Расчет корректора Линквица (Linkwitz transformator)

В отличие от «родного» расчета, 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: 

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 Применение корректора Линквитца для усиления басов 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:

Расчет корректора Линквица (Linkwitz transformator)

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.

Расчет корректора Линквица (Linkwitz transformator)

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:

Расчет корректора Линквица (Linkwitz transformator)
  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 Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов). 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.

Расчет корректора Линквица (Linkwitz transformator)

Для большей разнообразности, я ввел три различные типа распределения спектра: Сабвуфер в кино, воспроизводящий сигнал из канала низкочастотных эффектов LFE (и возможно еще и НЧ составляющую остальных каналов). Сабвуфер в музыке, где на него идет то, что не могут воспроизвести основные колонки. 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:

Расчет корректора Линквица (Linkwitz transformator)

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

Total Page Visits: 2851 - Today Page Visits: 1