Электродинамическая обратная связь в акустических системах

Стремление уменьшить габариты акустических систем вызвало повышенный интерес радиолюбителей к электродинамической обратной связи (ЭДОС), как к одному из способов улучшения воспроизведения низших звуковых частот в закрытом ящике малого объема. Электродинамическая обратная связь способна скомпенсировать влияние закрытого ящика и снизить основную резонансную частоту громкоговорителя.

Однако применение элекродинамической отрицательной обратной связи требует увеличения мощности усилителя и применения головок, рассчитанных на большую мощность. Известно, что звуковое давление, создаваемое громкоговорителем, помещенным в закрытый ящик, на частотах ниже его резонансной частоты, падает на 12 дБ на октаву (в четыре раза). Поэтому, если требуется уменьшить низшую граничную частоту громкоговорителя на 1/2 октавы, например с 60 до 42 Гц, то необходимо увеличить звуковое давление на частоте 42 Гц на 6 дБ или в два раза. Звуковое давление, создаваемое громкоговорителем на низших частотах, пропорционально колебательному ускорению диффузора и звуковой катушки; в свою очередь, ускорение звуковой катушки пропорционально протекающему через нее току (напряжению), Следовательно, в рассматриваемом случае мощность подводимого сигнала, то есть мощность усилителя, должна быть увеличена на низшей звуковой частоте также на 6 дБ, или в четыре раза.

Чаще всего в качестве напряжения ЭДОС радиолюбители используют противо-э.д.с. звуковой катушки громкоговорителя, отделяя ее от напряжения основного сигнала с помощью мостовой схемы. Однако этот наиболее простой способ получения электродинамической обратной связи обладает рядом серьезных недостатков. Прежде всего, это трудности точной балансировки моста и влияние на баланс моста нестабильности активного сопротивления звуковой катушки, вызванной изменением мощности подводимого к громкоговорителю сигнала.

Величина противо-э.д.с. звуковой катушки пропорциональна ее колебательной скорости; постоянство же звукового давления на низших звуковых частотах сохраняется только при неизменном колебательном ускорении катушки, то есть напряжение обратной связи должно быть пропорционально ускорению. Отрицательная обратная связь по ускорению звуковой катушки одновременно с уменьшением основной резонансной частоты громкоговорителя увеличивает его добротность, что ухудшает равномерность частотной характеристики на низших звуковых частотах. Обратная же связь по скорости не влияет на основную резонансную частоту громкоговорителя, но зато уменьшает его добротность. Поэтому, если применить комбинированную обратную связь, напряжение которой будет состоять из двух напряжений: пропорционального скорости и пропорционального ускорению, то можно ослабить основной резонанс громкоговорителя и получить более равномерную частотную характеристику. Ослабление основного резонанса улучшает, кроме того, его переходные характеристики, то есть способствует правильному воспроизведению звуков с резко изменяющимися уровнями.

На рис. 1 показаны частотные характеристики громкоговорителя в закрытом ящике объемом 10 л без обратной связи (кривая 1), с обратной связью по ускорению (кривая 2) и с комбинированной обратной связью (кривая 3). Зависимость коэффициента нелинейных искажений этого же. громкоговорителя от частоты без обратной связи (кривая 1) и с комбинированной обратной связью (кривая 2) показана на рис. 2.

Как видно из рисунка, введение ЭДОС позволило снизить коэффициент нелинейных искажений на низшей рабочей частоте громкоговорителя 40 Гц с 17 до 3%.

При мостовой схеме ЭДОС комбинированную связь можно ввести, включив на выходе моста дифференцирующую цепочку (рис. 3). Здесь напряжение на левой от движка части переменного резистора R1 пропорционально скорости, а на правой — ускорению.

На практике может оказаться, что напряжение обратной связи, получаемое с помощью мостовой схемы, недостаточно для создания в усилителе НЧ глубокой отрицательной обратной связи. В этом случае его следует усилить.

Существует еще один способ получения напряжения обратной связи,пропорционального ускорению звуковой катушки. Он свободен от недостатков мостовой схемы, но зато более сложен. Напряжение обратной связи по ускорению (рис. 4) снимается с пьезоэлектрического (пьезокера-мического) виброприемиика (акселерометра), жестко укрепленного на ребре каркаса звуковой катушки в месте соединения ее с диффузором.

Напряжение обратной связи по скорости получается с помощью интегрирующей RC-цепочки. Напряжение комбинированной обратной связи по скорости и по ускорению, как и в предыдущем случае, снимается с переменного резистора R1. Катодный повторитель используется для преобразования внутреннего сопротивления виброприемиика, имеющего емкостный характер (500—1500 пФ). Его входное сопротивление должно быть не менее 20 МОм.

Виброприемник представляет собой пьезокерамический диск диаметром 8—12 мм и толщиной 0,5—1,0 мм. Обе его поверхности металлизированы, на одну из них наклеена инерциальная масса в несколько грамм из латуни или меди. Каждая сторона диска имеет отвод. Свободной поверхностью (без массы) диск прикреплен к каркасу звуковой катушки в трех точках с помощью жесткой, но легкой опоры из дюралюминия. Чтобы устранить нежелательное влияние колебаний давления воздуха на виброприемник, его следует закрыть легким алюминиевым кожухом, который одновременно выполняет функции электрического экрана. Если напряжение от виброприемника окажется недостаточным для требующейся глубины обратной связи, необходимо использовать дополнительный усилитель. В тех случаях, когда ЭДОС, из-за несоответствия фазы, не обеспечивает достаточно стабильных результатов, повысить стабильность работы схемы можно включением в цепь обратной связи фильтра низших звуковых частот с частотой среза 500—600 Гц и ослаблением выше этой частоты около 12 дБ на октаву. Примерно такой же или ниже следует выбрать частоту раздела полос рабочих частот низкочастотных громкоговорителей, питающихся от отдельного усилителя.

Недавно фирма Philips выпустила высококачественный настольный электрофон 22RH 532, в низкочастотном громкоговорителе трехполосной акустической системы которого используется электродинамическая обратная связь. Напряжение обратной связи снимается с виброприемника аналогичного описанному выше. Диаметр диффузора низкочастотного громкоговорителя 20 см, объем закрытой части ящика 15 л, основная резонансная частота громкоговорителя без обратной связи 80 Гц. На задней стенке ящика, общин объем которого 24 л, смонтированы два усилителя, фильтры и все детали, относящиеся к цепи электродинамической обратной связи.

Структурная схема электрофона показана на рис. 5. Входной сигнал разделяется на две полосы, а затем усиливается двумя отдельными усилителями.

Входной разделительный фильтр с частотой раздела 500 Гц имеет крутизну характеристики 18 дБ/октава, а высокочастотный фильтр, режущий частоты ниже 35 Гц,— 12 дБ/октава. Этот фильтр уменьшает искажения и низкочастотные .шумы, вызываемые вибрациями электрофона. Входной низкочастотный сигнал подается на суммирующий каскад, куда подводится и предварительно усиленный сигнал электродинамической обратной связи от виброприемника. Для повышения стабильности системы ЭДОС в области низкочастотного громкоговорителя на частотах ниже 80 Гц корректирующий каскад снижает усиление на 6 дБ/октава. Суммирующий каскад имеет усиление около единицы.

Результирующий выходной сигнал сумматора сравнивается с сигналом, питающим низкочастотный громкоговоритель. В электрофоне 22RH532 используются две отрицательных обратных связи: электродинамическая — пропорциональная ускорению звуковой катушки и электрическая — пропорциональная току в звуковой катушке. Частотная характеристика акустической системы 22RH532, измеренная в заглушённой камере в 1/3 октавных полосах шума, показана на рис. 6.

Из рисунка видно, что ЭДОС переместила основную резонансную частоту громкоговорителя на 63 Гц.