачимо, із рис. 4.3.3 спад частотної характеристики на цій частоті є мінімальний і рівний 2 дБ.

Визначимо величину стандартного звукового тиску даної акустичної системи:

, (4.3.4)

 Па.

Розрахунок габаритних розмірів акустичної системи проведемо за методикою, описаною в розділі 4.2:

aхbхc = 2х2^1/2·1.

V = х·2^1/2х·х = 0,02.

визначаємо х = 0,19 м, тоді

а = 2·0,19 =0,38 м,

b = 2^1/2·0,19 = 0,27 м,

c = 0,19 м.

Отримуємо габаритні розміри двосмугової акустичної системи: 0,38×0,27×0,19.

Двосмугова акустична система є двоканальною (правий і лівий канал). Оскільки у правому і лівому каналі використовуються одинакові гучномовці, то даний розрахунок є ідентичним, як для корпусу лівого каналу, так і для корпусу правого каналу.