Александр Ракитский, г. Ижевск
В 2008 году в журнале «Радиолюбитель» (Беларусь) была опубликована моя статья «Опыт реализации ЭМОС по смещению» [1]. Я продолжал работать в этом направлении и предлагаю на рассмотрение новые результаты.
Если в статье [1] много внимания уделялось основам звуковоспроизведения в низкочастотном диапазоне, когда идея еще до конца не оформилась, то в настоящей работе главным стала ее четкая реализация в конкретных технических решениях.
![]() |
||
Рисунок 1. | Структурная схема ЭМОС по смещению. |
Структурная схема ЭМОС (электромеханической обратной связи) по смещению приведена на Рисунке 1, где
1 – предварительный усилитель и тембробработка,
2 – УМЗЧ (усилитель мощности звуковой частоты),
3 – акустическое оформление типа «закрытый ящик»,
4 – громкоговоритель,
5 – диффузор (подвижная часть громкоговорителя),
6 – рефлектор на подвижной части громкоговорителя,
7 – датчик съема смещения подвижной части громкоговорителя от своего равновесного положения,
8 – сумматор-вычитатель,
9 – блоки питания для датчика съема смещения 7,
10 – усилитель на Р (Р = 1…3),
11 и 12 – дифференцирующие звенья,
К1…К4 – ключи для подачи (отключения) того или иного сигнала на сумматор-вычитатель 8.
Если сигнал с выхода 1 сразу подать на вход 2 УМЗЧ (К1 – вкл., К2…К4 – выкл.), то получаем стандартную схемотехнику звукоакустического агрегата (Рисунок 2).
![]() |
||
Рисунок 2. | Стандартная структурная схема электроакустического агрегата. |
Попыток внедрения ЭМОС – по скорости, ускорению, звуковому давлению и т.д. – в электроакустику для улучшения звучания было немало, но широкого распространения эти ЭМОС не получили. И главной причиной является то, что не снималось и не анализировалось смещение подвижной части от равновесного положения, которое и определяет качество звука, а точнее, отклонение формы смещения подвижной части громкоговорителя от формы электрического сигнала, поступающего на вход громкоговорителя, так как не было соответствующей элементной базы для создания малогабаритного и бесконтактного датчика съема смещения подвижной части (диффузора) громкоговорителя.
Но элементная база совершенствуется, и датчик съема смещения подвижной части громкоговорителя был реализован, – в [1] был описан датчик съема смещения, в котором использовались фотодиоды ФД256-01 и светодиод BIR-O07J4G. Это изменило и схемотехнический подход к использованию сигнала ЭМОС. Если раньше сигнал ЭМОС (по скорости, ускорению) усиливался, затем тривиально обрабатывался и суммировался с выходным сигналом блока предварительного усиления и темброобработки, а затем поступал на вход УМЗЧ [2], то теперь сигнал S с выхода блока предварительного усиления и темброобработки 1 поступает на сумматор-вычитатель 8, где смешивается (суммируется-вычитается) с электрическими сигналами, пропорциональными смещению d, скорости v и ускорению a подвижной части громкоговорителя в таких пропорциях, чтобы получить максимальное совпадение формы сигнала смещения, поступающего на вход ключа К2 и формы сигнала S, поступающего на вход ключа К1. Электрические сигналы v и a, поступающие на ключи К3 и К4, соответственно, получаются однократным и двойным дифференцированием сигнала смещения подвижной части громкоговорителя d, снимаемого с датчика 7.
С учетом вышесказанного и было принято такое схемотехническое построение ЭМОС по смещению (Рисунок 1), когда блок предварительного усиления и темброобработки 1, УМЗЧ (блок 2), акустическая система 3 и громкоговоритель 4 остаются прежними, и вводится отражатель 6, датчик 7 съема смещения подвижной части громкоговорителя и блок ЭМОС, состоящий, в свою очередь, из сумматора-вычитателя 8, блоков питания 9, усилителя сигнала смещения 10, дифференцирующих звеньев 11 и 12, ключей К1- К4.
![]() |
||
Рисунок 3. | Вид блока ЭМОС – питание для датчика съема смещения и обработка сигнала смещения диффузора. |
Собран блок ЭМОС из отдельных плат, реализующих структурную схему на Рисунке 1 в виде макета (Рисунок 3).
![]() |
||
Рисунок 4. | Вид панели питания ±27 В для датчика съема смещения. |
На отдельной плате (Рисунок 4) собран блок питания ±27 В (блок 9) для преобразователя ток-напряжение на датчике смещения (схема на Рисунке 5).
![]() |
||
Рисунок 5. | Схема блока питания ±27 В. Все как обычно. |
![]() |
||
Рисунок 6. | Схема блока питания на +1.5 В 100 мА. |
Питание для светодиода +1.5 В, 100 мА (блок 9) представлено схемой на Рисунке 6, внешний вид – Рисунок 7. Для уменьшения пульсаций в стандартную схему был введен дроссель L1, что обеспечило низкий уровень шумов по питанию, а для уменьшения наводок был введен диод Д220 на датчике съема смещения 7.
![]() |
||
Рисунок 7. | Внешний вид блока питания на +1.5 В. |
![]() |
||
Рисунок 8. | Схема усиления сигнала смещения и дифференцирующих звеньев для получения сигналов скорости и ускорения смещения диффузора. |
Усилитель на Р и дифференцирующие звенья (Рисунок 8) совмещены на плате вместе со стабилизатором на ±15 В (Рисунок 9). Работа дифференцирующего звена описана в [3], внешний вид платы показан на Рисунке 10.
![]() |
||
Рисунок 9. | Схема получения питания ±15 В из ±27 В. |
![]() |
||
Рисунок 10. | Вид платы обработки сигнала смещения и напряжений питания ±15 В. |
Сумматор-вычитатель, работа которого описана в [4], собран по схеме на Рисунке 11, внешний вид платы показан на Рисунке 12.
![]() |
||
Рисунок 11. | Схема сумматора-вычитателя. |
![]() |
||
Рисунок 12. | Вид панели сумматора-вычитателя. |
Коммутация сигнала от блока предусилителя и темброобработки на блок ЭМОС, и от него на УМЗЧ происходит с помощью разъемов типа «тюльпан». Коммутация на датчик съема смещения питающих напряжений, и с него на блок ЭМОС сигнала смещения осуществляется с помощью разъема РП15-9Ш.
![]() |
||
Рисунок 13. | Схема датчика съема смещения подвижной части (диффузора) громкоговорителя. |
![]() |
||
Рисунок 14. | Вид датчика съема смещения на громкоговорителе сверху. |
Основным узлом является датчик съема смещения подвижной части громкоговорителя от равновесного положения. Была подобрана новая пара «светодиод-фотодиод»: светодиод SFH 4550 и фотодиод BPW34. Схема датчика приведена на Рисунке 13, внешний вид – на Рисунках 14, 15. Если для датчика съема смещения из [1] фотодиоды ФД-256-01 подбирались по параметрам в пределах ±20% из-за большого разброса, то для фотодиодов BPW34 этого не требуется.
![]() |
||
Рисунок 15. | Вид датчика съема смещения снизу. |
Материал для рефлектора был найден в результате экспериментов с различными отражающими пленками. Лучшими стали пленки из под… кошачьего корма «KiteКat» (Рисунок 16) и кофе «Аrоmа» или «Eagle Premium».
![]() |
||
Рисунок 16. | Вид пленки для рефлектора – очень удачное KNOW-HOW! |
Крепится пленка с помощью двухстороннего скотча, перед этим ее необходимо тщательно разгладить. Работа кропотливая, требует определенного навыка, поэтому совет – потренируйтесь на чем-то подобном, отсутствие опыта может привести к порче дорогого динамика!
Блок ЭМОС собран, датчик съема смещения подвижной части громкоговорителя и рефлектор изготовлены – приступаем к сборке и регулировке ЭМОС:
- Тщательно наклеиваем рефлектор на одну поверхность двухстороннего скотча, без морщин и стяжек.
- Обрезаем по периметру лишний скотч, форма должна быть симметрична.
- Снимаем пленку с обратного слоя скотча и аккуратно наклеиваем рефлектор на внутреннею поверхность подвижной части громкоговорителя, осторожно прижимаем к поверхности диффузора и разглаживаем (Рисунок 17).
![]() |
||
Рисунок 17. | Вид рефлектора, укрепленного на диффузоре громкоговорителя. |
- Устанавливаем датчик определения смещения над рефлектором – направление луча светодиода перпендикулярно поверхности рефлектора, рефлектор должен быть освещен примерно по середине. Для контроля можно использовать цифровой фотоаппарат – на видеоэкране это будет ярко-белое пятно.
- Конструкция крепежа датчика – на Ваше усмотрение, но она должна быть жесткой, не допускающей колебаний и болтания.
![]() |
||
Рисунок 18. | Сигнал S с входа ключа К1. |
- Выбираем расстояние до рефлектора. Здесь нужно терпение и понимание. Дело в том, что на выходе преобразователя ток-напряжение (NE5534) датчика съема смещения (Рисунок 13) мы имеем постоянное напряжение, зависящее от расстояния между светодиодом и рефлектором, модулированное сигналом смещения, например, синусоидой. Если расстояние будет большим, например, 11 см, то на выходе будет постоянное напряжение порядка +(8.5-10) В с амплитудой сигнала смещения, например, синусоиды ±(0.8-1.0) В. Если сблизим до 5 см, получим постоянное смещение +(22-22.5) В и несимметричную синусоиду с +5 В и –7.5 В. Таким образом, ищем нужное расстояние, когда у сигнала будет и приемлемая амплитуда, и симметрия. В нашем случае оно составило (73-75) мм, что дало на выходе симметричную неискаженную синусоиду с амплитудой ±(2.4-2.5) В.
![]() |
||
Рисунок 19. | Сигнал смещения диффузора d с входа ключа К2, ЭМОС не включена. |
- На вход блока предусилителя и темброобработки подаем низкочастотный музыкальный сигнал S, например, ремикс «HANDS UP» группы «ОTTOWAN», и с входа ключа К1 (К1 замкнут, К2, К3 и К4 – разомкнуты) подаем его на первый вход осциллографа (Рисунок 18), а сигнал смещения d с входа ключа К2 подаем на второй вход осциллографа (Рисунок 19). Замыкаем ключи К2, К3 и К4, подавая на сумматор-вычитатель электрические сигналы смещения d, скорости v и ускорения a подвижной части громкоговорителя. Регулировочными сопротивлениями R2-R4 максимально подгоняем форму огибающей сигнала смещения на входе К2 к форме огибающей сигнала на входе К1 (Рисунок 20).
![]() |
||
Рисунок 20. | Сигнал смещения диффузора d с входа ключа К2, ЭМОС включена. |
- …и слушаем музыку.
Корпус акустической системы – от АС «Корвет» (Рисунок 21). УМЗЧ на микросхеме ТDA7294 взят из [1], предусилитель и темброблок собраны на ОУ NE5532.
![]() |
||
Рисунок 21. | Внешний вид АС с применением ЭМОС по смещению – блок ЭМОС стоит на АС. Динамик, использованный в АС – «MYSTERY» MJS12F (12 дюймов). |
Анализируя Рисунки 18, 19, 20 и сравнивая звучание низкочастотного музыкального сигнала без использования ЭМОС и при ее включении, можно сделать следующие выводы:
- Звучание акустики при включении ЭМОС стало гораздо более четким и точным, звук низкочастотных инструментов стал более проработанным и детальным, исчезла гулкость и затянутость звучания из-за резонансных свойств динамика и корпуса АС. Это связано с гораздо более точным повторением диффузором динамика формы огибающей колебаний музыкального сигнала, особенно переднего фронта звукового сигнала – атаки и заднего фронта – затухания, что подтверждает наблюдение, имеющееся в [5], согласно которому именно фронты музыкального сигнала информационно определяют звучание соответствующего инструмента, значительно точнее передается вибрато – модуляция звукового сигнала.
- Амплитуда смещения уменьшилась почти в два раза, но при этом уровень звука, идущего от акустической системы, практически не уменьшился.
- Расширение частотного диапазона НЧ громкоговорителя дает возможность полностью воспроизводить спектр низкочастотных инструментов из одного акустического агрегата, локализуя источник звука.
Датчик полностью механически и гальванически развязан с громкоговорителем, то есть, с использованием данной ЭМОС возможна доработка широкого класса НЧ громкоговорителей, переводящая их звучание в более высокий класс. При этом стоимость блока ЭМОС и датчика весьма скромна по сравнению с ценами акустических агрегатов, усилителей и прочего дорабатываемого оборудования.
Литература:
- А. Ракитский. «Опыт реализации ЭМОС по смещению»
- Справочник. Бытовая электроакустическая аппаратура. «КУбК-а», Москва, 1996 г., стр. 26 – 31.
- А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. «Применение прецизионных аналого- вых ИС». Москва, «Радио и связь», 1981 г., стр. 82 – 84.
- Лихачев В. «Практические схемы на операционных усилителях». – Москва, «Радио и связь», 1982 г., стр. 32 – 34.
- А.А. Алдошина, Э.И. Вологдин и др. Под общей редакцией Ю.А. Ковалгина. «Электроакустика и звуковое вещание». Учебное пособие для вузов. – М., «Горячая линия – Телеком», «Радио и связь», 2007 г., стр. 60.