Розробка двохсмугової активної акустичної системи з сабвуфером

Ємність С6 - роздільнча ємність по постійному струму, береться великою, оскільки вихідна потужність, яка заводиться на гучномовець, складає 25 Вт, а нижня робоча частота 20 Гц. В даному випадку ємність С6 можна взяти номіналом 2200 мкФ типу К53-4-35В-2200мкФ ОЖО.467.037.ТУ.

Ланка R4, С5 - ланка Бушеро, відіграє роль узгоджувальної ланки підсилювача з гучномовцем.

Повний електричний опір гучномовця [1], як відомо, сладається з суми електричного опору звукової котушки ZK(jщ) та вносимого опору ZRH(jщ), який визначається параметрами механічної та магнітної системи гучномовця, опором випромінювання, типом та параметрами акустичного оформлення гучномовця, тобто:

ZГМ(jщ) = ZK(jщ) + ZRH(jщ). (3.1.1)

Вносимий опір ZRH(jщ) матиме незначний вплив, якщо повна добротність гучномовця є малою. Для гучномовця ARN-150-02/4 Q=0,24. Тобто в нашому випадку опір гучномовця визначається комплексним опором звукової котушки:

ZГМ(jщ) = ZK(jщ) = RK + jщLК, (3.1.2)

де RK - резистивний опір звукової котушки;

LК - індуктивність звукової котушки.

Для вибраного типу гучномовця RK = 3,5 Ом, LК = 1 мГн.

В нашому випадку розрахунок ланки Бушеро [1] можна здійснити наступним чином:

R4 = RK = 3,5 Ом. (3.1.3)

Візьмемо потужний резистор С5-37-5Вт-3,9Ом ОЖО.467.540 ТУ.

Ємність С5 можна розрахувати за формулою

С5 = LК/RK2, (3.1.4)

С5 = 10-3/(3,5)2 = 8,1?10-5 мкФ

Візьмемо конденсатор типу МБГО-2-35-100мкФ ОЖО.462.023 ТУ.

3.2. Вибір і розрахунок низькочастотного підсилювача двосмугової АС

Необхідно забезпечити вихідну потужність 8 Вт на канал. Для цього виберемо підсилювач низьких частот мікросхему TDA1010A фірми виробника PHILIPS.

Експлуатаційні та електричні характеристики:

- максимальна напруга живлення Umax = 24 В;

- типова напруга живлення Uтип = 15 В;

- нормальний робочий режим при зміні напруги живлення від 6 до 24 В;

- вихідна потужність Рвих = 9 Вт;

- опір навантаження RН = 4 Ом;

- мінімальний споживаний струм Імін = 31 мА;

- робоча частота f = 20 … 20000 Гц;

- вхідний опір Rвх = 20 кОм;

- коефіціент підсилення К = 54 дБ;

- коефіціент шуму Кш = 2 мкВ;

- корпус SiL9MP.

Схема включення наведена на рис. 3.2.1.

С1 - роздільчий конденсатор візьмемо типу К52-4-16-1мкФ±20% ОЖО.467.037 ТУ.

Конденсатори С2 та С3 відіграють роль згладжуючих конденсаторів від різних високочастотних викидів по напрузі живлення. Вони вибираються в межах від 1 нФ до 100 нФ, приймемо рівними 10 нФ, при практичній реалізації застосуємо тип К73-17-63В-0,08мкФ±10% ОЖО.461.104 ТУ.

Мікросхема TDA1010А у своєму корпусі містить попередній та вихідний підсилювачі. Резистор R1 обмежує подачу струму на попередній підсилювач. Рекомендовано взяти номінал резистора 150 кОм. Візьмемо тип С5-23-0,125-150кОм А-В-В-А ОЖО.467.104 ТУ.

Конденсатори С4 та С5 служать ланкою для внутрішньої настройки та частотної корекції між попереднім та вихідним підсилювачами. Для оптичмальної роботи мікросхеми фірма виробник пропонує номінали цих елементів прийняти наступними С4 = 0,1 мкФ, С5 = 1000 мкФ. Візьмемо такі типи елементів К-73-17-63В-0,1мкФ±10% ОЖО 461.104 ТУ та К53-4-16-1000мкФ±20% ОЖО 467.037 ТУ.

Конденсатор С6, включений у зворотній зв'язок, візьмемо типу К53-4-16-100мкФ±20% ОЖО 467.037 ТУ.

Ємність С8 - роздільний конденсатор по постійному струму, потрібно взяти достатньо великою, оскільки вихідна потужність складає 9 Вт, а нижня робоча частота 20 Гц. В даному випадку ємність С8 можна взяти номіналом 1000 мкФ типу К53-4-25-1000мкФ±20% ОЖО 467.037 ТУ.

Ланка R2C7 - ланка Бушера, відіграє роль узгоджувальної ланки підсилювача з гучномовцем. Розрахунок ланки Бушера проведемо за методикою, описаною в розділі 3.2.

Для вибраного типу гучномовця 20ГДН-2 опір звуковох котушки RК = 3,5 Ом, індуктивність звукової котушки LК = 0,5 мГн.

R2 = RК = 3,5 Ом.

Візьмемо резистор С5-37-5Вт-3,9 Ом ОЖО.467.5430 ТУ.

Розрахуємо ємність

С7 = LК/RК2 = 0,1·10-3/3,52 = 4,08·10-5 Ф = 40 мкФ.

Візьмемо конденсатор типу МБГО-2-35-47мкФ ОЖО.462.023 ТУ.

3.3. Вибір і розрахунок високочастотного підсилювача двосмугової АС

Для підсилення високочастотних звукових сигналів застосуємо мікросхему TDA 1904 фірми виробника PHILIPS. Її експлуатаційні та електричні параметри наведені нижче:

- номінальна напруга живлення U = 15 В;

- допустиме відхилення напруги живлення ДU = 4 В;

- вихідна потужність Рвих = 4 Вт;

- опір навантаження RН = 4 Ом;

- мінімальний споживаний струм Імін = 10 мА;

- робоча частота f = 30 … 20000 Гц;

- вхідний опір Rвх = 150 кОм;

- коефіціент підсилення К = 40 дБ;

- коефіціент гармонік КГ = 0,1 %;

- коефіціент шумів КШ = 3 мкВ;

- корпус DIP16.

-

С1 - розділюючий конденсатор, візьмемо типу К53-4-16-1мкФ±20% ОЖО.467.037 ТУ.

Конденсатор С3 - згладжує високочастотні завади у напрузі живлення. Приймемо рівним 10 нФ і використаємо тип К73-17-63В-0,01мкФм±10% ОЖО.461.104 ТУ.

Ланка R1, R2, C2 включена у зворотній зв'язок мікросхеми. Для забезпечення потрібного коефіціента підсилення фірма виробник пропонує номінали цих елементів прийняти наступними: R1 = 10 кОм, R2 = 100 Ом, С2 = 2,2 мкФ. Застосуємо такі типи елементів: С2-23-0,125-10 кОм±5% ОЖО.467.104 ТУ, С2-23-0,125-100 ±5% ОЖО.467.104 ТУ, К53-4-16-2,2мкФ±20% ОЖО.467.037 ТУ.

Конденсатор С6 - роздільчий по постійному струму. Номінал ємності С6 приймаємо ріною 1000 мкФ типу К53-4-25В-2200мкФ±20% ОЖО.467.037 ТУ.

Враховуючи, що індуктивність звукової котушки високочастотного гучномовця незначна і в робочому діапазоні частот на електричний опір гучномовця практично не впливає, то потреба в узгоджувальній ланці для високочастотного каналу відпадає.

3.4. Вибір і розрахунок регуляторів гучності

Враховуючи той факт, що вхідний звуковий сигнал є незмінним і рівний 1 Вт згідно з ТЗ, а підсилювачі міають постійний коефіціент підсилення, то на вході акустичної системи потрібно ставити регулятори гучності. Оскільки дана акустична система фактично поділяється на дві окремі системи, то необхідно зробити регульовані входи, як у сабвуфері так і в двосмуговій активній системі.

Враховуючи різні нюанси відтворення та запису звуку, вхідний сигнал може бути не збалансований по правому та лівому каналу. Виходячи із попередніх міркувань, в даному випадку доцільним є застосування мікросхеми, яка б виконувала всі ці функції.

Візьмемо мікросхему М 51523L фірми виробника MITSUBISHI ELECTRIC. Схема включення зображена на рис. 3.4.1.

Електричні характеристики М51523L:

- напруга живлення UЖ = 6 ... 18 В;

- опір навантаження RН = 10 кОм;

- коефіціент шуму КШ = 12 мкВ;

- коефіціент гармонік КГ = 0,2 %;

- регулювання гучності в межах -50 ... 0 дБ.

Конденсатори С1, С2, С6, С7 - роздільні конденсатори по постійному струму вибираються в межах 1...10 мкФ. Виробник пропонує застосовувати дані конденсатори номіналом 1 мкФ. Візьмемо електролітичні полярні конденсатори К53-4-10-1 ОЖО.467.037 ТУ.

С3 - згладжуючий конденсатор по живленню. Щоб не було пульсацій по напрузі живлення, завод виробник пропонує поставити ємність у 100 мкФ. Візьмемо полярний електролітичний конденсатор К53-4-25-100 ОЖО.467.037 ТУ.

Для забезпечення необхідної внутрішньої корекції заводом виробником пропонується приймати рівними конденсатори С4 = 100 мкФ, С5 = 68 мкф. Візьмемо полярні електролітичні конденсатори К53-4-25-100 та К53-4-25-68 ОЖО.67.037 ТУ.

Резистори R1 та R2 необхідні для балансу між каналами та регулювання гучності. В даному випадку змінні резистори повинні мати лінійну характеристику. Щоб мікросхема оптичмально виконувала свої функції, дані резистори потрібно взяти із номіналами 10 кОм. Застосуємо резистори СП3-9а-16-10кОм±20%.

На сабвуфер звук заходить із правого та лівого каналів, який для початку необхідно просумувати, а потім регулювати.

Застосуємо наступну схему (рис. 3.4.2).

Коефіціент передачі такого регулятора складає

Кu = -z2/z1. (3.4.1)

Враховуючи, що максимальний коефіціент передачі рівний 1, ланки z1 та z2 повинні бути рівні. Номінали резисторів вибираються в межах від 4,7 до 100 кОм. Для забезпечення оптимальної лінійної регуляції звуку приймаємо R1 = R2 = R3 = 47 кОм, причому резистор R3 є змінним. Застосуємо резистори С2-23-0,125-47кОм±5% А-В-В-А ОЖО.467.104 ТУ. Враховуючи властивості слуху людини, змінний резистор застосуємо із логарифмічною характеристикою СП5-1Б-47кОм ОЖО.468.505 ТУ.

Резистор R4 включений у зворотній зв'язок для того, щоб при R3 = 0 не було короткого замикання виходу на землю. Резистор R4 візьмемо С2-23-0,125-1кОм±5% А-В-В-А ОЖО.467.104 ТУ.

Конденсатор С1 - роздільний конденсатор. Застосуємо конденсатор полярний електролітичний К52-4-10-1 ОЖО.467.037 ТУ.

В якості ОП застосуємо LM301A.

4. Вибір гучномовців та розрахунок корпусів

4.1. Основні елементи конструкції

Корпус АС являється основним конструктивним елементом, формуючи її електроакустичні характеристики в області низьких частот за рахунок регулювання навантаження на тильну поверхню дифузора і використання чи подавлення випромінювання цієї поверхні. Він здійснює суттєвий вплив на електроакустичні параметри АС як в області низьких частот (таких як АЧХ, ФЧХ, характеристика напрямленості , коефіціент нелінійних спотворень), так і в області середніх і високих частот за рахунок коливань стінок корпусу і його внутрішнього об'єму, а також за рахунок впливу форми корпусу на характер дифракційних ефектів.

Найбільш поширеними типами корпусів в сучасних АС є закритий корпус та корпус з фазоінвертором (рис. 5.1.1).

Закритий корпус служить для подавлення випромінювання тильної поверхні дифузора гучномовця. Корпус фазоінверторного типу відрізняється наявністю в ньому отвору, що збільшує рівень звукового тиску у визначеній області низьких частот завдяки випромінюванню тильної поверхні дифузора.

Традиційно в більшості АС застосовують прямокутні корпуса.

Випромінювачі, які використовуються в більшості АС, являють собою електромагнітні головки гучномовців. В ряді АС застосовуються також електростатичні, ізодинамічні та ін.

При виборі типу гучномовця ставляться наступні вимоги:

- ефективний робочий діапазон частот гучномовця повинен повністю охоплювати той діапазон частот, у якому відтворює звук підсилювач;

- нерівномірність частотної характеристики звукового тиску повинна бути найменшою;

- рівень характеристичної чутливості у всіх гучномовців АС повинен бути близьким одни до одного;

- повний коефіціент гармонічних спотворень повинен бути найменшим;

- номінальний електричний опір гучномовця повинен відповідати опору навантаження підсилювача;

- паспортна потужність гучномовця має бути в 1,5...2 рази більшою ніж максимальна вихідна потужність підсилювача.

4.2. Розрахунок конструкції сабвуфера

Виходячи із умов ТЗ та попередніх розрахунків гучномовець для сабвуфера вибираємо виробництва чеської фірми Acoustics TVM типу ARN-150-02/4.

Технічні характеристики:

1. Амплітудно частотна характеристика звукового тиску представлена на рис. 4.2.1.

2. Паспортна потужність 50 Вт.

3. Максимальна короткочасна потужність 100 Вт.

4. Електричний опір 4 Ом.

5. Резонансна частота 45 Гц.

6. Робочий діапазон частот 45...5000 Гц.

7. Рівень чутливості 85 дБ.

8. Еквівалентний об'єм 16 л.

9. Повна добротність 0,24.

10. Габаритні розміри ш 150Ч65,5 мм.

11. Маса 0,8 кг.

Перед початком розрахунку корпусу перевіримо умову встановлення труби фазоінвертора:

f0/Q > 100, (4.2.1)

f0/Q = 45/0,24 = 0,87.

Звідси бачимо, що даний гучномовець просто природжений працювати у корпусі з фазоінвертором.

Така акустична система в цілому складається так ніби з двох резонансних систем - рухомої системи гучномовця і оформлення з отвором. При правильно вибраному відношенні резонансних частот цих систем відтворення низьких частот значно покращиться в порівнянні з закритими та відкритими акустичними системами з таким же об'ємом оформлення. Це пояснюється тим, що на частотах вище резонансної частоти фазоінвертора швидкість коливань частот в отворі зсунута по фазі від швидкості коливань задньої сторони дифузора рухомої системи.

Для правильного вибору відношення параметрів фазоінвертора скористаємось методикою описаною в [4].

На рис. 4.2.2 приведені криві відношення резонансної частоти фазоінвертора fB до резонансної частоти гучномовця f0, крива добротності гучномовця на резонансній частоті Q і крива відношення частоти fЗ, на якій получається спад до низьких частот частотної характеристики в 3 дБ, до резонансної частоти гучномовця f0. Всі ці величини далі в залежності від величини відношення V0/V еквівалентного об'єму гучномовця до об'єму оформлення.

Встановлюємо перпендикуляр із точки на осі ординат (зліва) Q = 0,24, цій точці відповідає абсциса V0/V = 1,2. Звідси об'єм оформлення:

V = V0/1,2 = 1,6/1,2 = 13 л.

По кривих fЗ/f0 і fВ/f0 аналогічно відраховуємо (по правій шкалі ординат) fЗ/f0 = 0,90 і fВ/f0 = 0,95. Таким чином спад частотної характеристики на 3 дБ буде на частоті:

fЗ = 0,9f0 = 41 Гц.

Резонансна частота фазоінвертора буде рівною

fВ = 0,95f0 = 43 Гц.

Максимальне значення діаметру трубки обмежується тим, що визначена по формулі її довжина має бути не більшою 1/12 довжини хвилі на резонансній частоті. Крім того, трубка своїм другим кільцем не повинна впиратись в стінку, протилежну тій на якій вона закріплена. Цей кінець повинен бути на відстані від стінки не менше ніж на 4 см. Трубку конструктивно можна виконати із картону.

Розміри трубки визначаємо із формули:

, (4.2.2)

де d - діаметр трубки;

l - довжина трубки;

с = 343 - пружність повітря в середині об'єму.

Як видно із формули, діаметр трубки і її довжина можуть знаходитись в різних співвідношеннях, задовільняючи при цьому формулу.

Для цього спочатку обчислимо

.

Задаємось діаметром трубки 0,05 м ( 5 см).

Тоді її довжина буде

l = (356?d2 - 3,4?d)/4 = (356?64?10-4 - 3,4?8?10-2)/4 = 0,18 м.

Габаритні розміри акустичного оформлення визначаються із співвідношення:

aхbхc = 2х21/2?1. (4.2.3)

Виходячи із формули

V = a?b?c (4.2.4)

можна записати:

0,013 = 2х?21/2х?х,

звідси визначаємо х = 0,166, тоді

а = 2?0,166 ? 0,33 м,

b = 21/2?0,166 ? 0,24 м,

c = 0,17 м.

Отримуємо габаритні розміри конструкції сабвуфера: 0,33Ч0,24Ч0,17.

4.3. Розрахунок конструкції двосмугової акустичної системи

Дана двосмугова акустична система складається із пари “колонок”, тобто правого та лівого каналу. Оскільки вони ідентичні між собою, то достатньо розглянути лише один варіант розрахунку.

Виходячи із ТЗ та попередніх розрахунків в ролі низькочастотного гучномовця вибираємо 20ГДН-2 вітчизняного виробництва.

Технічні характеристики:

1. АЧХ (рис. 4.3.1).

2. Ефективний робочий діапазон частот 80...3150 Гц.

3. Нерівномірність частотної характеристики звукового тиску не більше 18 дБ.

4. Рівень характеристичної чутливості не менше 81 дБ.

5. Робоча потужність 15 Вт.

6. Повний коефіціент гармонійних спотворень на частотах:

200 Гц - 5 дБ;

400...1000 Гц - 4 дБ;

2000 Гц - 2,5 дБ.

7. Номінальний електричний опір 2,5 Ом.

8. Гранична шумова (паспортна) потужність 20 Вт.

9. Гранична довгочасна потужність 30 Вт.

10. Гранична короткочасна потужність 45 Вт.

11. Частота основного резонансу 50 Гц.

12. Габаритні розміри ш 125Ч70,7 мм.

13. Маса 1,2 кг.

В ролі високочастотного вибираємо гучномовець чеської фірми Acoustics TVM типу ARZ 6604.

Технічні характеристики:

1. АЧХ (рис. 4.3.2).

2. Паспортна потужність 8 Вт.

3. Максимальна короткочасна потужність 25 Вт.

4. Електричний опір 4 Ом.

5. Резонансна частота 55...90 Гц.

6. Робочий діапазон частот 60...20000 Гц.

7. Рівень чутливості 89 дБ.

8. Еквівалентний об'єм 12 л.

9. Повна добротність 1,15.

10. Габаритні розміри ш 200Ч80 мм.

11. Маса 0,84 кг.

При розрахунку корпусу двосмугової акустичної системи ми не враховуємо високочастотний гучномовець, оскільки він закритий спеціальним ковпаком із внутрішньої сторони: не вноситиме ніяких спотворень на АЧХ низькочастотного гучномовця.

Перевіримо чи доцільно встановлювати трубу фазоінвертора із використанням вибраного гучномовця:

f0/Q > 100, (4.3.1)

f0/Q = 50/0,5 = 100

Як бачимо, дана акустична система може працювати, як і з фазоінвертором, так і без нього. Для спрощення конструкції корпусу застосуємо закритий корпус.

Мінімально допустимий об'єм оформлення [4] визначається із формули:

, (4.3.2)

де Q1 - добротність акустичної системи,

Q - повна добротність гучномовця,

V0 - еквівалентний об'єм гучномовця.

Добротність акустичної системи не рекомендується вибирати більшою Q=1, тому що рухома система виходить “роздемпфованою”. Це означає, що при її збудженні, тобто, при подачі на неї напруги музичної або розмовної програми, вона, крім того, щоб коливатись тільки в такт з цією напругою, буде коливатись із частотою власних коливань, близьких до резонансної частоти. Для слухача це буде проявлятись в тому, що до звучання музики буде замішуватись звучання цієї частоти як свого роду “гудіння”. Таким чином, будуть мати місце своєрідні спотворення, які носять назву перехідних. Ці спотворення практично майже не чути, коли добротність не перевищує одиниці.

.

Розрахуємо резонансну частоту системи при об'ємі V = 20 л,

, (4.3.3)

де f0 = 50 Гц - резонансна частота гучномовця.

Гц.

Як бачимо, із рис. 4.3.3 спад частотної характеристики на цій частоті є мінімальний і рівний 2 дБ.

Визначимо величину стандартного звукового тиску даної акустичної системи:

, (4.3.4)

Па.

Розрахунок габаритних розмірів акустичної системи проведемо за методикою, описаною в розділі 4.2:

aхbхc = 2х21/2?1.

V = х?21/2х?х = 0,02.

визначаємо х = 0,19 м, тоді

а = 2?0,19 =0,38 м,

b = 21/2?0,19 = 0,27 м,

c = 0,19 м.

Отримуємо габаритні розміри двосмугової акустичної системи: 0,38Ч0,27Ч0,19.

Двосмугова акустична система є двоканальною (правий і лівий канал). Оскільки у правому і лівому каналі використовуються одинакові гучномовці, то даний розрахунок є ідентичним, як для корпусу лівого каналу, так і для корпусу правого каналу.

5. Блок живлення

Найважливішим моментом у роботі всіх електронних схем є живлення.

Для роботи операційних підсилювачів типу LM301A необхідно двополярне стабілізоване живлення ±15 В.

Для мікросхеми TDA 2050V, яка виконує роль підсилювача у сабвуфері, необхідно живлення +25 В.

Для оптимальної роботи решти мікросхем, застовованих у проекті, достатнім буде живлення ±15 В.

Оскільки ОП споживають мало струму, а ПНЧ багато, то необхідно зробити розділене живлення. Крім того, фірми-виробники не ставлять вимог до стабілізованої напруги живлення мікросхем, які виконують роль підсилювачів низьких частот. Враховуючи наведені вище факти, доцільним є застосування блоку живлення показаного на рис. 5.1.

Трансформатор намотаний на тороїдальному магнітопроводі ОЛ64/100-64. Первинна обмотка містить 520 витків дроту діаметром 0,8 мм. Вторинна намотка з виводами 3-5 містить по 48 витків на секцію дротом 1,8 мм. Намотка 6-8 - по 30 витків на секцію дротом 1,8 мм. Намотка 9-11 - по 40 витків на секцію дротом 1,8 мм.

Схема, зібрана на елементах С1, R1, L1, C2, відіграє роль фільтра від різних завад у зовнішню мережу живлення, які можуть виникати в середині схеми проектованої акустичної системи.

Типи елементів наступні:

С1, C2 К73-17-630 В - 0,047 мкФ ±10% ОЖО.461.104 ТУ,

R1 C2-23-0,5-200 кОм ±5% ОЖО.467.104 ТУ.

Дросель L1 - ізольований мережевий провід 2Ч0,5 мм2 намотаний на феритове кільце К45 з НМ2000 до повного намотування внутрішнього діаметру, що являє порядку 25 витків. Індуктивність такого дроселя близько 100 мкГн.

Запобіжник F1 розрахований на максимальний струм 2А призначений для захисту схеми при виході з ладу випрямляючих діодів. Запобіжник типу ВП1-1 ОЖО.480.003 ТУ.

VD1 та VD2 - сильнострумовий місток (8А, 100В) типу КВРС0801.

VD3-VD5 - діоди типу 1N4001, розраховані на струм 1А та напругу 50В.

Двохполярний стабілізатор напруги RC4195NB забезпечує стабілізовану напругу живлення ±15В при споживаному струмі до 100 мА.

Конденсатори С3-С10 - згладжуючі конденсатори, щоб не було пульсацій по живленню. Ємності С3, С4 застосуємо типу К53-4-35В-4700 мкФ ОЖО.467.037 ТУ; С5, С6 - К53-4-25В-4700 мкФ ОЖО.467.037 ТУ; С7, С8 - К53-4-25В-470 мкФ ОЖО.467.037 ТУ; С9, С10 - К53-4-25В-10 мкФ ОЖО.467.037 ТУ.

6. Конструкторсько-технологічний розділ

6.1. Рекомендації та вимоги до конструювання проектованого пристрою

Двосмугова активна акустична система з сабвуфером розробляється і конструюється з врахуванням вимог уніфікації для забезпечення серійного виробництва з максимальною механізацією і автоматизацією виробничого процесу.

Страницы: 1, 2, 3