Aplicação de feedback eletroacústico em alto-falantes ativos. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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No artigo, o autor considera os tipos de realimentação que cobrem o amplificador de potência, que também leva em consideração algumas propriedades dos emissores do sistema acústico, corrigindo até certo ponto as deficiências dos alto-falantes. O feedback eletroacústico (EAOS) reduz com mais eficiência várias distorções na banda de baixa frequência; no entanto, a aplicabilidade dessa tecnologia é limitada apenas em alto-falantes com UMZCH integrado. O autor propõe uma breve metodologia para calcular tal AU e um diagrama de componentes eletrônicos adicionais.

Observe que o autor apresentou repetidamente seus alto-falantes ativos em exposições (com UMZCH e EAOS integrados). Eles diferem em realismo de som e pureza especial no registro de graves, onde o EAOS opera.

Entre os principais problemas de reprodução de som de alta qualidade (SV) na banda LF através de sistemas acústicos (AS) com cabeçotes eletrodinâmicos (EDG), dois principais podem ser distinguidos: distorção da resposta de frequência e resposta de fase, bem como uma grande quantidade de distorção não linear (NI), especialmente em baixas frequências. As razões para o primeiro deles são compromissos na escolha dos alto-falantes, seu design acústico (AO), bem como nas propriedades acústicas da sala de audição (KdP) e na colocação dos alto-falantes nela. O resultado desse tipo de distorção é a distorção de resposta transitória (TR), que resulta na distorção do envelope do sinal de áudio, principalmente com mudanças bruscas de nível, comumente caracterizadas como efeitos de "blur", "hum" e "bass lag".

A principal razão para o segundo problema é a necessidade de um aumento significativo no deslocamento (curso) do cone EDG, que é especialmente enfatizado quando não é suficientemente rígido e leva ao aparecimento de harmônicos adicionais.

Métodos para reduzir a distorção em alto-falantes

A seguir, consideramos brevemente as possibilidades de uso de vários métodos para superar ou reduzir esses problemas nos tipos mais comuns de alto-falantes com AO na forma de inversor de fase (FI) e caixa fechada (CL), mas sem levar em consideração o influência da acústica KdP e a localização do alto-falante nela.

AS com AO na forma de FI, se implementado corretamente, pode expandir significativamente a resposta de frequência na região da frequência de corte mais baixa na banda SV, bem como reduzir NI e, o que é especialmente importante, com volumes relativamente pequenos de AS , em comparação com AS na forma de CL. No entanto, todas essas vantagens são acompanhadas por distorções significativas do RP, que muitas vezes são os principais critérios para avaliar a qualidade dos poluentes, é claro, levando em consideração o objetivo funcional da UA.

Um AS com AO na forma de WA tem um RP muito melhor, porém, isso requer um aumento significativo dos volumes do AS com diminuição da frequência de corte inferior na banda SV.

Para melhorar a qualidade dos poluentes através dos alto-falantes com esses dois tipos de AO, correção conjunta da resposta de frequência e resposta de fase [1], bem como seu uso conjunto com amplificadores de potência (PA) com impedância de saída negativa [2] , é usado com mais frequência, o que melhora significativamente o RP devido ao melhor amortecimento EDG.

Outro método, menos comum, mas muito eficaz, é baseado no uso de realimentação eletromecânica (EMOS). Nesse caso, é importante que o circuito OS cubra o EDG - a principal fonte de todos os tipos de distorções, que com esse método diminuem proporcionalmente à profundidade do EMOS. Entre as inúmeras opções para implementar a ideia do EMOS, a mais utilizada é a opção de usar um acelerômetro na forma de um sensor piezoelétrico fixado na superfície do difusor EDG [3–5]. O sinal elétrico do sensor, que ocorre quando o difusor EDG oscila e é proporcional à pressão sonora, é constantemente comparado no circuito EMOS com o sinal original da fonte. Nesse caso, devido à diferença de sinal, é realizada a correção necessária para obter a correspondência da pressão sonora com o sinal sonoro da fonte. Também é possível usar outros métodos de introdução de feedback negativo (NFB), por exemplo, usando uma bobina de voz adicional separada ("sensor") como sensor, cujo sinal é usado para isolar o sinal de correção no circuito CNF. Esse tipo de OOS é chamado de feedback eletrodinâmico (EDOS), mas seu uso é limitado apenas a alto-falantes nos quais os EDGs possuem uma bobina adicional.

O mais difícil de implementar, mas também o mais eficaz, é o método em que um microfone é instalado nas imediações da superfície do difusor EDG como um sensor de pressão. Nesse caso, ocorre o feedback eletroacústico (EAOS), que leva em consideração todos os tipos de distorção detectados pelo microfone, independentemente dos motivos. O EAOS permite fazer a correção mais precisa, pois o sinal elétrico do microfone não precisa de conversão adicional. A baixa prevalência do uso de EAOS é causada por dificuldades na implementação do projeto, mas é impressionante com o resultado alcançado, por exemplo, nos monitores de estúdio X-10 da Meyer Sound (EUA) [6].

A desvantagem de todos os métodos listados acima em termos de possibilidades de melhorar a qualidade dos poluentes em baixas frequências reside na necessidade de várias adições de projeto. Portanto, a tecnologia de "acoplamento" LF EDG e PA, proposta em 1978 pela empresa sueca Audio Pro, é de grande interesse. A tecnologia, denominada ACE Bass (Amplifier Controlled Euphonic Bass) [7], não requer nenhum acréscimo estrutural e permite reduzir a frequência de corte mais baixa do poluente sem aumentar as dimensões do gabinete do alto-falante usando EDH, cuja frequência de ressonância natural pode ser significativamente maior do que a frequência de corte inferior do poluente no alto-falante.

O princípio de operação do sistema é que o EDG é excitado pelo PA, cuja impedância de saída tem um caráter complexo complexo: em certas frequências é negativo ou positivo e complexo.

O sistema ACE Bass pode ser implementado de várias maneiras diferentes, em particular, uma impedância de saída negativa pode ser implementada com um feedback de corrente positiva ou com um conversor de resistência negativa. A implementação do sistema é possível para PA com diferentes impedâncias iniciais de saída.

O efeito de uma diminuição significativa em NI é explicado pela predominância dos parâmetros elétricos lineares do EDG em relação aos parâmetros mecânicos não lineares convertidos em um circuito elétrico. O uso generalizado da tecnologia ACE Bass é dificultado pela necessidade de levar em consideração um número bastante grande de parâmetros EDD, uma parte significativa dos quais geralmente não está incluída nas especificações.

Para avaliar a viabilidade do uso do EAOS na modernização de usinas nucleares com AO na forma de EP ou em seu projeto, é necessário usar três critérios principais.

O primeiro critério é econômico, avaliando o aumento do custo de todos os equipamentos de áudio, existentes ou em construção, participantes do processo poluidor. Ao mesmo tempo, os custos adicionais são calculados com base no custo de compra ou fabricação de todos os componentes mecânicos e eletrônicos necessários, bem como no custo de sua instalação e ajuste.

O segundo critério é construtivo e tecnológico, avalia as possibilidades reais de instalação de um microfone sensor com elementos de fixação nas imediações da superfície do difusor EDG.

O terceiro critério técnico avalia as possibilidades reais de melhoria da qualidade dos poluentes. Durante a modernização, e esta é apenas a adição do EAOS, deve-se levar em consideração que a expansão da resposta de frequência para a região de baixa frequência será acompanhada por uma diminuição proporcional na pressão sonora máxima por um valor geralmente não superior a 6 dB, que corresponde à correção necessária da resposta de frequência.

Características do cálculo de AS com EAOS

Ao projetar um AP com AO na forma de um orifício de som usando EAOS, o principal valor fornecido geralmente é a pressão sonora máxima (p_max) a uma dada frequência mais baixa (f_н) na banda SV com uma resposta de frequência linear.

Durante o processo de design, o tipo de alto-falante, a frequência de ressonância ideal da cabeça de baixa frequência (f_c) instalado no AU, a tensão de saída necessária do PA na frequência y, bem como os diagramas estruturais e esquemáticos de todo o sistema de poluentes com escolha de todos os tipos de elementos.

Como exemplo, considere uma opção de projeto: p_max = 2 Pa (100 dB), f_н = 30 Hz sem levar em conta a influência do KdP e a colocação do AS nele.

O cálculo inicial é realizado sem levar em conta a ação da AEA. Como se sabe [8], a pressão sonora é determinada pela fórmula

p = (х' S f ρ) / r, (1)

onde x' = 2π f x é a velocidade do difusor; х é a amplitude de deslocamento do difusor EDG em uma direção; S - área do difusor; f é a frequência de medição; ρ = 1,225 kg/m³ - densidade do ar; r - distância ao receptor de medição.

Substituindo o valor x', transformamos a fórmula (1)

p = (2π f²x S ρ) / r, (2)

mas S x \u2d V é o volume de ar movido. Então a fórmula (XNUMX) é transformada na forma

p = (2π f²V ρ) / r, (3)

para r = 1 m temos

V = p/(2πf²ρ), (4)

и

x = V / S = p / (2π f²·ρ·S). (5)

Por exemplo, considere a possibilidade de usar o EDH LAB12 da Eminence (EUA) com uma superfície difusora S = 506,7 cm² = 5,067 10^-2 м², enquanto para p = p_max = 2 Pa e f = 30 Hz:

x =2 / (2 3,14 30²1 5,067 10^-2) = 0,57 10^-2 m = 5,7 mm,

que é muito menor que o valor do passaporte do curso linear x = ±13 mm do EDG selecionado. Para cálculos adicionais, usamos os dados do passaporte: f_res \u22d XNUMX Hz - frequência de ressonância no ar sem AO, p_о = 89,2 dB - sensibilidade correspondente à tensão U_o = 2,83 V (11,2 dB) na saída do PA em f = 100 Hz, Q_ts = 0,39 - fator de qualidade.

O valor da frequência de ressonância ideal do EDG, instalado no caso AU com AO na forma de CL e fornecendo uma pequena irregularidade de resposta de frequência, é aconselhável calcular de acordo com as recomendações de [9] usando a fórmula

f_с = (f_resQ_tc) / Q_ts , (6)

onde q_tc = 0,707 - fator de qualidade total do EDG no caso AU. Por isso

f_с = (22 0,707) / 0,39 = 40 Hz.

Cálculo do valor necessário da tensão de saída do PA (U_O) na frequência f_н = 30 Hz em p_max = 100 dB geralmente é produzido usando a resposta de frequência do EDG instalado no gabinete do alto-falante com um determinado AO. Essa resposta de frequência pode ser modelada com precisão suficiente para a prática ao implementar um filtro passa-altas de segunda ordem com f_c = 40 Hz e Q = 0,707 de acordo com o esquema de Sallen-Kay [10], que é mostrado na Fig. 1.

Arroz. 1. Esquema Sallen-Kay 

Os resultados das medições da resposta de frequência e resposta de fase para tal filtro passa-alto são mostrados na forma de gráficos na fig. 2. Estas medições, como todas as subsequentes, foram realizadas em um equipamento de som especial "A2 - Audio Measurement System" da Neutrik.

Arroz. 2. Gráfico dos resultados das medições da resposta em frequência e resposta de fase para HPF

Valores U_O da UM, tendo em conta a proporcionalidade direta entre U_O e pressão sonora, apresentada em decibéis, são encontrados pela fórmula

U_O =U₁ +ΔU₁ , 

onde você₁ =U_o + (pág._max -p_o) = 11,2 + (100 - 89,2) = 23 dB (11 V) - valor U_Ocorrespondente a p_max = 100 dB em f = 100 Hz, ΔU₁ \u6d 2 dB - a magnitude da diminuição na resposta de frequência (Fig. XNUMX) a uma frequência f_н = 30 Hz.

Assim U_O = 6 + 23 = 29 dB (22 V). 

O autor usa PA com ganho K_у = 13,5 dB, então a sensibilidade do sistema é U_vh =U₁ - PARA_у = 23 - 13,5 = 9,5 dB (2,3 V).

Um diagrama de blocos simplificado do sistema poluente usando EAOS é mostrado na fig. 3, onde PA é um amplificador de potência; AC - alto-falante (GR) com EDG e microfone (M) com amplificador (MU); PUNC - amplificador de tensão passa-banda de baixa frequência; Σ - adicionador de sinais do principal e do EAOS.

Arroz. 3. Diagrama de blocos simplificado do sistema poluente usando EAOS

Como pode ser visto no diagrama da Fig. 3, o EAOS é formado devido à inclusão de Gy no loop OOS por meio de um sensor de microfone. Como segue da Fig. 3, desde que o ganho de sinal de tensão de ponta a ponta para o PA seja mantido Ku = 13,5 dB = const, a profundidade e o alcance do EAOS são inteiramente determinados pelas características do PULF. Neste caso, a profundidade máxima do EAOS é limitada pelo limite de estabilidade em ELF (infrabaixas frequências). A frequência superior da banda EAOS é selecionada a partir da condição de introdução do atraso mínimo de tempo (fase) no circuito EAOS e é determinada levando em consideração a distância real do sensor do microfone até a superfície do difusor EDG. Obviamente, esta distância não pode ser menor que o necessário, correspondendo ao deslocamento máximo x_máximo = ±5,7 mm. O autor usa uma distância de 12 mm. Ao mesmo tempo, o autor considera suficiente que a desigualdade

λ ≥ 100 x, mas λ = v/f, então f < v/λ,

onde λ é o comprimento da onda sonora; v é a velocidade de propagação do som no ar (340 m/s); f é a frequência do sinal de áudio.

Assim, f ≤ 340//(100 12 10^-3) ≤ 283Hz.

Componentes eletrônicos do sistema com EAOS

O diagrama de blocos prático real do sistema poluente usando EAOS, mostrado na fig. 4 difere do diagrama simplificado na Fig. 3 pela introdução de unidades funcionais adicionais: PU - pré-amplificador de sinal, proporcionando a coordenação necessária com o MU com deterioração mínima na relação sinal-ruído e o ganho de tensão necessário; CL - corretor Linkwitz, que fornece a correção necessária da resposta de frequência e resposta de fase dos sinais no loop EAOS com sua grande profundidade e a criação de uma margem de estabilidade suficiente para o FIN; LPF - filtro passa-baixo que limita os sinais com frequências superiores à frequência superior da banda EEE; HPF - um filtro passa-alto que limita a sobrecarga do sistema com sinais ELF.

Arroz. 4. Diagrama estrutural do sistema poluente usando EAOS

Um diagrama de circuito completo do sistema fotovoltaico usando EAOS, correspondente ao diagrama de blocos na fig. 4 é mostrado na fig. 5, onde, para comodidade de considerar a interação de todos os elementos do sistema PA, é apresentado na forma de amplificador inversor no amplificador operacional DA3.1, e Gr, M e MU - na forma de um filtro passa-alto no DA3.2, na saída do qual o regulador R14 é ligado, o que permite alterar a profundidade do EAOS .

Arroz. 5. Diagrama esquemático do sistema poluente usando EAOS (clique para ampliar)

Considere o caminho do sinal principal da fonte, que começa com um filtro passa-alto de segunda ordem implementado de acordo com o esquema Sallen-Kay em DA1.1 e C1, C2, R1, R2. Selecionando a frequência de corte f_c = 21,4 Hz foi feito após analisar os resultados da medição da resposta de frequência para pressão sonora com o EAOS introduzido. Da saída do HPF, o sinal é alimentado ao resistor R3, que é um dos elementos do somador, e depois pelo capacitor C3 à entrada do PUNCH. Este capacitor fornece isolamento DC do amplificador não inversor em DA2.1 do HPF e elementos no circuito EAOS. A escolha dos valores nominais dos elementos do circuito R5С3 é feita com base em sua influência mínima na resposta de frequência e na resposta de fase em f<10 Hz.

O PUNCH é implementado nos amplificadores operacionais DA2.1 e DA2.2, e o amplificador no DA2.1 fornece a profundidade necessária do EAOS e o HPF de segunda ordem com f_c = 290 Hz, incluído no circuito OOS para DA2.1, define a frequência superior da banda EEA. A resposta de frequência medida e a resposta de fase para o PLF são mostradas na Fig. . 6.

Arroz. 6. Resposta de frequência medida e resposta de fase para PUNCH

Escolha da relação de resistências dos resistores R7/R6 e frequência de corte f_c = 290 Hz para HPF em DA2.2 é feito levando em consideração o fornecimento de ganho máximo a uma frequência de f = 40 Hz. Limitações na inclinação do HPF são causadas por problemas de estabilidade. Da saída PUNCH (ponto A), o sinal é enviado para a entrada PA do amplificador operacional DA3.1 e depois para o equivalente a Gr no DA3.2 (ver Fig. 1) com uma saída (ponto B) para o Controlador de profundidade EAOS (R14).

O caminho do sinal EAOS começa a partir da entrada simétrica do painel de controle (pontos C e D), implementado no op-amp DA5.1 com um ganho de tensão de K_у = 1. A amplificação subsequente (principal) ocorre em um amplificador não inversor montado no amplificador operacional DA5.2 com K_у=1+R22/R20. O capacitor C16 elimina a penetração de sinais com componente constante dos estágios anteriores à entrada DA5.2, e sua capacitância é escolhida levando em consideração o pequeno efeito na resposta de frequência e resposta de fase na região da frequência mais baixa do EAOS. Os elementos C17 e R21 servem para corrigir a resposta de frequência e a resposta de fase na frequência superior da banda EAOS em sua grande profundidade.

O corretor Linkwitz (CL) seguindo o PU produz a correção necessária da resposta de frequência e resposta de fase, que são apresentadas nos gráficos da Fig. 7. O cálculo dos elementos CL foi feito com base na análise da resposta de frequência (Fig. 8, a) e da resposta de fase (Fig. 8, b) do sistema antes da introdução do EAOS, e também levando em consideração o fornecimento de uma pequena não uniformidade de resposta de frequência, com uma falha máxima da resposta de frequência em uma frequência f_н = 30 Hz em não mais que 0,9 dB. O link final na cadeia de sinal EAOS é um filtro passa-alto de segunda ordem implementado de acordo com o esquema Sallen-Kay em DA1.2 e C22, C23, R29, R30 com uma escolha de frequência de corte f_c2 = 1,05f_c1= 1,05 290 = 305 Hz, onde f_c1 - Frequência de corte HPF em PUNCH em DA2.2, igual a 290 Hz.

Arroz. 7. Correção da resposta de frequência e resposta de fase

Arroz. Fig. 8. Cálculo dos elementos CL com base na análise da resposta em frequência (a) e resposta em fase (8,b)

Os resultados das medições da resposta de frequência e resposta de fase do caminho do sinal EAOS desde a entrada (ponto C) até a saída (ponto E) são mostrados nos gráficos da Fig. 9. O sinal de saída do EAOS (no ponto E) é misturado através do resistor R4 com o sinal principal na entrada do PUNCH. A relação de resistência selecionada dos resistores R4/R3 ≈ 2 fornece simultaneamente imunidade a ruído suficiente e margem suficiente para a tensão máxima necessária da saída DA1.2, levando em consideração a sensibilidade do sistema (U_vh = 2,3 V) e uma grande profundidade de EAOS.

Arroz. Fig. 9. Os resultados das medições da resposta de frequência e resposta de fase do caminho do sinal EAOS da entrada (ponto C) para a saída (ponto E)

Requisitos para o sensor EAOS (microfone)

1. O nível de pressão sonora medido máximo permitido, limitado pelo valor THD não superior a 0,2% na banda de frequência 1 ... 300 Hz, não inferior a 40 dB a mais que o nível de pressão sonora especificado a uma distância de 1 m.

2. Resposta de frequência irregular na banda de frequência 1 ... 300 Hz - não mais que ± 0,2 dB.

3. Padrão direcional - circular.

4. Estabilidade dos parâmetros por um longo tempo de operação com mudanças de temperatura, umidade e pressão do ambiente em condições reais de operação.

Um microfone de medição pronto que atenda aos requisitos acima ou um microfone feito por você pode ser usado como sensor. Neste último caso, você só precisa comprar uma cápsula de um condensador clássico (por exemplo, MK-265 ou AKG CK62-ULS) ou microfone de eletreto. A cápsula deve ser complementada com um amplificador de microfone (MU), que, geralmente para reduzir a penetração de várias interferências, é colocado no mesmo invólucro da cápsula.

Levando em consideração a localização próxima do microfone em relação à superfície do difusor EDG e, portanto, a recepção de um sinal suficientemente grande da saída MU, é possível simplificar significativamente o circuito MU usando um seguidor de tensão. Dois esquemas possíveis de tais MUs são mostrados nas Figs. 10, onde são usados ​​transistores separados ou circuitos integrados. Uma característica dessas UMs é uma alta impedância de entrada para atingir uma baixa frequência de corte da banda SV ao trabalhar em conjunto com uma fonte de sinal na forma de um microfone, que no nosso caso é um sensor capacitivo com baixa capacitância. Essa capacitância, juntamente com o resistor R1, determina a frequência mais baixa da banda de medição f ≈ 0,5 ... 1 Hz com uma diminuição na resposta de frequência de não mais que 0,2 dB.

Em MU na Fig. 10a, um OOS comum profundo para corrente contínua e alternada é usado conectando o coletor do transistor VT2 à fonte VT1, o que garante a estabilização dos modos. Além disso, o MU também possui um POS para tensão da saída 1 através do resistor R1, o que aumenta a resistência de entrada do MU para R_vh = R1/(1 - K_у), onde K_у - coeficiente de transferência de tensão da entrada (porta VT1) para a saída 1. A queda de tensão em R3 define a tensão de polarização (U_y) para VT1, fornecendo potencial zero na saída 1.

Arroz. 10. Variantes de esquemas de UM 

A resistência do resistor R4 é selecionada de acordo com a atenuação máxima da interferência externa (modo comum) atuando na linha de transmissão do sinal para a entrada simétrica do dispositivo para posterior amplificação do sinal (entrada do painel de controle no diagrama da Fig. 5 ). A interferência mínima corresponderá à igualdade das resistências CA das saídas 1 e 2 (em relação ao fio comum). Essa conexão da saída do MU com o dispositivo subsequente é chamada de quase simétrica. O estabilizador no DA1 serve para reduzir os requisitos de amplitude das ondulações da fonte de alimentação -U. No esquema MU da Fig. 10, e o transistor VT1 pode ser substituído por outro com parâmetros semelhantes (tensão de corte e corrente de dreno em U_y = 0).

O transistor VT2 também pode ser substituído por qualquer outra estrutura correspondente com baixo nível de ruído em h_21e ≥ 200. No esquema MU de acordo com a fig. 10, b, a resistência de saída na saída 1 é próxima o suficiente de zero, portanto, com uma conexão quase simétrica com um outro dispositivo de amplificação, um fio comum ("zero") pode ser usado. Nesta versão também é possível utilizar outros tipos de microcircuitos que atendam aos requisitos de ruído e resistência de entrada R_vh ≥ 10¹⁰ Ohm.

Como pode ser visto nos diagramas MU na Fig. 10, um dos condutores da cápsula é conectado ao circuito negativo da fonte de alimentação. Nesse caso, o melhor resultado na redução da penetração de interferência é obtido quando o corpo da cápsula é conectado a uma fonte de energia, cuja polaridade pode ser alterada para positiva com uma alteração correspondente no tipo de estabilizador e sua conexão.

Literatura

1. Filtros ativos. - URL: linkwitzlab.com/filters.htm#9.
2. Saltykov O., complexo de reprodução de Syritso A.. - Rádio, 1979, n.º 7, p. 28-31; nº 8, pág. 34-38.
3. Mitrofanov Yu., Pickersgil A. Feedback eletromecânico em sistemas acústicos. - Rádio, 1970, nº 5, p. 25, 26.
4. Hans Klarskov Mortenson. Um sistema de feedback de aceleração. - Speaker Builder, 1990, nº 1, p. 10-20.
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6. Meyer Sound X-10. - URL: studio-equipment.ru/icemagproducts/meyer-sound-x-10/.
7. Stahl K. Síntese dos Parâmetros Mecânicos de Alto-falantes por Meios Elétricos. Um novo método para controlar o comportamento de alto-falantes de baixa frequência. -JAES, 1981, v. 29, nº 9, pág. 587-596.
8. Kutsenko A., Raskita M. Guia metodológico do curso "Eletroacústica e radiodifusão sonora", parte 1. Alto-falantes. - Ed. Instituto Tecnológico da Universidade Federal do Sul, 2006.
9. Aldoshina I., Voishvillo A. Sistemas acústicos de alta qualidade e emissores. - M.: Rádio e comunicação, 1985.
10. Esquemas de filtros ativos. - URL: digteh.ru/Sxemoteh/filtr/RC/.

Autor: A. Syritso

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