столько шагов по выбору каждого элемента вашего будущего устройства, что иначе как паломничеством этот путь не назовешь. Читайте книги, они не только развлекут вас на этом интересном пути, но и уберегут от ошибок. Экспериментируйте. Изучайте.

Если для вас реализация проекта выглядит как продолжение школьных уроков или лекций в учебном заведении, и вы не ждете чудес, но готовы идти от простого к сложному с намерением остановится, когда почувствуете, что идете не туда, или если вам просто интересно, как же это все устроено, тогда давайте попытаемся реализовать простой проект, не привязанный к конкретным условиям применения, не блещущий ни точностью, ни великолепием конечного результата, но позволяющий заглянуть в замочную скважину лаборатории производителей электроакустики.

Проект «Громкоговоритель»

Предварительные предположения: положим, что вы хотите немного разобраться в вопросе, что у вас есть немного денег, которые вы можете потратить, и есть много желания провести ряд экспериментов (на которые и уйдут деньги), что вы свободны до следующей осени (не каждый день, и не целый день, конечно). Предположим, что у вас есть источник достаточно качественного звука в виде CD-проигрывателя или проигрывателя грампластинок, есть необходимое оборудование и рабочее помещение.

При наличии всего этого я предлагаю реализовать проект, конечной целью которого будет возможность на столе (может и виртуальном, пока не важно) собрать некий звуковой комплекс, чтобы получить небольшое представление о тех трудностях, с которыми можно столкнуться при работе со звуком.

На первом этапе проекта я предлагаю собрать простую стереофоническую систему, которую на втором этапе проекта можно несколько модифицировать, проведя ряд дополнительных проверок.

Итак. Какие из параметров звучащего оборудования мы примем во внимание в первую очередь? Полосу пропускания. Наш слух позволяет говорить о полосе частот 20-20000 Гц. Далеко не всякий слышит эти частоты, далеко не всякая лаборатория позволит экспериментировать в такой полосе частот, и далеко не у всех хватит терпения и средств на реализацию этого параметра в полном объеме. Давайте поступим как всегда, спустимся с небес на землю и посмотрим, чем нам могут «потрафить» производители динамиков в этой части, при условии, что мы не намерены пока тратить много денег и запросы у нас достаточно скромные.

На сайте www.bluesmobil.com я обнаружил параметры старых отечественных динамиков. Первое, что я сделал бы на вашем месте, узнал бы у знакомых и друзей, нет ли у кого ненужных им музыкальных центров – многие покупают новые, а старые с удовольствием готовы подарить тем, кто заберет их. Попробуем оценить вариант со старыми отечественными громкоговорителями (если что-то будет новее, то это будет только лучше).

В качестве примера я выберу такой, для которого есть параметры необходимые для расчетов, но подразумевается, что вы эти параметры получите путем измерений. Я выбираю 15ГД-14 (25ГДН-3-8). Я уверен, что для проведения всех экспериментов, описанных ниже, этого не только хватит, но еще и останется. Номинальная мощность громкоговорителя 15 Вт. Много это или мало? Попробуем посчитать.

Характеристическая чувствительность этого динамика 86 дБ. Что должно означать – при подаче на него 1 Вт на расстоянии в 1 м он будет создавать звук с уровнем громкости на 86 дБ выше порога слухового восприятия. Если мы вспомним, что духовой оркестр создает столько

же шума, играя марш «Прощание славянки», то можем согласиться, что больше и не нужно. А если учтем, что при подведении мощности в 10 Вт (мы считаем по формуле 10 log(P10/P1), где P10 мощность равная 10 Вт, а делитель равен единице) этот шум усилится до 96 дБ, а максимальная мощность этого громкоговорителя 25 Вт (а это около 100 дБ)... для настольных экспериментов должно хватить.

Предположим, что я измерил необходимые для работы программы JBL параметры, и теперь хочу оценить полученный результат. Как выглядит полный набор параметров (часть из них я придумал).

Рис. 8.15. Возможные параметры для расчета громкоговорителя

Нижняя граничная частота громкоговорителя после расчета в программе JBL оказывается равной 45 Гц по уровню – 12 дБ при размерах короба:

Рис. 8.16. Размеры громкоговорителя

Нелинейные искажения громкоговорителя при номинальной мощности должны получиться порядка 3-6%.

И размеры, и остальное с моей точки зрения приемлемо, даже если размеры увеличить до более реальных w = 46 см, h = 58 см, d = 37 см. Эти расчеты, проведенные с реальным громкоговорителем и воплощенные в реальную конструкцию предполагается использовать для воспроизведения низких частот. Для средних и высоких частот можно использовать динамик 3ГД-45 или двухполосный громкоговоритель с верхней граничной частотой 15 кГц.

После выбора динамиков и оценки их размеров, и до покупки чего-либо, следует определиться с необходимым оборудованием. Для измерения параметров низкочастотного динамика перед расчетами потребуется мультиметр (надеюсь он есть) и генератор низких частот (хорошо, если он есть). Для отдельных экспериментов достаточно генератора на несколько частот, но измерения параметров динамика потребует плавной перестройки частоты. Если генератора нет, то есть смысл собрать его до начала работы над проектом. Можно быстро собрать что-то подходящее, но генератор прибор очень полезный, уж если его собирать, то можно и постараться. Для градуировки его шкалы можно использовать, если есть, частотомер мультиметра (например, мультиметр UT30F позволяет измерять частоту до 10 МГц) или, если есть, осциллограф, или даже собрать частотомер, который можно объединить с генератором, чтобы не изготавливать шкалу. При выборе схемы генератора, которую можно найти в журналах «Радио» или на сайтах, следует здраво оценить свои возможности. Еще один удобный вариант для начала роботы – использовать компьютер. Есть программы, превращающие звуковую карту в генератор или осциллограф. Если такой вариант получается, то это самый простой и удобный начальный этап в части измерительного оборудования.

Кроме генератора понадобится усилитель мощности звуковой частоты. Усилитель для этих целей разумнее собрать на микросхеме, например, TBA820 или аналогичной, или собрать усилитель на транзисторах, что позволит провести дополнительные эксперименты именно с усилителем мощности звуковой частоты. Схему усилителя, как и другие схемы, можно взять из журнала, из книги или найти на радиолюбительском сайте. При выборе схемы в данный момент я ориентировался бы пока на быстрейшее достижение цели. Позже, когда вы будете с электроникой «на коротке», вы сможете вернуться к схемотехнике УМЗЧ. Это интересный предмет для исследования и собственно электроники, и, что не менее интересно, своей фонотеки после создания новой системы звукоусиления. Многие музыкальные произведения, которые вы хорошо знаете, могут приобрести настолько новое звучание, звуковая картина изменится настолько сильно, что вы будете поражены. Конечно, если сравнивать звучание обычного музыкального центра с системой, которую вы сможете создать.

Еще одно замечание, если вы намереваетесь сейчас собрать усилитель, который предназначен только к целям измерений, то обратите внимание на напряжение питания. По возможности используйте напряжение питания единообразное для ряда измерительных приборов, которые вы будете создавать. Это позволит в отельных случаях использовать один и тот же блок питания для разных измерений, если же мощность блока питания достаточная, а приборы, как правило, потребляют не так много, к одному блоку питания можно подключить все необходимые для эксперимента приборы.

А сейчас вернемся к схеме усилителя на транзисторах. Она может быть такой:

Рис. 8.17. Схема усилителя мощности для экспериментов

При питающем напряжении 12 В этот усилитель на нагрузке 8 Ом обеспечит мощность в один ватт. Этого должно хватить на все время экспериментов. Собирать усилитель из отдельных деталей есть смысл в том случае, если вы хотите познакомиться с работой усилителей мощности, проверить все токи и напряжения, рассчитать все мощности: мощность рассеяния на резисторах и транзисторах, мощность, отдаваемую в нагрузку, в зависимости от напряжения питания. Оценить влияние отрицательной обратной связи по постоянному току через резистор R6 и по переменному току через делитель R6R4 и конденсатор C6. Можно проверить работу усилителя в разных режимах, меняя величину резистора R7. В реальных схемах этот резистор часто делают переменным, а среднюю точку потенциометра подают на базу транзистора, включенного параллельно этому резистору. Сам транзистор располагают на теплоотводах, на которые устанавливают мощные выходные транзисторы (например, пару КТ816 и КТ817), чтобы автоматически смещать рабочую точку при нагреве выходных транзисторов.

Осмотримся. Мы подготовили все оборудование, собрали громкоговорители (их два: низкочастотный и широкополосный). У нас два усилителя мощности, один работает на низкочастотный канал, второй на широкополосный. Конечно, не обязательно иметь два канала, можно поставить разделительный фильтр на выход единственного усилителя, но лучше сразу разделить каналы полностью, поскольку первые эксперименты в большей мере относятся к низкочастотному каналу.

Для разделения каналов выберем разумную частоту раздела, например, 200 Гц. И выберем фильтр, который разделит каналы. Мы, в сущности, уже встречались с фильтрами, когда

обсуждали амплитудно-частотную характеристику усилителя. Хорошие фильтры получаются из конденсаторов и катушек индуктивности. Но на низких частотах габариты катушки получаются весьма «существенными», добавьте к этому то, что ее следует мотать толстым проводом и что не желательно применять сердечник из-за возможного его насыщения...

впрочем, фильтр, обычно, размещается в громкоговорителе достаточно большого размера.

Фильтр меньших габаритов и легче настраиваемый — это RC фильтр в двухканальной системе. Его можно рассчитать. Его можно «подогнать» на макетной плате, используя паяльник и приборы, что полезно и для обогащения опыта работы с приборами, и опыта работы с паяльником, и опыта компоновки элементов на плате.

Однако лично я пойду путем «проб и ошибок» в программе Qucs, чтобы получить следующее:

Рис. 8.18. Фильтр, разделяющий каналы на НЧ и ВЧ

С виду все чинно и благородно: сигнал с выхода out_hf пойдет на усилитель широкополосного канала, с выхода out_lf на усилитель низкочастотного канала. Два звена в верхнем фильтре настроены на 200 Гц, два в нижнем тоже. Частотные характеристики пересекаются, примерно, на частоте 200 Гц, этой точности более, чем достаточно. Но я чуть было не забыл об одном сомнительном месте, которое попробую показать.

Рис. 8.19. Результирующий сигнал при объединении выходов фильтров

Для верности я даже использовал в качестве единиц децибелы. С помощью резисторов R5, R6 и R7 я объединяю оба канала, как если бы снимал АЧХ всего устройства с помощью микрофона по звуковому давлению. Думаю, вам уже ясно, о каких сомнениях я говорил. На частоте раздела работают оба канала, и сигнал от громкоговорителей складывается, в результате можно получить очень заметный выброс на результирующей амплитудночастотной характеристике. Чтобы этого не произошло, следует, наверное, сместить частоты, как бы «раздвинуть» их.

Это еще одна из причин, по которой я предпочел бы менять емкость конденсаторов и величину резисторов, а не перематывать катушки. Конечно, лучше вначале рассчитать все, а потом мотать катушки. Но мы же экспериментируем!

Рис. 8.20. Коррекция параметров фильтра

Проводя реальные измерения, можно сравнивать напряжение, положим на частотах 50 Гц, 200 Гц и 1000 Гц, включив вместо громкоговорителей эквивалентные резисторы, и подбирая элементы фильтра так, чтобы суммарная мощность обоих каналов была одинакова на этих частотах (в разумных пределах, конечно).

Первый эксперимент в области акустики, который я предлагаю, позволит вам определиться с тем, как влияет нижняя граничная частота на конечный результат – звуковую картинку ваших любимых музыкальных произведений. Почему ваших любимых музыкальных произведений, потому что требования к параметрам звуковой системы очень сильно зависят от характера музыки. Для эстрадной песни, скорее всего, потребуется меньший диапазон громкости и более узкая полоса частот. А вы ведь собираетесь сделать что-то именно для себя, а не для кого-то.

Чтобы оценить нижнюю границу частотного диапазона, можно применить фильтры, которые смещали бы нижнюю границу с 45 Гц (наши расчеты), к 55 Гц, а затем к 65 Гц. Сделав несколько фильтров, включая их в низкочастотный тракт, вы можете при одинаковой громкости прослушивать любимые музыкальные фрагменты и понять, действительно вам нужно именно 45 Гц или достаточно 65 Гц, если на слух нет существенной разницы.

Кстати, при изготовлении низкочастотного громкоговорителя вы можете использовать фанеру 10-12 мм толщиной, которую очень полезно оклеить линолеумом без матерчатой основы. Все щели, в панелях и между панелью и динамиком, следует промазать пластилином или похожей на него мастикой, только не твердеющей, если вы намерены разбирать громкоговоритель, чтобы уменьшить, например, его объем. Предварительно, перед

изменением объема, вы можете в программе JBL варьировать объем короба для оценки смещения нижней частоты. Если вы используете усилитель похожий на тот, что на рисунке 8.17, то можете изменять низшую частоту с помощью конденсаторов C2 и C4, уменьшая их значение, а предварительно оценить влияние этих изменений можно в программе Qucs. Окончательно следует провести измерения на эквиваленте громкоговорителя. И не забывайте, проводя эксперимент, что подчас мы слышим не то, что слышим, а то, что хотим услышать – зная, что частота нижней границы изменилась, вы можете на одном и том же музыкальном фрагменте заметить существенное ухудшение общего восприятия картинки. Повторите это прослушивание через некоторое время. Проделайте это несколько раз. И не забывайте, что если вы существенно меняете нижнюю частоту, скажем с 45 Гц до 80 Гц, пропорционально следует изменять и верхнюю границу, скажем, с 15 кГц до 12 кГц, или отверните широкополосный громкоговоритель при всех прослушиваниях несколько в сторону!

Итак. Первый эксперимент по определению необходимой лично вам нижней частоты воспроизведения вы закончили. Что можно сказать о результатах? Если вы заметили, и уверены в этом, явное ухудшение качества звука, то оставьте габариты низкочастотного громкоговорителя первоначальными. А после экспериментов с прототипом, когда будете планировать создание реального тракта, подумайте о выборе динамика с более низкой частотой резонанса.

Если вы не заметили разницы, то можно в окончательном варианте сделать громкоговоритель меньших габаритов, но, опять-таки, напомню, и верхнюю границу лучше привести в соответствие. Мало того, если вас вполне устраивает низшая частота 60 Гц, то ее может обеспечить подходящий широкополосный динамик, не нужно будет делать многополосную систему, что значительно упрощает построение электрической части системы.

И, наконец, если вы заметили существенную разницу при экспериментах по определению нижней частоты, вы можете, уменьшив планируемую мощность, поставить на входе низкочастотного канала фильтр, который поднимает низшие частоты, тем самым сдвинув полосу частот ниже 45 Гц. Теперь вы можете рассмотреть, «расслушать» и такой вариант.

Существо первого эксперимента именно в определении частотного диапазона будущей звуковой системы. Можно попытаться сразу построить ее с полосой 20 Гц – 20 кГц, но это сложно и дорого, лучше это отложить до той поры, когда у вас будет больше опыта. И не забудьте, мы еще только начали экспериментировать!

Следующий эксперимент, который я вам предлагаю, значительно проще. Нам нужно определиться еще с одним важным параметром – достаточной громкостью. Мы выбрали уровень громкости 86 дБ. Надеюсь, вы проводили предыдущий эксперимент, расположившись в метре от громкоговорителей. Этот эксперимент тоже проведите на этом расстоянии. Если громкости было достаточно, то попробуйте уменьшить мощность в 10 раз, что будет соответствовать уровню громкости в 76 дБ. Найдите максимальную громкость, которая позволяет вам с удовольствием длительно слушать (слушать, а не слышать) вашу любимую музыку. Если громкости недостаточно, а собирая экспериментальный усилитель вы установили выходные транзисторы (или микросхему) на радиаторы, то, возможно, изменяя напряжение питания вы можете увеличить мощность усилителя до 10 Вт. Прослушайте разные фрагменты при уровне громкости 96 дБ. При экспериментах имейте ввиду, что от длительного прослушивания человек устает, ему кажется, что звук слишком тихий. Повторяйте этот эксперимент после длительных перерывов, чтобы удостовериться, что ошибки, связанной с усталостью нет, потому что уровень в 106 дБ будет достигаться при мощности усилителя (и громкоговорителя) 100 Вт! И еще одно, если вам в какой-то момент

показалось, что хорошо бы громкость иметь с запасом, и вы решили, что прибавите мощность, но слушать будете не с полной громкостью, то обратите внимание на шумы при мощности усилителя, скажем, 10 Вт и 1Вт, когда вы меняете именно мощность, а не громкость регулятором. Суть в том, что если вы используете десяти-ваттный усилитель, но используете его с громкостью одно-ваттного, то шумы могут возрасти на 10 дБ, что неоправданно приведет к снижению динамического диапазона. Это явно не самый лучший результат. Запас нужен, но разумный. И последнее, что касается громкости. Когда вы измеряете мощность, проверяете работу фильтров (надеюсь, на эквивалентной нагрузке, иначе это может привести к ошибкам) вы используете генератор. Когда вы прослушиваете музыкальные фрагменты, то трудно определить и мощность и уровень, поскольку реальные сигналы имеют сильно меняющийся уровень и имеют совсем не синусоидальную форму, что затрудняет измерения с помощью вольтметра. Просто, имейте это ввиду.

Мы определились с частотным диапазоном и уровнем громкости, что определило требования к динамикам и усилителю. Теперь я предлагаю вам провести еще один эксперимент.

Природа его в том, что человек слышит звуки разной частоты с разной воспринимаемой им громкостью, и этот эффект сильно зависит от уровня громкости. Есть графики, которые называются «кривыми равной громкости», они-то и показывают, как человеку все это слышится. Не буду приводить графики, но запишу значения уровней для некоторых частот.

Для уровня громкости близкого к порогу слышимости, то есть, нулевого уровня и сигнала с частотой 1 кГц, равногромкий сигнал с частотой 50 Гц должен воспроизводиться с уровнем громкости на 40 дБ больше, а для сигнала с частотой 15 кГц на 15 дБ больше.

Для уровня громкости 40 дБ, на частоте 50 Гц следует прибавить 20 дБ и столько же на 15 кГц.

И для уровня 80 дБ, 15 дБ для 50 Гц и 10 дБ для 15 кГц.

Используя корректирующие фильтры, попробуйте, определив, скажем, три уровня громкости, послушать музыкальные фрагменты с частотной коррекцией и без нее. В качестве корректирующего фильтра для этих экспериментов можно использовать любую подходящую схему эквалайзера. И если в результате экспериментов вы будете склоняться к необходимости коррекции, то можно либо поискать схему регулятора громкости с тон-коррекцией, либо использовать эквалайзер, который лучше откалибровать так, чтобы не ломать голову каждый день, насколько менять положение регуляторов. Одновременно, по результатам последних двух экспериментов вы можете упростить решение задачи с регулятором громкости. Как правило, вы слушаете музыку либо в режиме «Я слушаю музыку», либо в режиме «Я что-то включил, чтоб играло, пока я занимаюсь делом». Двух-трех уровней громкости может хватать на все случаи жизни, а тогда можно вместо потенциометра поставить переключатель на три положения, его можно сделать с тон-коррекцией. Он будет работать много дольше, чем работает потенциометр, у которого от вращения изнашиваются и токосъемник и дорожка, и спустя некоторое время начинается треск при регулировке громкости.

Если у вас есть старый динамический микрофон, которым комплектовались некогда катушечные стерео магнитофоны, и который снабжался паспортом с типовой АЧХ чувствительности, то вы можете проделать несколько очень любопытных экспериментов по измерению параметров вашей системы по звуковому давлению, если у вас есть дача или автомобиль. И если, конечно, вы еще не настолько «достали» своих соседей, что они уже давно перестали с вами здороваться. Зачем нужна дача? Сейчас поясню.

С помощью микрофона и микрофонного усилителя с линейной характеристикой во всей полосе звуковых частот (можно использовать операционные усилители, включив микрофон

между прямым и инверсным входом, если микрофоны двух-проводные с экраном, или обычным образом, если микрофоны включены одно-проводным экранированным проводом) вы можете снять частотную характеристику громкоговорителей по звуковому давлению в полосе, скажем, 50-10000 Гц. Типовую характеристику чувствительности микрофона используйте для коррекции полученных данных, внеся соответствующие поправки. А получив АЧХ вашей системы в комнате, на автомобиле поезжайте в чистое поле в безветренную погоду и повторите измерения. Сравните неравномерность частотных характеристик в помещении и на открытом воздухе, и вспомните эксперимент рисунка 8.13. И питание в 12 В я рекомендовал «с прицелом» именно на эти эксперименты.

После проведения экспериментов вам легче будет определиться с основными параметрами громкоговорителей и усилителей мощности. Каждый лишний ватт, лишний децибел, каждые 10 Гц в сторону снижения нижней граничной частоты дадутся вам нелегко, и обидно, если они оказываются именно «лишними».

Итак. С параметрами мы определились. Положим, что к настоящему времени у вас есть (или есть возможность сделать) трехканальную испытательную стерео систему, где для левого и правого громкоговорителей вы используете отдельные каналы с полосой 200 Гц15 кГц, а до частоты 200 Гц вы используете общий низкочастотный канал, суммирующий сигналы левого и правого канала.

Теперь добавьте к этому еще один усилитель мощности, к которому подключите два громкоговорителя (широкополосных, положим, 200 Гц — 10 кГц), но включенных в противофазе друг к другу. На вход этого усилителя подайте разностный сигнал, то есть, сигнал левого канала минус сигнала правого канала. Используйте эту конструкцию в качестве тыловых громкоговорителей. Регулируя громкость этого «тылового» канала при прослушивании музыкальных фрагментов, послушайте получающуюся звуковую картину. Если к этому каналу добавить еще и ревербератор, то звуковая картина, которая, правда, может сильно зависеть от характера записи музыкальных фрагментов, может полностью изменить ваше представление о том, что бы вы хотели сделать. А главное, теперь вы, приступая к реализации высококачественной системы, сумеете выбрать и схему усилителя, и громкоговорители. И для усилителя, и для громкоговорителей очень важных нюансов, отражающихся на качестве звука, еще очень много, но начало положено.

Вот такая получилась короткая глава о звуке. Звук гибкий и пластичный, хотя и своенравный материал, вылепить из него можно все, что угодно. А что получится? Что получится, то и получится...