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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Phasenmethode zur Berechnung der Trennfilter akustischer Systeme. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Lautsprecher In den letzten Jahren sind die Anforderungen an die Qualität von Tonwiedergabegeräten deutlich gestiegen. Dies betrifft zunächst die Breite des Betriebsfrequenzbereichs und das Ausmaß nichtlinearer und Phasenverzerrungen. Die Qualität der Wiedergabe hängt maßgeblich von der Gestaltung der akustischen Systeme (AS) ab. Insbesondere Multiband-Lautsprecher, in denen zwei, drei oder mehr dynamische Köpfe verbaut sind, werden häufig zur Wiedergabe tiefer, mittlerer und hoher Frequenzen eingesetzt. Um die Bänder des Audiospektrums zu trennen, werden die dynamischen Köpfe durch Trennfilter erster, zweiter oder höherer Ordnung eingeschaltet. Es ist jedoch bekannt, dass es unmöglich ist, die Frequenzen eines komplexen Audiosignals bei der Grenzfrequenz fp genau zu trennen (Abb. 1). Daher gibt es zwischen benachbarten Wiedergabestreifen dynamischer Köpfe eine Zone gemeinsamer Wirkung. Beide Köpfe geben ein Signal mit einer Übergangsfrequenz fp auf etwa gleichem Pegel wieder. Bei anderen Frequenzen der gemeinsamen Aktionszone unterscheiden sich die Pegel der den Köpfen zugeführten Signale in der Amplitude stark voneinander. Für eine optimale Klangwiedergabe in der gemeinsamen Wirkungszone müssen Bedingungen für einen gleichphasigen Betrieb beider Köpfe hinsichtlich des Schalldrucks (im Folgenden als gleichphasiger Betrieb der Köpfe bezeichnet) gegeben sein, d. h. es darf keine Phasenverschiebung zwischen den Köpfen auftreten Kopfströmungen und die Gelenkwirkungszone sollten möglichst breit sein. Allerdings ist es sehr schwierig, diese Bedingungen zu erfüllen. Filter erster Ordnung (Abb. 1, a) sind einfach, ihre Amplituden-Frequenz-Charakteristik (AFC) hat eine flache Form und dadurch sind die gemeinsamen Wirkungszonen der dynamischen Köpfe relativ breit. Beispielsweise liegt der kombinierte Wirkungsbereich der Niederfrequenz-BA1- und Mittelfrequenz-BA2-Köpfe bei etwa 50...5000 Hz (Abb. 1, b).
Bei Lautsprechern mit drei dynamischen Köpfen kann es Zonen mit gleichzeitigem Betrieb aller drei Köpfe geben (Abb. 1, b, 500...5000 Hz). (Die Amplituden-Frequenz-Eigenschaften wurden auf das Niveau der Signale der praktischen Hörbarkeit des Klangs dynamischer Köpfe abgestimmt.) In solchen Isolationsfiltern ist die Induktivität L1 in Reihe mit dem Niederfrequenzkopf (NF) BA1 geschaltet, dessen induktive Reaktanz direkt proportional zur Frequenz ist. Bekanntlich eilt der Strom in Stromkreisen mit induktiver Reaktanz der angelegten Spannung nach, in Stromkreisen mit Kapazität eilt er der Spannung voraus. Folglich bleiben die Stromamplitude und der Verschiebungswinkel zwischen Strom und angelegter Spannung nicht konstant und weisen eine komplexe Abhängigkeit von der Frequenz auf. Für einfache Isolationsfilter hat der Phasenfrequenzgang (PFC) beispielsweise die in Abb. gezeigte Form. 1, c. Im gemeinsamen Wirkungsbereich von 50...5000 Hz variiert der Winkel (p) der Phasenverschiebung zwischen den durch die Köpfe BA1 und BA2 fließenden Strömen je nach Frequenz zwischen 142 und 35°. Es ergibt sich ein ähnliches Bild zwischen den Phasenfrequenzeigenschaften der Köpfe BA2 und VAZ . Der Phasenverschiebungswinkel zwischen den Kopfströmen an den Rändern der gemeinsamen Wirkungszone beträgt 60 und 100 °. Offensichtlich ist der Phasenverschiebungswinkel zwischen den Kopfströmen BA1 - BA2, VA2 - VAZ ist zu groß und hängt von der Frequenz ab, daher ist eine gemeinsame Wirkungszone der Köpfe in Bezug auf den Schalldruck nicht vorgesehen. Ändert sich der Strom im ersten Kopf nach dem Gesetz Ii sin ot und im zweiten - l2 sin (o)t+cpi2), so kommt es zwischen den Strömen der dynamischen Köpfe zu einer Phasenverschiebung um einen Winkel (pi2 und in diesem Fall ist der Schalldruck im umgebenden Raum proportional zum sogenannten Ersatzstrom Ie IЭ = Ich1 sin ωt + I2sin(ωt + φ1-2) = ichMSünde (ωt + α), deren Amplitude IM bestimmt aus dem Ausdruck: IM = Wurzel.Quadrat(I12 + I22 + I1I2cos φ1-2), und der Winkel zwischen dem Ersatzstrom und dem Strom des ersten Kopfes kann wie folgt bestimmt werden: tgα = (I2Sünde φ1-2) / (ICH1 + I2 cos φ1-2), d.h. Winkel a hängt nicht nur vom Phasenverschiebungswinkel zwischen den Teilströmen (pi2) ab, sondern auch vom Verhältnis ihrer Amplituden I1 / Ich2. Im gemeinsamen Wirkungsbereich dynamischer Köpfe kann der Phasenverschiebungswinkel von 0 bis φ variieren1-2Abhängig vom Verhältnis der aktuellen Amplituden kommt es bei der Tonwiedergabe zu Verzerrungen der Originalaufnahme.
Mit bekannten Parametern der Elemente des Isolationsfilters und des dynamischen Kopfes können die Amplituden- und Phasenfrequenzeigenschaften berechnet und aufgezeichnet werden (Abb. 2 b, c). Formel (1) enthält die Reaktanz des Kondensators C3, der Induktivität L1 und der dynamischen Kopfspule BA1, die eine komplexe Abhängigkeit von der Frequenz aufweisen. Dies hat zur Folge, dass bei Filtern zweiter Ordnung der Phasenverschiebungswinkel zwischen dem dynamischen Kopfstrom und der angelegten Spannung nicht konstant bleibt und je nach Frequenz stark variiert. So kann beispielsweise bei einem Niederfrequenz-Crossover-Filter der Phasenverschiebungswinkel zwischen dem dynamischen Kopfstrom und der an das Filter angelegten Spannung je nach Frequenz zwischen -10 und -270° bei Frequenzen von 20 und 20000 variieren Hz (Abb. 2, c). Bei einem dynamischen Mitteltonfell kann dieser Winkel bei Frequenzen von 110 und 75 Hz zwischen +80 und -20000° variieren (Abb. 3), bei einem Hochtontreiber zwischen +135 und -50° (bei 150). und 20000 Hz).
2 - das gleiche, aber bei C4 = 20 uF 3 – das Gleiche, aber mit C4 = 20 µF (im Artikel ist offenbar ein Tippfehler enthalten) 4 gleich, aber bei C4=80 uF 5 gleich, aber mit L2 = 0,6 uF 6 gleich, aber mit R3 = 5 Ohm Somit kann sich der Phasenwinkel zwischen dem Strom des niederfrequenten dynamischen Kopfes und der an den Filter angelegten Spannung ändern, wenn sich die Frequenz der angelegten Spannung ändert. um 260°, bei Mittelton- und Hochtonköpfen ändert sich der gleiche Winkel auf 185°. Dieser Umstand ist der Hauptgrund für den phasenverschobenen Betrieb dynamischer Köpfe im Bereich ihrer gemeinsamen Wirkung. Durch Ändern der Parameter der Crossover-Filterelemente können Sie den Phasenfrequenzgang jedes dynamischen Kopfes anpassen. Dadurch ist es möglich, identische Eigenschaften der Köpfe zu erhalten und dadurch Bedingungen für ihren phasengleichen Betrieb in der gemeinsamen Aktionszone sicherzustellen. Also für ein Tieffrequenz-Crossover-Filter gemäß dem Diagramm in Abb. 2, und die Phasen-Frequenz-Kennlinie erfährt folgende Änderungen: mit zunehmender Kapazität des Kondensators C3 (Kurve 2) verschiebt sich der mittlere Teil der Kennlinie parallel nach links; Durch Verringern der Kapazität des Kondensators C3 (Kurve 3) wird der mittlere Teil der Kennlinie parallel nach rechts verschoben. wenn der Widerstandswert des Widerstands R1 zunimmt und die Induktivität der Induktivität L1 abnimmt, verschiebt sich der linke Teil in den Bereich kleiner Winkelwerte bei gleichzeitiger Verschiebung des mittleren Teils nach rechts (Kurve 5); Durch die Reihenschaltung des Widerstands R2 mit dem Kondensator C3 wird die rechte Seite der Kennlinie (Kurve 4) in den Bereich kleinerer Winkel verschoben. Bei der Änderung der Parameter der Trennfilter wird nicht nur die Phasen-Frequenz-Kennlinie korrigiert, sondern auch die Amplituden-Frequenz-Kennlinie verformt. Also, in Abb. 2,6: durch Erhöhen der Kapazität des Kondensators C3 (Kurve 2) erhöht sich die Stromamplitude leicht und die Frequenzbandbreite nimmt ab; wenn die Kapazität des Kondensators C3 abnimmt (Kurve 3), nimmt der Strom ab und die Bandbreite nimmt zu; Durch Erhöhen des Widerstandswerts des Widerstands R1 wird der Maximalwert der Stromamplitude verringert, ohne den Filterdurchlassbereich zu beeinflussen (Kurve 5); Eine Verringerung der Induktivität der Induktivität L1 geht mit einer Erhöhung der Stromamplitude und einer Erweiterung der Filterbandbreite usw. einher. Die elektrischen Schaltkreise der Isolationsfilter für dynamische Mittelfrequenz- und Hochfrequenzköpfe können gleich sein und sich nur in den Werten der Parameter der Elemente unterscheiden (Abb. 3,a). Für eine solche Schaltung kann der Kopfstromwert mithilfe der Formel berechnet werden
Bei einer Kapazität des Kondensators C4 = 40 μF für den dynamischen Kopf ZGD1 ähnelt die Phasenfrequenzkennlinie in ihrer Form der Kennlinie des Niederfrequenzkopfs, ist jedoch in den Bereich positiver Winkelwerte verschoben. Eine Änderung der Parameter der Crossover-Filterelemente wirkt sich wie folgt auf die Phasen-Frequenz-Kennlinie (Abb. 3,6) aus: - Durch Erhöhen der Kapazität des Kondensators C4 (Kurve 4) wird der mittlere Teil der Kennlinie in den Niederfrequenzbereich verschoben. - Durch Verringern der Induktivität des Induktors L2 (Kurve 5) wird der mittlere Teil in den Bereich hoher Frequenzen und das linke Ende der Kennlinie in den Bereich kleinerer Winkelwerte φ verschoben. - Erhöhung des aktiven Widerstands des Kopfes RД(bzw. der Widerstandswert eines dazu in Reihe geschalteten Widerstands) verschiebt die gesamte Kennlinie parallel in Richtung Vergrößerung des Stromverschiebungswinkels; - Durch Erhöhen des Widerstandswerts von Widerstand R3 (Kurve 6) wird die Kennlinie begradigt und der rechte und linke Teil zu kleineren Winkelwerten verschoben. Die Auswirkung von Änderungen der Parameter derselben Elemente auf den Amplituden-Frequenzgang ist wie folgt: - Eine Erhöhung der Kapazität des Kondensators C4 führt zu einer Erhöhung des Maximalwerts der Amplitude der Kennlinie, einem starken Anstieg ihrer Unebenheit, die Übertragungszone nimmt zu niedrigen Frequenzen hin zu; - Erhöhung des aktiven Widerstands des Kopfes RДreduziert leicht die Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs; - Durch Erhöhen des Widerstandswerts des Widerstands R4 wird die Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs verringert und gleichzeitig in Richtung niedriger Frequenzen verschoben. - Widerstand R3 glättet die ungleichmäßigen Eigenschaften. Angesichts der bekannten Muster des Einflusses von Änderungen der Parameter von Trennfilterelementen auf deren Phasen- und Amplituden-Frequenz-Charakteristik stellt die Schaffung identischer (kombinierter) Phasencharakteristiken von dynamischen Niederfrequenz- und Mittelfrequenzköpfen keine besonderen Schwierigkeiten dar. Die größte Schwierigkeit besteht darin, die Phaseneigenschaften dynamischer Hochfrequenz- und Mittelfrequenzköpfe anzupassen. Beide Trennfilter sind kapazitiv und natürlich kann die Identität ihrer Phasenfrequenzeigenschaften bei gleichen Werten der Kapazitäten der Kondensatoren C4 auftreten, was der Bedingung der Frequenztrennung widerspricht. Daher besteht eine der Möglichkeiten darin, den Kondensator C4 mit kleiner Kapazität (ca. 2 μF) und die Induktivität L2 mit kleiner Induktivität (weniger als 0,1 mH) in den Hochfrequenzfilter einzubauen. Eine Änderung der Kapazität des Kondensators C4 hat dramatische Auswirkungen auf die Phasen- und Amplitudeneigenschaften. Darüber hinaus können Resonanzphänomene auftreten, daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs zu verringern, z. B. einen Widerstand R4 mit kleinem Widerstand in Reihe mit dem Kondensator C3 schalten (in Abb. 3). Die zweite Möglichkeit zur Phasenanpassung der Ströme der VA2- und VAZ-Köpfe besteht darin, Filter mit unterschiedlichen Schaltungen aufzubauen: Beispielsweise kann der VAZ-Kopf über ein Trennfilter dritter Ordnung angeschlossen werden
Das Verfahren zur Berechnung der Phasen- und Amplituden-Frequenz-Eigenschaften akustischer Systeme kann wie folgt sein. Um die Berechnung durchzuführen, ist es zunächst erforderlich, den aktiven und induktiven Widerstand jedes dynamischen Kopfes bei Frequenzen im Bereich seines Nutzbetriebs zu kennen. Der aktive Widerstand kann mit einer Gleichstrombrücke, einem Ohmmeter oder einem anderen Gerät gemessen werden. Die Bestimmung der induktiven Reaktanz dynamischer Köpfe ist mit einigen Schwierigkeiten verbunden, da sie komplex von der Frequenz und den Montagebedingungen des Kopfes abhängt. Daher sollte die induktive Reaktanz dynamischer Köpfe unter normalen Betriebsbedingungen (Montage in einem Kasten mit geschlossener Rückwand usw.) bestimmt werden. In der Praxis wird die induktive Reaktanz dynamischer Köpfe experimentell und rechnerisch ermittelt. Messen Sie dazu den Gesamtwiderstand des Kopfes gemäß dem Diagramm in Abb. 4. Aktiver Hilfswiderstand r in der Schaltung von Abb. 4, aber es sollten noch mehr sein, aber im Diagramm in Abb. 4,6 - 10...20 Mal weniger als der erwartete Kopfwiderstand. Gemäß diesen Schemata wird die Abhängigkeit der Impedanz des dynamischen Kopfes von der Frequenz beseitigt. Gemäß dem Diagramm in Abb. 4, und die Messung erfolgt nach der Substitutionsmethode. Durch Einstellen der Frequenz des Tongenerators in bestimmten Abständen G, Das Voltmeter PV misst den Wechselspannungsabfall am Widerstand der Spule des dynamischen Kopfes VA. Dann wird anstelle des Kopfes ein variabler Widerstand R eingeschaltet und durch Änderung seines Widerstandes erhält man an ihm den gleichen Spannungswert. In diesem Fall ist der aktive Widerstand R gleich dem Gesamtwiderstand des dynamischen 2d1-Kopfes bei einer bestimmten Frequenz. Die Anzahl der Messpunkte wird durch den Kopftyp (LF, HF) und die Ungleichmäßigkeit seiner Eigenschaften bestimmt. Auf Basierend auf dem erhaltenen Impedanzwert für jeden Frequenzwert wird die induktive Reaktanz des dynamischen Kopfes durch die Formel bestimmt Xdi = kurzes Quadrat (Zdi2 - Rd2) Der Ausgangsspannungspegel des Schallgenerators hat nahezu keinen Einfluss auf die Messergebnisse. Wenn sich also die Spannung von 1 auf 30 V ändert, ändert sich der Gesamtwiderstand des dynamischen Kopfes um 5 ... 8 %. Messungen gemäß dem Diagramm in Abb. 4,6 sind genauer, der Wert der Kopfimpedanz ist gleich Zdi = rUdi / Ur Basierend auf bestimmten Widerstandswerten dynamischer Köpfe für bestimmte Frequenzen und erwarteten Parametern der Isolationsfilterelemente werden Phasenfrequenz- und Amplitudenfrequenzeigenschaften mithilfe der Formeln (1) und (2) berechnet. Basierend auf den konstruierten Amplitudenkennlinien werden die Grenzfrequenzen der Grenzfläche und der gemeinsamen Wirkungszonen der dynamischen Köpfe sowie die Ungleichmäßigkeit der Kennlinien und die Notwendigkeit ihres Ausgleichs bestimmt. Aufgrund derselben Eigenschaften kann man Rückschlüsse auf die Steilheit der Frequenztrennung, auf die Beurteilung der Qualitäten der Trennfilter und auf die Wege der gewünschten Änderung (Verschiebung, Verengung usw.) ziehen. Anschließend werden die Phasencharakteristiken aufgezeichnet und besonderes Augenmerk auf deren Konvergenz im gemeinsamen Wirkbereich der dynamischen Köpfe gelegt. Nach der Analyse der konstruierten Eigenschaften und bei eventuellen Mängeln wird auf Grundlage der bekannten Art der Auswirkung von Änderungen in den Elementen von Abscheidefiltern auf deren Eigenschaften eine Anpassungsmöglichkeit aufgezeigt und die Eigenschaften erneut berechnet. Die erhaltenen Merkmale werden konstruiert, analysiert usw., bis die erforderlichen Ergebnisse vorliegen. Anschließend werden alle Elemente des Akustiksystems montiert und elektrische Tests durchgeführt. Mit der beschriebenen Methodik haben wir die Parameter von Crossover-Filtern für ein akustisches System auf dynamischen Köpfen bestimmt: 6GD2 (L1 = 7,9 mH, R2 = 1 Ohm, C3 = 30 µF, Rd = 5,5 Ohm, R1 = 1,45 Ohm); ZGD1 (L2 = 1,3 mH, R4 = 1 Ohm, C4 = 60 μF, Rd6,8 Ohm, R3 = 2 Ohm); 1GDZ (L2 = 0,08 mH, R4 = 0,5 Ohm, C4 = 2 μF, Rd = 8,70 m, R3 = 1 Ohm).
In Abb. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die gemessenen Eigenschaften von dynamischen Niederfrequenz- (LF - 6GD2) und Mittelfrequenz- (MF-ZGD1) Köpfen. Wie wir sehen können, ist die Grenzfrequenz fP1 = 400 Hz, die gemeinsame Wirkungszone beträgt 80...2000 Hz und der Verschiebungswinkel zwischen den Phasen-Frequenz-Kennlinien beträgt 150...190°. Daher ist es notwendig, die Schaltpolarität eines der dynamischen Köpfe zu ändern („Strom um 180° drehen“). Wie aus der Abstimmung des Mitteltonkopfes mit dem Hochtonkopf deutlich wird, sollte die Polarität des Mitteltonkopfes geändert werden (Abb. 6, invertierte Mitteltoncharakteristik). In diesem Fall beträgt der Phasenverschiebungswinkel zwischen den Kopfströmen 30 bzw. 10° bei Frequenzen von 80 und 2000 Hz. Um die Eigenschaften im Bereich 500...2000 Hz genauer zu kombinieren, sollte der Widerstand R2 auf 1,3 Ohm erhöht werden (siehe Abb. 2,a). Die Phaseneigenschaften der dynamischen Mittel- und Hochfrequenzköpfe wurden auf ähnliche Weise angepasst. Durch die Anpassung der Phaseneigenschaften dynamischer Tief-, Mittel- und Hochfrequenztreiber scheint es möglich zu sein, ein akustisches System mit hochwertiger Wiedergabe des gesamten Frequenzbereichs und einer „scheinbaren“ Erweiterung des Bereichs der wiedergegebenen Frequenzen zu schaffen. Bei der Herstellung von Trennfiltern als Kondensatoren C3 und C4 müssen Papierkondensatoren mit einer Betriebsspannung von mindestens 100 V verwendet werden, beispielsweise MBGP2 bei 160 V. Die Widerstände R1-R4 können aus einem Draht mit einem Durchmesser von 0,4 hergestellt werden. ..0,6 mm aus jeder hochfesten Legierung; Das Wickeln erfolgt bifilar. Die Drossel im HF-Filter wird auf einem beliebigen zylindrischen Rahmen aus Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,6 hergestellt. ..0,8 mm (ca. 140 Umdrehungen). Die Induktivität L2 des Mitteltonfilters (ca. 240 Windungen) besteht aus einem Draht mit einem Durchmesser von 0,8 mm, dessen aktiver Widerstand den Widerstand des Widerstands R4 nicht überschreiten sollte, da im Diagramm unter R4 der aktive Gesamtwiderstand des Induktorwicklung und der Zusatzwiderstand sind angegeben. Reicht der Induktivitätswert für den erforderlichen Wirkwiderstandswert nicht aus, wird ein kleiner Ferritkern in die Spule eingesetzt. Die Drossel L1 des Niederfrequenzfilters ist auf einem mittelgroßen Rahmen (Außendurchmesser 25...30 mm) mit einem 0,8 mm Draht gefertigt. Der aktive Widerstand der Wicklung beträgt 1,45 Ohm. Zur Erhöhung der Induktivität wird in die Spule ein U-förmiger Ferritkern eines Horizontalscan-Transformators eingesetzt. Kerne aus anderen Materialien (Transformatorstahl, Carbonyleisen etc.) sollten nicht verwendet werden, da bei ihnen der Induktivitätswert von der Stärke bzw. Frequenz des Stroms abhängt. Dies kann zu nichtlinearen Verzerrungen führen. Anschlussleitungen in Filtern müssen einen Querschnitt von mindestens 0,8 mm haben2und für den Anschluss an Verstärkergeräte - mindestens 1,5 mm2. Dies ist notwendig, um Spannungs- und Leistungsverluste in den Leitungen zu reduzieren und mögliche gegenseitige Einflüsse zwischen den Filtern auszuschließen. Es ist völlig inakzeptabel, in Schaltkreisen zweier Filter separate Elemente zu verwenden, beispielsweise den Kondensator C4 eines Hochfrequenzfilters nach einem ähnlichen Kondensator eines Mittelfrequenzfilters anzuschließen (wie es in der Praxis häufig geschieht). Ist diese Bedingung nicht erfüllt, kommt es zu gegenseitigen Beeinflussungen der Amplitude und insbesondere der Phasen-Frequenz-Charakteristik. Autor: A. Wachramejew; Veröffentlichung: cxem.net
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