ЭМОС по смещению. Десять лет спустя

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2018

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:

Материалы по теме