Навигация по сайту Моя кладовка

 

"Профессиональный" расчет корректора Линквица (Linkwitz transform)

В отличие от "родного" расчета, приведенного автором, здесь используется более реальный спектр сигнала для более реальной оценки мощности на динамике и в усилителе

 

На основе схемы этого корректора разработан качественный предварительный усилитель для сабвуфера (схема, описание, питание, печатка): предварительный усилитель для сабвуфера с корректором Линквица.

 

Наиболее полный (насколько мне известно) файл расчета корректора Линквица можно скачать по ссылке: расчет корректора Линквица (файл MS Excel, сжатый архиватором ZIP, около 1 Мб).

Я в него добавил оценку перегрузки динамика, учитывая спектральное распределение реальной музыки. Это позволяет более верно выбрать среднюю мощность усилителя и динамика (программа дает свой расчет, абсолютно верный, но он оперирует с синусоидальным сигналом одновременно только одной частоты и максимальной амплитуды - как при снятии АЧХ). Здесь используется другой диапазон частот и несколько другое распределение спектра, чем я использовал в статье О сабвуферах, глубоких басах и корректоре Линквица расчете (кстати, в статье по ссылке объясняются некоторые понятия, используемые ниже и я рекомендую ее прочитать). Поэтому результаты получаются хоть и близкими, но разными. Это не страшно, так как приводимые мной числа - только оценка для некоторых усредненных ситуаций. Зато сам расчет точнее, полнее, чем упрощенный, и позволяет оценить погрешность, вносимую разбросом номиналов элементов. Кроме того, тут же рассчитывается фильтр инфранизких частот (сабсоник), без которого в этом деле ну никак нельзя.

Кратенько о расчете.

Первая страница "Information".

Здесь задаются параметры динамика, корпуса, и желаемая результирующая АЧХ. Небольшие по размерам графики позволяют сразу визуально оценить результат, что упрощает работу. Итак:

Поля голубого цвета предназначены для ввода информации. Цифрами обозначены:

  1. Параметры динамика, его тип, количество однотипных динамиков в колонке и способ их соединения между собой. Эквивалентный объем динамика задается или в кубических футах, или в литрах. В первом случае в ячейку вводится положительное число, во втором - отрицательное.
  2. Параметры колонки с акустическим оформлением "закрытый ящик" (ЗЯ). Здесь возможны два варианта. Первый: нам уже известны основные данные (добротность и резонансная частота головки в корпусе), тогда мы вводим их в правую часть - Measured box (помните? голубое поле) и в выпадающем списке выбираем пункт "Use Measured box". Второй вариант - нам известен лишь объем корпуса. Тогда этот объем вводится в поле Vb вверху окна (и снова если объем выражается в литрах - то он вводится со знаком "минус"), а в выпадающем списке выбираем пункт "Use Calculated box". В этом случае все что нужно вычисляется автоматически.
  3. Требуемые результаты - нижняя частота и общая добротность системы. В самом низу показан параметр k. Он должен быть положительным, иначе схема окажется нереализуема.
  4. Информация об усилителе. Его выходное сопротивление, величина сопротивления, включенного между усилителем и динамиком (это может быть как сопротивление проводов или катушек фильтров, так и добавочное сопротивление, включенное для повышения добротности) и максимальная выходная мощность на нагрузке, равной импедансу динамика. В некоторых случаях выгоднее повышать выходное сопротивление усилителя (вариант с последовательным резистором не годится - уж очень большие потери мощности на нем), чем увеличивать "силу" корректора Линквица. "Поигравшись" с задаваемыми параметрами, это хорошо видно.
  5. Это мощность, которая подается на динамик с усилителя. Разница с пунктом 4 здесь следующая. В п.4 указана максимально возможная выходная мощность усилителя. Если же мы уменьшим громкость до той величины, при которой мы обычно слушаем, то получится мощность, указываемая в пункте 5. По другому (и правильнее) разницу объяснить можно так. В п.5 указана мощность усилителя без использования корректора Линквица. Если же корректор использовать (т.е. намного увеличить уровень низких частот), то и мощность усилителя нужно брать побольше. Сколько? А ее и задаем в п.4. Подробнее - ниже.
  6. Индикация перегрузки. Один из индикаторов появляется если усилитель не обладает достаточным запасом мощности (это пункты 4 и 5) и перегружается. Второй - если динамик выходит из диапазона линейного хода.
  7. Наличие и параметры сабсоник фильтра (инфранизких частот). В качестве параметров используются частота среза, добротность и порядок фильтра. Там же указывается используется или нет входной буфер.

Теперь подробнее о пунктах 4 и 5. С используемыми там мощностями связаны два графика, приведенных ниже. А мощности я так и буду называть - по номерам пунктов - п.4 и п.5.

Верхний график показывает величину смещения диффузора динамика в зависимости от частоты. красная линия на нем - предел линейного хода, заданный в исходных данных. Синяя линия - максимальный ход при подводимой мощности, заданной в п.5. Чем больше эта мощность, тем сильнее смещение.

Нижний график - то же самое, что и верхний, только для мощности усилителя. Красная линия - заданная макимальная мощность усилителя, синяя - та, которую нужно приложить к динамику для получения такого хода..

Из графиков видно, что на частотах ниже 19 Гц динамик выходит из диапазона линейного хода. Также в диапазоне 14...18 Гц требуется мощность усилителя 520 Вт. Поскольку наш усилитель 500-ваттный, он будет ограничивать сигнал (появится клиппинг).

Поскольку налицо превышение уровней мощности и линейного хода, то индикаторы 6 видимы, и предупреждают о перегрузке.

Итак, задаваемая в п.5 мощность - это "средняя нескорректированная" мощность, подаваемая на динамик. От нее зависит величина хода диффузора. Мощность п.4 - это требуемая максимальная мощность усилителя, зависящая от мощности п.5 и параметров корректора.

Допустима ли перегрузка? Могут ли эти графики пересекать красные пределы? Однозначно здесь можно сказать следующее: если графики не пересекают красных линий, то никакая перегрузка никогда не наступит. Например, чтобы обеспечить такое счастье для нашего корпуса с динамиком и требуемой АЧХ (это при других значениях мощностей и отсутствии перегрузки как по смещению диффузора, так и по мощности усилителя) нужен 300-ваттный усилитель (п.4), а весь сабвуфер будет звучать по громкости как 16-ти ваттный (п.5).

Однако, если диффузор динамика выходит из диапазона линейного хода, то динамик продолжает работать, просто заметно возрастают искажения. У усилителя же при перегрузке наступает довольно жесткий клиппинг. Поэтому перегрузка динамика по ходу диффузора еще допустима, а усилителя - нет. Однако, на частотах ниже 20 Гц амплитуда сигнала снижается, и в реальности на этих частотах перегрузка скорее всего не наступит.

Поясню на примере. В файл уже введены данные для расчета планируемого мною сабвуфера. Динамик Peerless 830452 (тут было бы хорошо поднять выходное сопротивление усилителя до 3 Ом). Объем ящика - 50 литров. Я хочу, чтобы он играл от 12 Гц с добротностью 0,5. При этом "средняя" мощность, подаваемая на динамик, составит 30 Вт (пункт 5), а максимальная мощность усилителя должна быть 500 Вт (пункт 4). Судя по графикам, ниже частоты 19 Гц динамик выйдет из диапазона своего линейного хода. А в диапазоне 14-18 Гц усилитель ограничивает сигнал. Тем не менее, я выбрал именно такой вариант - вероятность того, что на этих частотах сигнал будет иметь максимальную амплитуду мала. В крайнем случае, можно использовать чуть более мощный усилитель (или оснащенный системой "мягкого" ограничения). А динамик вполне будет работать при смещении диффузора +-32 мм.

Только нужно учесть, что долговременная мощность динамика достаточна 30 Вт, а вот максимальная кратковременная должна быть 500 Вт! А то и сгорит...

Дальше увидим, что для реального сигнала такая большая мощность и не требуется, и такой жуткой перегрузки не будет.

 

Следующая страница - Schematics:

  1. Схемы узлов.
  2. Номиналы элементов.
  3. Значения сопротивлений и емкостей в схеме корректора. Это "некруглые" значения посчитанные по формулам. Здесь предварительно нужно задать значение ескости конденсатора С301. Емкость выбираем так, чтобы значения сопротивлений лежали в пределах 3-600 кОм, а емкостей - 0,001-10 мкФ.
  4. Сюда мы вводим реальные значения параметров элементов корректора. Например стандартные (т.е. R302 = 22 кОм вместо рассчитанных 22,33 из таблицы пункта 3). И именно эти номиналы подписаны под схемой (пункт 2).
  5. Погрешность параметров корректора, вызванная отклонением номиналов элементов. Если погрешность слишком большая - соответствующее число меняет цвет на красный.
  6. Это параметры корректора - вычисленные и реально получающиеся из-за различия номиналов элементов. Именно их различие показано в пункте 5 как погрешность.
  7. Калькулятор последовательного и параллельного соединения элементов. Помогает набрать нужное значение емкости или сопротивления (непонятно зачем, по-моему, и без него все получается).

Мне не понравился расчет остальных функциональных узлов, и я несколько его доработал. В сабсонике (на рисунке не показано - я добавил это позже) возможно задавать значение резистора R201 (внизу) для того, чтобы получить приемлимые значения емкостей и сопротивлений. Входной буфер (самая левая схема) используется как буфер, если сабсоник имеет 2-й порядок. Тогда емкость на входе всегда равна 1 мкФ, но можно менять значение резистора R101 для получения нужной частоты среза (только нужно помнить, что входное сопротивление всего устройства равно сопотивлению резистора R101, не уменьшать его ниже 15-20 кОм и не повышать выше 200 кОм). Если же сабсоник имеет 1-й порядок, то фильтр 2-го порядка (вторая схема) становится не нужен, а входной буфер работает по совместительству сабсоником. В этом случае емкость конденсатора С101 вычисляется исходя из заданной частоты среза.

Регулятор уровня (самая правая схема) по-моему совсем не нужен, схема не очень удачная, и номиналы элементов плохие...

На остальных страницах расположены графики в большом масштабе.

 

Итак, для "профессионального" расчета корректора Линквица у нас есть все. Однако здесь не учитывается характер спектра реального звукового сигнала (небольшое исследование на эту тему в статье Соотношения мощностей динамиков в многополосных акустических системах). Ведь на самом деле на частотах ниже 30 Гц амплитуда сигнала падает, а ниже 15 Гц жизни остается совсем ничего! А как раз на этих частотах все наше хозяйство и пытается заполучить перегрузку!

Чтобы как-то учесть реальности нашей жизни, я добавил в файл еще одну страничку с названием "Overload".

Здесь расположены графики распределения спектра, графики максимального смещения диффузора, максимальной мощности усилителя и таблица значений перегрузки.

Для большей разнообразности, я ввел три различные типа распределения спектра:

  1. Сабвуфер в кино, воспроизводящий сигнал из канала низкочастотных эффектов LFE (и возможно еще и НЧ составляющую остальных каналов).
  2. Сабвуфер в музыке, где на него идет то, что не могут воспроизвести основные колонки.
  3. Обычная колонка (т.е. широкополосная), для которой мы хотим с помощью корректора расширить рабочий диапазон частот немного вниз.

Получившиеся спектры довольно условные, и в реальности они не бывают "ломаными". Но для оценки (ведь каждый раз все равно по разному) сойдет.

 

Итак, посмотрим, как теперь, с учетом более реального сигнала, выглядят графики смещения диффузора динамика.

Здесь желтая линия - максимальный линейный ход, взятый из исходных данных.

Как хорошо - динамик не выходит из диапазона линейного хода при подводимой "обычной" мощности 30 Вт! Тогда можно увеличивать подводимую к динамику мощность, а значит, и громкость звучания. В кино при этом из линейного диапазона выскакиваем, но такие искажения там не страшны (это всякие взрывы), и перегружать динамик можно. А вот для музыки искажения важны. Тем не менее на динамик сабвуфера можно подать среднюю мощность в музыке до 80 Вт - ход диффузора будет линейным.

Максимальная мощность усилителя. Снова желтая линия - это значение из исходных данных (пункт 4, еще не забыли?).

Здесь, как и в предыдущем случае, до перегрузки далеко. В киношном сабвуфере требуемая максимальная мощность усилителя снизилась до 450 Вт (мелочь, а приятно!). Для музыкального саба требуется "всего" 200-ваттный усилитель. По сравнению с "синусной" мощностью 500 Вт (и то ее не хватало, помните?) это очень заметно.

Графики получились несколько "изломистыми" потому, что спектральное распределение сигнала описано ломаными линиями.

И понятно, что в кино с его обилием звуковых эффектов, уходящих в инфразвуковой диапазон, сабвуферу приходится сложнее всего.

 

Ну и, наконец, численные результаты. Они представлены в таблице для всех трех вариантов:

Здесь два столбца - средняя перегрузка, и максимальная. Перегрузка вычисляется по отношению к заданной ("обычной") мощности на динамике, той, которая вводится в пункте 5 исходных данных (в моем примере 30 Вт).

Средняя (как и в более простом расчете на который я ссылался) перегрузка вычисляется по всему диапазону сигнала. Это долговременная средняя мощность. И для динамика и для усилителя.

Максимальная перегрузка - максимальное значение, полученное из кривых мощности, приведенных выше. Эта мощность кратковременная, пиковая. Динамик должен ее выдерживать, а усилитель не должен при этом ограничивать сигнал (т.е. работать без клиппинга).

Последняя строка Sin - все то же самое, но для синусоидального сигнала. Это максимально возможная перегрузка в принципе. Она вычисляется делением максимальной мощности усилителя (пункт 4 исходных данных) на "обычную" мощность, идущую на динамик (пункт 5). В нашем случае 16,67 = 500 / 30.

Таким образом, учет спектрального распределения реального сигнала позволяет задавать более мягкие требования для мощности усилителя и динамика, чем это кажется на первый взгляд. Правда может найтись такая фонограмма, для которой все эти выкладки не применимы, и которая потребует для себя максимального значения мощности.

 

26.03.2006

 

Яндекс.Метрика

Счетчик