Система ЭБОС в низкочастотном тракте АС

"Давайте подумаем" Сократ

Часть 1. Начало...

   Автор выражает большую благодарность Наилю Мухамедзянову (aka Nota Bene) за идею, материалы и техподдержку. Если бы не он, то этой АС в таком виде не существовало.

   ЭБОС - электро-барометрическая обратная связь, как и ЭАОС (электро-акустическая обратная связь) являются разновидностями системы ЭМОС (электро-механическая обратная связь). Цель у этих систем одна: задействовать низкочастотный ЭДГ (электродинамический громкоговоритель) в петлю обратной связи для уменьшения линейных (АЧХ) и нелинейных (Кг) искажений в НЧ и ИНЧ диапазоне. ЭБОС основана на измерении и регулировании давления воздуха внутри АС создаваемого диффузором НЧ ЭДГ. Преимущество ЭБОС по сравнению с ЭМОС заключается в том что не надо переделывать ЭДГ, а с ЭАОС в том что перед ЭДГ нет никаких конструкций со штангами для крепления микрофона, поэтому ЭБОС получается самой дешевой и легкой для повторения.

   Для чего нужна ЭМОС? Многие спорят в ее нужности утверждая что ниже 30Гц ничего музыкального нет (все что ниже верхней струны бас гитары киноспецэффект (запатентовано :-)) А. Торрес), но кто хоть раз послушал систему оснащеную ЭМОС утверждают другое, и доказательно показывают нужность воспроизведения вплоть от 5Гц! [1]. Для этого приведена спектрограмма, см рис.1, фрагмента музыкального сигнала с высоким содержанием НЧ составляющих. (Публикация материалов из [1] и [2] с разрешения Nota Bene)

Рис.1.

А также эмуляция откуда это берется см рис.2. Для этого рассмотрен спектр тестового сигнала типа Tone Burst с параметрами: частота – 50Гц, длительность тоновой посылки – 100мсек, период повторения – 200мсек, этот сигнал отдаленно имитирует ударные инструменты.

Рис.2.

К сожалению, не только аудиофилы и меломаны, но и "технари" забывают что кроме гармоник основных сигналов существуют еще и гармоники от огибающих сигналов. Конечно такой частоты даже при экспериментах трудно добиться так что пока лучше ограничиться заветной 20Гц, но, если получится ниже, то это будет очень хорошо. Только нужно учесть что с понижением среза частоты на октаву, т.е. в 2 раза, нужно увеличить подводимую мощность к НЧ ЭДГ в 8 раз [4].

Рис.3.

Скорость - это результат интегрирования от ускорения, по сравнению с ускорением ее график наклоняется на 6дб/октава (20дб/декада) в сторону высоких частот. Смещение - это результат интегрирования от скорости, или второй результат от ускорения, наклон по сравнению с ускорением будет 12дб/декада (40дб/октава), см рис.4. Разброс на ВЧ показывает зависимость фазы от группового времени задержки (ГВЗ) сигнала, X1 на рис.3, включающую в себя инерционность ЭДГ и расстояние от диффузора до датчика. Графики соответствуют 0мсек, 0,1мсек, 0,25мсек, 0,5мсек и 1 мсек.

Рис.4.

При испытаниях барометрического датчика [3] выяснилось что он реагирует на смещение диффузора НЧ ЭДГ. Но было решено делать датчик по скорости так как в [4] указано, что ЭМОС по скорости самая устойчивая во всем рабочем (для ЭМОС) звуковом диапазоне. Чтобы получить из смещения скорость надо провести обратную процедуру интегрированию, т.е. продифференцировать сигнал с приемника смещения, в данном случае давления.

   Систему ЭБОС, как впрочем и любую ЭМОС, проще реализовать в сабвуфере где частота сверху ограничена рабочей частотой сабвуфера, и как правило не превышает 150Гц, сложнее реализовать в НЧ звене готовой АС с использованием широкополосного УМЗЧ, потому-что сигнал с бародатчика нужно ограничивать сверху чтобы стоячие волны внутри корпуса не внесли свою лепту в формировании АЧХ. Но при этом на границе ограничения при стыке сигналов прямого и с бародатчика появляется горб, к этому еще фильтр бародатчика накладывает свою ФЧХ ограничивая глубину ЭБОС. В сабвуфере, при оптимальном ЗЯ где стоячие волны маловыражены и находятся выше рабочих частот, горб проявляется от ГВЗ, но и этот горб при оптимальном расположении датчика находится выше 200Гц, что за пределами работы сабвуфера. При рассмотрении АЧХ бародатчика в ЗЯ 20литров ЭДГ 25ГД-26Б при отключеной ЭБОС и всех корректоров рис.5 делается вывод, что частоту с датчика для конкретного корпуса АС нужно ограничить до 160Гц. При проведении опытов и сравнении с результатом в [3] выяснилось что самый лучший корпус это куб.

Рис.5.

К тому же ЭБОС (как и любые системы ЭМОС) так же как и ООС не являются системами мгновенного действия. Т.е. при приходе прямого сигнала на вход УМЗЧ компенсация с ООС поступает с задержкой, именно в этот промежуток времени, пока из ООС не пришла компенсация сигнала происходят динамические искажения. В ЭБОС эта задержка может достигать 1мсек. Поэтому чтобы снизить заметность динамических искажений в петле ЭБОС было решено частоту приблизить к 100Гц. Из этого делается вывод, что любая система ЭМОС должна работать с той частоты с которой начинается резкое повышение Кг НЧ ЭДГ. ЭМОС должна только компенсировать эти искажения и выравнивать АЧХ на ИНЧ. Выше этих частот делать ЭМОС нежелательно, более высокие частоты, свыше 100Гц, лучше отдать ООС, как более быстродействующей, тем более проблем с воспроизведением этих частот как правило не бывает. Только по этой причине ЭАОС лучше ЭБОС, т.к. ГВЗ, и соответственно динамических искажений на частотах менее 100Гц можно добиться меньше, но хорошо то что на этих частотах они почти незаметны.

   Изготовление бародатчика.

   И качестве приемника давления взяты 2 дисковых пьезоэлемента применяемые в пьезоизлучателях. Пьезоэлементы должны быть на немагнитной латунной основе и диаметром 20-25мм. С меньшим диаметром применять нежелательно, потому-что уменьшится чувствительность, а большим не рентабельно, т.к. они дороже а с очень большими есть вероятность увеличения Кг при больших прогибах кристалла. Пьезоэлементы обязательно нужно подбирать одной полярности, для этого его подключают к прибору и делают небольшой нажим для его прогиба и следят за показаниями прибора, при одинаковой полярности подключения прибора показания при нажиме и отпускании должны соответствовать. 2 пьезоэлемента расположеных зеркально и подключеных параллельно уменьшают внешние вибрации на корпус датчика т.к. эти помехи синфазные и будут вычитаться. В качестве пьезоэлементов взяты пьезоизлучатели отечественного производства ЗП25 диаметром 20мм, но лучше применить импортные, к примеру HPA22D, диаметром 22мм потому что в отечественных излучателях ОЧЕНЬ! много брака и после отбраковки импортные получаются намного дешевле. Основа за конструкцию датчика взята из [2]. Заготовку для датчика рис.6 толщиной примерно 0,2-0,3мм надо использовать немагнитную, латунь, медь. Длина выбрана с учетом установки платы датчика 50мм, внутренний диаметр примерно на 1мм больше наружного диаметра пьезоэлемента + 2мм на стык для пропаивания. 20мм+1мм=21мм, 3,14*21мм=66мм, 66мм+2мм=68мм. Соответственно размер платы бародатчика будет 40ммx21мм.

Рис.6.

Торцевые стороны делят на 3 части, и на глубину 1,5мм делают надрезы для формирования язычков, которые будут удерживать пьезоэлементы. Вдоль места стыка тоже делают разрезы и слегка разводят в стороны. После придания круглой формы на оправке разрезы друг в друга втыкают и пропаивают. В центре шва делают отверстие для выводов датчика. Затем язычки отгибаютъ во внутрь рис.7.

Рис.7.

К пьезоэлементам подпаивается провод МГТФ-0,06, пайку желательно производить по центру, точечно, без перегрева посеребрения рис.8.

Рис.8.

После припаивания провода это посеребрение желательно покрыть от окисливания слоем лака или силиконового герметика. Собирают плату и проверяют ее работоспособность, затем вставляют в корпус, подпаивают корпус к экранирующей шине на плате, и закрывают с обеих сторон пьезоэлементами, которые подпаивают к отогнутым язычкам, кристаллы пьезоэлементов должны быть внутри. Если у Вас оказались кристаллы разной полярности тогда возможна установка одним во внутрь другим наружу, но это нежелательно т.к. могут быть большие электромагнитные наводки на кристалл. Вровень с выступами корпуса пьезоэлементы покрывают эластичным силиконовым герметиком, этим же герметиком заделывают щель у выводов рис.9. При глубине прорези для язычков 1,5мм с учетом закругления на изгиб и толщины основания пьезоэлемента слой герметика будет около 1мм.

Рис.9.

Герметик не только делает внутренний объем датчика герметичным но и уменьшает резонансы самого пьезоэлемента, хотя они проявляются на частоте более 1кГц. Готовый датчик заворачивают в 5-10мм слой ваты не задевая торцевые места с пьезоэлементами и накрывают пористой тканью, например марлей. Для придачи формы и чтобы не развалилась вата сверху обматывают узким скотчем рис.10.

Рис.10.

Датчик размещают на бОльшей стенке корпуса АС в 4-8см от диффузора ЭДГ, т.к. вблизи стенок, по сравнению с ценральным объемом воздуха в АС, происходит торможение скоростной компоненты стоячей волны. Пьезоэлементы должны располагаться на одинаковом расстоянии от диффузора. С помощью ваты можно сгладить резкие выбросы, см рис.5, а верхнюю рабочую частоту выбрать ниже первого пика. Закрывать звукопоглатителем прямой поток с диффузора на датчик нельзя см рис.11 желтая кривая, при этом повысится неравномерность в рабочем диапазоне частот.

Рис.11.

Чем меньше расстояние от диффузора до датчика тем лучше, но очень близко располагать или вставлять в окна диффзородержателя нежелательно. Если добиваться максимального КПД то корпус нужно расчитывать по оптимальному размеру для конкретного ЭДГ в ЗЯ, если КПД в расчет не брать то можно его уменьшать до разумных пределов. Схема предусилителя бародатчика приведена на рис. 12.

Рис.12.

Значение резистора R1 определяется исходя из значения суммарной емкости имеющихся пьезоэлементов [2]. Постоянная времени t=R1*(C1+C2) должна соответствовать частоте конца поршневого диапазона ЭДГ (F=1/(2*Pi*t)) - ориентировочно - 600-800Гц. Для больших ЭДГ с тяжелым диффузором возможно уменьшение верхней частоты до 300-400Гц. С1 и С2 это и есть пьезоэлементы, С3 ограничивает полосу пропускания примерно в 1кГц, выбран так чтобы он не влиял в поршневом диапазоне, а выше уменьшал лишние шумы и резонансы пьезоэлемента.

   Усилитель.

   Так как система по скорости имеет спад на НЧ 6дб/октава для его компенсации применяют входной корректор-интегратор рис.13. Для использования в АС этот интегратор работает до частот работы ЭБОС. Ниже 20Гц нужно частоту ограничить. Для этой цели применен неидеальный интегратор на Х1. Частоту снизу ограничивают С1, R1||R2, а выше работы ЭБОС усиление равно (R2||R3)/R1.

Рис.13.

На Х2 собран усилитель-корректор с бародатчика ЭБОС, по сути это полосовой фильтр 1-го порядка, для ФНЧ используется интеграторная часть фильтра R6C4, а для ФBЧ - R5C3. Без ФВЧ трудно добиться подъема на ИНЧ из-за нехватки усиления в УМЗЧ, т.к. УМЗЧ охвачен линейной ООС во всем звуковом диапазоне, ФВЧ принудительно уменьшает глубину ЭБОС на НЧ, что создает дополнительное петлевое усиление выравнивая на ИНЧ. Входной сигнал и сигнал с бародатчика вычитаются в Х3 формируя сигнал компенсации (ошибки) ЭБОС. На Х4 собран режекторный фильтр настроенный на верхнюю частоту работы бародатчика, т.е. на частоту среза ФНЧ на Х2. Этот фильтр выравнивает горб на стыке прямого сигнала и сигнала с бародатчика. Далее сигнал идет на неинвертирующий УМЗЧ типа ИНУН X5, X6 с Ку=21, схема УМЗЧ дана условно, на макете применен LM3886. Глубину регулировки ЭБОС осуществляют резистором R8, на макете к нему последовательно устанавливается дополнительный подстроечный резистор на 33к-47к и перед включением ставиться максимальное сопротивление. Это делается для того чтобы не испортить ЭДГ и УМЗЧ если фаза ЭДГ не совпадет, уменьшать сопротивление надо очень плавно и если возникнет возбуждение на НЧ то выключайте и поменяйте полярность ЭДГ.

   На рис.14 приведены АЧХ и ФЧХ всех каскадов с включеной (верхние кривые каждого цвета) и с выключеной ЭБОС (нижние кривые).

Рис.14.

Теоретический результат: если смотреть графики измерения бародатчика рис.5, то резонанс ЭДГ снизился с 55-60Гц, в зависимости от заполнителя, до, примерно 13Гц, соответственно частота снизилась на столько же.

   А какой результат на практике? см рис.15. Замеры производились микрофоном, т.е. SPL.

Рис.15.

Не обращайте внимание на всплески 50Гц, это внешний фон улавливаемый микрофоном. Без ЭБОС спад начинался с 60Гц, сейчас совсем другое дело, ниже 20! Но, к сожалению, чтобы достичь таких частот рабочая мощность намного упала, максимум что можно взять от этой АС это 7-8Вт. При использовании TDA7293 10-12Вт. Хорошо что у 25ГД-26Б пиковая мощность составляет 125Вт. К счастью, на таких частотах амплитуда НЧ/ИНЧ составляющих в реальном музыкальном сигнала достаточно мала, как правило пик приходится на 50-60Гц, так что потери в максимальной мощности на рабочих частотах АС будут не так велики. Ругать и пинать эту АС не надо, что Вы хотите от 25ГД, для ЭМОС нужны не такие ЭДГ, но даже с этим отличные результаты. Также произведено подключение к усилителю готовой АС с пассивными фильтрам (кроссоверами). Система ЭБОС работает устойчиво. Но чтобы добиться большой глубины ЭБОС придется настроить корректор-режектор по частоте конденсаторами C5,C6,C7, чем выше емкость тем ниже частота, и глубину режекции R12, чем меньше сопротивление тем сильнее вырезается горб. Возможно придется ставить второй режектор на частоту 450Гц (для этой АС), т.к. на этой частоте возникает возбуждение при большой глубине. В симуляторе этого не видно потому-что эквивалент ЭДГ по SPL хорошо эмулирует только около частоты резонанса, а также он не учитывает характеристики корпуса АС, по графикам рис. 15 хорошо видно как при большой глубине ЭДГ начинает повторять АЧХ бародатчика по стоячим волнам. И чтобы не делать дополнительный режектор лучше применить фильтр бародатчика более высокого порядка.. Также на макете выяснилось что с повышением глубины возникает постоянная составляющая на выходе УМЗЧ, сдвиг ЭДГ составляет до 8мм. Эту составляющую можно убрать применив переходные конденсаторы, но лучше сделать стабилизатор нуля.

   Ниже приведена другая схема, по всем параметрам эквивалент предыдущей, но в нее введена стабилизация нуля и усилитель сделан неинвертирующий, т.е. от входа до ЭДГ сигнал не инвертируется. Рис.16. Еще хочу напомнить то что изготовленные бародатчики могут иметь разную фазу, в зависимости какие попались при покупке пьезоэлементы, они могут быть подобраны, но Вы не знаете какая полярность была при изготовлении данной схемы, конечно можно перекинуть выводы АС, но это может не стыковаться с аудиофильской догмой что сигнал не должен быть инвертирован. В этом случае после бародатчика перед его корректором нужно поставить инвертор.

Рис.16.

   Если Вы будете использовать хорошие ЭДГ большого диаметра и чувствительностью можно опустить нижнюю частоту вплоть до 5Гц. Для этого нужно дополнительно поднять усиление на НЧ в петле ЭБОС, проще это сделать в УМЗЧ. Измененная часть схемы Рис.13 приведена на Рис.17 в цепь ООС УМЗЧ добавлены Rдоп и Cдоп.

Рис.17.

   Результат без всяких регулировок и подстроек см схему Рис.13 показан на Рис.18. При этом глубина ЭБОС увеличивается.

Рис.18.

   При использовании этих схем в качестве широкополосного УМЗЧ в АС есть один нюанс: при увеличении глубины ЭБОС увеличивается усиление всего усилителя, что дает непредсказуемые результаты усиления после тщательной настройки. Поэтому было принято решение изменить схему [3] выделения сигнала ошибки. Измененная схема Рис.13 приведена на Рис.19.

Рис.19.

Эта схема как и на Рис.16 является неинверсной, т.к. инверсия прямого сигнала происходит 2 раза, во входном интеграторе и в схеме выделения ошибки ЭБОС.

На Рис.20 показана АЧХ и ФЧХ этой схемы при разной глубине ЭБОС (на каждом цвете стоящая отдельно кривая - выключеная ЭБОС).

Рис.20.

По графикам видно что изменения в высокочастотной части не происходит даже при отключеной петле ЭБОС.

   Как вычислить глубину ЭБОС.

Прежде чем вычислить получившуюся глубину ЭБОС нужно определиться в какой точке петли ЭБОС производить измерения. При эмуляции проще и наглядней посмотреть SPL в точке "A" см. рис.19 и рис.20.
Для этого нужно произвести 2 измерения, с замкнутой, и оптимально настроеной ЭБОС, и с разомкнутой ЭБОС, после этого сравнить измерения. Разница в результате и будет глубина ЭБОС. Если измерения были произведены в Вольтах их надо преобразовать в дБ. Увеличенное изображение этой части показано на Рис.21

Рис.21.

на графике хорошо видно что максимальная глубина ЭБОС находится на частоте 35Гц и составляет всего 5дБ. Оптимальная глубина должна составлять 9-16дБ. Выше, затраты не будут оправдывать результата, а ниже нет смысла, т.к. кроме выравнивания нужно еще добиваться минимальных искажений. Если нужно только выравнивание АЧХ то проще поставить корректор Линквица.

Сделать глубокую ЭБОС, как впрочем и ЭМОС, в широком диапазоне частот очень трудно, почти невозможно. И в ЭТОМ виновата ФЧХ НЧ ЭДГ в низкочастотном диапазоне, именно в той части в которой нам нужно выравнять АЧХ, см рис.22 график фазы НЧ ЭДГ по SPL. (нижний график рис.4)

Рис.22.

К этому еще добавляется расстояние бародатчика до диффузора ЭДГ на рис.22 0.2мсек, 0.5мсек и 1 мсек. ФЧХ УМЗЧ можно игнорировать, т.к. в этом диапазоне практически у любого УМЗЧ фаза линейна. Добиваясь бОльшей глубины сужается диапазон частот устойчивой работы ЭБОС (ЭМОС), т.к. в любом случае фаза на краях поворачивается на 180град. и появляется возбуждение, оно чаще всего возникает в области 200Гц-800Гц. В случае если применить фильтр НЧ в корректоре бародатчика для ограничения верхней частоты то возбуждение появляется на частоте раздела, т.к. дополнительно накладывается фаза фильтра.

Все сказанное больше относится к использованию ЭБОС в низкочастотном тракте АС, при изготовлении сабвуфера с ЭБОС все это проявлятся в меньшей степени, т.к. диапазон рабочих частот будет ограничен входным фильтром сабвуфера.

АС еще не закончена не устраивает глубина ЭБОС, хотя АЧХ вниз достигнута, дальнейшая работа это усовершенствование схемы на Рис.19 так что:
Продолжение следует...

4.04.07г.

с изменениями от 8.09.07г.

Автор: Лузянин Виктор Алексеевич

Литература:
1. Мухамедзянов Наиль. "Вниз по лестнице, ведущей вверх... или ЭМОС в низкочастотном звене АС." http://www.reanimator-h.narod.ru/emos.html
2. Мухамедзянов Наиль. "Как сделать барометрический датчик" http://www.reanimator-h.narod.ru/baro_sens.html
3. Мухамедзянов Наиль. "Избранное из темы по построению ЭМОС (ЭБОС) на основе барометрического датчика" (по материалам тематической ветки "Датчик ЭМОС" на Вегалабе) http://www.reanimator-h.narod.ru/forum_baro.html
4. Беспалов И. Пикерсгиль А. "И снова об ЭМОС" Радио 1985 №7 с.33-36.