Трехполосный громкоговоритель Batti на динамиках с металлическими диффузорами

На выставке РосHI-End 2013 совместно с усилителем Л. Зуева и ЦАП-ом В. Корсакова демонстрировался трехполосный громкоговоритель на динамиках с металлическими диффузорами. Воспроизведение этой системой музыкального материала, подобранного В. Луханиным, получило много отзывов, ознакомиться с которыми можно на сайте Vegalab.

Разработка проводилась с целью построения компактного напольного громкоговорителя, предназначенного для озвучивания жилых помещений площадью до 15-20 кв. метров, ориентированного на воспроизведение музыкальных программ с плотным спектром и качественным воспроизведением вокала на фоне плотного спектра сигнала. Ниже будет рассмотрена версия этого громкоговорителя, доработанного по замечаниям посетителей и участников выставки, а также с учетом возможности повторения конструкции в домашних условиях. Увеличение бюджета проекта, связанного с доработкой, нам представляется оправданным повышением качества воспроизведения звука. Ниже поговорим подробнее о компромиссах, в том числе, между ценой и качеством.

В жилых помещениях площадью 15 -20 кв. м. не всегда удается оптимально разместить громкоговорители, что приводит к проблемам в воспроизведении низких частот и ухудшению локализации кажущихся источников звука. Это обстоятельство принималось во внимание и нашло отражение в выборе основных технических решений проекта.

Чертеж корпуса трехполосного громкоговорителя Batt
Рис. 1

Чертеж корпуса громкоговорителя показан на рис 1.

Передняя панель имеет форму трапеции, переменная ширина передней панели немного снижает дифракционные эффекты. Низкочастотное акустическое оформление закрытого типа имеет полезный объем 30 литров, на который работает динамик RS225. Внутри НЧ отсека помещен кусок звукопоглотителя (синтепон) размером 0.5 на 0.5 м. Выбор закрытого акустического оформления обусловлен желанием получить по возможности компактный импульсный отклик НЧ звена.

В жилых помещениях, как правило, имеют место стоячие волны между стенами, между полом и потолком. В такой ситуации целесообразно отдавать предпочтение компактному импульсному отклику перед расширением частотного диапазона вниз с помощью фазоинвертора.

Рамка пылезащитная трехполосного громкоговорителя Batti
Диаграмма направленности в вертикальной плоскости
Рис. 2

СЧ динамики работают на закрытый объем 6 литров, плотно заполненный звукопоглотителем. Использование двух динамиков W4-1337SD для СЧ диапазона приводит к увеличению затрат, которое оправдывается улучшением перегрузочной способности на средних частотах и позволяет построить конфигурацию МТМ, обеспечивающую сужение диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Сужение диаграммы направленности на СЧ представляется дополнительным бонусом, поскольку повышает уровень прямого сигнала в точке прослушивания. Симуляция диаграммы направленности в вертикальной плоскости показана на рис. 2. Динамик W4-1337 имеет подвижную массу 4.6 грамм при площади диффузора 57 кв. см., линейный участок хода звуковой катушки 3мм. Величина индуктивности звуковой катушки 0,015 мГн, указанная в справочных данных изготовителя, вызывает сомнение.

По моим оценкам W4-1337 имеет Levc = 0.4 мГн, что вполне приемлемо для средних частот. Низкое значение подвижной массы и жесткий диффузор обеспечивают хорошую передачу динамических контрастов. Этот динамик изготавливается в двух версиях: W4-1337SD имеет неодимовый магнит, W4-1337SDF - ферритовый. Для громкоговорителя подходят обе версии. До публикации этой работы удалось обследовать 18 экземпляров W4-1337SDF и 24 экземпляра W4-1337SD. По результатам измерений параметров выяснилась возможность не подбирать динамики в пары для МТМ конфигурации.

Увеличение бюджета, связанное с заменой пищалки Seas H1499 на Mundorf AMT 19CM 2.1, оправдано повышением качества воспроизведения высоких частот. Кроме того, в результате замены из схемы фильтра удалось исключить 4 элемента, в том числе, требующие подстройки, поскольку АМТ 19СМ поставляются парами, с малым разбросом характеристик.

Выбор динамиков для громкоговорителя предполагал использование частот раздела 500 и 3500 Гц. Указанные частоты раздела с запасом обеспечивают работу динамиков в поршневом режиме.


Рис. 3

При частоте раздела 500Гц двух полярный импульсный отклик, который неизбежно получается при противофазном включении динамиков, не портит ощущения от восприятия звучания. Предполагаю, что искажения формы сигнала длительностью менее 2 мсек. лежат за пределами временного разрешения слуха на частотах выше 500 Гц. Симуляция импульсного отклика НЧ и СЧ динамиков, работающих с фильтрами, показана на рис. 3. Результат симуляции импульсного отклика вызывает некоторые сомнения, в этом вопросе придется разбираться. Пока можно ориентироваться на результаты прослушивания, которые свидетельствуют о быстрой и динамичной подаче звука в низкочастотном диапазоне.

Частота раздела 3500 Гц является приемлемым компромиссом, связанным с нелинейными искажениями СЧ и ВЧ динамиков.


Рис. 4

Результат симуляции АЧХ громкоговорителя показан на рис. 4. АЧХ оптимизировалась для расстояния до точки прослушивания 2.5 м. Небольшой подъем на верхнем крае частотного диапазона учитывает уменьшение акустической мощности с ростом частоты, которое имеет место по причине сужения диаграммы направленности. На рис. 5 показаны ФЧХ динамиков, работающих с фильтрами.


Рис. 5

Рис. 6

Схема кроссовера показана на рис. 6. На частоте раздела 500 гц фильтрами сформированы спады АЧХ 2-го порядка с добротностью около 0,5. Динамики НЧ и СЧ включены с переполюсовкой. Широкая область совместного излучения (рис. 4) и компактный импульсный отклик (рис. 3) обеспечивают слитность и динамичность подачи звука. На частоте раздела 3500 сформированы спады АЧХ 4-го порядка по Линквицу-Рейли. Для ВЧ динамика AMT 19CM 2.1 формирование заданного спада АЧХ обеспечил электрический фильтр 2-го порядка, для СЧ динамиков потребовался электрический фильтр 3-го порядка.

Фильтр пищалки предъявляет наиболее жесткие требования к качеству элементов. Вариант параллельного соединения пленочного и фольгового конденсаторов оказался хорошим компромиссом между ценой и качеством.

Режекторный фильтр R5 L4 C5, который согласно широко распространенному мифу должен убивать звук, выполняет функцию защиты СЧ динамиков от перегрузки и корректирует ФЧХ на частоте вблизи 100Гц. Номинал резистора R5 зависит от омического сопротивления катушки L4. В сумме с омическим сопротивлением катушки L4 должно быть 4 ома ± 10%. При повторении громкоговорителя совсем не обязательно использовать типы комплектующих изделий, которые указаны в таблицах. Фильтры кроссовера имеют низкую добротность и допускают отклонения номиналов от указанных на схеме не менее 5%, а по омическим сопротивлениям катушек 10%. В кроссовере используются резисторы МОХ на мощность 10 Вт.

Катушки индуктивности

Конденсаторы

L1 Mundorf Aire Core M Coil 0.47 mHn 0.58 Ohm
L2 Mundorf Aire Core M Coil 0.82 mHn 0.44 Ohm
L3 Mundorf Aire Core M Coil 0.22 mHn 0.21 Ohm
L4 ERSE Air Coil ALg 20ga 3,3 mHn 1,37 Ohm
L5 Mundorf Ferrite M Coil BH Drum coil 5.6 mHn 0.62 Ohm
C1-2 Dayton Audio PPF 0,47 mkF 400V
C1 MKP Mundorf M Cap 3.3 mkF 250V
C2 MKP Mundorf M Cap 22 mkF 400V
C3 MKP Mundorf M Cap 10 mkF 400V
C4 MKP Mundorf M Cap 8.2 mkf 250V
C5 Erse Non-Polarized 470 mkF 100 V
C6 MKP Mundorf M Cap 47 mkF 400V

Передаточные характеристики фильтров показаны на рис. 7. Резистора R6 величиной 22 Ом оказалось достаточно для устранения нежелательного взаимодействия фильтра с динамиком. Об этом можно судить по передаточной характеристике фильтра НЧ. «Накачка» не превышает 1,5 дБ с максимумом на 70 Гц.

На рис. 8 показана зависимость от частоты входного сопротивления громкоговорителя. Минимальное значение входного сопротивления 6 Ом, максимальное 13,5 Ом. Фазовый угол, характеризующий реактивную составляющую входного сопротивления, не выходит за пределы плюс - минус 30 градусов в полосе частот 20 – 20000 Гц. Параметры входного сопротивления громкоговорителя позволяют считать его вполне комфортной нагрузкой для усилителя.


Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

На рис. 9 показана АЧХ громкоговорителя, измеренная в комнате на расстоянии 1м при входном напряжении 2.83 В. Измеренная АЧХ не сглажена, а является результатом усреднения трех измерений: вдоль оси ВЧ динамика и при смещении микрофона на 5 см вниз и вверх от оси. Такая методика измерений позволяет получить более ясное представление о тональном балансе громкоговорителя в помещении, чем сглаженная АЧХ вдоль оси ВЧ динамика.

В заключение считаю необходимым выразить благодарность В. Луханину, который решил все организационные вопросы и выполнил основную часть работы по модернизации громкоговорителя, компании Difton, оперативно и качественно изготовившей корпуса, а также всем любителям звука за замечания и предложения по проекту.

С. Бать