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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Drei-Wege-Lautsprecher mit Kopf W21 EX 001. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Audio Ziel der Entwicklung des beschriebenen Designs war es, einen relativ kleinen, für den Amateureinsatz geeigneten Lautsprecher mit hohen elektroakustischen Eigenschaften zu schaffen. Bei der Auswahl dynamischer Köpfe wurden deren elektroakustische Parameter sowie die Erfahrung beim Entwurf mehrerer vom Autor zuvor entwickelter Lautsprecher berücksichtigt. Für tiefe Frequenzen wurde ein dynamischer Kopf SEAS W21EX 001 gewählt. Zu Beginn der Entwicklung gab es positive Erfahrungen mit der Verwendung des W21EX 001 in einem geschlossenen Zwei-Wege-Lautsprecher, der eine ausreichend hohe Qualität der Niederfrequenzwiedergabe ermöglichte. Für mittlere Frequenzen wurde ein SEAS H143-Kopf mit Papiermembran gewählt, für hohe Frequenzen - PEERLESS 810665 ohne Magnetflüssigkeit, mit einer Kalotte aus imprägniertem Stoff. Eine Zeichnung des Lautsprechergehäuses ist in Abb. dargestellt. 1. Der Koffer hat ein Nutzvolumen von 28 Litern für den Basskopf und 2,7 Litern für den Mitteltöner. Diese Volumina sind mit synthetischem Winterizer geringer Dichte gefüllt. Um Vibrationen zu reduzieren, ist die Innenfläche des Gehäuses mit Hydroglas beschichtet.
Zur zusätzlichen Dämpfung der Seitenwände werden Pads eingesetzt. Die Auflagen haben runde Aussparungen, in die Gummischeiben eingelegt sind, deren Dicke die Tiefe der Aussparungen um 0,5 mm übersteigt. Die Polster werden mit selbstschneidenden Schrauben an den Seitenwänden befestigt. Beim Drücken der Pads verformen sich die Unterlegscheiben und liegen eng an der Seitenwand des Gehäuses an. Die Außenfläche des Korpus ist mit Kirschfurnier überzogen, die Auskleidung ist mit schwarzer Acrylfarbe bemalt. Dunkle Overlays vor einem Hintergrund aus hellem Furnier betonen die Form der Struktur und verleihen dem Gehäuse ein harmonischeres Erscheinungsbild. Der Beschreibung der Frequenzweiche sollte besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, da sie ein wichtiger Knotenpunkt in einem Drei-Wege-Lautsprecher ist. Beginnen wir mit der Klärung einiger Konzepte. Das Frequenzintervall, in dem beide Köpfe an der Bildung des resultierenden Frequenzgangs hinsichtlich des Schalldrucks beteiligt sind, ist der Bereich der gemeinsamen Emission dynamischer Köpfe, und die Übergangsfrequenz liegt in diesem Bereich. Bei symmetrischen Abklingvorgängen des Frequenzgangs hinsichtlich des Schalldrucks kann die Übergangsfrequenz als geometrisches Mittel der Frequenzen berechnet werden, die die Grenzen des gemeinsamen Emissionsbereichs definieren. Der Kürze halber (aufgrund der häufigen Erwähnung) nennen wir die Abhängigkeiten des Impedanzmoduls von der Frequenz dynamischer Köpfe und Lautsprecher Z-Eigenschaften. Ziel bei der Entwicklung der Frequenzweiche war es, einen möglichst ungleichmäßigen Frequenzgang des Lautsprechers hinsichtlich des Schalldrucks zu erreichen. Zur Simulation der Frequenzweiche wurde das Programm LEAR verwendet, das es ermöglicht, mit dem gemessenen Frequenzgang und den Z-Eigenschaften dynamischer Köpfe zu arbeiten. Dadurch ist es möglich, die Funktionsweise verschiedener Filterschemata in der Vorschau anzuzeigen, ziemlich klare Ergebnisse zu erhalten und die am besten geeignete Option für die Implementierung auszuwählen. Das LEAP-Programm verfügt über einen Optimierer, mit dem Sie jedes Filterelement automatisch nach einem bestimmten Kriterium berechnen können (z. B. anhand der minimalen Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs in einem bestimmten Frequenzbereich). Ausgangsdaten für die Entwicklung einer Frequenzweiche sind der Frequenzgang der Empfindlichkeit und die Z-Charakteristik dynamischer Köpfe. Alle diese Eigenschaften werden im Lautsprechergehäuse gemessen, nachdem das akustische Design angepasst wurde. Um die optimalen Übergangsfrequenzen auszuwählen, wurde der Frequenzgang aller Köpfe mit einem Mikrofon gemessen, das sich in einem Abstand von 0,5 m entlang der Kopfachse befand, und die Ergebnisse wurden in Intervallen von 0,2 Oktaven gemittelt. Z-Eigenschaften werden im Stromgeneratormodus gemessen. Bestimmen wir grob die Frequenzen des Abschnitts anhand der Analyse des Frequenzgangs dynamischer Köpfe. Der Frequenzgang des Bassfells (Abb. 2) weist im Frequenzbereich von 3...60 Hz eine Ungleichmäßigkeit von 500 dB auf; weiter folgt mit zunehmender Frequenz ein Anstieg mit einem Maximum bei einer Frequenz von 1,3 kHz. Diese Art des Frequenzgangs stellt kein Problem dar, da in einem Drei-Wege-Lautsprecher ein Basskopf im Frequenzbereich nicht höher als 600 Hz verwendet werden kann, wo die Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs recht gering ist.
Der Frequenzgang des Mitteltöners (Abb. 3) weist im Frequenzbereich von 600 ... 4000 Hz eine Ungleichmäßigkeit von 4 dB auf. Die Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs ist durch einen Anstieg bei einer Frequenz von 1 kHz und einen Abfall im Bereich von 1,5 bis 3 kHz gekennzeichnet. Bei der Entwicklung von Crossover-Filtern ist es wünschenswert, die Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs des Mitteltonkopfes zu reduzieren. Um dies zu erreichen, ist es wünschenswert, die Übergangsfrequenz nicht weit vom Einbruch ihres Frequenzgangs entfernt zu wählen. Wählen wir die Übergangsfrequenz gleich 3 kHz und prüfen wir, wie diese mit den Parametern des HF-Kopfes übereinstimmt.
Der Frequenzgang dieses Kopfes (Abb. 4) weist im Bereich von 3 ... 20 kHz eine Ungleichmäßigkeit von 3 dB auf und die Resonanzfrequenz beträgt etwa 950 Hz. Bei der Auslegung eines Filters muss berücksichtigt werden, dass zum Schutz des HF-Kopfes vor mittelfrequenter Überlastung darauf geachtet werden muss, dass das Signal bei einer Frequenz von 950 Hz um mindestens 20 dB gedämpft wird. Bei einer Übergangsfrequenz von 3 kHz kann die notwendige Dämpfung durch einen HPF dritter Ordnung erreicht werden.
Die Crossover-Schaltung ist in Abb. dargestellt. 5. Basssignale werden dem W21EX001-Treiber über einen Tiefpassfilter zweiter Ordnung L4C7 zugeführt, der eine Schalldruckreduzierung um 3 dB bei 500 Hz ermöglicht. Die R5C8-Schaltung kompensiert den Anstieg der Kopfimpedanz mit zunehmender Frequenz. Der symmetrische Abfall im Frequenzgang des Mitteltonkopfes bildet einen Hochpassfilter erster Ordnung, in dem der Kondensator C3 arbeitet.
Der Einsatz eines Filters erster Ordnung mit der geforderten Absenkung von 12 dB pro Oktave erwies sich als möglich, da der Beginn der natürlichen Absenkung des Frequenzgangs des Mitteltonkopfes nahe beieinander lag zur Übergangsfrequenz. Die Entstehung des Frequenzgangabfalls erfolgte durch das Zusammenspiel der Filterübertragungscharakteristik und des Eigenfrequenzgangabfalls des Mitteltonkopfes. Die Resonanzspitze auf der Z-Charakteristik dieses Kopfes wird durch die L3C6R4-Serienschaltung kompensiert. Die Elemente R3 und C5 kompensieren den mit zunehmender Frequenz zunehmenden Widerstand des Mitteltönerfells. In der Kompensationsschaltung ist R4 so gewählt, dass der gesamte aktive Widerstand der Induktivität und des Widerstands R4 9 Ohm beträgt. Auf Abb. 6 zeigt die Ergebnisse der Kompensation der Nichtlinearität, die der Z-Charakteristik des Mitteltönerkopfes innewohnt. Der L2C4-Tiefpassfilter zweiter Ordnung erzeugt einen Roll-Off im Frequenzgang des Mitteltöners, der bei 2,5 kHz beginnt.
Zusammen mit dem HF-Kopf arbeitet ein HPF dritter Ordnung, der bei einer Frequenz von 2,5 kHz für eine Dämpfung von 5 dB sorgt. Der R1R2-Teiler passt den HF-Kopf hinsichtlich des Schalldruckpegels an die MF- und LF-Kopfe an. Die Parameter der Frequenzweichenelemente wurden mit dem LEAP-Programmoptimierer nach dem Kriterium des minimal ungleichmäßigen Frequenzgangs des Lautsprechers hinsichtlich des Schalldrucks ausgewählt. Auf Abb. 7 zeigt den Frequenzgang dynamischer Köpfe im Zusammenspiel mit Filtern und den daraus resultierenden Frequenzgang des Lautsprechers. Der Übersichtlichkeit halber ist der Frequenzgang der dynamischen Köpfe um 1 dB reduziert.
Der Bereich der gemeinsamen Abstrahlung der NF- und MF-Köpfe liegt im Bereich von 400...900 Hz und ist symmetrisch zu 600 Hz angeordnet. Ihre Schalldruckfrequenzgänge schneiden sich bei einer Frequenz von 550 Hz. Der Bereich der gemeinsamen Abstrahlung der MF- und HF-Köpfe liegt im Bereich von 2,5 ... 4 kHz, symmetrisch zu 3,16 kHz. Die Schalldruckantwort der Mittel- und Hochtöner kreuzt sich bei einer Frequenz von 2,9 kHz. Auf Abb. 8 zeigt die Übertragungscharakteristik der Filter.
Betrachten Sie ihre charakteristischen Merkmale. Der Filter erzeugt in Verbindung mit dem Tiefpasskopf eine leichte Dämpfung im Tieffrequenzbereich. Der Rolloff beginnt bei 50 Hz und beträgt bei 20 Hz 1 dB. So wirkt sich die Änderung der Impedanz des Bassfells aus: Die Impedanz sinkt von 30 auf 8 Ohm, wenn sich die Frequenz von 50 auf 20 Hz ändert. Der Filter für den Mitteltonkopf dient zusätzlich zur Begrenzung des Betriebsfrequenzbandes und zur Korrektur des Frequenzgangs für den Schalldruck, wobei seine Übertragungscharakteristik im Transparenzband praktisch keinen flachen Abschnitt aufweist. Dadurch beträgt der Frequenzgang des Lautsprechers im Frequenzband 1 ... 3 kHz 1,5 dB, während der Mitteltöner in diesem Bereich einen Frequenzgang von 4 dB aufweist. Der Filter, der den HF-Kopf vor außerbandigen Niederfrequenzsignalen schützt, sorgt für eine Dämpfung von 950 dB bei einer Frequenz von 24 Hz. Die Frequenzweiche verwendet Metallfilm-Keramikwiderstände mit einer Leistung von 5 Watt. Kondensatoren C1, C2, C4 – mit Polypropylen-Dielektrikum für eine Betriebsspannung von 250 V von Solen. Kondensatoren C3, C5, C7, C8 – Film mit Lavsan-Dielektrikum (MKT axial) für eine Betriebsspannung von 160 V. C6 – unpolarer Oxid-Jamicon-Kondensator für eine Betriebsspannung von 35 V. Die Induktoren sind auf Rahmen aus Plexiglas gewickelt. Das Diagramm zeigt die maximal zulässigen Werte der aktiven Widerstände der Induktoren. Die Wicklungsdaten der Spulen sind in der Tabelle zusammengefasst. Es wurden folgende Bezeichnungen übernommen: D – Rahmendurchmesser; H - Wickelhöhe; T - Wickelbreite; N ist die Anzahl der Windungen; d - Drahtdurchmesser.
Auf Abb. 9 zeigt die Z-Charakteristik eines Lautsprechers. Der minimale Lautsprecherimpedanzmodul beträgt 4,3 Ohm bei 300 Hz. Oberhalb von 3 kHz steigt der Widerstand an und erreicht bei 18 kHz ein Maximum von 7 Ohm.
Diese Impedanzerhöhung kann zu einer akzentuierten Wiedergabe hoher Frequenzen führen, wenn ein Lautsprecher mit einem Röhrenverstärker mit höherer Ausgangsimpedanz betrieben wird. Um den Anstieg auszugleichen, kann eine Reihenschaltung R6L5C9 parallel zu den Lautsprechereingangsklemmen geschaltet werden (siehe Abb. 5). Die Z-Kennlinie mit Hubkompensation ist in Abb. dargestellt. 10.
Fans einer Reduzierung der Frequenzweichenelemente können eine Kompensation der Resonanzspitze des Mitteltönerkopfes ausschließen. Auf Abb. 11 zeigt die Änderung des Frequenzgangs für den Schalldruck dieses Kopfes, die sich durch den Ausschluss der Kompensationsschaltung R4L3C6 ergibt. Ohne Kompensation auf dem Niveau von 12 dB erhält die Abnahme des Frequenzgangs einen kleinen „Regal“ im Bereich von 150...300 Hz. Die Änderung des Abklingens des Frequenzgangs erfolgt hauptsächlich außerhalb des Bereichs der gegenseitigen Abstrahlung und führt nicht zu merklichen Änderungen im Frequenzgang des Lautsprechers. Mit dem Gehör ist es schwierig, eine gewisse Verschlechterung des Klangs zu bemerken, die mit dem Ausschluss des Kompensationskreises verbunden ist.
Das Abhören des Lautsprechers erfolgte mit einem Transistor-Leistungsverstärker. Alle Teilnehmer des Probespiels gaben ein positives Feedback und lobten die gute Artikulation des Basses und den neutralen Klang in den Mitten und Höhen. Der Klang des Lautsprechers bei niedrigen Frequenzen erwies sich für seine Größe als ausreichend, für eine hochwertige Wiedergabe von Programmen, bei denen Frequenzen unter 60 Hz eine wesentliche Rolle spielen, jedoch nicht als unzureichend. Sie können den Frequenzbereich des Lautsprechers bis auf 35 Hz erweitern, indem Sie einen Phasenumkehrer für den dynamischen Kopf W21EX 001 einbauen. Autor: S.Bat, Moskau
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