Устройства сдвига частоты на электромеханических преобразователях

Устройства сдвига частоты (УСЧ) находят широкое применение в разнообразной творческой деятельности радиолюбителей. Так, в области электронной музыки и музыкальной акустики УСЧ широко используются для формирования практически всех видов унисонов — компактных классических унисонов фортепианного типа, синтетических многозвуковых унисонов, унисонного вибрато и др. УСЧ универсальны и могут работать как с электромузыкальными инструментами (ЭМИ) и электромузыкальными синтезаторами (ЭМС), так и с обычными музыкальными инструментами и певческими голосами. При большом сдвиге спектра частот УСЧ дают возможность получать оригинальные звуковые эффекты. Наконец, УСЧ могут быть составными частями самих ЭМИ и ЭМС, например электрофортепиано, где проблема формирования красивых унисонов является одной из первостепенных.

Исключительно интересным является применение УСЧ в области электроакустики — в системах звукоусиления, где смещение спектра частот усиливаемого сигнала на 5 Гц в простейшем случае дает возможность получить выигрыш индекса усиления в озвучиваемом помещении в среднем на +6 дБ.

Весьма интересным является применение предлагаемых УСЧ в псевдоквадрафонии . В режиме регулируемого фазовращателя с. помощью таких устройств можно легко и плавно изменять глубину псевдостереоэффекта от нулевого значения до максимума и даже получать качающийся псевдостереоэффект , переходящий при определенных условиях в глубокое пространственно-фазовое вибрато. Это может найти применение как при прослушивании монофонических звукозаписей в домашней обстановке, так и при озвучивании театральных залов, студий и т. д.

Важнейший функциональный узел предлагаемых УСЧ — широкополосный фазовращатель — может быть использован в технике радиосвязи: в коротковолновых передатчиках для получения однополосного (SSB) сигнала фазокомпенсационным способом. Кроме того, УСЧ в режиме управляемых фазовращателей могут быть использованы в автоматике и телемеханике, в научных исследованиях, а также в измерительной технике как основа фазометров для измерения разности фаз компенсационным способом.

В статье рассмотрены: принцип получения частотного , сдвига с помощью электромеханических преобразовате лей, требования к основным функциональным узлам УСЧ и два конкретных устройства с применением двухфазных и трехфазных электромеханических преобразователей, области применения предлагаемых УСЧ и особенности, которыми должны обладать эти устройства в конкретной области применения.

Получение частотного сдвига ранее чаще всего достигалось методами, применяемыми при формировании SSB сигнала. Недостатком такого рода устройств является их сложность, большая трудоемкость наладки и малая полоса пропускаемых частот.

Между тем выпускаемые промышленностью в широком ассортименте различного рода электромеханические преобразователи — сельсины, вращающиеся трансформаторы, фазовращатели , используемые, например в устройствах автоматики и телемеханики, с большим успехом могут быть применены и в устройствах сдвига частоты. Основную тяжесть формирования частотного сдвига берет на себя электромеханический преобразователь (ЭМП), и техническое решение получается достаточно простым. Практика показывает, что низкочастотные ЭМП могут работать во всем диапазоне звуковых частот и даже захватывать начальную часть ультразвукового диапазона. В отличие от известных УСЧ важными преимуществами УСЧ с применением ЭМП являются также широкий диапазон частотного сдвига, легкость изменения в любой момент времени знака частотного сдвига, схемотехническая обратимость устройств с ЭМП.

Принцип получения сдвига частот легче всего понять из рассмотрения структурной схемы устройства (рис. 1) с использованием емкостного ЭМП, называемого также емкостным фазовращателем .

Емкостной ЭМП представляет собой четырехсек-ционный конденсатор переменной емкости. Емкость может изменяться перемещением подвижной металлической пластины относительно неподвижных либо другим способом — с помощью пластины из диэлектрика, перемещающейся между неподвижными пластинами. Для нашего рассмотрения и для конкретного применения это не имеет принципиального значения. Пластины 5—8 неподвижны, пластина 9 вращается относительно точки 0 с помощью приводного механизма 10. Подвижная пластина имеет электрическую связь с нагрузкой II. На неподвижные пластины 5—8 с выхода генератора 1 подаются сигналы определенной частоты, но разные по фазе: на пластину 5 — без сдвига по фазе относительно общего провода 12, на пластину 6 — со сдвигом 90°, на пластину 7 — со сдвигом 180° и на пластину 8 — со сдвигом 270°. Поворот фаз сигнала на пластинах 6, 7 и 8 осуществляется с помощью соответственно фазовраща телей 2, 3 и. 4. Пусть в определенный момент времени подвижная пластина 9 полностью перекрывается с неподвижной пластиной 5. Электрическая емкость пластин 5—9 будет в этом случае максимальной и в нагрузке 11, т. е. на выходе устройства, будет сигнал нулевой фазы. По мере уменьшения перекрытия пластин 5, 9 и увеличения перекрытия пластин 6, 9 фаза выходного сигнала будет поворачиваться, и в момент максимального gepe крытия пластин 6, 9 фаза выходного сигнала будет равна 90°. За один полный оборот подвижной пластины фаза выходного сигнала изменится от 0 до 360°, т.е. совершит полный цикл. Число полных циклов изменения фазы в единицу времени — в секунду — зависит от частоты вращения подвижной пластины и будет характери зовать приращение частоты к частоте входного сигнала

Таким образом, частота выходного сигнала будет смещенной относительно частоты исходного сигнала на величину, определяемую частотой вращения ротора ЭМП. Знак приращения частоты — в сторону увеличения либо в сторону уменьшения частоты исходного сигнала — будет зависеть от направления вращений ротора и фази-ровки питания ЭМП. Так, на рис. 1 направление вращения ротора и направление фазировки совпадают, и частота выходного сигнала будет меньше частоты сигнала генератора.

Заметным преимуществом рассматриваемых устройств является легкость изменения знака частотного сдвига. Применительно к схеме рис. 1 для этого достаточно изменить с помощью переключателя направ ление фазировки питания пластин 5, 7 или пластин 6, 8 без изменения направления вращения ротора.

При практической реализации рассматриваемого устройства система фазовращателей может быть упрощена— фазовращатели 180° и 270° заменяются на инверторы, подключаемые соответственно к шинам исходного сигнала и фазовращателя 90°. На рис. 2 показана функциональная схема такого устройства. Цифрой 2 обозначен фазовращатель 90°, а цифрами 3, 4 — инверторы, обеспечивающие поворот фаз исходного сигнала и сигнала с выхода фазовращателя на 180°. Остальные обозначения те же, что и на рис. 1.

Нетрудно понять, что для получения частотного сдвига в диапазоне звуковых частот необходим широкополосный фазовращатель 90° (в технической литературе их часто называют фазоразностными цепями). Отклонение фазового сдвига в ту или иную сторону от 90° приведет к паразитной амплитудной модуляции с удвоенной частотой вращения ротора (например, 10 Гц при частоте вращения ротора 5 оборотов в секунду) и воспринимаемой как тремоло или дрожание звука, загрязняющее тембр. Амплитудная модуляция менее 5 % от среднего значения выходного сигнала практически не слышна. Такой уровень модуляции достигается в том случае, если расчетное значение погрешности фазового сдвига не превышает 3°, а радиоэлементы подобраны с точностью не хуже одного процента. Из сказанного следует, что наиболее сложным элементом УСЧ (не считая самого ЭМП) является широкополосный фазовращатель . Чем шире требуемый диапазон частот и чем выше задаваемая точность обеспечения фазового сдвига, тем сложнее схема фазовращателя . Методика расчета широкополосных фазовращателей изложена в соответствующей литературе.

К достоинствам емкостных ЭМП следует отнести конструктивную простоту. Такого рода преобразователи можно изготовить собственными силами. Недостатком емкостных ЭМП является малый коэффициент передачи напряжения на звуковых частотах ввиду малых значений секционных емкостей. Однако имеющиеся в настоящее время диэлектрики с большим значением диэлектрической проницаемости (тысячи и даже десятки тысяч единиц) сулят большие возможности по самостоятельному изготовлению бесконтактных ЭМП с приемлемым значением секционных емкостей. Не следует также забывать и о таком важном общем преимуществе ЭМП — их обратимости. В инверсном варианте построения устройства входной сигнал повышенного напряжения, например десятки вольт, подается на роторную пластину. Далее фазорасщепленные сигналы с выходов неподвижных пластин обрабатываются широкополосным фазовращателем 90° и инверторами и сводятся в общую нагрузку. Очевидно, что с позиций получения частотного сдвига устройства аналогичны. Вопрос коэффициента передачи здесь снимается за счет одного повышенного напряжения питания роторной пластины, обеспечить которое нетрудно. Таким образом, существует поле деятельности для радиолюбителей по самостоятельной разработке и конструированию УСЧ с применением емкостных ЭМП.

Рассмотрим несколько конкретных вариантов построения УСЧ с применением индукционных преобразователей — вращающихся трансформаторов, индукционных фазовращателей и сельсинов. Наиболее простым является устройство с применением вращающихся трансформаторов, называемых также СКВТ (синусно-косинус-ный вращающийся трансформатор) и индукционных фазовращателей . Вращающиеся трансформаторы предназначены для получения выходного напряжения, зависящего от синуса (или косинуса) угла поворота ротора, а фазовращатели — для линейного изменения фазы питающего их напряжения. Вращающиеся трансформаторы, а также индукционные фазовращатели представляют собой индукционные ЭМП, содержащие две или четыре неподвижные (статорные) обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 90°, и одну либо две роторные обмотки, в последнем случае также сдвинутые на 90°. Принцип работы устройства в целом аналогичен описанному выше для емкостных преобразователей и мы на нем останавливаться не будем. Некоторым отличием функционального построения является то, что для питания вращающегося трансформатора требуются лишь два напряжения, сдвинутых на 90°.

Принципиальная схема УСЧ с использованием вращающегося трансформатора показана на рис. 3.

Основные технические характеристики

Максимальное входное напряжение, В 0,7

Максимальное выходное напряжение, В 2,9

Полоса частот по уровню 0,7, Гц 50...10 000

Коэффициент гармоник, % не более 1,0

Потребляемый ток, мА 29

На транзисторе VT1 собран предварительный усилитель напряжения. Конденсатор С2 ограничивает по уровню 0,7 диапазон верхних частот, а переходные конденсаторы C1, C3 не пропускают в тракт частоты ниже 50 Гц. Фазоинвертор с разделенной нагрузкой на транзисторе VT2 обеспечивает питание фазовращателя двумя одинаковыми по амплитуде, но противофазными напряжениями, что требуется по принципу работы фазовращателя . Сам фазовращатель собран на элементах R9—R17, С4—С11. На выходе фазовращателя , т. е. на его нагрузочных элементах R12, С6 и R17, СИ получаются два напряжения, сдвинутые на 90° в указанном диапазоне частот с погрешностью не более 3°. Поскольку коэффициент передачи фазовращателя меньше, единицы (по напряжению 0,4), а его выходные цепи высокоомны , к этим цепям подключены согласующие усилители с высокоомными входами. Усилители выполнены на полевых транзисторах VT3, VT4. Резисторы R18, R19 применены для установки оптимальных режимов транзисторов VT3, VT4, При этом используются небольшие падения напряжений на нагрузочных резисторах R12 и R17, передаваемые из эмиттерной и коллекторной цепей транзистора VT2. Выходные эмиттерные повторители на транзисторах VT5, VT6 подключены к усилительным каскадам гальванически — без переходных цепей. К выходам эмиттерных повторителей подключены статорные обмотки вращающегося трансформатора В1. Для увеличения коэффициента передачи устройства две роторные обмотки вращающегося трансформатора включены последовательно. Выходное напряжение можно снимать и с одной роторной обмотки, но амплитуда его в этом случае будет в √2 раза меньше. Резистор R28, шунтирующий роторные обмотки, необходим для демпфирования — устранения резонанса роторной обмотки на высоких частотах. Вращение ротора вращающегося трансформатора может осуществляться с помощью любого приводного механизма, содержащего маломощный электродвигатель (на схеме рис. 3 не показан) и, в простейшем случае, пассиковую передачу движения.

В устройстве применяются обычные малогабаритные радиодетали. Особое внимание следует обратить на подбор номиналов элементов фазовращателя , они не должны отличаться от указанных в табл. 1 более чем на ±1 %. Резисторы R20 и R21 должны быть с допуском не хуже ±5 %. Конденсаторы должны иметь минимально возможный ТК.Е (емкости даны в пФ).

Транзисторы VT3, VT4 и VT5, VT6 желательно подобрать с близкими параметрами. В качестве ЭМП может быть использован любой низкочастотный индукционный фазовращатель или низкочастотный вращающийся

трансформатор с импедансами статорных обмоток на частоте 50 Гц не менее 150 Ом. В случае использования более высокочастотных ЭМП с меньшим импедансом обмоток либо использования некоторых типов бесконтактных ЭМП с изменяющимся в зависимости от положения ротора импедансом статорных обмоток следует применять составные более мощные эмиттерные повторители; возможно также существенное уменьшение амплитуды обрабатываемого сигнала. Хороший эффект может дать применение согласующих трансформаторов. Номиналы емкости переходных конденсаторов в этих случаях следует значительно увеличить. В качестве электродвигателя может быть взят любой имеющийся в распоряжении радиолюбителя двигатель, желательно малогабаритный с неболыним уровнем шума, например БДС-02 или ЭДГ.

Монтаж устройства выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита раемерами 66Х100 мм (рис. 4). Поскольку элементы фазовращателя могут быть составными, отверстия в плате для их монтажа следует делать большего диаметра. Конструкция приводного механизма может быть самой разнообразной— в зависимости от имеющихся в распоряжении радиолюбителя; деталей. В простейшем случае — это электродвигатель с пассиковой передачей движения на ЭМП. Конструкция определяется также и областью применения устройства, как это мы увидим ниже. Корпус ЭМП следует соединить с общим проводом схемы. В случае применения ЭМП, не имеющих магнитной экранировки, возможны наводки (в виде фона) по магнитному полю со стороны двигателя. В этих случаях следует применить магнитную экранировку ЭМП, например поместив ЭМП в, отрезок стальной трубы с толщиной стенок не менее 1 мм.

Налаживание устройства следует начать с подбора режимов транзисторов, обеспечивающих минимальные нелинейные искажения, что особенно важно при работе устройства с высококачественной аппаратурой, например с аппаратурой синтетического унисона, псевдостереофонии и др.

Каскады VT1, VT2 должны обеспечивать линейную передачу, сигнала до амплитуд на эмиттере и коллекторе транзистора VT2 не менее 2,5 В. После этого по вольтметру либо по осциллографу, подбором сопротивления резистора R7 следует тщательно установить равенство амплитуд сигналов на эмиттере и коллекторе транзистора VT2. Далее при одинаковых сигналах на затворах транзисторов VT3 и VT4 подбором сопротивлений резисторов R22, R23, а в некоторых слу-чаях R24, R25 следует добиться одинаковых амплитуд сигналов на стоках этих транзисторов и в конечном итоге на статорных обмотках вращающегося трансформатора. Это удобнее всего сделать, подав через конденсаторы большой емкости — не менее 1 мкФ — одновременно на затворы транзисторов синусоидальный сигнал с низкоомного выхода звукового генератора. Сигналы на статорных обмотках вращающегося трансформатора должны быть одинаковы по амплитуде и не должны иметь заметных нелинейных искажений до амплитуды 2...2,2 В на частоте 50 Гц. Контроль искажений лучше всего производить по индикатору нелинейных искажений, например ИНИ-11. Режимы транзисторов V16, V14 по минимуму нелинейных искажений подбираются резисторами R18, R19, затем R22, R23 (резисторы R18, R19 могут и отсутствовать). Основополагающим при этом является минимизация нелинейных искажений кас-жадов и равенство амплитуд их выходных сигналов, но не величины их коэффициентов усилений В некоторых случаях возможна замена транзисторов VT3, VT4.

Заключительным этапом регулировки является проверка и минимизация величины паразитной амплитудном модуляции выходного сигнала в частотном диапа-зоне . Для этого со звукового генератора на вход устройства подается синусоидальный сигнал такой величины, чтобы по выходу устройства он составлял 30... 50 % от максимального значения. Включив двигатель и изменяя частоту генератора, по осциллографу наблюдают модуляцию выходного сигнала с удвоенной частотой вращения ротора ЭМП. Изменения амплитуды в любых точках частотного диапазона не должны превышать 5 % в обе стороны от среднего уровня сигнала.

В противном случае следует несколько изменить номиналы резисторов —в первую очередь R7, а затем, R22 (либо R23) и снова проверить коэффициент модуляции в частотном диапазоне. Это удобно проводить в динамике — при включенном двигателе, временно заменив указанные постоянные резисторы переменными. Не следует забывать и о технологических погрешностях самого ЭМП. В некоторых случаях для уменьшения модуляции полезно несколько изменить номиналы резисторов R12 (либо R17). Операцию проверки паразитной модуляции можно проводить и по слуху. Во всех случаях слуховой контроль является весьма полезным. Такая модуляция субъективно воспринимается как тремоло либо дрожание звука, например с частотой 10... 14. Гц, если частота вращения ротора, а следовательно, и частотный сдвиг составляют 5...7 Гц. В случае излишка выходного напряжения (не требующегося для работы остальной части схемы), не следует существенно понижать входное напряжение, так как это может привести к уменьшению динамического диапазона за счет возрастания относи- тельного уровня помех, например наводок по магнитному полю на ЭМП со стороны двигателя. В этом случае целесообразно постоянный резистор R28 заменить на переменный того же номинала либо включить два резистора, образующих требуемый делитель напряжения.

Рассмотрим теперь устройства сдвига частоты с применением сельсинов. Сельсины представляют собой индукционные ЭМП с тремя статорными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга на 120°, и роторной обмоткой. Они подразделяются на сельсины-датчики и сельсины-приемники и предназначены в автоматике и телемеханике для автоматической передачи угловых величин. Такое подразделение, преследующее лишь некоторые параметрические конструктивные или чисто функциональные отличия, для нашего рассмотрения не имеет значения.

Принципиальная схема УСЧ с применением сельсина показана на рис. 5.

Основные технические характеристики

Максимальное входное напряжение, В 0,38

Максимальное выходное напряжение, В 5,0

Полоса частот по уровню 0,7, Гц 200...6800

Коэффициент гармоник, % не более 1,0

Потребляемый ток, мА 38

Предварительный усилитель и фазоинвертор, за исключением номиналов шунтирующего и переходных конденсаторов, аналогичны описанным выше. Фазовращатель на элементах R9—R14, С4—С9 в указанном диапазоне частот обеспечивает сдвиг фаз 120° с точностью около 3°. Резисторы R15 и R16 (могут и отсутствовать) служат, как и в предыдущем случае, для установки оптимальных режимов согласующих каскадов на транзисторах VT3, VT4. Усиленные и сдвинутые на 120° сигналы с выходов согласующих каскадов через эмиттерные повторители на транзисторах VT5 и VT6 подаются на статорные обмотки С2 и СЗ сельсина В1. Для получения третьего напряжения питания сельсина со сдвигом фазы 240° применяется схема сложения двух напряжений, сдвинутых на 120° с поворотом фазы суммарного напряжения на 180°. Принцип получения напряжения со сдвигом фазы 240° иллюстрируется векторной диаграммой, приведенной на рис. 6. Каскады суммирования на транзисторах VT7, VT8 имеют общую коллекторную нагрузку — резистор R26, на котором и выделяется напряжение со сдвигом фазы 240°. Это напряжение через эмиттерный повторитель на транзисторе VT9 подается на третью статорную обмотку сельсина.-Резистор R31 не является принципиальным с точки зрения работы устройства. Он служит для установления нулевого потенциала относительно общего провода на положительных обкладках оксидных конденсаторов С14—С16. Резистор R32 служит для уменьшения резонанса на высоких, частотах роторной обмотки сельсина, а также может быть использован как делитель выходного напряжения. Вращение ротора сельсина осуществляется с помощью электродвигателя ЭДГ-1 (на схеме рис. 5 не показан) и пассиковой передачи движения. В устройстве применены малогабаритные радиодетали, номиналы которых не должны отличаться от указанных в табл. 2 более чем на ±1 %, а резисторы R17, R18 имеют допуск не хуже ±5 %. Конденсаторы фазовращателя должны иметь минимально возможные ТКЕ (емкости даны в пФ).

Для уменьшения межканальных связей транзисторы VT5—VT9 следует применять с большим статическим коэффициентом передачи тока 80...100. В качестве сельсина может быть взят любой низкочастотный сельсин-датчик либо сельсин-приемник с импедансом статорных обмоток на частоте 200 Гц не менее 400 Ом. Если применить сельсин с сильно зависимым импедансом статорных обмоток от угла поворота ротора, следует применить составные эмиттерные повторители с более мощными выходами. Все рекомендации, данные выше в части согласования эмиттерных повторителей с нагрузкой, конструкции приводного механизма, мерах устранения наводок, полностью справедливы и для рассматриваемого случая.

Устройство смонтировано на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита размерами 66x120 мм (рис.7).

Налаживание устройства начинают с подбора режимов транзисторов. Процедура первого этапа регулировки, включающая в себя проверку и устранение нелинейных искажений и установку равенства сигналов на выходах эмиттерных повторителей VT5, VT6, аналогична описанной выше. Низшей частотой при этом является 200 Гц. Режимы работы транзисторов VT3, VT4 подбираются в первую очередь резисторами R15, R16, затем резисторами R19—R22. После этого настраивают суммарно-инверторные каскады. Подавая поочередно одинаковые сигналы на затворы транзисторов VT3, VT4 и контролируя сигнал на выходе эмиттерного повторителя на транзисторе VT9 подбором сопротивления резистора R27, следует добиться одинаковых коэффициентов передачи трактов. Затем подбором сопротивления резистора R26 достигают того, чтобы сигнал с выхода эмиттерного повторителя на транзисторе VT9, т. с. на обмотке сельсина С1, был равен сигналам на обмотках С2 и СЗ.

Очевидно, что инвертированная сумма двух равных синусоидальных напряжений, сдвинутых на угол 120°, равна третьему напряжению той же амплитуды, но сдвинутому по отношению к первым двум на угол 120° (см. рис. 6).

Операция минимизации паразитной амплитудной модуляции в частотном диапазоне производится по методике, описанной выше. Возможным небольшим изменениям подлежат резисторы — в первую очередь R7, затем R19, R26, в некоторых случаях резистор R11 (либо R14). На граничных частотах диапазона возможен несколько повышенный процент модуляции (5...6 %) В случае излишка выходного напряжения постоянный резистор R32 следует заменить на переменный того же номинала либо применить делитель напряжения.

Ознакомившись с принципом работы и конкретными вариантами УСЧ, рассмотрим теперь области их применения и некоторые особенности, которыми должны обладать эти устройства.

Начнем с унисонных явлений в электронной музыке. Как известно, унисон является мощным средством расширения тембровых, а следовательно, и художественных возможностей ЭМИ и ЭМС. Сюда относится широкая гамма синтетических унисонов — от компактных унисо-нов фортепианного типа до унисонного вибрато. Компактные унисоны характеризуются очень малым сдвигом по высоте звуков, входящих в его комплекс. Так, в фортепиано звуковысотный сдвиг хора составляет десятые доли цента, что составляет сдвиг по частоте, например для ноты ля малой октавы (частота основного тона 22*0 Гц), 0,4...1 Гц. Такие медленные изменения фазовых соотношений в значительной степени и определяют певучесть фортепиано, когда спустя некоторое время после звуковой вспышки, в результате возбуждения струнного хора молоточком происходит усиление звука в результате синфазного сложения звуковых колебаний струн, входящих в хоровой комплекс. В музыкальном диапазоне звуковысотный сдвиг практически постоянен. Частотный же сдвиг, наоборот, непостоянен: по мере повышения высоты основного тона частотный сдвиг повышается. Все устройства сдвига частот, в том числе и только что описанные, дают постоянный сдвиг частоты в музыкальном диапазоне, определяемый в нашем случае числом оборотов ротора ЭМП в секунду. Это обстоятельство следует всегда четко представлять во избежание ошибок при конструировании, например переоценки роли простых (одноканальных) УСЧ при проектировании новой качественной аппаратуры для имитации широкодиапазонных унисонов. Так, для имитации фортепианных унисонов, например в электрофортепиано, следует применять несколько УСЧ, обслуживающих соответствующие поддиапазоны , со ступенчатым повышением частотного сдвига по мере повышения номера поддиапазона . Число каналов УСЧ может определяться лишь числом ЭМП (с соответствующими редукторами и согласующими эмиттерными повторителями); широкополосный фазовращатель и электродвигатель могут быть теми же самыми.

Рассмотрим унисонное вибрато. В наиболее полной степени этот эффект реализуется путем разнесения в пространстве двух источников звука, смещенных по частоте основного тона на 5...7 Гц, а в некоторых случаях и менее этого, т. е. на частоту вибрато. При одновременном звучании и примерно одинаковых амплитудах звуковых колебаний сигналов в месте, в котором находится слушатель, возникает Исключительно красивое глубокое пространственное вибрато. В простейшем случае эффект .пространственного вибрато легко достигается с помощью одного УСЧ — воспроизводится исходный сигнал и сигнал с частотным сдвигом с выхода УСЧ. Однако в этом случае следует учитывать возможность нарушения гар -. монии музыкального строя, проявляющегося тем сильнее, чем ниже частота тонов, что в некоторых случаях, в частности в ансамблевом применении, может оказаться недопустимым. Например, исходный сигнал, соответствующий ноте фа большой октавы, прошедший УСЧ и получивший отрицательный сдвиг частоты около 5 Гц, будет звучать уже в тоне ми той же октавы, т. е. со сдвигом по высоте на 100 центов ниже исходного сигнала. А для исходной ноты фа контроктавы такой сдвиг по высоте уже будет составлять 200 центов! Эффект вибрато при этом полностью сохраняется. Такое вибрато будем называть смещенным. Для получения несмещенного унисонного вибрато следует применить два УСЧ с противоположными частотными сдвигами. Так, для получения вибрато частотой 6 Гц одно УСЧ должно обеспечить частотный сдвиг —3 Гц, другое +3 Гц относительно частоты исходного сигнала. Воспроизведению подлежат лишь сигналы с выходов УСЧ. Эффект несмещенного унисонного вибрато будет сохраняться в более широком диапазоне звуковых частот. Напомним, что в аппаратурном комплекте в этом случае должны быть два ЭМП (с соответствующими согласующими каскадами), приводимые в движение от одного электродвигателя и пассиковой передачи, обеспечивающей синхронное вращение роторов с частотой 3 об/с. Противоположность частотных сдвигов осуществляется либо противофаз-ностью направлений вращения роторов ЭМП, либо перекоммутацией фазировки питания их статорных обмоток, о чем подробно говорилось выше.

При одновременном воспроизведении и третьего — исходного — сигнала получится новый, более обогащенный вид синтетического унисона. Не следует забывать, что УСЧ универсальны. Они могут быть использованы как с ЭМИ (в том числе и адаптеризованными ), так и с обычными музыкальными инструментами (путем подключения микрофона).

Общей рекомендацией в большинстве случаев применения УСЧ для формирования унисонов является желательность некоторых .флюктуации частотного сдвига — непостоянство его во времени в пределах рассматриваемого класса унисона. В унисонном вибрато, например, нестабильность частотного сдвига в пределах 5...7 Гц, как показывает практика, более предпочтительна, чем строго фиксированный частотный сдвиг. Это желательно учитывать при выборе конструкции или при разработке приводного механизма. Следует заметить, что введение элемента случайности частотного сдвига в УСЧ не является слишком уж простой задачей как в техническом, так и в художественно-эстетическомллане .

Остановимся на требованиях к частотной характеристике трактов. Сами по себе УСЧ широкополосны . Как показывает практика, даже УСЧ на низкочастотных ЭМП широкополосны вплоть до ультразвуковых частот. Однако за пределами рабочего диапазона широкополосного фазовращателя будет иметь место сильная ампли-, тудная модуляция. Как правило, эта модуляция происходит с удвоенной частотой вращения ротора ЭМП и во многих случаях при формировании унисонов, например унисонного вибрато, является нежелательной. Для борьбы с этим явлением УСЧ следует по возможности использовать в трактах с ограниченным частотным диапазоном либо ограничивать диапазон как по нижним, так и по верхним частотам с помощью RC-цепем , а также с помощью регулировки тембров УНЧ. Если широко-шлосный фазовращатель имеет запас по частотному диапазону, частоту среза ограничивающих RC-цепеп следует выбирать в его диапазоне. Напомним, что селективность RС-цепей полностью реализуемся только при их полной электрической развязке усилительными либо согласующими каскадами. Так, одна RC-цепъ обеспечивает за частотой среза крутизну частотного спада б дБ на октаву, две независимые цепи—12 дБ на октаву, три цепи — 18 дБ на октаву и т. д.

При частотном сдвиге более 7...8 Гц мы уже выходим из области унисонных явлений, а при сдвиге на больший интервал (десятки герц) возможно получение оригинальных звуковых эффектов. Негармоничность спектрального состава звуковых колебаний в слуховом аспекте здесь проявляется в полной мере. Такой режим, работы дает хороший эффект, для имитации ударных инструментов.

Рассмотрим еще одну интересную область применения УСЧ в электроакустике — подавление акустической обратной связи в системах звукоусиления. При озвучивании помещений при работе с микрофоном использование сдвига частот позволяет повысить усиление тракта, сохраняя заданную устойчивость работы системы, либо повысить устойчивость системы при том же усилении. Так, при оптимальном частотном сдвиге 5 Гц удается получить выигрыш в неискаженном усилении +3 дБ, допуская небольшие искажения до +6...7 дБ, а в некоторых случаях и более этого, по сравнению с обычными методами звукоусиления. Частотный сдвиг рабочего спектра звуковых частот на 5 Гц не приводит к ухудшению качества звучания речи и практически пригоден для звукоусиления многих видов музыки и голосов певцов (на возможном нарушении гармонии музыкального строя мы останавливались выше). В тракт звукоусиления УСЧ включается последовательно после микрофонного усилителя перед входом усилителя мощности.

Физическая интерпретация подавления акустической обратной связи, а следовательно, и повышения индекса усиления, непроста. Вкратце сущность данного явления заключается в следующем. Известно, что статическая частотная характеристика зала (снимается при медленных изменениях частоты непрерывного синусоидального сигнала постоянной интенсивности) изобилует в пределах звукового диапазона огромным числом (до нескольких тысяч) пиков и провалов, обусловленных интерференцией реверберирующих частотных компонент. В случае попадания микрофона в пик акустического поля и отсутствия запаса устойчивости система возбуждается. Проявляется это в виде знакомых каждому неприятного воя или пронзительного свиста, частично или полностью парализующих процесс звукоусиления. При воспроизведении же через громкоговоритель сдвинутой полосы частот в течение определенного отрезка звучания будет наблюдаться определенный уход интерференционного пика из точки, в которой мог оказаться микрофон. Устойчивость работы системы повышается.

Первым требованием к УСЧ в системе, звукоусиления является обеспечение нужной минимальной полосы частот. Без необходимости не следует предусматривать большие запасы полосы, особенно в сторону низких частот, так как это, с одной стороны, уменьшает ресурсы широкополосного фазовращателя и неоправданно усложняет его схему, с другой стороны, может привести к увеличению низкочастотных помех, в частности модулированного фона частотой 50 или 100 Гц, и уменьшению динамического диапазона. Например, для усиления речи не следует расширять диапазон частот ниже 150...200 Гц. По высоким частотам для художественного звукоусиления речи диапазон частот должен быть не менее 6 кГц. Для этих целей может быть рекомендовано УСЧ, принципиальная схема которого изображена на рис. 5.

Другим требованием является необходимость обеспечения непрослушиваемого уровня паразитной амплитудной модуляции с удвоенной частотой частотного сдвига. Такая модуляция наиболее заметна на продолжительных мелодично напевных элементах речи, содержащих гласные буквы, и воспринимается как дрожание звуков, искажающих тембр голоса. Поскольку в системе озвучивания воспроизведению подлежит только один сигнал — с выхода УСЧ (в отличие от вышерассмотренного случая применения УСЧ, где чаще всего воспроизводятся как сигнал с УСЧ, так и исходный сигнал с равными амплитудами), требования к минимизации амплитудной модуляции повышаются. Следует обратить внимание на тщательность настройки устройства и на точность примененных широкополосных фазовращателей . Его данные в схемных обозначениях рис. 3 приведены в табл. 3, Элементы фазовращателя должны быть подобраны с точностью не хуже ±1 %. Данный фазовращатель обеспечивает сдвиг фаз 90° в диапазоне частот 0,2...10 кГц с точностью не хуже 1° и может быть использован в схеме рис. 3 без изменения ее остальных элементов, за возможным исключением элементов переходных и шун-тирующих RС-цепей . В случае звукоусиления сигналов е полосой частот, большей, чем у фазовращателя , еле-дует предусмотреть подавление граничных частот с помощью RC-цепей, а также с помощью регулировки тем бров УНЧ.

Остановимся на применении УСЧ в области стереофонии и квадрафонии . Известно, что псевдостереоэффект получается при одновременном воспроизведении двумя разнесенными в пространстве акустическими системами звуковых сигналов, фазы которых сдвинуты относительно Друг друга на оптимальную величину 90° (либо 270°) в достаточно широкой полосе частот. Звук приобретает объемность, как при воспроизведении стереофонической записи. При воспроизведении оркестровых записей создается субъективное впечатление, что отдельные инструменты оркестра расположены в разных точках пространства между акустическими системами. Разумеется, расположение источников звуков не будет соответствовать реальному, как при стереофонии, а определяется положением слушателя, частотой и характеристиками фазовращателя .

Широкополосный фазовращатель 90° систем УСЧ, построенных на ЭМП типа, вращающихся трансформа торов и индукционных фазовращателей , полностью при-годен для обработки монофонической информации для получения псевдостереоэффекта . Так, устройство, пока занное на рис. 3, может быть использовано как пол ностью готовая приставка для получения исевдостерео-эффекта . Сигналы с выходов эмиттерных повторителей VT5, VT6 подаются непосредственно на усилители разнесенных акустических, систем. ЭМП и приводной, дви-гатель при этом не используются, хотя могут и не отключаться от схемы. Напомним, что в случае общего недостатка диапазона частот он может быть расширен, например в сторону высоких частот, уменьшением емкости конденсатора С2.