Переходная и импульсная характеристики.

Переходная и импульсная характеристики (ПХ, ИХ) АС являются, возможно, одними из самых важных. Для других частей звуковоспроизводящего тракта (например, для всех видов линейных усилителей, в какой бы части тракта они не применялись, - предварительных, мощности, устройствах звукозаписи, СD-плейерах и т. д.) параметры этих характеристик измерялись давно. В отношении АС такие измерения стали нормой сравнительно недавно. Что же они могут сказать о характеристиках АС? При правильной интерпретации переходной и импульсной характеристик можно узнать:

• о синхронности работы головок;
• о порядке применяемых разделительных фильтров;
• о степени задержки (накопления) энергии в разделительных цепях;
• о линейности частотной и фазовой характеристик; – о наличии или отсутствии задержанных резонансов.

По импульсной характеристике можно рассчитать АЧХ и ФЧХ АС. Такую возможность предоставляют практически все измерительные системы, применяющие цифровую обработку сигналов.

Как было показано выше, существует множество вариантов формирования переходной характеристики АС. Для закрытых систем она зависит от добротности головки в акустическом оформлении (Qtc). Для систем с фазоинвертором - от типа аппроксимации, выбранного для конкретной головки. Здесь уместно провести аналогию с теорией усилителей, охваченных обратной связью, из которой известно, что переходная характеристика содержит очень много информации о свойствах устройства как во временной, так и в частотной областях. По наклону фронта можно оценить скорость нарастания выходного сигнала, по выбросам - запас устойчивости, по колебаниям на вершине импульса - время установления.

В отношении АС все гораздо сложнее. Во-первых, резонансы головок лежат в звуковом диапазоне, во-вторых, имеется по крайней мере две системы (головки), имеющие различные переходные характеристики (рис. 4.18. 1 – отклик ВЧ головки, 2 – отклик НЧ/СЧ головки). Поэтому, если разработчик ставит перед собой задачу получения приемлемой ПХ АС, он обязан всеми доступными средствами обеспечить согласование головок во временной и фазовой областях. На общую ФЧХ основное влияние оказывают тип кроссовера, специальные корректирующие цепи и фазочастотные свойства самих головок.

Рис. 4.18. Отклик на "ступеньку" двухполосной АС.

Теоретически, только системы на основе фильтров первого порядка позволяют получить приемлемую ПХ (на оси АС). Например, на рис. 4.19 и 4.20 приведены ПХ времякогерентной четырехполосной АС (отклик головок синхронный) и типичной трехполосной с фильтрами Линквица-Райли (1,2,3 – отклики соответственно ВЧ, СЧ и НЧ головок). Однако на практике бывают исключения. Например, модель ТС-60 фирмы Spica Loudspeakers имеет хорошую переходную харктеристику при ФНЧ четвертого порядка (аппроксимация Бесселя). В высокочастотном же ее звене применен фильтр первого порядка.

Рис. 4.19. Реакция четырехполосной времякогерентной АС на "ступеньку".

Рис. 4.20. Отклик на "ступеньку" типичной трехполосной АС с фильтрами четвертого порядка.

Временное согласование головок (time coherence) разумно с точки зрения здравого смысла. Центры излучения у ВЧ, СЧ, НЧ головок, закрепленных на вертикальной плоскости, находятся на разном расстоянии от слушателя. Для ВЧ и НЧ головок разность хода звуковых волн может достигать 15 см и более (считается, что центр излучения головки приблизительно совпадает с местом расположения звуковой катушки). С теоретической точки зрения существуют несколько способов по выравниванию излучений головок разных частотных полос:

• смещение ВЧ и СЧ головок от вертикальной плоскости в глубину (вариант - наклон передней панели);
• применение фазовых фильтров с линейной ФЧХ (линией задержки). Их реализация возможна на сонове пассивных элементов RL в кроссовере или с помощью активных кроссоверов, реализованных на ОУ и RC цепях;
• применение цифровых технологий (цифровые фильтры корректоры и линии задержки для каждой из полос АС);
• комбинация приведенных выше методов.

Реализация аналоговых линий задержки (АЛЗ) в звуковом диапазоне частот возможна с помощью пассивных и активных схем. Пассивные АЛЗ можно реализовать на основе Т-образных фазовых звеньев второго порядка с линейной ФЧХ. Однако расчеты показывают, что для обеспечения времени задержки порядка 150 – 300 мкс (типичное значение для двухполосных систем с фильтрами первого порядка) и выполнения требования малой неравномерности ФЧХ в диапазоне до 25 кГц необходимо 6-8 таких звеньев. Общее число пассивных компонентов может быть более полусотни. Кроме точной настройки цепи, требующей огромных затрат труда, на пути сигнала придется поместить несколько десятков пассивных элементов. Это не может не сказаться на качестве звука. Требование высокого качествах пассивных цепей может увеличить стоимость АС более чем в несколько раз. При попытке реализовать АЛ3 в виде активных цепей (на ОУ и RC элементах) можно столкнуться с теми же проблемами. Количество ОУ и пассивных компонентов фазовых фильтров превысит все разумные пределы. И хотя трудоемкость настройки активных цепей меньше, чем пассивных, но она также достаточно велика. Поэтому практически нецелесообразно применять в кроссоверах АС АЛ3. Можно утверждать, что на сегодня сложилась довольно противоречивая ситуация, когда даже создатели цифровых, линейных и акустических кабелей (Monster Cable подчеркивает это в каждой рекламе) производят свои изделия с учетом получения линейного времени групповой задержки (ГВЗ), в то время как большинство конструкторов АС совершенно не озабочены этой проблемой (временное согласование и линейная ФЧХ). Понятие группового времени задержки характеризует неравномерность прохождения сигналов разхных частот через исследуемое устройство.

Сабвуферы

Производители АС предлагают два варианта сабвуферов: активные (АСВ) и пассивные (ПСВ). ПСВ принципиально ничем не отличаются от низкочастотного звена широкополосной АС. Поэтому рассмотрим АСВ. В их конструкции помимо АО, динамических головок и усилителей мощности присутствуют активные разделительные фильтры и корректоры (АРФК).

Основным преимуществом АРФК является простота формирования заданных АЧХ, ФЧХ и ПХ АС. Их схемотехника обычно строится на основе операционных усилителей и RC цепей. Можно реализовать фильтры любого типа и порядка. Также появляется возможность регулирования основных параметров кроссоверов как в процессе настройки, так и в эксплуатации.

Положительные свойства АРФК:

• хорошая повторяемость характеристик;
• отсутствие влияния сопротивления нагрузки;
• возможность выравнивания чувствительности головок электронным способом;
• гибкость в выборе типа апроксимации фильтра, его порядка и частоты среза;
• возможность подстройки частоты среза и ФЧХ под заданные условия экплуатации;
• ограничение подводимой электрической мощности к НЧ головкам на частотах максимального смещения подвижной системы, что позволяет увеличить подводимую мощность в пределах рабочей полосы и значительно снизить нелинейные искажения.
• отсутсвие разделительных фильтров между УНЧ и головкой (что, в принципе, справедливо и для многополосных систем с активными разделительными фильтрами);
• относительная простота апгрейда;

Среди отрицательных свойств можно отметить следующие:

• большое число пассивных и активных элементов на пути прохождения сигнала;
• стоимость пропорциональна возможностям;
• дополнительная стоимость УНЧ на каждую полосу раздела;
• необходимость сложной настройки (часто с применением измерительной аппаратуры) на месте эксплуатации.

Некоторые производители двухполосных АС поставляют за дополнительную плату АРФК для согласования характеристик своих систем с сабвуферами других производителей.

Гибкость в формировании заданных АЧХ, ФЧХ и переходной характеристики позволяет уже на стадии проектирования определить основные требования к головкам, АРФК и УНЧ. Располагая этими исходными данными, можно электронным способом принудительно изменять добротность головки В АО и влиять на характеристику апроксимации. Для этих целей чаще всего используют положительную обратную связь по току в комбинации с отрицательной обратной связью по напряжению. Гораздо реже используют устройства с датчиками динамического слежения за перемещением подвижной системы.

Несмотря на потенциальные преимущества АСВ лишь немногие аудиофилы применяют их в своих системах. Причиной является сложность временного согласования, большая трудоемкость настройки. АСВ в основном используются в системах домашнего кинотеатра (AC-3, DTS), в которых звуковые эффекты являются неотъемлемой частью сюжета. Эти звуки являются искусственными, поэтому обычно неважно, правильно или нет они воспроизводятся аудиосистемой.

Рис. 4.21. Внешний вид сабвуфера.