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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 음향 시스템의 분리 필터를 계산하기 위한 위상 방법. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
최근 몇 년 동안 사운드 재생 장비의 품질에 대한 요구 사항이 크게 증가했습니다. 우선 이것은 작동 주파수 범위의 폭과 비선형 및 위상 왜곡의 크기를 나타냅니다. 재생 품질은 주로 스피커 시스템(AS)의 설계에 따라 달라집니다. 특히 다이내믹 헤드를 XNUMX개, XNUMX개 이상 설치한 멀티밴드 스피커는 저음, 중음, 고주파 재생에 많이 사용된다. 오디오 스펙트럼의 대역을 분리하기 위해 다이내믹 헤드는 1차, XNUMX차 또는 상위 차수의 크로스오버 필터를 통해 켜집니다. 그러나 알려진 바와 같이 복잡한 오디오 신호의 주파수를 차단 주파수 fp에서 정확하게 분리하는 것은 불가능합니다(그림 XNUMX). 따라서 인접한 다이나믹 헤드 재생 스트립 사이에 공동 작업 영역이 있습니다. 크로스오버 주파수 fp가 있는 신호는 거의 동일한 레벨에서 두 헤드에 의해 재생됩니다. 관절 작용 영역의 다른 주파수에서 머리에 적용되는 신호의 수준은 진폭이 서로 크게 다릅니다. 조인트 액션 영역에서 이상적인 사운드 재생을 위해 음압 측면에서 두 헤드의 동위상 작동(이하 헤드의 동위상 작동) 조건이 제공되어야 합니다. 즉, 전류 사이에 위상 변이가 없어야 합니다. 머리와 공동 행동 영역은 가능한 한 작아야합니다. 그러나 이러한 조건은 충족하기가 매우 어렵습니다. 1차 필터(그림 1, a)는 단순하고 진폭-주파수 특성(AFC)이 평평한 모양을 가지므로 동적 헤드의 공동 작용 영역이 비교적 넓습니다. 예를 들어 저주파 VA2 및 중주파 VA50 헤드의 공동 작용 영역은 대략 5000 ... 1Hz와 같습니다(그림 XNUMX, b).
1개의 동적 헤드가 포함된 스피커의 경우 500개의 헤드 모두가 동시에 작동하는 영역이 있을 수 있습니다(그림 5000, b, XNUMX ~ XNUMXHz). (진폭-주파수 특성은 다이내믹 헤드의 실제 가청 신호 수준까지 구축되었습니다.) 이러한 크로스오버 필터에서 저주파(LF) 헤드 BA1과 직렬로 인덕터 L1이 켜지고 유도 저항은 주파수에 정비례합니다. 아시다시피 유도 저항이 있는 회로에서는 전류가 인가된 전압보다 뒤떨어지고 정전 용량이 있는 회로에서는 전류가 전압보다 앞서게 됩니다. 결과적으로 전류의 진폭과 전류와 인가된 전압 사이의 이동 각도는 일정하게 유지되지 않고 복잡한 주파수 종속 관계에 있습니다. 예를 들어 간단한 크로스오버 필터의 경우 위상-주파수 특성(PFC)은 그림에 표시된 형식을 갖습니다. 1, 다. 50 ... 5000Hz의 공동 작용 영역에서 주파수에 따라 VA1 및 VA2 헤드를 통과하는 전류 사이의 위상 변이의 각도(p)는 각각 142에서 35°로 다양합니다. 유사한 그림이 관찰됩니다. VA2 및 VAZ 헤드의 위상-주파수 특성 사이 조인트 액션 영역의 가장자리에서 헤드 전류 사이의 위상 변이 각도는 60 및 100 °입니다.헤드 BA1 전류 사이의 위상 변이 각도는 명백합니다. BA2, BA2 - VAZ는 지나치게 크고 주파수에 따라 다르므로 공동 작업 영역에서 음압 측면에서 동위상 헤드 작동이 제공되지 않습니다. 첫 번째 헤드의 전류가 Ii sin ot 법칙에 따라 변하고 두 번째 - l2 sin (o) t + cpi2)에 따라 동적 헤드의 전류 사이에 각도 (pi2 이 경우 주변 공간에서 음압은 소위 등가 전류 Ie에 비례합니다. IЭ = I1 죄 ωt + 나2죄(ωt + φ1-2) = 나M죄(ωt + α), 그의 진폭 IM 다음 식에서 결정됩니다. IM = root.q(나는12 + I22 + I1I2코스 φ1-2), 등가 전류와 첫 번째 헤드의 전류 사이의 각도는 다음과 같이 결정될 수 있습니다. tgα = (나는2죄 φ1-2) / (나1 + I2 코스 φ1-2), 즉, 각도 a는 복합 전류(pi2) 사이의 위상 각도뿐만 아니라 진폭 I의 비율에도 의존합니다.1 / 나2. 다이나믹 헤드의 공동 동작 영역에서 위상 변이 각도는 0에서 φ까지 다양합니다.1-2전류 진폭의 비율에 따라 따라서 사운드 재생 중에 원본 녹음의 왜곡이 발생합니다.
분리 필터 및 동적 헤드 요소의 알려진 매개변수를 사용하여 진폭 및 위상-주파수 특성을 계산하고 플롯할 수 있습니다(그림 2b, c). 식 (1)에서 커패시터 C3, 인덕터 L1 및 다이나믹 헤드 BA1의 코일의 리액턴스가 있으며, 이들은 복잡한 주파수 의존 관계에 있습니다. 결과적으로 10차 필터에서는 동적 헤드 전류와 인가된 전압 사이의 위상 편이각이 일정하게 유지되지 않고 주파수에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어 저주파 크로스 오버 필터의 경우 동적 헤드의 전류와 필터에 적용되는 전압 사이의 위상 변이 각도는 주파수에 따라 270의 주파수에서 -20에서 -20000 °까지 다양합니다. 및 2Hz, 각각(그림 110, c). 중주파수 다이내믹 헤드의 경우 이 각도는 75~80Hz의 주파수에서 +20000~-3°까지 다양할 수 있으며(그림 135) 고주파수 헤드의 경우 +50~-150°(20000Hz에서 및 XNUMXHz).
2 - 동일하지만 C4 = 20uF에서 3-동일하지만 C4 \u20d XNUMX 마이크로 패럿 (기사의 오타) 4 동일하지만 C4=80uF에서 5 동일하지만 L2 = 0,6uF 6 동일하지만 R3 = 5옴 따라서 저주파 동적 헤드의 전류와 필터에 인가되는 전압 사이의 위상각은 인가되는 전압의 주파수가 변할 때 변할 수 있다. 260°, 미드레인지 및 트위터의 경우 동일한 각도가 185° 변경됩니다. 이러한 상황은 공동 작업 영역에서 동적 헤드의 위상이 다른 작동의 주된 이유입니다. 크로스오버 필터 요소의 매개변수를 변경하여 각 동적 헤드의 위상 응답을 조정할 수 있습니다. 이로 인해 헤드의 동일한 특성을 얻을 수 있으므로 공동 작업 영역에서 단계적으로 작동 조건을 보장할 수 있습니다. 따라서 그림 2의 방식에 따른 저주파 크로스오버 필터의 경우 XNUMX, 위상 주파수 특성은 다음과 같이 변경됩니다. 커패시터 C3의 커패시턴스가 증가함에 따라 (곡선 2) 특성의 중앙 부분이 왼쪽과 평행하게 이동합니다. 커패시터 C3의 커패시턴스 감소 (곡선 3)는 특성의 중앙 부분과 평행하게 오른쪽으로 이동합니다. 저항 R1의 저항이 증가하고 인덕터 L1의 인덕턴스가 감소하면 왼쪽 부분이 작은 각도 영역으로 이동하고 동시에 중앙 부분이 오른쪽으로 이동합니다(곡선 5). 커패시터 C2와 직렬로 저항 R3를 포함하면 특성의 오른쪽(곡선 4)이 더 작은 각도 영역으로 이동합니다. 크로스오버 필터의 파라미터를 변경하면 위상-주파수 특성이 수정될 뿐만 아니라 진폭-주파수 특성도 변형됩니다. 그래서 그림에서. 2,6: 커패시터 C3의 커패시턴스 증가 (곡선 2)에서 전류 진폭이 약간 증가하고 주파수 대역폭이 감소합니다. 커패시터 C3의 커패시턴스가 감소하면 (곡선 3) 전류가 감소하고 대역폭이 증가합니다. 저항 R1의 저항이 증가하면 필터 대역폭에 영향을 주지 않고 전류 진폭의 최대값이 감소합니다(곡선 5). 인덕터 L1의 인덕턴스 감소는 전류 진폭의 증가 및 필터 대역폭의 확장 등을 동반합니다. 중주파 및 고주파 동적 헤드에 대한 크로스오버 필터의 전기 회로는 요소의 매개변수 값만 다를 뿐 동일할 수 있습니다(그림 3, a). 이러한 회로의 경우 헤드 전류 값은 공식으로 계산할 수 있습니다.
동적 헤드 ZGD4에 대한 커패시터 C40 = 1μF의 커패시턴스로 위상-주파수 특성은 저주파 헤드의 특성과 모양이 유사하지만 양의 각도 영역으로 이동합니다. 분리 필터 요소의 매개변수를 변경하면 다음과 같이 위상 응답(그림 3,6)에 영향을 미칩니다. - 커패시터 C4의 커패시턴스 증가(곡선 4)는 특성의 중앙 부분을 저주파 영역으로 이동시킨다. - 인덕터 L2(곡선 5)의 인덕턴스가 감소하면 중앙 부분이 고주파 영역으로 이동하고 특성의 왼쪽 끝이 각도 φ의 더 작은 값 영역으로 이동합니다. - 헤드 R의 활성 저항 증가Д(또는 직렬로 연결된 저항의 저항) 전류 이동 각도를 증가시키는 방향으로 전체 특성을 병렬로 이동합니다. - 저항 R3(곡선 6)의 저항이 증가하면 특성이 직선화되어 오른쪽 및 왼쪽 부분이 더 작은 각도 값으로 이동합니다. 진폭-주파수 특성에 대한 동일한 요소의 매개 변수 변화의 영향은 다음과 같습니다. - 커패시터 C4의 커패시턴스가 증가하면 특성 진폭의 최대 값이 증가하고 불균일이 급격히 증가하며 전송 영역이 저주파쪽으로 증가합니다. - 헤드 R의 활성 저항 증가Д주파수 응답의 불균일성을 약간 줄입니다. - 저항 R4의 저항을 높이면 주파수 응답의 불균일성이 줄어들고 동시에 저주파쪽으로 이동합니다. - 저항 R3은 고르지 않은 특성을 부드럽게 합니다. 위상 및 진폭-주파수 특성에 대한 분리 필터의 매개변수 변화의 알려진 영향 패턴으로 인해 저주파 및 중주파 동적 헤드의 동일한(결합된) 위상 특성을 생성하는 데 특별한 어려움이 없습니다. 가장 큰 어려움은 고주파 및 중주파 동적 헤드의 위상 특성 조정입니다. 두 분리 필터는 용량 성이며 물론 커패시터 C4의 동일한 커패시턴스 값으로 위상 주파수 특성의 정체성이 발생할 수 있으며 이는 주파수 분리 조건과 모순됩니다. 따라서 한 가지 옵션은 고주파 필터에 저용량 커패시터 C4(약 2μF)와 인덕턴스가 작은(2mH 미만) 초크 L0,1를 설치하는 것입니다. 커패시터 C4의 커패시턴스를 변경하면 위상 및 진폭 특성에 큰 영향을 미칩니다. 또한 공진 현상이 나타날 수 있으므로 저항이 작은 저항 R4을 커패시터 C3 (그림 3)와 직렬로 연결하는 등 주파수 응답의 불균일을 줄이기위한 조치가 필요합니다. VA2 및 VAZ 헤드 전류의 위상 일치를 위한 두 번째 옵션은 서로 다른 구성표에 따라 필터를 구성하는 것입니다. 예를 들어 VAZ 헤드는 XNUMX차 분리 필터를 통해 켤 수 있습니다.
음향 시스템의 위상 및 진폭-주파수 특성을 계산하는 절차는 다음과 같습니다. 먼저 계산을 수행하려면 유용한 작업 영역의 주파수에서 각 동적 헤드의 활성 및 유도 저항을 알아야 합니다. 활성 저항은 DC 브리지, 저항계 또는 기타 기기로 측정할 수 있습니다. 동적 헤드의 유도성 리액턴스를 결정하는 것은 주파수와 헤드 장착 조건에 복잡한 의존성이 있기 때문에 몇 가지 어려움과 관련이 있습니다. 따라서 동적 헤드의 유도 리액턴스는 정상적인 작동 조건(뒤 벽이 닫힌 상자에 장착된 경우 등)에서 결정되어야 합니다. 실제로 동적 헤드의 유도 저항은 실험과 계산을 통해 결정됩니다. 이를 위해 그림 4의 방식에 따라 헤드의 임피던스를 측정합니다. 4. 그림의 회로에서 활성 보조 저항 r. 4,6,a는 무화과의 계획에서 더 커야합니다. 10 - 예상 머리 저항보다 20~XNUMX배 적습니다. 이러한 방식에 따르면 주파수에 대한 동적 헤드의 임피던스 의존성이 제거됩니다. 그림의 다이어그램에 따르면 4, 치환법으로 측정한다. 소리 발생기의 주파수를 일정한 간격으로 설정하여 G, 전압계 PV는 다이나믹 헤드 VA의 코일 저항에 걸친 교류 전압 강하를 측정합니다. 그런 다음 헤드 대신 가변 저항 R이 켜지고 저항을 변경하여 동일한 전압 값을 얻습니다. 이 경우 활성 저항 R은 주어진 주파수에서 동적 헤드의 총 저항 2d1과 같습니다. 측정 포인트의 수는 헤드의 종류(LF, HF)와 특성의 불균일성에 따라 결정됩니다. 에 각 주파수 값에 대해 얻은 임피던스 값, 동적 헤드의 유도 리액턴스는 공식에 의해 결정됩니다. Xdi = 짧은 정사각형(Zdi2 - 로드2) 사운드 제너레이터의 출력 전압 레벨은 측정 결과에 거의 영향을 미치지 않습니다. 따라서 전압이 1V에서 30V로 변경되면 동적 헤드의 임피던스가 5 ... 8% 변경됩니다. 그림의 계획에 따른 측정. 4,6 더 정확한 헤드 임피던스 값은 Zdi = r Udi / Ur 특정 주파수에 대한 동적 헤드 저항의 특정 값과 분리 필터 요소의 예상 매개 변수에 따라 위상 주파수 및 진폭 주파수 특성은 공식 (1) 및 (2)를 사용하여 계산됩니다. 구성된 진폭 특성에 따라 섹션의 경계 주파수와 다이내믹 헤드의 공동 동작 영역, 특성의 불균일성 및 균등화의 필요성이 결정됩니다. 동일한 특성을 기반으로 주파수 분리의 가파른 정도, 크로스오버 필터의 품질 평가 및 원하는 변경 방식(이동, 축소 등)에 대한 결론을 도출할 수 있습니다. 그런 다음 위상 특성이 구축되고 동적 헤드의 공동 동작 영역에서 수렴에 특별한 주의를 기울입니다. 구성된 특성을 분석하고 단점이 있는 경우 분리 필터의 요소를 특성에 변경하는 효과의 알려진 특성을 기반으로 수정 옵션이 설명되고 특성이 다시 계산됩니다. 얻은 특성은 필요한 결과를 얻을 때까지 구축, 분석 등을 합니다. 그런 다음 음향 시스템의 모든 요소가 장착되고 전기 테스트가 수행됩니다. 위의 방법에 따라 동적 헤드 기반 음향 시스템에 대한 분리 필터의 매개변수를 결정했습니다. 6GD2(L1 = 7,9mH, R2 = 1 옴, C3 \u30d 5,5μF, Rd \u1d 1,45옴, R1 \u2d 1,3옴); ZGD4(L1 = 4mH, R60 = 6,8옴, C3 = 2μF, Rd1옴, R2 = 0,08옴); 4GDZ(L0,5 = 4mH, R2 = 8,70옴, C3 = 1uF, Rd = XNUMXm, RXNUMX = XNUMX옴).
무화과에. 그림 5와 6은 저주파(LF - 6GD2) 및 중주파(MF-ZGD1) 동적 헤드의 측정된 특성을 보여줍니다. 보시다시피 컷오프 주파수 fP1 = 400Hz, 관절 작용 영역은 80...2000Hz이고 위상-주파수 특성 사이의 이동 각도는 150...190°입니다. 따라서 동적 헤드 중 하나에서 전환 극성을 반대로 해야 합니다(전류를 180° "전환"). 중주파 헤드와 고주파수 헤드를 일치시키면 분명해지므로 중주파 헤드를 포함하는 극성을 변경해야 합니다(그림 6, 반전된 중역 특성). 이 경우 헤드 전류 사이의 위상 편이 각도는 30Hz와 10Hz의 주파수에서 각각 80°와 2000°입니다. 500 ... 2000 Hz 영역에서 보다 정확한 특성 조합을 위해 저항 R2를 1,3 옴으로 증가시켜야 합니다(그림 2, a 참조). 마찬가지로 중주파 및 고주파 동적 헤드의 위상 특성이 일치합니다. 저주파, 중주파, 고주파 다이내믹 헤드의 위상 특성을 일치시킨 결과, 전체 주파수 범위의 고품질 재생과 재생 가능한 주파수 범위의 "명백한" 확장을 가진 음향 시스템을 만드는 것이 가능해 보입니다. 커패시터 C3 및 C4로 분리 필터를 제조할 때 작동 전압이 100V 이상인 경우 종이 커패시터를 사용해야 합니다(예: 2V의 경우 MBGP160). 저항 R1-R4는 직경이 있는 와이어로 만들 수 있습니다. 모든 고저항 합금에서 0,4 ~ 0,6 mm ; 권선은 bifilar입니다. 고주파 필터의 인덕터는 직경 0,6의 구리선이 있는 원통형 프레임으로 만들어집니다. ..0,8mm(약 140회전). 미드 레인지 필터의 인덕터 L2 (약 240 회)는 직경 0,8mm의 와이어로 만들어지며 활성 저항은 저항 R4의 저항을 초과해서는 안됩니다. 저항은 R4 아래의 다이어그램에 표시됩니다. 인덕턴스 값이 필요한 능동 저항 값에 충분하지 않으면 작은 페라이트 코어가 코일에 삽입됩니다. 저역 통과 필터의 인덕터 L1은 25mm 와이어가 있는 중간 크기의 프레임(외경 30 ... 0,8mm)에 만들어집니다. 권선의 활성 저항은 1,45옴입니다. 인덕턴스를 높이기 위해 U자형 페라이트 코어가 수평 주사 변압기에서 코일에 삽입됩니다. 다른 재료(변압기 강철, 카르보닐 철 등)로 만든 코어는 전류의 강도 또는 주파수에 대한 인덕턴스 값의 의존성을 나타내므로 사용해서는 안 됩니다. 이로 인해 비선형 왜곡이 발생할 수 있습니다. 필터의 연결 와이어는 단면적이 0,8mm 이상이어야 합니다.2, 증폭 장비와의 연결용 - 최소 1,5mm2. 이는 전선의 전압 및 전력 손실을 줄이고 필터 간에 발생할 수 있는 상호 영향을 제거하는 데 필요합니다. 예를 들어, 고주파 필터 커패시터 C4는 유사한 중주파 필터 커패시터 뒤에 연결되어야 합니다(실제로 종종 수행됨). 이 조건이 충족되지 않으면 진폭, 특히 위상-주파수 특성에 상호 영향이 나타납니다. 저자: A. Vakhameev; 간행물: cxem.net
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