Дипломная работа: Розробка двохсмугової активної акустичної системи з сабвуфером

8.

Оформления пояснювальної записки

16.05.-30.05.200_p.

Вступ

Розробка активної акустичної системи з сабвуфером на даний час є доволі актуальною темою. Вимоги до якості звучання музичних творів та різноманітних звукових ефектів, які використовуються у фільмах та комп’ютерних іграх, зростають. Мало кого задовільняють підсилювачі звуку минулого покоління. Підсилення звуку в таких приладах в основному виконувалось на кількох транзисторних каскадах. Велика маса елементів, через яку проходить звуковий сигнал, за своєю природою вносить певний рівень шумів та своєрідні амплітудно-частотні спотворення. І це вже не кажучи про неможливість відтворення дуже низьких та дуже високих частот, які просто губляться при проходженні підсилювального тракту.

Вирішення даної задачі полягає в наступному. Звуковий сигнал необхідно розділити на діапазони і здійснювати підсилення незалежно між правим та лівим каналом та діапазонами із застосуванням аналогових мікросхем. Які, хоч і мають більшу вартість в порівнянні з транзисторами, мають перевагу в відмінній якості, чистоті звучання та малих габаритних розмірах. Для якісного відтворення найнижчих частот доцільно застосовувати сабвуфер (від англ. subwoofer), так званий підсилювач низьких частот.

Зазвичай використовують 2-5 основних колонок і один сабвуфер. Тільки один сабвуфер використовується тому, що вуха людини майже не сприймають напрямку на джерело низькочастотних хвиль, оскільки довжина хвилі є набагато більша за відстань між вухами і різниця фаз між правим та лівим вухом є мінімальною і нею можна знехтувати. Тому звукові сигнали з правого та лівого каналів можна звести в один та віддати його сабвуферу.

Як приклад, можна згадати недавньо відкритий у Львові так званий “цифровий кінотеатр”. Звичайний кінотеатр із звичайним кінопроектором, який застосовувався минулому, щоправда зроблено якісний ремонт і стоять зручні крісла. Так за що така велика платня за перегляд фільму? А вся суть у звуці. Завдяки вмілій розстановці певної кількості гучномовців певної почерговості включення їх відбувається повнота відтворення звуку. Якщо на екрані показують, як справа наближається машина, то і на слух по звуку відчутно наближення машини з правої сторони. А ще дана акустична система не може обійтись без сабвуферів, адже неможливо на звичайних гучномовцях відтворити із віповідною якістю шум машин, гул двигунів літаків та іншої техніки. Завдяки цьому всьому з’являється так званий ефект «присутності».

Проетований підсилювач призначений для використання в домашніх умовах при відтворенні звуку із звичайного магнітофону або комп’ютера. Завдяки використанню сабвуфера можна отримати найбільшу якість і повноту відтвореного звуку.

У теперішній час уже відійшли на задній план аудіопрогравачі, які відтворюють звук із магнітної плівки. Чим раз більше у квартирах появляються персональні комп’ютери, які відтворюють звук із набагато вищою якістю. А також перевагою персональної комп’ютерної системи є велика кількість музичних творів, які можна зберігати в пам’яті. Також високої якості звучання вимагають ігри та фільми, які можна проглядати із компакт-диску. В основному комп’ютерні ігри полягають у швидкій їзді на автомобілі, “перестрілках”, різноманітних взривах, які супроводжуються спеціальними звуковими ефектами. І тільки якісна акустична стерео система, яка розділена на кілька смуг, із сабвуфером може ефективно і об’ємно відтворити звук.

1. Вибір та обґрунтування функціональної схеми акустичної системи

Сучасні побутові акустичні системи, які призначені для високоякісного відтворення звуку є ,як правило, багатосмуговими. Вони складаються з декількох вузькосмугових гучномовців, наприклад: низькочастотного, середньочастотного та високочастотного. Кожен з цих гучномовців відтворює смугу частот звукового сигналу, відведену для нього. Це пов’язано з тим, що застосування одного широкосмугового гучномовця не дозволяє отримати високу якість відтворення звуку у всьому діапазоні частот.

При побудові багатосмугових АС весь діапазон звукової частоти розбивають на ділянки піддіапазонів ( рис.1.1.)

Рис. 1.1. Амплітудно-частотні характеристики передавальної функції каналів багатосмугової акустичної системи

Зокрема в системі вищої категорії (hi-fi) використовують три або чотири піддіапазони. Масові побутові АС будують, як правило, одно або двосмуговими.

Розділення всього звукового діапазону частот на піддіапазони здійснюється за допомогою пасивних або активних розділових фільтрів. В зв’язку з цим розрізняють пасивні та активні акустичні системи.

В пасивних акустичних системах використовують пасивні LC-фільтри, які ставлять на виході підсилювача потужності перед гучномовцями (рис. 2)

Для побудови активних акустичних систем використовують активні розділову RC-фільтри. В такій системі розділення звуку по частотних каналах здійснюється перед підсиленням звукового сигналу по потужності, тобто активні розділові фільтри вмикають перед підсилювачами потужності ( рис.1.3.) В зв’язку з цим для кожного виділеного піддіапазону частот необхідний свій підсилювач потужності

В порівнянні з пасивними активні фільтри характеризуються відсутністю втрат потужності звукового сигналу, малогабаритні, високодобротні, характеризуються низькими шумами та лінійними спотвореннями, дозволяють регулювати рівень АЧХ в усьому піддіапазоні та ширину піддіапазону. В зв’язку з цим активні АС знайшли сьогодні широке застосування.

Недоліком багатосмугових АС є те, що внаслідок неідеальності розділових фільтрів на частотах розділу каналів випромінення звуку здійснюється одночасно двома сусідніми гучномовцями (наприклад в смузі навколо f _{p 1} ( рис. 1.1.) одночасно здійснюють випромінення звуку ГНЧ та ГСЧ ). При невдалих співвідношеннях між амплітудами та фазами звуку, сформованими фільтрами і випроміненими гучномовцями на АЧХ звукового тиску АС на частотах розділення сигналів можуть виникнути піки або провали, які істотно погіршать якість звуку. Для усунення цих недоліків бажано, щоб на частотах розділу фази сусідніх каналів були однаковими.

Однак, нерівномірність АЧХ при відтворенні звуку з допомогою АС можуть виникати за рахунок приміщення (відбиття від стін, стелі, підлоги, предметів що є в приміщенні). При цьому їх не завжди вдається усунути навіть з допомогою еквалайзерів. Цей факт говорить про те, що спроектована з мінімальними спотвореннями АС в іншому приміщенні може мати сильні акустичні спотворення і, як правило, в смузі низьких частот. Тому високоякісні АС потрібно проектувати під конкретне приміщення. Але це є незручним при проектуванні побутової радіоапаратури масового вжитку. Тому виникла необхідність розробки системи, яку можна було б без значних зусиль відрегулювати за мінімумом спотворень в області низьких частот під конкретне приміщення.

Такі акустичні системи називаються адаптивними.

Для високоякісного відтворення звуку проектуватимемо двосмугову акустичну систему з окремим підсилювачем низьких частот – сабвуфером.

Згідно із завданням паспортна потужність АС становить 50 Вт і половина її припадає на сабвуфер, а інша половина на двосмугову АС. Розподіл потужностей в двосмуговій активній АС проводиться наступним чином. В залежності від частоти розділу (f_р = 1 кГц) із графіка (рис. 1.4) [1] визначаємо, скільки відсотків потужності повинно припадати на низькочастотний та високочастотний підсилювачі: Р_НЧ = 71 %, Р_ВЧ = 29 %. Виражаючи дане співвідношення у ватах отримаємо Р_НЧ = 17,75 Вт, Р_ВЧ = 7,25 Вт. Враховуючи те, що сигнал відтворюється в режимі “стерео”, тобто маємо правий та лівий канал, отримані значення потужностей необхідно розділити на 2.

Отримаємо наступні дані 2хР_НЧ = 8,875 ≈ 9 Вт та 2хР_ВЧ = 3,625 ≈ 4 Вт.

Для формування смуг використаємо активні RC-фільтри верхніх та нижніх частот з частотою розділу 1 кГц. Така схема забезпечує ідеальне фазове і амплітудне узгодження на границі між низькочастотним та високочастотним каналами. На входах фільтруючих ланок поставимо регулятори гучності для регулювання АЧХ та регулятори балансу між правим та лівим каналами для випадку, коли рівень сигналу у правому та лівому каналі буде не збалансований.

Для формування сигналу для сабвуфера просумуємо сигнали з правого та лівого каналів. Застосуємо потенціометр для регулювання рівня АЧХ на вході НЧ системи. Для відділення НЧ сигналу використаємо активний RC-фільтр з регульованою частотою зрізу в межах 100-200 Гц. Оскільки активні фільтри спотворюють фазу сигналу, то перед підсилювачем потужності поставимо регулятор фази, так званий фазовий компенсатор.

Побудуємо функціональну схему двосмугової акутичної системи з сабвуфером, яка б забезпечувала гладку АЧХ на частотах розділу 1 кГц і регулювала частоту зрізу у сабвуфері (рис. 1.5).