Некоторые люди утверждают, что изучение электрических законов и формул - это пустая трата времени для установщика. В конце концов, мастер определяет сечение силового кабеля, место заземления или устраняет шум в аудиосистеме безо всяких формул и математики. Практический опыт - незаменимая вещь! Тем не менее, понимание того, что данный калибр провода мал или что является причиной шума в установленной звуковой системе, поможет Вам во многих практических ситуациях. Знание основ электротехники поможет Вам логически найти причину неисправности и быстро устранить ее.
Прежде чем перейти к математическим соотношениям, присутствующим в электротехнике, необходимо вкратце рассказать о двух типах тока, с которыми Вам придется работать в автомобиле с аудиосистемами. Это постоянный и переменный ток.
Переменный ток - это электрический ток, у которого периодически меняется полярность (то есть, переходит от положительной к отрицательной). В цепи переменного тока поток электронов меняет направление в каждый полупериод. Скорость периодического изменения называется частотой, которая измеряется в Герцах.
Переменный ток (AC) - питает канал звукового сигнала, начинает свой путь в головном устройстве (автомагнитоле), далее через процессор для обработки сигналов поступает в усилитель, где усиливается до необходимого уровня и, наконец, попадает на звуковую катушку динамика, которая приводит в движение его мембрану.
Постоянный ток (DC) - это ток, которым питаются все вышеперечисленные компоненты аудиосистемы и все электрические устройства автомобиля.
Электрический ток. При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда с одного места в другое. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит. Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении. В этом случае говорят, что в проводнике устанавливается электрический ток. Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц (электронов или ионов).
Электрический ток имеет определенное направление. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.
Во-первых, проводник, по которому течет ток, нагревается.
Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника.
В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на соседние токи, проводники и намагниченные тела.
Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, называется силой тока. Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным. Сила тока выражается в Амперах.
Для создания и поддержания движения заряженных частиц, необходима сила, действующая на них в определенном направлении. Если эта сила перестанет действовать, то ток прекратится. Эту силу принято называть электрическим полем или напряженностью электрического поля, которое порождает разность потенциалов на концах проводника и обеспечивает движение частиц. Когда разность потенциалов (напряжение) не меняется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток. Чем больше напряжение, тем выше сила тока. Зависимость между силой тока и напряжением выражает закон Ома:
I = U/R
Сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R.
Сопротивление - это основная электрическая характеристика проводника. От сопротивления зависит сила тока при заданном напряжении. Сопротивление измеряется в Омах. Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нем равна 1 А. Сопротивление проводника представляет собой меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока. Результат сопротивления проводника, - это его нагрев. Сопротивление проводника зависит от его длины и сечения. Чем больше длина и меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление.
Закон Ома. Этот закон является одним из самых основных законов электротехники. Закон Ома описывает соотношение между силой тока, напряжением, сопротивлением и мощностью. Давайте поближе рассмотрим эти параметры и то, как они используются в автомобильной электротехнике.
Напряжение представляет из себя электрическое давление, которое передвигает заряженные частицы в контуре.
Ток - это скорость (интенсивность) потока электронов через сечение проводника. Электрическое сопротивление определяет электрическую проводимость, которой обладает проводник. Низкая проводимость оказывает сопротивление потоку электричества. Сопротивление провода определяется удельной электрической проводимостью материала, его сечением и длиной.
Следующие формулы вытекают из закна Ома:
I = U/R сила тока (Ампер)
U = IxR напряжение (Вольт)
R = U/I сопротивление (Ом)
В соответствии с законом Ома, если Вы хотите найти силу тока (I), Вам следует разделить напряжение (U) на сопротивление (R). Для нахождения напряжения умножаем силу тока на сопротивление. И для того, чтобы найти сопротивление необходимо разделить напряжение на силу тока.
Давайте подойдем к пониманию зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением через сравнение электрических характеристик с гидравликой.
Представьте, что у Вас имеется бак с водой. У основания бака установлен клапан, к которому примыкает труба. Другой конец трубы открыт. Если клапан открыть, то по трубе потечет вода в силу разности давления между началом трубы (высокое давление) и ее концом (низкое давление). Это аналогично разности потенциалов на концах проводника (напряжение), которое заставляет двигаться электроны по проводнику. То есть напряжение можно условно считать электрическим "давлением". Сила тока аналогична расходу воды, то есть количеству воды, протекающей через сечение трубы за определенный промежуток времени. Если уменьшить диаметр трубы, то поток воды уменьшится, поскольку увеличивается сопротивление. Это ограничение величины потока сравнимо с электрическим сопротивлением, которое держит в определенных пределах поток электронов. Соотношение между током, напряжением и сопротивлением схоже с водяным баком - меняется один параметр, и меняются все остальные.
Закон Ома поможет Вам избежать множество проблем, возникающих при установке автомобильных аудиосистем.
К примеру, Вы подаете питание на аудиосистему высокой мощности (Ватт), но сечение выбранного Вами провода оказывается слишком мало для подачи тока, необходимого системе. Сопротивление провода будет давать падение напряжения по всей его длине, когда усилители будут забирать энергию. Усилители, работающие при пониженном напряжении, могут перегреваться, генерировать низкие частоты (гул) или выходить из строя. В свою очередь, из-за большого сопротивления провод начнет перегреваться, что может привести к его возгоранию. Используя закон Ома можно рассчитать силу тока в проводнике, зная напряжение и потребляемую мощность. И далее, для найденной силы тока подбирается нужное сечение провода.
Закон Ома целесообразно применять, когда необходимо просчитать действующее сопротивление устройства (например, усилителя) в работающем контуре. Замерять сопротивление напрямую в цепи под напряжением нельзя, но его можно определить математически, пользуясь законом Ома.
Допустим, усилитель потребляет ток в 50 ампер при напряжении 12 вольт. Действующее (эффективное) сопротивление услителя будет равно:
R = U/I
R = 12В/50А
Rэф = 0.24Ом
Электрическая энергия. Закон Ома имеет отношение к четвертому параметру контура - мощности. Существуют различные формы энергии: механическая, тепловая, ядерная и электрическая. Закон сохранения энергии утверждает, что нельзя создать или уничтожить энергию, она может только быть преобразована в другую форму энергии. Этот же закон действует в аудиоконтурах, где электрическая энергия преобразуется в теплоту и звук. Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Электрическая мощность равна отношению работы тока к интервалу времени, за который произведена работа. Используя закон Ома, мощность тока представляется следующим образом:
P = IxU
Электрическая мощность измеряется в Ваттах. Один вольт переместит один ампер через один ом сопротивления с интенсивностью работы в один ватт. Из формулы мощности можно вывести формулу определения силы тока при заданном напряжении:
I = P/U
Это очень важная формула, которая помогает установщику правильно определить потребление тока аудиосистемой при известной выходной мощности (RMS) усилителя и напряжения в сети автомобиля. Зная потребляемую силу тока установщик из специальной таблицы подбирает нужное сечение (калибр) силового кабеля для звуковой системы. Об этом подробно рассказывается в главе "Методика установки автомобильных аудиосистем".[VC1]
Эквалайзеры
В этой главе мы расскажем Вам об эквалайзерах, об их месте в автомобильной звуковой системе, и о том, как их использовать. Вы узнаете о различных типах эквалайзеров, что такое Q-фактор и многое другое.
Для чего нужен эквалайзер ?
По правде говоря, автомобильный салон не самое хорошее место, в плане акустики, для прослушивания музыкальных произведений. Месторасположение слушателя в салоне сдвинуто от центра акустического пространства, создаваемого динамиками. Выбор места установки динамиков в салоне не идеален и ограничен. Распространяясь в салоне, звуковые волны встречают на своем пути различного рода препятствия, которые резонируют по-разному (стекло, пластик, металл и пр.), поглощают звук (сидения, обивочный материал). Добавьте сюда еще такие проблемы, так дорожный шум, шум двигателя и вибрацию кузова. Излучаемый частотный диапазон даже очень качественных динамиков изменяется в худшую сторону под воздействием этих неблагоприятных факторов. Автомагнитола или КД-проигрыватель высокого класса теряют свои преимущества при отсутствии правильно настроенного эквалайзера.
Эквалайзер может скомпенсировать в некоторой степени вышеперечисленные неудобства. Однако не забывайте, что возможности его ограничены. Он не в состоянии "вытянуть" хороший звук из посредственной магнитолы или убрать посторонние шумы, проникающие в салон.
Что делает эквалайзер ?
Основная работа эквалайзера - это улучшение акустического состояния звукового пространства, в котором находится слушатель. На рисунке 1 замкнутая кривая H представляет диапазон частот, воспринимаемых человеческим ухом. Кривая N - это посторонние шумы в салоне автомобиля.
Представим себе, что частотная характеристика, выдаваемая нашей звуковой системой вне салона автомобиля, ровная - без эквализации (EQ flat). На рисунке 1 это линия F. Теперь перенесем нашу звуковую систему в салон движущегося автомобиля. Низкочастотные дорожные шумы загасят бас нашей системы, а ее среднечастотный и высокочастотный диапазоны получат "пики" в результате вибрирования дверных панелей и пластика в салоне, а "провалы" возникнут из-за поглощения звука сидениями и обивочными материалами. Как видим, акустическая картина в салоне резко ухудшилась - кривая Z. Отдача от магнитолы и усилителя нашей системы уменьшается.
Задача эквалайзера срезать - "пики" и выровнять "срезы", то есть выровнять частотную картину, сделать слышимыми как можно больше частот. На рисунке 1 линия E есть результат работы эквалайзера. Низкие частоты приподняты выше линии посторонних шумов N, средние и высокие частоты пологие, ниже чем линия F, так как слух человека гораздо чувствительней к этому диапазону и теоретически нет смысла их завышать.
Хорошо настроенный эквалайзер невообразимо улучшает звук. Однако, наличие всех частот в звуковой картине не является достаточным условием качественного звука. Необходимо, чтобы определенные частоты присутствовали в нужной интенсивности. Например, усиление (boost) частот ниже 70 Гц насыщает и усиливает звуковую картину (для этого и нужны сабвуферы). Если же усилить диапазон частот от 180 Гц до 250 Гц, то появится гул. Человеческий голос станет резче, если усиливать диапазон около 1000 Гц. Интенсивные 3000 Гц делают звук резким и пронзительным. Усиление частотного диапазона звучания цимбал и колокольчиков (8000 Гц) придает звуковой картине объемность. Как видим, контролируя эквалайзером интенсивность различных частот, можно значительно улучшить качество звука (равно как и ухудшить его).
Мы рассказали Вам о работе эквалайзера в упрощенной форме, не углубляясь в предмет и не затрагивая многих нюансов. На самом деле, эквалайзер - это очень сложная тема в области car audio, изучить которую глубже можно только лишь на практике, путем экспериментирования со звуковыми системами.
Типы эквалайзеров
Прежде чем обсуждать различные типы эквалайзеров, поясним вкратце, как устроен эквалайзер. Эквалайзер - это электронный фильтр, чувствительный к различным частотам, который в состоянии управлять ими. Под это определение попадают и пассивные кроссоверы, которые в своем роде также являются эквалайзерами. Эквалайзер содержит в себе группу фильтров, которые позволяют обрабатывать определенные характеристики частот звукового сигнала. В мире аудиотехники существует огромное количество различных типов эквалайзеров. Мы расскажем Вам об устройствах, которые усиливают либо ослабляют звуковой сигнал в различных частотных диапазонах.
Пассивные и активные кроссоверы.
Пассивный кроссовер - это фильтр, который в работе не требует внешнего источника питания. Он использует электрическую энергию линии, в которую включен, и обрабатывает сигнал, усиленный усилителем. Активный кроссовер требует подвода питания извне и обрабатывает звуковой сигнал до его усиления. Активные кроссоверы нужны там, где устанавливаются несколько усилителей. Активный кроссовер разделяет сигнал на несколько составляющих сигналов, а затем каждый из них усиливается по отдельности.
Графический эквалайзер - это устройство с множеством фильтров с различными диапазонами пропускания частот (bandwidth).В результате прохождения через это устройство звуковой сигнал, состоящий из огромного количества частот, разделяется на несколько определенных сигналов с более узкими частотными диапазонами. Каждая разделенная частотная полоса (band) может быть отрегулирована (усилена либо срезана) по отдельности регуляторами, которыми снабжен эквалайзер. Вращая регулятор (двигая ползунок) одной из полос эквалайзера, мы усиливаем (или уменьшаем) интенсивность частот, входящих в эту полосу. Отметим, что только частота, находящаяся в центре этой полосы определяет уровень регулировки. Она вырисовывает "пик" (boost) при усилении интенсивности полосы или "срез" (cut) при уменьшении интенсивности. Такую частоту будем называть центральной.
Параметрический эквалайзер делает все тоже, что и графический эквалайзер. Его отличие состоит в том, что он имеет возможность регулировать ширину полосы пропускания частот разделенных сигналов и сдвигать в каждой из них центральную частоту вправо или влево. Все это позволяет добиться более реальной звуковой картины.
Гибридный эквалайзер вобрал в себя функции графического и некоторые возможности параметрического эквалайзера. "Параграфический" эквалайзер это графический эквалайзер, имеющий возможность сдвигать центральную частоту в каждой разделенной полосе звукового сигнала. Однако изменять ширину разделенных полос он не в состоянии.
Q-фактор эквалайзера.
Q-фактор определяет качество регулировки полос эквалайзера. Допустим, мы имеем звуковой сигнал, имеющий диапазон от 20 Гц до 22,000 Гц. Подадим его на вход 10-ти полосного однооктавного эквалайзера. Октава - это частотный интервал, последняя частота которого в два раза больше первой (например, 100 Гц - 200Гц есть октава). Следовательно, наш эквалайзер можно представить на рисунке 2 следующим образом.
Степень взаимовлияния полос при регулировке определяется Q-фактором. Регулировка центральной полосы в эквалайзере влечет за собой соответствующее изменение соседних частот справа и слева от нее. Эквалайзеры бывают с постоянным или с переменным Q-фактором. Если эквалайзер имеет постоянный Q-фактор, то регулировка центральной частоты повлияет на частоты, находящиеся внутри этой же полосы, и не окажет практически никакого влияния на соседние полосы. Положение регуляторов в точности будут соответствовать звуковой картине, создаваемой Вами. Если же эквалайзер имеет переменный Q-фактор, то усиление или срез центральной частоты повлияет на частоты, лежащие не только в пределах соответствующей полосы, но и затронет частоты в соседних полосах. Настроить звук такими эквалайзерами гораздо труднее, так как положение регуляторов на панели эквалайзера не будет точно соответствовать реальной звуковой картине.
Как видим, эквалайзеры с постоянными Q-факторами более качественны. Также качество эквалайзера определяется количеством полос - чем больше, тем лучше. Следует обращать внимание и на октавность эквалайзера. Чем меньше октавность, тем качественнее устройство.
Самыми хорошими эквалайзерами считаются устройства, ширина полос которых равна 1/3 октавы.
В музыке интервалом называется определенное целочисленное соотношение двух частот. Чем меньше эти целые числа, тем приятнее звуковое восприятие. Простейшие интервалы: октава - 1:2; квинта 2:3; кварта 3:4; большая терция 4:5; малая терция 5:6. Интервал 9:8 называют большим целым тоном, интервал 10:9 - малым целым тоном, 16:15 - полутоном. Два полутона примерно соответствуют одному целому тону:
(16/15)х(16/15) = 256/225 " 9/8
Основным тоном для настройки музыкальных инструментов считается тон камертона равный 440 Гц.
Кроссоверы
Кроссоверы - это устройства в звуковых системах, которые создают нужные рабочие частотные диапазоны для динамиков. Динамики сконструированы таким образом, чтобы работать в определенном частотном диапазоне. Они не приемлют частоты, не входящие в эти рамки. Если на высокочастотный динамик (твитер) подать низкую частоту, то звуковая картина испортится, а если сигнал еще и мощный, то твитер "сгорит". Высокочастотные динамики должны работать только с высокими частотами, а низкочастотные динамики должны получить от общего звукового сигнала только низкочастотный диапазон. Оставшаяся средняя полоса достается среднечастотным динамикам (мидвуферы). Следовательно, задача кроссоверов заключается в разделении звукового сигнала на нужные (оптимальные) частотные полосы для соответствующих типов динамиков.
Проще говоря, кроссовер - это пара электрических фильтров. Допустим, кроссовер имеет частоту среза равную 1000 Гц. Это означает, что один из его фильтров срезает все частоты ниже 1000 Гц и пропускает только частоты выше 1000 Гц. Такой фильтр называют high-pass фильтром. Другой фильтр, пропускающий частоты ниже 1000 Гц называется low-pass,. Графически работа этого кроссовера представлена на рисунке 3. Точка пересечения двух кривых есть частота среза кроссовера равная 1000 Гц. В трехполосных кроссоверах присутствует еще и среднечастотный фильтр (band-pass), который пропускает только средний диапазон частот (приблизительно от 600 Гц до 5000 Гц.) На рисунке 4 изображена частотная характеристика трехполосного кроссовера.
Порядок чувствительности кроссоверов
Порядок чувствительности - это отношение интенсивности выходного сигнала (dB) кроссовера к частоте входного сигнала при условии, что интенсивность входного сигнала постоянна. Обычно чувствительность (крутизну среза) характеризуют как отношение dB/octave. В силу многих математических причин чувствительность кроссоверов всегда кратна 6 децибелам на октаву (6 dB/octave). Кроссовер первого порядка имеет чувствительность 6 dB/octave. Кроссовер второго порядка имеет чувствительность 12 dB/octave, третьего порядка - 18 dB/octave, и чувствительность кроссоверов четвертого порядка равна 24 dB на октаву.
Рассмотрим low-pass фильтр третьего порядка с частотой среза равной 100 Гц. Как уже говорилось выше, этот кроссовер пропустит только частоты ниже 100 Гц, а частоты выше 100 Гц срежет. Срезание частот будет происходить следующим образом: все частоты выше 100 Гц будут терять на выходе из фильтра свою интенсивность кратно 18 dB в зависимости от октавы, в которую они входят. То есть, частота в 200 Гц (первая октава выше частоты среза) потеряет свою интенсивность на 18 Дб, интенсивность частоты в 400 Гц (вторая октава) упадет 36 Гц, а третья октава (800 Гц) ослабеет на 54 Дб. И так далее, все последующие октавы будут ослабевать кратно 18 Дб. Менее чувствительный low-pass фильтр первого порядка с частотой среза в 100 Гц будет делать тоже самое, только ненужные октавы будут ослабевать не на 18 Дб, а на 6 Дб.
Как видим, фильтры, из которых состоят кроссоверы, не могут сразу срезать ненужные частоты, а делают это постепенно, с разной чувствительностью в зависимости от своего порядка.
Кроссоверы первого порядка - это простейший пассивный кроссовер, который состоит из одного конденсатора, и одной катушки индуктивности. Конденсатор работает как high-pass фильтр для защиты твитера от ненужных низких и средних частот. Катушка используется как low-pass фильтр. Чувствительность кроссоверов первого порядка низкая - всего 6 Дб на октаву. Положительная черта этих кроссоверов -отсутствие фазового сдвига между твитером и другим динамиком.
Кроссоверы второго порядка. Их также называют кроссоверами Баттерворта, по имени создателяматематической модели этих кроссоверов. Конструктивно они состоят из одного конденсатора и катушки на твитере и одного конденсатора и катушки на низкочастотном динамике. Они обладают более высокой чувствительностью, равной 12 Дб на октаву, но дают фазовый сдвиг в 180 градусов, что означает несинхронный ход мембран твитера и другого динамика. Для устранения этой проблемы небходимо поменять полярность подключения проводов на твитере.
Кроссоверы третьего порядка. У таких кроссоверов на твитере ставится одна катушка и два конденсатора, тогда как на динамике низкой частоты наоборот. Чувствительность таких кроссоверов равна 18 Дб на октаву, и они имеют хорошие фазовые характеристики при любой полярности. Негативная черта кроссоверов III-го порядка - неприемлемость использования временных задержек для устранения проблем, связанных с динамиками не излучающими на одной и той же вертикальной плоскости.
Кроссоверы четвертого порядка. Кроссоверы Баттерворта четвертого порядка имеют высокую чувствительность равную 24 дБ на октаву, что резко уменьшает взаимовлияние динамиков в области разделения частот. Сдвиг по фазе составляет 360 градусов, что фактически означает его отсутствие. Однако величина фазового сдвига в данном случае непостоянна и может привести к неустойчивой работе кроссовера. Эти кроссоверы практически не применяются на практике.
Оптимизировать конструкцию кроссовера четвертого порядка удалось Линквицу и Рили. Данный кроссовер состоит из двух последовательно соединенных кроссоверов Баттерворта второго порядка для твитера, и тоже самое для басового динамика. Чувствительность их также равна 24 дБ на октаву, однако уровень выходного сигнала на каждом фильтре меньше на 6 дБ, чем уровень выходного сигнала кроссовера. Кроссовер Линквица-Рили не имет фазовых сдвигов и позволяет проводить временную коррекцию для динамиков, не работающих в одной физической плоскости. Эти кроссоверы по сравнению с другими конструкциями дают самые лучшие акустические характеристики.
Конструирование пассивных кроссоверов
Как говорилось выше, пассивный кроссовер состоит из конденсаторов и катушек индуктивности. Для того, чтобы собрать пассивный кроссовер первого порядка необходимо иметь один конденсатор и одну катушку индуктивности. Конденсатор устанавливается последовательно на твитер (high-pass filter), а катушка последовательно на вуфер (low-pass filter). Номинальные значения индуктивности для катушки ((H - микрогенри) и емкости ((F - микрофарады) приводятся в таблице в зависимости от желаемой частоты среза кроссовера и сопротивления динамиков.
Кроссовер I порядка (6 dB/octave)
Частота среза 4 Ом динамик.
Конденсатор F 4 Oм динамик.
Катушка H 8 Ом динамик.
Конденсатор F 8 Ом динамик.
Катушка H
50 Hz 796.7 12.7 398.1 25.5
75 Hz 530.8 8.5 265.4 17.0
100 Hz 398.1 6.4 199.0 12.7
125 Hz 318.5 5.1 159.2 10.2
150 Hz 258.4 4.2 132.7 8.5
175 Hz 227.5 3.6 113.7 7.3
200 Hz 199.0 3.2 99.5 6.4
225 Hz 176.9 2.8 88.5 5.7
250 Hz 159.2 2.5 79.1 5.1
275 Hz 144.8 2.3 72.4 4.6
300 Hz 132.7 2.1 66.3 4.2
400 Hz 99.5 1.6 49.8 3.2
500 Hz 79.6 1.3 39.8 2.5
600 Hz 66.3 1.1 33.2 2.1
700 Hz 56.9 0.9 28.4 1.8
800 Hz 49.8 0.8 24.9 1.6
900 Hz 44.2 0.7 22.1 1.4
1000 Hz 39.8 0.6 19.9 1.3
1100 Hz 36.2 0.6 18.1 1.2
1200 Hz 33.2 0.5 16.6 1.1
1300 Hz 30.6 0.5 15.3 1.0
1400 Hz 28.4 0.5 14.2 0.9
1500 Hz 26.5 0.4 13.3 0.8
1600 Hz 24.9 0.4 12.4 0.8
1700 Hz 23.4 0.4 11.7 0.7
1800 Hz 22.1 0.4 11.1 0.7
1900 Hz 21.0 0.3 10.5 0.7
2000 Hz 19.9 0.3 6.6 0.4
3000 Hz 13.3 0.2 6.6 0.4
4000 Hz 10.0 0.2 5.0 0.3
5000 Hz 8.0 0.1 4.0 0.3
6000 Hz 6.6 0.1 3.3 0.2
7000 Hz 5.7 0.1 2.8 0.2
8000 Hz 5.0 0.1 2.5 0.2
9000 Hz 4.4 0.1 2.2 0.1
10000 Hz 4.0 0.1 2.0 0.1
К примеру, подберем емкость и индуктивность для кроссовера с частотой среза 4000 Гц при сопротивлении динамиков 4 Ом. Из вышеприведенной таблицы находим, что емкость конденсатора первого порядка должна быть равной 10 мФ, а индуктивность катушки 0.2 мГ.
Для определения номинальных значений компонентов для кроссовера второго порядка (12 дБ/октава) необходимо значения из этой же таблицы для конденсатора умножить на коэффициент равный 0.7, а значение для катушки индуктивности умножить на коэффициент 1.414. Надо помнить, что для кроссовера второго порядка необходимо два конденсатора и две катушки индуктивности. Составим кроссовер второго порядка для частоты среза 4000 Гц. Для определения значений для обоих конденсаторов умножаем значение из таблицы 10 мФ на коэффициент 0.7 и получим 7мФ. Далее, значение индуктивности 0.2 мГ умножим на коэффицент 1.414 и получим значение индуктивности для каждой катушки 0.28 мГ. Один из этих конденсаторов устанавливается последовательно на твитер, а второй параллельно на вуфер. Одна катушка параллельно на твитер, а вторая последовательно на вуфер.
Пассивные и активные кроссоверы
Отличие между эти двумя типами кроссоверов очень простое. Активный кроссовер требует подвода питания извне, а пассивный - нет. В силу этого активный кроссовер занимает место в звуковой системе до усилителя, обрабатывая звуковой сигнал с предусилителя головного устройства (допустим, автомагнитолы). Далее, после активного кроссовера устанавливаются два или три усилителя мощности. Один усилитель в этом случае не ставится, так как нет смысла разделенные активным кроссовером сигналы сводить в усилителе в единый сигнал. Разделенные сигналы надо усиливать по отдельности. Как видим, активные кроссоверы применяются в дорогих звуковых системах высокого качества.
Пассивные кроссоверы обрабатывают уже усиленный сигнал и устанавливаются перед динамиками. Возможности пассивных кроссоверов ограничены по сравнению с активными, однако их правильное применение может дать хорошие результаты при минимальных финансовых затратах. Пассивные кроссоверы хорошо себя зарекомендовали при требовании к порядку чувствительности менее 18 дБ на октаву. Выше этого предела хорошо работают только активные кроссоверы.
Пассивные кроссоверы в основном применяются для обработки сигнала твитеров и среднечастотных динамиков. Для низкочастотных динамиков эти кроссоверы применять можно, однако резко возрастает требование в качеству конденсаторов и катушек индуктивности, что приводит к их удорожанию и увеличению в размерах. Пассивные кроссоверы плохо переносят перегрузки. Пиковые интенсивности сигнала, поступающие от усилителя, могут менять частоту среза фильтров. Кроме того, перегруженный фильтр ослабляет звуковой сигнал (damping). Поэтому при выборе пассивных кроссоверов обращайте внимание на их способность выдерживать пиковые нагрузки, создаваемые усилителем.
Активные (или электронные) кроссоверы представляют из себя множество активных фильтров, которыми можно управлять и легко изменять частоту среза любого канала. Порядок чувствительности активных кроссоверов может быть любым, от 6 Дб до 72 Дб на октаву (и выше).В основном активные кроссоверы для автомобильных аудиосистем имеют чувствительность 24 Дб на октаву. При такой чувствительности обмен частотами между динамиками практически исключен. Звуковая картина получается очень качественной. Единственный недостаток активных кроссоверов, - это их дороговизна по сравнению с пассивными.
Фазовый сдвиг
Теперь поговорим о фазовых сдвигах, которые могут возникать в звуковых системах, использующих кроссоверы. Фазовый сдвиг - это неизбежное явление, являющееся следствием конструктивных особенностей high-pass, low-pass и band-pass фильтров.
Фаза - это временная связь двух сигналов. Измеряется фаза в градусах от 0 до 360. Если два одинаковых динамика излучают звуковые волны в противоположной фазе (фазовый сдвиг 180 градусов), то происходит ослабление звука. Проблема устраняется изменением полярности на одном из динамиков .
Когда акустическая система состоит их разных динамиков, работающих в различных частотных диапазонах (твитер и мидвуфер), то устранение фазового сдвига не всегда решается простой сменой "+" на "-". Длина волны от твитера короче, чем от мидвуфера. Поэтому фронт высокочастотной волны может достигнуть слушателя позже (или раньше) фронта среднечастотной (или низкочастотной) волны. Эта временная задержка является следствием фазового сдвига. Оптимизировать звуковую картину в данном случае можно путем физического выравнивания двух динамиков относительно друг друга в вертикальной плоскости до момента улучшения звуковой картины. К примеру, при частоте волны 1000 Гц временная задержка в одну милисекунду устраняется сдвигом динамиков друг относительно друга на 30 см.
Настройка активного кроссовера
Самое важное в настройке кроссовера - это правильный выбор частоты среза. Если мы имеем трехполосный активный кроссовер, то значит перед нами стоит задача в определении двух точек (частот) среза. Первая точка определяет частоту среза для сабвуфера (low-pass) и начало среднечастотного диапазона для мидвуфера (high-pass). Вторая точка определяет частоту окончания среднего диапазона (low-pass) и отправную частоту высокочастотного диапазона для твитера (high-pass). Самое главное, при установке частот среза кроссовера помнить о частотных характеристиках динамика и не в коем случае не нагружать динамик частотами, которые не входят в его рабочий диапазон.
К примеру, если сабвуфер немного гремит или издает гул (неприятный резонанс корпуса автомобиля) значит он перегружен нежелательными для него средними частотами (выше 100 Гц). Перенесите частоту среза (low-pass) на отметку 75 Гц и/или установите, если возможно, чувствительность на 18 Дб или 24 Дб на октаву. Напомним, что увеличение порядка чувствительности кроссовера (величина dB/octave) более качественно срезает ненужные частоты, не давая им просачиваться через фильтр. Порядок чувствительности high-pass фильтров для мидвуфера можно оставить на 12 Дб/октава (для "мягких" среднечастотных динамиков). Подобная настройка активного кроссовера называется асимметричной. Тип динамика Частота среза Частота среза
Твитер (tweeter) high-pass @ 4,000 Hz
Среднечастот. дин. (midrange) high-pass @ 500 Hz low-pass @ 4,000 Hz
Басовый динамик (midbass) high-pass @ 100 Hz low-pass @ 500 Hz
Сабвуфер (subwoofer) low-pass @ 100 Hz
В этой таблице приведены начальные величины частот среза для различных типов динамиков при настройке активных кроссоверов.
Усилители мощьности
Усилитель мощности - это основной элемент звуковой системы. Это устройство получает сигнал низкого уровня от линейного выхода головного устройства и усиливает его напряжение и ток до необходимых величин, достаточных для нормальной работы динамиков. В этой главе мы расскажем Вам о том, как устроены усилители, как они классифицируются и об их месте в автомобильных аудиосистемах.
Классификация усилителей
Усилитель условно можно разделить на четыре основные части. Блок питания усилителя, блок обработки входного сигнала, драйвер и блок формирования выходного сигнала.
Блок питания - это группа электрических цепей, формирующих и регулирующих напряжение для питания различных частей усилителя. Блок обработки входного сигнала сравнивает сигнал, получаемый от предусилителя магнитолы с выходным сигналом усилителя для его корректировки, чтобы удалить искажения, возникающие при усилении. Кроме того, этот блок усиливает входной сигнал до уровня, необходимого для последующего его усиления в других частях усилителя. Драйвер разделяет сигнал на два разнополярных сигнала (фазовое разделение) и усиливает его для последующей передачи в блок обработки выходного сигнала. И наконец, последняя стадия усиления - блок обработки выходного сигнала (его правильнее называть выходным каскадом или оконечником), который в основном и определяет класс усилителя. Усилители разделяются по классам в зависимости от своей эффективности (К.П.Д.) и уровня искажения выходного сигнала.
Класс А. Усилители этого класса обладают низкой эффективностью, но дают очень "чистый" сигнал. Большинство усилителей класса А имеют К.П.Д. равным 20-30%, то есть при потреблении 100 Вт от аккумулятора автомобиля он выдает сигнал на динамики мощностью всего в 20-30 Вт. Остальная мощность теряется в электрической цепи усилителя, превращаясь в тепло. Качественные усилители А класса редко применяются в автомобильных аудиосистемах, так как они обладают малой мощностью при очень высоких ценах. Ламповые усилители класса А можно встретить лишь в очень дорогих аудиосистемах уровня Hi-End.
Класс В. Эффективность усилителя этого класса почти в два раза выше эффективности усилителя класса А. Однако, искажения в выходном сигнале очень высоки, что делает этот класс усилителей неприемлемым для car audio.
Класс С. Усилители этого класса имеют К.П.Д. равным почти 75%, что делает их очень эффективными, но с увеличением К.П.Д. резко увеличиваются искажения. Эти усилители не подходят для усиления звука в Hi-Fi аудиосистемах.
Класс АВ. Большинство Hi-Fi усилителей принадлежат именно этому промежуточному классу. Они вобрали в себя возможности усилителей класса А - относительно "чистый сигнал" при относительно неплохой эффективности (немного ниже чем в классе В).
Класс D. Это самый современный класс усилителей, применяющие цифровую обработку сигнала. Усилители D класса очень компактные, что в будущем даст им преимущество на рынке автомобильных аудиосистем. В настоящее время, цифровые автомобильные усилители встречаются гораздо реже, чем популярные аналоговые усилители АВ класса.
Коэффициент гармонических искажений (THD). Звуковой сигнал состоит из множества частот и полутонов. Гармоника - это полутон первоначальной ноты (основной частоты), который отвечает за характер звучания ноты. Звуковой сигнал можно представить как сложную комбинацию колебаний точно взаимосвязанных синусоидальных волн (гармоник).
В процессе усиления, проходя через различные блоки усилителя, звуковой сигнал искажается, "обрастая" ненужными гармониками. Возросшее количество гармоник в усиленном сигнале, выраженное в процентах, и есть коэффициент гармонических искажений (Total Harmonic Distorsion). В спецификации усилителя указываются несколько коэффициентов гармоник для различных частотных диапазонов, уровней выходной мощности и сопротивлений нагрузки. Чем меньше этот коэффициент, тем выше качество усилителя.
Разделение каналов (Stereo Separation). Этот показатель характеризует уровень изолированности двух каналов усиления (правого и левого) друг от друга. Их взаимовлияние обусловлено наличием общего источника питания в усилителе. Выражается этот показатель в децибелах и характеризует уровень интенсивности левого канала относительно уровня "просочившегося" в него правого канала и наоборот. Чем выше этот показатель, тем лучше усилитель. Избежать "просачивание" можно заменой одного стерео усилителя на два отдельных моно усилителя. В классе high-end эта проблема
|
