Открытая акустическая система на 6ГД-2, 4ГД-35
Преимущества открытой акустики перед закрытой достаточно убедительно приведены на сайте Зигфрида Линквица.
Его проекты «Феникс» (Phoenix) и «Орион» (Orion) повторены многими радиолюбителями и имеют отличные отзывы. На сайте предлагается приобрести конструктор для сборки этих активных АС (с усилителем), отпугивает только стоимость комплектующих.
Промышленный вариант открытой акустики, разработанной при участии Линквица: «Бетховен-Элита» (Beethoven-Elite) побил все рекорды по качеству звучания и цене.
Коротко, суть преимуществ открытой акустики можно описать так:
Рис. 1. Преимущества открытой акустики перед закрытой
Слева приведены круговые диаграммы излучения закрытой АС (Monopole, Box speaker) и открытой (Dipole) АС в разных частотных диапазонах (вид сверху).
Нетрудно заметить, что у открытой (дипольной) АС полностью отсутствует излучение в направлении перпендикулярном слушателю (в бок, вверх, вниз), а это по двум из трех направлений трехмерного пространства.
Соответственно, в этих же направлениях отсутствует причина возникновения отраженных звуковых волн, которые могли бы привести к искажениям за счет интерференции с прямой звуковой волной, создаваемой открытой акустической системы (как в случае с обычной закрытой АС).
Эти преимущества открытой акустики, работающей в замкнутом помещении позволяют снизить помехи (повысить помехозащищенность) прямой звуковой волны на 4,8 дБ, что равносильно снижению мощности, подводимой к АС требуемой для получения той же разборчивости звучания, что и в случае закрытой АС в 3 раза.
Однако, примененные Линквицем головки громкоговорителей достаточно дороги для приобретения, о чем свидетельствуют прайс-листы доступных нам компаний поставщиков импортных динамиков. К тому же, Линквиц вынужден был применить трехполосное усиление ввиду сложности или невозможности построения пассивной АС на доступных ему (тем не менее — прекрасных) излучателях.
Тем не менее, уважаемый Линквиц применил ошибочную методику оценки кумулятивного спектра послезвучания головок. Оценку накопленной энергии в головках нужно проводить только при подключении их через фильтры, корректирующие АЧХ по требованиям проекта. Поэтому ажиотаж коллег-разработчиков в части поиска и приобретения динамических головок, указанных Линквицем как предпочтительные – немного не оптимален.
Как раз мы в этом отношении находимся в более выгодном положении. Объясню. Жилые комнаты у нас небольшие и требуют не такой уж большой рабочей мощности усилителей даже на акустику (АС) с низкой чувствительностью. Большинство из нас уже имеют усилители мощности более 50 Вт на канал, что при определенных условиях дает возможность применения более энергозадерживающих пассивных фильтров для АС.
Доступные динамические головки для нас — это все-таки клона «Сделано в СССР», которые отличаются не такими уж плохими для построения открытых АС параметрами и чувствительностью.
В СССР всегда была проблема производства низко-среднечастотных головок с малым значением добротности Qts (полная добротность). Для типовых головок (25-,35-ГДН, 15-,20-ГДС, 8ГД-1, 6ГД-2, 4ГД-53(35,8Е), 2ГД-40, 5ГДШ-xx, др.) значение Qts лежит в пределах 0,8–1,8, что затрудняет их классическое применение в оформлении в виде закрытого ящика или фазоинвертора, но идеально подходит для построения открытой АС. Причем, подьем АЧХ на резонансной частоте головок вполне может быть использован для компенсации соответствующего спада результирующей АЧХ открытой АС.
Рис. 2. Внешний вид открытой акустической системы 
Рис. 3. Внешний вид открытой акустической системы
Чтобы не быть голословным — привожу пример построенной и испытанной, работающей и приносящей действительное удовольствие своим динамических головках, открытого типа и имеет следующие характеристики:
- Использованы динамические головки: НЧ 6ГД-2 (2 шт), СЧ 4ГД-35, ВЧ НХ-125 (BEAG, может быть заменена на 2ГД-36)
- Рабочий диапазон частот: 35–25 000 Гц
- Максимальное звуковое давление на частоте 35 Гц: 105 дБ
- Рабочая мощность в комнате 25 кв.м: 3 Вт
- Максимальная мощность: 40 Вт
- Неравномерность АЧХ в точке прослушивания: в диапазоне 300–25 000 Гц +-2 дБ, в диапазоне 35–300 Гц +-5 дБ
- Порядок фильтров: НЧ/СЧ — 1 порядок, СЧ/ВЧ — 2 порядок
- Частоты раздела полос: НС/СЧ — 300Гц, СЧ/ВЧ — 2 000Гц
- Габаритные размеры (высота х ширина х глубина): 1100мм х 350мм х 400мм
- Вес: 16 кг
Частотная характеристика АС и каждой из полос по звуковому давлению приведена ниже (сплошными линиями), пунктирной линией изображена ФЧХ. Замеры произведены измерительным микрофоном с кардиоидной диаграммой направленности и анализатором спектра при сглаживании 1/6 октавы на белом шуме в точке прослушивания в реальной комнате 16 кв.м на расстоянии 1,5 м от АС:
Рис. 4. АЧХ открытой акустической системы
Импульсная характеристика АС по звуковому давлению (при тех же условиях) при подаче импульсного сигнала представлена ниже:
Рис. 5. Импульсная характеристика открытой АС
Почему выбрана такая низкая частота стыка между СЧ и ВЧ головкой?
Все дело в диаграммах направленности излучения 4ГД-35. Характеристика этого динамика под углами 0, 22, 45 и 67 градусов приведена ниже. Таким образом, если выбрать частоту стыка полос более 2 кГц, то в области 2-4 кГц субъективно возникнет провал — тот, с которым успешно борется по своей методике качающегося микрофона Александр Клячин при создании 2-х полосных систем.
Рис. 6. Провал в АЧХ на стыке 2-4 кГц
В акустической системе «Агнетта» использованы модифицированные кроссоверы первого-второго порядков, топология которых выполняет следующие функции:
- шунтирование основного механического резонанса головок низким выходным сопротивлением фильтров, для низкочастотной секции шунтирование осуществляется низким выходным сопротивлением усилителя.
- питание излучателей на средних и высших частотах через высокое реактивное сопротивление фильтра и исключение шунтирования головок на этих частотах малым выходным сопротивлением усилителя снижает интермодуляционные искажения на этих частотах.
- подавление проникновения на выход усилителя противо-ЭДС головок громкоговорителей исключает нарушение работы в усилителе отрицательной обратной связи (при ее наличии).
- минимальные отклонения фазочастотной характеристики входного импеданса АС от резистивного эквивалента позволяют полностью использовать мощностные характеристики усилителя.
Источник
3-х полосная АС (6ГД-2 + 4ГД-4 + 6ГД-13). Акустическая система с повышенным КПД
Уровень звукового давления, развиваемого АС, определяется ее чувствительностью (КПД) и подводимой электрической мощностью:
L = S + 20lg · √P = S + 10lg · Р, где
- L– уровень звукового давления, дБ, относительно порога слухового восприятия – 2 ∙ 10 -5 н/м 2;
- S – характеристическая чувствительность (звуковое давление, развиваемое АС на расстоянии 1 м от рабочего центра при подводимой электрической мощности, равной 1 Вт, выраженное в дБ√Вт);
- Р – подводимая мощность, Вт.
Основная масса отечественных АС имеет чувствительность около 86 дБ√Вт (Амфитон 50АС-022, 35АС-018, 25АС-027, S-90 и др.) и лишь некоторые – S-90B, S-90D, S-100В, Кливер 75АС-001 – 89-91 дБ√Вт. При большей (на 3-5 дБ) чувствительности требуется в 2-3 раза меньшая мощность для создания такого же уровня звукового давления, или уровень давления будет на столько же дБ выше при равной подводимой к АС мощности.
Например, для получения уровня звукового давления – 100 дБ к 35АС-018 нужно подвести 25 Вт, к S-90B – 12,5 Вт, а к 75АС-001 – всего 8 Вт электрической мощности.
При конструировании АС представляет интерес применение головок громкоговорителей с высоким КПД и чувствительностью – 90 дБ√Вт и более, таких как 6ГД-2, 10ГДШ-1, 4А-32, 100ГДН-3 и др.
Головка 6ГД-2, а до нее головка 5ГД-3, разработанные на Рижском радиозаводе (РРЗ) более 35 лет назад, применялись в АС ламповых радиол “Симфония”. Многие любители звука отмечают их приятное звучание и высокую “отдачу”, однако в области самых низких частот ощущается явный спад.
Усредненная АЧХ нескольких АС “Симфония” в диапазоне частот ниже 250 Гц показана на рис.1 (кривая 1). Измерения проводились в “ближнем поле” с использованием микрофона МКЭ-3 с неравномерностью собственной АЧХ ±0,5 дБ в диапазоне частот 20-700 Гц. Из графика видно, что АЧХ АС имеет крутой спад ниже 70 Гц, минимумы на частоте 100 Гц (около 4-5 дБ) и в области частот 180-250 Гц (около 3-4 дБ).
Анализ конструкции АС “Симфония” показал, что отдельный объем в нижней части корпуса с двумя отверстиями диаметрами 23 и 31 мм в горизонтальной перегородке, часто ошибочно принимаемый за конструкцию фазоинвертора (ФИ), на самом деле является низкодобротным двухчастотным режекторным акустическим фильтром (резонаторы Гельмгольца), настроенным на частоты 50 и 100 Гц для частичного подавления 1-й и 2-й гармоник сетевой частоты лампового усилительного тракта. Кроме того, такая конструкция ликвидирует неизбежный “горб” на АЧХ в области 60-80 Гц, образующийся из-за высокой (более единицы) добротности комплекса “усилитель-АС”, вызванной малой гибкостью воздуха в объеме АС (V=60 л), далеко не нулевым выходным импедансом УМ, а также активным сопротивлением соединительных проводов АС и разделительного фильтра НЧ, включенных последовательно с головкой.
Спад АЧХ в области 180-250 Гц вызван особенностью конструкции 6ГД-2. Из-за недостаточной жесткости диффузоров “поршневой” диапазон работы головок (диффузор колеблется, как единое целое) простирается лишь до частот 140-160 Гц, а дальше начинается область изломанной АЧХ, типичной для этого типа головок.
АЧХ АС закрытого типа в “поршневом” диапазоне горизонтальна на частотах выше резонансной (fp), ниже fp имеет спад около 12 дБ/окт, а на самой резонансной частоте имеет коэффициент передачи (относительно уровня горизонтального участка), численно равный полной добротности АС – Qп на fp. Когда Qп 1, на АЧХ имеется “горб” на fp. Если значение Qts близко к единице и лежит в пределах 0,95 – 1,0, то наблюдается небольшой подъем АЧХ (0,5-1,3 дБ) в области частот выше fp. Вышесказанное относится к случаю, когда внутри АС отсутствует звукопоглощающий материал (ЗПМ).
Для проектирования улучшенного акустического оформления были проведены измерения основных электроакустических параметров семи экземпляров 6ГД-2: резонансной частоты fp, полной добротности Qп, гибкости подвижной системы С и эквивалентного объема Vэ. Полученные значения приведены в таблице 1, колонки “V=∞”.
Были определены объемы фазоинверторов для получения максимально “гладкой” АЧХ, которые приведены в колонке “ФИ”, таблицы 1.
Как видно из таблицы 1, параметры головок имеют значительный разброс. В очень редких случаях любители звука могут позволить себе АС объемом 200-300 л каждая, а для конструкции ФИ с приемлемым объемом требуется специальный отбор головок или применение акустического демпфирования для уменьшения Qп, что снижает КПД.
Таким образом, конструкцию акустического оформления для 6ГД-2 в виде фазоинвертора нельзя считать оптимальной для повторения. Поэтому было решено выполнить АС в виде закрытого корпуса такого объема, чтобы полная добротность системы не превышала единицы. Такому условию в подавляющем большинстве случаев удовлетворяет V=100 л. Такой же объем имеют промышленные AC 100АС-063 и 50АС-061М.
При размещении головки громкоговорителя в закрытом объеме значения fp и Qп увеличиваются. Их можно определить по формулам:
f’p=fp√1+Vэ/V и Q’п=Qп√1+Vэ/V,
где: fp и Q’п – новые значения параметров головки в объеме V.
В колонках “V=100 л” таблицы 1 приведены расчетные значения f’p и Q’п, и видно, что разброс параметров значительно уменьшился, а максимальная добротность АС меньше единицы.
Измеренные значения в реальных конструкциях оказались на 5-10% меньше из-за наличия рыхлого звукопоглощающего материала (хлопчатобумажная вата) внутри оформления, который служит не только для уменьшения паразитных резонансных явлений в области средних и высоких частот, но и увеличивает гибкость воздуха внутри корпуса АС, что эквивалентно увеличению объема, а также повышает активные акустические потери.
Для того чтобы эти потери не были чрезмерными, количество ЗПМ не должно превышать 10-15 г/л (1-1,5 кг на 100 л).
Вариант размещения головок в трехполосной АС с внутренними размерами 710х460х320 мм и с использованием 6ГД-2 на НЧ показан на рис.2. Корпус можно выполнить из фанеры или ДСП толщиной 18-20 мм. Головка СЧ – 4ГД-4 закрыта с внутренней стороны пластмассовым колпаком (V=4 л) с ЗПМ. Электрическая схема разделительных фильтров показана на рис.3, в качестве СЧ головки можно применить недефицитную 5ГДШ-1 (ЗГД-38Е), включив последовательно с ней резистор сопротивлением 2,2 Ом (5 Вт). Катушки L1 и L2 фильтров намотаны проводом ПЭВ-1 диаметром 1,3 мм на деревянных каркасах диаметром 85 мм с высотой намотки 20 мм, количество витков 150; катушки L3 и L4 – проводом ПЭВ-1 диаметром 1,0 мм на каркасах диаметром 14 мм с высотой намотки 15 мм, количество витков 97. Конденсаторы С1-С4 типов К73-16, К73-17 на напряжение 63 В или других типов с отклонением 5% от номинала.
Параметры разработанной АС:
Рабочий диапазон частот: 35 – 20000 Гц
Уровень характеристической чувствительности: 93 дБ√Вт
Номинальное электрическое сопротивление: 8 Ом
Предельная шумовая (паспортная) мощность: 16 Вт
Максимальный уровень звукового давления на расстояния 1 м: 105 дБ
Для сравнения, чтобы получить уровень звукового давления, равный 105 дБ, к AC S-90 нужно подвести около 90 Вт электрической мощности. Семейство АЧХ с использованием различных экземпляров 6ГД-2 в НЧ диапазоне показано на рис.1 (кривые 2). Как видно, разброс АЧХ в области частот выше 30 Гц и до конца “поршневого” диапазона оказался менее 2 дБ, что свидетельствует о хорошей повторяемости параметров в предложенном акустическом оформлении. Выигрыш по звуковому давлению в области самых низких частот (по сравнению с “родным” применением головок в АС “Симфония”) не менее 10 дБ, а расширение рабочего диапазона по уровню – 8-10 дБ от величины среднего звукового давления – более чем на 2/3 октавы вниз.
Автор: Борщ П.А., г. Киев (журна “Радиоаматор” №9 2001 г.)
7 комментариев: 3-х полосная АС (6ГД-2 + 4ГД-4 + 6ГД-13). Акустическая система с повышенным КПД
Продвинутые эти ребята с Украины были и остались…. Удивляюсь,что и трудное время на них не действует. А у нас в Сибири полный застой в радиолюбительстве хотя универов достаточно….. Не раз делал я подобную конструкцию приятелям и всем пришлась по душе. А дины 6гд-2 ещё имеются и в хорошем состоянии,но их молодые не знают или плюют на них. Считают это дедовский динамик из промокашки….. В муз. магазинах мужики по 45 лет не знают даже КИНАП А-32 . Я одурел от таких продавцов!
Интересная статья с точки зрения акустического оформления. При расчете добротности НЧ динамика не учтено влияние сопротивления УМ, соединительных проводов и катушки фильтра, плюс 15…20% к добротности. Потому объём требуется на 30% больше авторского… Или увеличить количество заполнителя, до получения добротности порядка 0,8 в авторских 100 литрах. Иначе – бубним. По номиналам деталей фильтра: автор считал калькулятором, исходя из чисто активных сопротивлений динамиков. Соответственно, реальную АЧХ никто в глаза не видел. Возможно, к лучшему.
4гд-4 как самый громкий, перекричит соседей. В нормальной трехполоске средник всегда присажен отдачей, иначе баланс рухнет.
Ещё одно подтверждение догадки, что живую АЧХ никто не видел.
Я даже в АС “Симфонии” придавил чувстительность 3гд-1 двумя резисторами. Делал давно, году в 1999-2001, приносил с работы микрофон МЛ-19…
Небольшой чертеж данной АС:
Я бы не стал использовать 6ГД-2 в качестве НЧ излучателя. Он довольно приятно играет, не напрягает ухо, создает некую атмосферу, но детальности ноль! Но это чисто мое мнение.
Источник