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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Méthode de phase pour le calcul des filtres de séparation des systèmes acoustiques. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Haut-parleurs Ces dernières années, les exigences en matière de qualité des équipements de reproduction sonore ont considérablement augmenté. Tout d'abord, cela fait référence à la largeur de la plage de fréquences de fonctionnement et à l'ampleur des distorsions non linéaires et de phase. La qualité de lecture dépend en grande partie de la conception des systèmes de haut-parleurs (AS). En particulier, les haut-parleurs multibandes, dans lesquels sont installées deux, trois têtes dynamiques ou plus, sont largement utilisés pour reproduire les basses, moyennes et hautes fréquences. Pour séparer les bandes du spectre audio, les têtes dynamiques sont activées via des filtres croisés du premier, du deuxième ordre ou supérieur. Cependant, comme on le sait, il est impossible de séparer avec précision les fréquences d'un signal audio complexe à la fréquence de coupure fp (Fig. 1). Il existe donc une zone d'action conjointe entre les bandes adjacentes de reproduction de têtes dynamiques. Un signal avec une fréquence de croisement fp est reproduit par les deux têtes à peu près au même niveau. Aux autres fréquences de la zone d'action commune, les niveaux des signaux appliqués aux têtes diffèrent fortement les uns des autres en amplitude. Pour une reproduction sonore idéale dans la zone d'action conjointe, les conditions doivent être prévues pour un fonctionnement en phase des deux têtes en termes de pression acoustique (ci-après - fonctionnement en phase des têtes), c'est-à-dire qu'il ne doit pas y avoir de déphasage entre les courants des têtes, et la zone d'action commune doit être aussi grande que possible. Ces conditions sont cependant très difficiles à remplir. Les filtres du premier ordre (Fig. 1, a) sont simples, leurs caractéristiques amplitude-fréquence (AFC) ont une forme plate et de ce fait, les zones d'action conjointe des têtes dynamiques sont relativement larges. Par exemple, la zone d'action conjointe des têtes VA1 basse fréquence et VA2 moyenne fréquence est approximativement égale à 50 ... 5000 Hz (Fig. 1, b).
Pour les enceintes contenant trois têtes dynamiques, il peut y avoir des zones d'action simultanée des trois têtes (Fig. 1, b, 500 ... 5000 Hz). (Les caractéristiques amplitude-fréquence ont été construites jusqu'au niveau des signaux d'audibilité pratique du son des têtes dynamiques.) Dans de tels filtres de séparation, en série avec la tête basse fréquence (LF) BA1, l'inductance L1 est activée, dont la résistance inductive est directement proportionnelle à la fréquence. Comme vous le savez, dans les circuits à résistance inductive, le courant est en retard sur la tension appliquée et dans les circuits contenant une capacité, il est en avance sur la tension. Par conséquent, l’amplitude du courant et l’angle de décalage entre le courant et la tension appliquée ne restent pas constants et dépendent d’une fréquence complexe. Par exemple, pour les filtres croisés simples, la caractéristique phase-fréquence (PFC) a la forme illustrée à la fig. 1, ch. Dans la zone d'action conjointe de 50 ... 5000 Hz, selon la fréquence, l'angle (p du déphasage entre les courants traversant les têtes VA1 et VA2 varie de 142 à 35°, respectivement. Une image similaire est observée entre les caractéristiques phase-fréquence des têtes VA2 et VAZ L'angle de déphasage entre les courants des têtes aux bords de la zone d'action commune est de 60 et 100°. Il est évident que l'angle de déphasage entre les courants des têtes BA1 - BA2, BA2 - VAZ est excessivement grand et dépend de la fréquence, par conséquent, le fonctionnement en phase des têtes en termes de pression acoustique dans la zone d'action commune n'est pas assuré. Si le courant dans la première tête change selon la loi Ii sin ot, et dans la seconde - l2 sin (o) t + cpi2), donc entre les courants des têtes dynamiques il y a un déphasage d'un angle (pi2 et dans ce cas, dans l'espace environnant, la pression acoustique sera proportionnelle au courant dit équivalent Ie IЭ = I1 sin ωt + je2péché(ωt + φ1-2) = jeMpéché (ωt + α), dont l'amplitude jeM est déterminé à partir de l'expression : IM = racine.q(je12 + I22 + I1I2cos1-2), et l'angle entre le courant équivalent et le courant de la première tête peut être déterminé comme suit : tga = (je2sinφ1-2) / (JE1 + I2 cos1-2), c'est-à-dire que l'angle a dépend non seulement de l'angle de phase entre les courants composites (pi2, mais aussi du rapport de leurs amplitudes I1 / Je2. Dans la zone d'action conjointe des têtes dynamiques, l'angle de déphasage peut varier de 0 à φ1-2en fonction du rapport des amplitudes des courants et, par conséquent, lors de la reproduction sonore, des distorsions de l'enregistrement original seront introduites.
Avec les paramètres connus des éléments du filtre de séparation et de la tête dynamique, les caractéristiques d'amplitude et de phase-fréquence peuvent être calculées et tracées (Fig. 2 b, c). Dans la formule (1), il existe des réactances du condensateur C3, de l'inductance L1 et de la bobine de la tête dynamique BA1, qui sont dans une dépendance complexe en fréquence. En conséquence, dans les filtres du second ordre, l'angle de déphasage entre le courant de tête dynamique et la tension appliquée ne reste pas constant et varie considérablement en fonction de la fréquence. Ainsi, par exemple, pour un filtre croisé basse fréquence, l'angle de déphasage entre le courant de la tête dynamique et la tension appliquée au filtre, selon la fréquence, peut varier de -10 à -270° à des fréquences de 20 et 20000 2 Hz, respectivement (Fig. 110, c). Pour une tête dynamique moyenne fréquence, cet angle peut varier de +75 à -80° aux fréquences de 20000 et 3 135 Hz (Fig. 50), et pour une tête haute fréquence, de +150 à -20000° (à XNUMX et XNUMX XNUMX Hz).
2 - le même, mais à C4 = 20 uF 3 - le même, mais à C4 = 20 microfarads (apparemment une faute de frappe dans l'article) 4 pareil, mais à C4=80 uF 5 le même, mais avec L2 = 0,6 uF 6 pareil, mais avec R3 = 5 ohms Ainsi, l'angle de phase entre le courant de la tête dynamique basse fréquence et la tension appliquée au filtre peut changer lorsque la fréquence de la tension appliquée change. de 260°, et pour les médiums et les tweeters, le même angle change de 185°. Cette circonstance est la principale raison du fonctionnement déphasé des têtes dynamiques dans la zone de leur action commune. En modifiant les paramètres des éléments du filtre croisé, vous pouvez ajuster la réponse en phase de chaque tête dynamique. De ce fait, il est possible d'obtenir des caractéristiques identiques des têtes et ainsi d'assurer les conditions de leur fonctionnement en phase dans la zone d'action commune. Ainsi, pour un filtre croisé basse fréquence selon le schéma de la Fig. 2, et la caractéristique phase-fréquence subit les modifications suivantes : avec une augmentation de la capacité du condensateur C3 (courbe 2), la partie centrale de la caractéristique se déplace parallèlement vers la gauche ; une diminution de la capacité du condensateur C3 (courbe 3) se déplace parallèlement à la partie centrale de la caractéristique vers la droite ; avec une augmentation de la résistance de la résistance R1 et une diminution de l'inductance de l'inductance L1, la partie gauche se déplace vers la région des petits angles avec un déplacement simultané de la partie centrale vers la droite (courbe 5) ; l'inclusion de la résistance R2 en série avec le condensateur C3 décale le côté droit de la caractéristique (courbe 4) vers la région des angles plus petits. Lors de la modification des paramètres des filtres croisés, non seulement la caractéristique phase-fréquence est corrigée, mais également la caractéristique amplitude-fréquence est déformée. Ainsi, sur la fig. 2,6 : à partir d'une augmentation de la capacité du condensateur C3 (courbe 2), l'amplitude du courant augmente légèrement, la bande passante de fréquence diminue ; avec une diminution de la capacité du condensateur C3 (courbe 3), le courant diminue, et la bande passante augmente ; une augmentation de la résistance R1 réduit la valeur maximale de l'amplitude du courant sans affecter la bande passante du filtre (courbe 5) ; une diminution de l'inductance de l'inductance L1 s'accompagne d'une augmentation de l'amplitude du courant et d'une expansion de la bande passante du filtre, etc. Les circuits électriques des filtres croisés pour les têtes dynamiques moyennes et hautes fréquences peuvent être les mêmes, ne différant que par la valeur des paramètres des éléments (Fig. 3, a). Pour un tel circuit, la valeur du courant de tête peut être calculée par la formule
Avec la capacité du condensateur C4 = 40 µF pour la tête dynamique ZGD1, la caractéristique phase-fréquence est de forme similaire à la caractéristique de la tête basse fréquence, mais elle est décalée vers la région des angles positifs. La modification des paramètres des éléments filtrants de séparation affecte la réponse de phase (Fig. 3,6) comme suit : - une augmentation de la capacité du condensateur C4 (courbe 4) décale la partie centrale de la caractéristique vers la région basse fréquence ; - une diminution de l'inductance de l'inductance L2 (courbe 5) décale la partie centrale vers la région des hautes fréquences et l'extrémité gauche de la caractéristique vers la région des valeurs plus petites des angles φ ; - augmentation de la résistance active de la tête RД(ou la résistance d'une résistance connectée en série avec elle) déplace toute la caractéristique en parallèle dans le sens d'une augmentation de l'angle de décalage du courant ; - une augmentation de la résistance de la résistance R3 (courbe 6) redresse la caractéristique, déplaçant les parties droite et gauche vers des valeurs d'angle plus petites. L'influence des modifications des paramètres des mêmes éléments sur la caractéristique amplitude-fréquence est la suivante : - une augmentation de la capacité du condensateur C4 entraîne une augmentation de la valeur maximale de l'amplitude de la caractéristique, une forte augmentation de son irrégularité, la zone de transmission augmente vers les basses fréquences ; - augmentation de la résistance active de la tête RДréduit légèrement les irrégularités de la réponse en fréquence ; - l'augmentation de la résistance de la résistance R4 réduit l'irrégularité de la réponse en fréquence et en même temps la décale vers les basses fréquences ; - la résistance R3 lisse les caractéristiques inégales. Avec des modèles connus d'influence des modifications des paramètres des filtres de séparation sur leurs caractéristiques de phase et d'amplitude-fréquence, la création de caractéristiques de phase identiques (combinées) de têtes dynamiques basse fréquence et moyenne fréquence ne présente pas de difficultés particulières. La plus grande difficulté réside dans la coordination des caractéristiques de phase des têtes dynamiques haute fréquence et moyenne fréquence. Les deux filtres séparateurs sont capacitifs et, bien entendu, l'identité de leurs caractéristiques phase-fréquence peut se produire avec les mêmes valeurs de capacités des condensateurs C4, ce qui contredit la condition de séparation de fréquence. Par conséquent, une option consiste à installer un condensateur C4 de faible capacité (environ 2 μF) et une inductance L2 avec une petite inductance (moins de 0,1 mH) dans le filtre haute fréquence. Changer la capacité du condensateur C4 a un effet considérable sur les caractéristiques de phase et d'amplitude. De plus, des phénomènes de résonance peuvent apparaître, il est donc nécessaire de prendre des mesures pour réduire l'irrégularité de la réponse en fréquence, par exemple en connectant en série avec le condensateur C4 (sur la Fig. 3) une résistance R3 avec une petite résistance. La deuxième option pour l'adaptation de phase des courants des têtes VA2 et VAZ est la construction de filtres selon différents schémas : par exemple, la tête VAZ peut être allumée via un filtre de séparation du troisième ordre
La procédure de calcul des caractéristiques de phase et d'amplitude-fréquence des systèmes acoustiques peut être la suivante. Tout d'abord, pour effectuer le calcul, il est nécessaire de connaître les résistances actives et inductives de chaque tête dynamique aux fréquences dans la zone de leur travail utile. La résistance active peut être mesurée avec un pont CC, un ohmmètre ou un autre instrument. La détermination de la réactance inductive des têtes dynamiques est associée à certaines difficultés, car elle dépend de manière complexe de la fréquence et des conditions de montage de la tête. Par conséquent, la réactance inductive des têtes dynamiques doit être déterminée dans des conditions normales de fonctionnement (montées dans un boîtier avec une paroi arrière fermée, etc.). En pratique, la résistance inductive des têtes dynamiques est déterminée expérimentalement et par calcul. Pour ce faire, mesurez l'impédance de la tête selon le schéma de la Fig. 4. Résistance auxiliaire active r dans le circuit de la fig. 4,a devrait être plus grand, et dans le schéma de la fig. 4,6 - inférieure à la résistance de tête attendue de 10 à 20 fois. Selon ces schémas, la dépendance de l'impédance de la tête dynamique à la fréquence est supprimée. D'après le schéma de la Fig. 4, et la mesure est effectuée par la méthode de substitution. En réglant la fréquence du générateur de son à intervalles réguliers G, Le voltmètre PV mesure la chute de tension alternative aux bornes de la résistance de la bobine de la tête dynamique VA. Ensuite, au lieu de la tête, une résistance variable R est activée et, en modifiant sa résistance, la même valeur de tension est obtenue. Dans ce cas, la résistance active R est égale à la résistance totale 2d1 de la tête dynamique à une fréquence donnée. Le nombre de points de mesure est déterminé par le type de tête (LF, HF) et l'irrégularité de ses caractéristiques. Sur la valeur obtenue de l'impédance pour chaque valeur de fréquence, la réactance inductive de la tête dynamique est déterminée par la formule Xdi = carré court (Zdi2 - Route2) Le niveau de tension de sortie du générateur de son n'a pratiquement aucun effet sur les résultats de mesure. Ainsi, lorsque la tension passe de 1 à 30 V, l'impédance de la tête dynamique change de 5 à 8 %. Mesures selon le schéma de la fig. 4,6 plus précis, la valeur d'impédance de la tête est Zdi = r Udi / Ur En fonction de certaines valeurs de résistance des têtes dynamiques pour des fréquences spécifiques et des paramètres attendus des éléments des filtres de séparation, les caractéristiques phase-fréquence et amplitude-fréquence sont calculées à l'aide des formules (1) et (2). Sur la base des caractéristiques d'amplitude construites, les fréquences limites de la section et les zones d'action conjointe des têtes dynamiques sont déterminées, ainsi que l'irrégularité des caractéristiques et la nécessité de leur égalisation. Sur la base des mêmes caractéristiques, on peut tirer une conclusion sur la raideur de la séparation des fréquences, sur l'évaluation des qualités des filtres croisés et sur les modalités du changement souhaité (décalage, rétrécissement, etc.). Ensuite, les caractéristiques des phases sont construites et une attention particulière est portée à leur convergence dans la zone d'action conjointe des têtes dynamiques. Après analyse des caractéristiques construites et en présence d'éventuelles lacunes, sur la base de la nature connue de l'effet du changement des éléments des filtres de séparation sur leurs caractéristiques, une option de correction est esquissée et les caractéristiques sont à nouveau calculées. Les caractéristiques obtenues sont construites, analysées, etc. jusqu'à l'obtention des résultats requis. Ensuite, tous les éléments du système acoustique sont montés et des tests électriques sont effectués. Selon la méthode ci-dessus, nous avons déterminé les paramètres des filtres de séparation pour un système acoustique à base de têtes dynamiques : 6GD2 (L1 = 7,9 mH, R2 = 1 Ohm, C3 = 30 uF, Rd = 5,5 Ohm, R1 = 1,45 Ohm) ; ZGD1 (L2 = 1,3 mH, R4 = 1 ohm, C4 = 60 µF, Rd6,8 ohm, R3 = 2 ohms) ; 1GDZ (L2 = 0,08 mH, R4 = 0,5 Ohm, C4 = 2uF, Rd = 8,70 m, R3 = 1 Ohm).
Sur la fig. Les figures 5 et 6 montrent les caractéristiques mesurées des têtes dynamiques basse fréquence (LF - 6GD2) et moyenne fréquence (MF-ZGD1). Comme vous pouvez le constater, la fréquence de coupure fP1 = 400 Hz, la zone d'action conjointe est de 80...2000 150 Hz et l'angle de décalage entre les caractéristiques phase-fréquence est de 190...180°. Il faut donc changer la polarité d'allumage d'une des têtes dynamiques ("tourner" le courant de 6°). Comme cela apparaîtra clairement en faisant correspondre la tête moyenne fréquence avec celle haute fréquence, la polarité de l'inclusion de la tête moyenne fréquence doit être modifiée (Fig. 30, caractéristique inversée des médiums). Dans ce cas, l'angle de déphasage entre les courants de tête est respectivement de 10 et 80° à des fréquences de 2000 et 500 2000 Hz. Pour une combinaison plus précise de caractéristiques dans la zone de 2 ... 1,3 Hz, la résistance R2 doit être augmentée à XNUMX Ohm (voir Fig. XNUMX, a). De même, les caractéristiques de phase des têtes dynamiques moyenne et haute fréquence sont adaptées. Grâce à l'adaptation des caractéristiques de phase des têtes dynamiques basses, moyennes et hautes fréquences, il semble possible de créer un système acoustique avec une reproduction de haute qualité de toute la gamme de fréquences et une extension « apparente » de la gamme de fréquences reproductible. Dans la fabrication de filtres de séparation comme les condensateurs C3 et C4, il est nécessaire d'utiliser des condensateurs en papier pour une tension de fonctionnement d'au moins 100 V, par exemple MBGP2 pour 160 V. Les résistances R1-R4 peuvent être réalisées avec un fil d'un diamètre de 0,4 ... 0,6 mm en tout alliage à haute résistance ; l'enroulement est bifilaire. L'inductance du filtre haute fréquence est réalisée sur n'importe quel cadre cylindrique avec un fil de cuivre d'un diamètre de 0,6. ..0,8 mm (environ 140 tours). L'inductance L2 du filtre médium (environ 240 tours) est réalisée avec un fil d'un diamètre de 0,8 mm dont la résistance active ne doit pas dépasser la résistance de la résistance R4, puisque la résistance totale active de l'enroulement de l'inductance et supplémentaire La résistance est indiquée dans le schéma sous R4. Si la valeur de l'inductance est insuffisante pour la valeur requise de résistance active, un petit noyau de ferrite est inséré dans la bobine. L'inductance L1 du filtre passe-bas est réalisée sur un châssis de taille moyenne (diamètre extérieur 25 ... 30 mm) avec un fil de 0,8 mm. La résistance active du bobinage est de 1,45 ohms. Pour augmenter l'inductance, un noyau de ferrite en forme de U est inséré dans la bobine à partir d'un transformateur à balayage horizontal. Les noyaux constitués d'autres matériaux (acier de transformateur, fer carbonyle, etc.) ne doivent pas être utilisés, car ils présentent une dépendance de la valeur de l'inductance sur l'intensité ou la fréquence du courant. Cela peut conduire à une distorsion non linéaire. Les fils de connexion dans les filtres doivent avoir une section d'au moins 0,8 mm2, et pour la connexion avec un équipement d'amplification - au moins 1,5 mm2. Ceci est nécessaire pour réduire les pertes de tension et de puissance dans les fils et éliminer d'éventuelles influences mutuelles entre les filtres. Il est absolument inacceptable d'utiliser des éléments séparés dans les circuits de deux filtres, par exemple, le condensateur de filtre haute fréquence C4 doit être connecté après un condensateur de filtre moyenne fréquence similaire (comme cela se fait souvent dans la pratique). Si cette condition n'est pas remplie, des influences mutuelles apparaissent sur l'amplitude et surtout sur les caractéristiques phase-fréquence. Auteur : A. Vakhrameev ; Publication : cxem.net
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