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無線電子工学および電気工学の百科事典 音響システムの分離フィルターを計算するための位相法。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
近年、音響再生機器に対する品質に対する要求は著しく高まっています。 まず第一に、これは動作周波数範囲の幅と、非線形歪みと位相歪みの大きさを指します。 再生品質はスピーカーシステム（AS）の設計に大きく依存します。 特に、低域、中域、高域の再生を目的として、ダイナミックヘッドを２つ、３つ以上搭載したマルチバンドスピーカーが広く使用されている。 オーディオ スペクトルの帯域を分離するには、1 次、XNUMX 次、またはそれ以上の次数のクロスオーバー フィルターを通じてダイナミック ヘッドのスイッチをオンにします。 しかし、知られているように、カットオフ周波数 fp (図 XNUMX) で複雑なオーディオ信号の周波数を正確に分離することは不可能です。 したがって、ダイナミックヘッドの再生の隣接するストリップ間に共同作用のゾーンが存在します。 クロスオーバー周波数 fp の信号は、両方のヘッドによってほぼ同じレベルで再生されます。 共同動作ゾーンの他の周波数では、ヘッドに印加される信号のレベルは振幅において互いに大きく異なります。 共同動作ゾーンで理想的なサウンドを再生するには、音圧の点で両方のヘッドが同相動作する条件が提供されなければなりません（以下、ヘッドの同相動作）。つまり、電流間に位相シフトがあってはなりません。ヘッドの角度を調整し、関節動作のゾーンをできるだけ小さくする必要があります。 ただし、これらの条件を満たすのは非常に困難です。 1 次フィルタ (図 1、a) は単純で、その振幅周波数特性 (AFC) は平坦な形状をしており、このためダイナミック ヘッドの共同作用のゾーンは比較的広いです。 たとえば、低周波 VA2 ヘッドと中周波 VA50 ヘッドの共同動作ゾーンは、5000 ～ 1 Hz にほぼ等しくなります (図 XNUMX、b)。
1 つのダイナミック ヘッドを含むスピーカーの場合、500 つのヘッドすべてが同時に動作するゾーンが存在する場合があります (図 5000、b、XNUMX ... XNUMX Hz)。 （振幅周波数特性はダイナミックヘッドの音を実用的に聞こえる信号レベルまで構築しました。） このような分離フィルタでは、低周波（LF）ヘッド BA1 と直列に、インダクタ L1 がオンになります。インダクタ LXNUMX の誘導抵抗は周波数に直接比例します。 ご存知のとおり、誘導抵抗のある回路では、電流は印加電圧よりも遅れますが、静電容量を含む回路では、電流は電圧よりも進みます。 したがって、電流の振幅、および電流と印加電圧間のシフト角は一定に保たれず、複雑な周波数依存性を持ちます。 たとえば、単純なクロスオーバー フィルターの場合、位相周波数特性 (PFC) は図に示す形式になります。 1、c。 50 ... 5000 Hz の共同動作ゾーンでは、周波数に応じて、VA1 ヘッドと VA2 ヘッドを通過する電流間の位相シフトの角度 (ρ) は、それぞれ 142 から 35 ° まで変化します。同様の画像が観察されます。 VA2 ヘッドと VAZ ヘッドの位相周波数特性間の位相シフト角は、ジョイント アクション ゾーンの端で 60 ° と 100 ° です。ヘッド BA1 の電流間の位相シフト角は明らかです。 BA2、BA2 - VAZ は非常に大きく、周波数に依存するため、ジョイント動作ゾーンの音圧に関して同相のヘッドの動作は提供されません。 最初のヘッドの電流が法則 Ii sin ot に従って変化し、2 番目のヘッドの電流が法則に従って変化すると、ダイナミック ヘッドの電流間には角度 (pi2) による位相シフトが生じます。この場合、周囲の空間では、音圧はいわゆる等価電流 Ie に比例します。 IЭ = I1 sin ωt + I2sin(ωt + φ1-2）= IMsin（ωt+α）、 私はその振幅をM は次の式から決定されます。 IM = root.q（I12 + I22 + I1I2cosφ1-2), そして、等価電流と最初のヘッドの電流との間の角度は次のように決定できます。 tgα=（I2罪φ1-2） / （私1 + I2 cosφ1-2), つまり、角度 a は、合成電流間の位相角 (pi2) だけでなく、それらの振幅の比 I にも依存します。1 /私2。 ダイナミックヘッドのジョイントアクションゾーンでは、位相シフト角は0からφまで変化します。1-2電流の振幅の比率に応じて変化するため、サウンドの再生中に、元の録音の歪みが発生します。
分離フィルタとダイナミックヘッドの要素の既知のパラメータを使用して、振幅と位相周波数特性を計算してプロットすることができます（図2b、c）。 式（１）において、コンデンサＣ３、インダクタＬ１、ダイナミックヘッドＢＡ１のコイルのリアクタンスがあり、これらは複雑な周波数依存性を有する。 その結果、1次フィルタでは、ダイナミックヘッド電流と印加電圧の間の位相シフト角は一定にならず、周波数に応じて大きく変化します。 したがって、たとえば、低周波クロスオーバー フィルターの場合、ダイナミック ヘッドの電流とフィルターに印加される電圧の間の位相シフト角は、周波数に応じて、3 の周波数で -1 ～ -1 °の範囲で変化する可能性があります。それぞれ 10 Hz と 270 Hz (図 20、c)。 中周波ダイナミックヘッドの場合、この角度は 20000 Hz および 2 Hz の周波数で +110 から -75° (図 80)、高周波のダイナミックヘッドでは +20000 から -3° (135 Hz の場合) まで変化します。および 50 Hz)。
2 - 同じですが、C4 = 20 uF 3 - 同じですが、C4 \u20d XNUMXマイクロファラッド（どうやら記事のタイプミスです） 4 同じですが、C4=80 uF で 5 同じですが、L2 = 0,6 uF 6 同じですが、R3 = 5 オーム したがって、低周波ダイナミックヘッドの電流とフィルターに印加される電圧の間の位相角は、印加電圧の周波数が変化すると変化する可能性があります。 260°ずつ変化し、ミッドレンジとツイーターでは同じ角度が 185°変化します。 この状況が、ダイナミック ヘッドの共同動作ゾーンでの位相ずれ動作の主な理由です。 クロスオーバーフィルターエレメントのパラメーターを変更することで、各ダイナミックヘッドの位相応答を調整できます。 このため、ヘッドの同一の特性を得ることが可能となり、それによって、関節動作領域におけるヘッドの同相動作の条件を確保することができる。 したがって、図のスキームによる低周波クロスオーバーフィルターの場合、次のようになります。 2 のようになり、位相周波数特性は次のように変化します。 コンデンサ C3 の静電容量が増加すると (曲線 2)、特性の中央部分が左に平行にシフトします。 コンデンサ C3 の静電容量の減少 (曲線 3) は、特性の中央部分と平行して右にシフトします。 抵抗器R1の抵抗値が増加し、インダクタL1のインダクタンスが減少すると、左側の部分が小さな角度の領域に移動し、同時に中央部分が右に移動します(曲線5)。 コンデンサ C2 と直列に抵抗 R3 を追加すると、特性 (曲線 4) の右側がより小さな角度の領域にシフトします。 クロスオーバーフィルターのパラメータを変更すると、位相周波数特性が補正されるだけでなく、振幅周波数特性も変形します。 したがって、図では。 2,6: コンデンサ C3 の静電容量の増加 (曲線 2) により、電流振幅がわずかに増加し、周波数帯域幅が減少します。 コンデンサ C3 の静電容量が減少すると (曲線 3)、電流が減少し、帯域幅が増加します。 抵抗器 R1 の抵抗値が増加すると、フィルタ帯域幅に影響を与えることなく電流振幅の最大値が減少します (曲線 5)。 インダクタL1のインダクタンスの減少は、電流振幅の増加とフィルタ帯域幅の拡大などを伴います。 中周波ダイナミックヘッドと高周波ダイナミックヘッドのクロスオーバーフィルターの電気回路は同じにすることができ、要素のパラメーターの値のみが異なります（図3、a）。 このような回路の場合、ヘッド電流値は次の式で計算できます。
ダイナミックヘッド ZGD4 のコンデンサ C40 の容量を 1 μF とすると、位相周波数特性は低周波ヘッドの特性と同様の形状になりますが、正の角度の領域にシフトします。 分離フィルタ要素のパラメータを変更すると、次のように位相応答 (図 3,6) に影響します。 - コンデンサ C4 の静電容量が増加すると (曲線 4)、特性の中央部分が低周波領域にシフトします。 - インダクタL2のインダクタンスの減少（曲線5）は、中央部分を高周波数の領域にシフトし、特性の左端を角度φのより小さな値の領域にシフトします。 - ヘッド R のアクティブ抵抗の増加Д（またはそれに直列に接続された抵抗の抵抗）は、電流シフト角を増加させる方向に特性全体を並列に動かします。 - 抵抗器 R3 の抵抗値が増加すると (曲線 6)、特性が直線化し、右側と左側の部分がより小さい角度値に向かってシフトします。 同じ要素のパラメータを変更した場合の振幅周波数特性への影響は次のとおりです。 - コンデンサC4の静電容量の増加は、特性の振幅の最大値の増加、その不均一性の急激な増加につながり、送信ゾーンは低周波数に向かって増加します。 - ヘッド R のアクティブ抵抗の増加Д周波数応答の不均一性がわずかに減少します。 - 抵抗器 R4 の抵抗値を大きくすると、周波数応答の不均一性が減少し、同時に周波数応答が低周波側にシフトします。 - 抵抗 R3 は、不均一な特性を滑らかにします。 分離フィルタのパラメータの変更がそれらの位相および振幅周波数特性に及ぼす影響のパターンが既知であるため、低周波および中周波ダイナミックヘッドの同一の（組み合わせた）位相特性を作成することは特に困難ではありません。 最大の難関は、高域と中域のダイナミックヘッドの位相特性の調整です。 両方の分離フィルタは容量性であり、もちろん、それらの位相周波数特性の同一性はコンデンサC4の静電容量の同じ値で発生する可能性があり、これは周波数分離条件と矛盾します。 そこで、高周波フィルタに小容量のコンデンサC4(2μF程度)とインダクタンスの小さい(2mH未満)インダクタL0,1を設けることが考えられます。 コンデンサ C4 の静電容量を変更すると、位相特性と振幅特性に大きな影響を与えます。 また、共振現象が現れる場合がありますので、コンデンサC4（図3）に直列に抵抗値の小さな抵抗R3を接続するなど、周波数特性のばらつきを軽減する対策が必要です。 VA2 ヘッドと VAZ ヘッドの電流の位相整合のための XNUMX 番目のオプションは、さまざまなスキームに従ったフィルターの構築です。たとえば、VAZ ヘッドは XNUMX 次分離フィルターを通じてオンにすることができます。
音響システムの位相および振幅周波数特性を計算する手順は次のとおりです。 まず、計算を実行するには、各ダイナミック ヘッドの有効な動作ゾーンの周波数におけるアクティブ抵抗と誘導抵抗を知る必要があります。 アクティブ抵抗は、DC ブリッジ、抵抗計、またはその他の機器を使用して測定できます。 ダイナミックヘッドの誘導リアクタンスの決定には、周波数とヘッドの取り付け条件に複雑に依存するため、いくつかの困難が伴います。 したがって、ダイナミック ヘッドの誘導リアクタンスは、通常の動作条件 (後壁が閉じられたボックス内に取り付けられている場合など) で決定する必要があります。 実際には、ダイナミック ヘッドの誘導抵抗は実験と計算によって決定されます。 これを行うには、図のスキームに従ってヘッドのインピーダンスを測定します。 4. 図の回路のアクティブ補助抵抗r。 4、a はもっと大きくなければなりません、そして図のスキームでは。 4,6 - 予想されるヘッド抵抗よりも 10 ～ 20 倍小さい。 これらの方式によれば、ダイナミックヘッドのインピーダンスの周波数への依存性が除去される。 図の図によると、 なお、測定は置換法により行った。 一定間隔で音源の周波数を設定することで G, 電圧計 PV は、ダイナミック ヘッド VA のコイルの抵抗にわたる交流電圧の降下を測定します。 次に、ヘッドの代わりに可変抵抗器 R をオンにし、その抵抗値を変えることで同じ電圧値が得られます。 この場合、アクティブ抵抗 R は、所定の周波数におけるダイナミック ヘッドの全抵抗 2d1 に等しくなります。 測定点数はヘッドの種類（LF、HF）や特性のばらつきによって決まります。 上の 各周波数値に対して得られたインピーダンスの値から、ダイナミックヘッドの誘導性リアクタンスは次の式で求められます。 Xdi = 短い正方形 (Zdi2 - 通り2) 音源の出力電圧レベルは測定結果にほとんど影響しません。 したがって、電圧が1から30 Vに変化すると、ダイナミックヘッドのインピーダンスは5 ... 8%変化します。 図のスキームによる測定。 4,6 より正確な場合、ヘッド インピーダンス値は次のようになります。 Zdi = r ウディ / ウル 特定の周波数に対するダイナミックヘッドの抵抗の特定の値と分離フィルターの要素の予期されるパラメーターに従って、位相-周波数特性と振幅-周波数特性は式(1)および(2)を使用して計算されます。 構築された振幅特性に基づいて、セクションの境界周波数とダイナミックヘッドの共同動作ゾーンが決定され、特性のばらつきとそれらのイコライズの必要性も決定されます。 同じ特性に基づいて、周波数分離の急峻さ、クロスオーバー フィルターの品質の評価、および望ましい変化の方法 (シフト、狭めるなど) について結論を導くことができます。 次に、位相特性が構築され、ダイナミック ヘッドの共同動作ゾーンでの位相特性の収束に特別な注意が払われます。 構築された特性を分析した後、欠陥が存在する場合は、分離フィルタの要素を変更することによる特性への影響の既知の性質に基づいて、修正オプションの概要が示され、特性が再計算されます。 得られた特性は、必要な結果が得られるまで構築、分析などが行われます。 次に、音響システムのすべての要素が取り付けられ、電気テストが実行されます。 上記の方法に従って、ダイナミック ヘッドに基づく音響システムの分離フィルターのパラメーターを決定しました: 6GD2 (L1 = 7,9 mH、R2 = 1) オーム、C3 \u30d 5,5 μF、Rd \u1d 1,45 オーム、R1 \u2d 1,3 オーム）; ZGD4 (L1 = 4 mH、R60 = 6,8 オーム、C3 = 2 μF、Rd1 オーム、R2 = 0,08 オーム); 4GDZ (L0,5 = 4 mH、R2 = 8,70 オーム、C3 = 1uF、Rd = XNUMX m、RXNUMX = XNUMX オーム)。
図上。 図5、図6に低域用（LF-6GD2）と中域用（MF-ZGD1）のダイナミックヘッドの測定特性を示します。 ご覧のとおり、カットオフ周波数 fP1 = 400 Hz、共同作用ゾーンは 80 ～ 2000 Hz、位相周波数特性間のシフト角は 150 ～ 190°です。 したがって、ダイナミック ヘッドの 180 つをオンにする極性を変更する (電流を 6 度「回転」させる) 必要があります。 中周波ヘッドと高周波ヘッドを一致させることから明らかなように、中周波ヘッドの組み込みの極性を変更する必要があります（図30、反転した中域特性）。 この場合、ヘッド電流間の位相シフト角は、周波数 10 Hz と 80 Hz でそれぞれ 2000 ° と 500° です。 2000 ～ 2 Hz のゾーンで特性をより正確に組み合わせるには、抵抗 R1,3 を 2 オームに増やす必要があります (図 XNUMX、a を参照)。 同様に、中周波ダイナミックヘッドと高周波ダイナミックヘッドの位相特性も合わせられています。 低域、中域、高域のダイナミックヘッドの位相特性を一致させた結果、全周波数帯域を高品位に再生し、再生可能周波数帯域が「見かけ上」拡大した音響システムを構築できるそうです。 コンデンサ C3 および C4 として分離フィルタを製造する場合、動作電圧が少なくとも 100 V の紙コンデンサ、たとえば 2 V の場合は MBGP160 を使用する必要があります。 抵抗 R1 ～ R4 は直径のワイヤで作成できます。あらゆる高抵抗合金から0,4 ... 0,6 mm。 巻きはバイファイラーです。 高周波フィルターのインダクターは、直径 0,6 の銅線を使用した円筒フレーム上に作成されます。 ..0,8mm（約140回転）。 ミッドレンジフィルターのインダクタ L2 (約 240 巻) は、直径 0,8 mm のワイヤで作られています。そのアクティブ抵抗は、インダクタ巻線と追加のアクティブ合計抵抗により抵抗 R4 の抵抗を超えてはなりません。抵抗は図の R4 の下に示されています。 インダクタンスの値が必要なアクティブ抵抗の値に対して不十分な場合は、小さなフェライトコアがコイルに挿入されます。 ローパスフィルターのインダクターL1は、25 mmワイヤーを使用した中型フレーム(外径30 ... 0,8 mm)上に作成されています。 巻線のアクティブ抵抗は 1,45 オームです。 インダクタンスを増やすために、水平走査トランスからのコイルにU字型のフェライトコアを挿入します。 他の材料 (変圧器鋼、炭酸鉄など) で作られたコアは、インダクタンス値が電流の強さまたは周波数に依存するため、使用しないでください。 これにより、非線形歪みが発生する可能性があります。 フィルター内の接続ワイヤーの断面積は少なくとも 0,8 mm である必要があります。2、および増幅機器との接続用 - 少なくとも1,5 mm2。 これは、ワイヤでの電圧損失と電力損失を削減し、フィルタ間の相互影響の可能性を排除するために必要です。 4 つのフィルタの回路内で別個の素子を使用することは絶対に受け入れられません。たとえば、高周波フィルタ コンデンサ CXNUMX は、同様の中周波フィルタ コンデンサの後に接続する必要があります (実際にはよく行われます)。 この条件が満たされない場合、振幅、特に位相周波数特性に相互影響が現れます。 著者：A.ヴァクラミーエフ。 出版物: cxem.net
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