Научно-исследовательская работа «Разработка и изготовление трёхканальной акустической системы»

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ АДМИНИСТРАЦИИ МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТИХОРЕЦКИЙ РАЙОН

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЦЕНТР ВНЕШКОЛЬНОЙ РАБОТЫ «ГАРМОНИЯ»

ГОРОДА ТИХОРЕЦКА

МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТИХОРЕЦКИЙ РАЙОН

Технический проект

Разработка и изготовление трехканальной акустической системы

 

Красников Леонид Александрович,

педагог дополнительного

образования МБУ ДО ЦДТТ

г.Тихорецк

Тихорецк

2018

Введение

 

Сейчас в продаже можно встретить большое количество различной звуковоспроизводящей аппаратуры: от дешевеньких колонок для компьютера до профессиональных музыкальных центров. Однако первые, чаще всего, не обладают высоким качеством звучания, а вторые обычному подростку чаще всего не по карману. В связи с этим я задался вопросом – а можно ли самому создать акустическую систему, которая удовлетворяла бы меня и по качеству сборки, и по мощности звучания, и, конечно, по стоимости?

Переговорив на эту тему с руководителем творческого объединения «Радиозвукотехника» Центра детского технического творчества города Тихорецка, который я посещаю уже 4 года, я пришел к выводу, что можно самому собрать акустическую систему ,отвечающую всем необходимым для меня параметрам.

В связи с этим целью моей работы стало изготовление трехканальной акустической системы с качественным звучанием в домашних условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

- изучение литературных и интернет источников;

- выбор оптимальной схемы устройства;

- расчет коммерческой стоимости проекта (Приложение 1);

- непосредственная сборка и апробация акустической системы.

 

 

Исполнитель: Косотонов Владислав Игорьевич

 

I. Акустическая система и её типы
 

Акустическая система (АС) - это комплекс аппаратных средств, предназначенный для преобразования сигнала, записанного на каком-либо носителе или взятого из любого другого источника, в звуковой сигнал. АС может состоять из следующих блоков:

устройства чтения сигнала (CD-ROM);

устройства коррекции сигнала (шумоподавителей, эквалайзеров);

усилителя звуковой частоты;

устройства воспроизведения звука - акустической колонки.

Существующие акустические системы условно можно разделить на четыре основные категории:

для домашнего использования,

для кинотеатров,

для использования на эстраде,

автомобильная АС.

Каждому из вышеуказанных типов предъявляются различные требования.

Наиболее высокие требования предъявляются к домашней акустике. Она должна воспроизводить звук с максимальной верностью, для этого частотный диапазон должен быть как можно шире, а гармонические искажения - как можно меньше.

Акустические системы высокого класса воспроизводят звук в диапазоне от 20 Гц до 25 кГц с разбросом ±3 дБ и КГИ менее 1 %. Если диапазон воспроизводимых частот уже 35 Гц - 20 кГц, такую акустику дома лучше не использовать.

Кроме широкого частотного диапазона, хорошая акустика должна иметь минимальные фазовые искажения для передачи максимального стереоэффекта.

К акустическим системам, используемым в театрах, требования практически аналогичны, за исключением того, что КГИ и фазовые искажения могут быть выше - в этом случае объемность звучания достигается увеличением числа звуковых каналов и колонок на канал.

Наименьшие требования по качеству звука предъявляются к эстрадной акустике, однако при этом повышаются требования к мощности и надежности. Условия работы - большие залы или открытое пространство. Эстрадные акустические колонки в основном строятся по двухполосной схеме с простейшим разделительным фильтром в виде конденсатора. Часто в состав эстрадной акустики входят однополосные низкочастотные (НЧ), среднечастотные (СЧ) и высокочастотные (ВЧ) колонки, содержащие несколько излучателей в одном корпусе. При этом частотное разделение происходит в звукоусиливающей аппаратуре.

Основная задача эстрадной акустической системы - создание высокого звукового давления в рабочем частотном диапазоне, который может быть достаточно узким, особенно на открытом воздухе. Приемлемым считается 40 Гц - 1 б кГц, о неравномерности АЧХ, ФЧХ и КГИ говорить вообще не приходится.

Автомобильная акустика представляет собой нечто среднее между домашней (так как используется для индивидуального прослушивания) и эстрадной (так как работает в жестких условиях и при высоком уровне окружающего шума). Основное требование - создание высокого звукового давления в рабочем частотном диапазоне, который может быть даже шире, чем для домашней акустики, однако фазовые искажения и КГИ примерно такие же, как у эстрадной. Кроме того, автомобильный усилитель работает при напряжении в 12 В. Источник питания такого усилителя преобразовывает низкое однополярное напряжение аккумулятора в относительно высокое биполярное. Ток, потребляемый усилителем, может быть очень большим, поэтому усилитель подключается к аккумулятору проводами большого сечения. Для снижения влияния, оказываемого сопротивлением аккумулятора, в цепь питания устанавливают конденсатор (ионистор) емкостью до 1 Ф. Особо мощные акустические системы вообще требуют установки на двигатель дополнительного генератора.

 II. Сабвуфер как часть акустической системы

 

Сабвуфер - компактное и дешевое решение для воспроизведения низких частот. Сабвуфер может применяться в составе домашнего кинотеатра для создания спецэффектов, известных как LFE - Low Fгequency Effect, а также для улучшения качества звучания двухканальной акустической системы.

Идея отделить НЧ-звено от СЧ и ВЧ достаточно разумна – человеческий слух не способен различить расположение источника НЧ-излучения.

Другими словами, слушателю все равно, один источник такого излучения или два, и даже нет разницы, где он находится: справа или слева. Использование сабвуфера позволяет уменьшить размер передних колонок и более рационально их разместить, а место для сабвуфера найти проще, чем место для двух громоздких колонок. И это еще не все.

После отделения НЧ-звена от СЧ и ВЧ становится проще расчет разделительных фильтров. Можно также сделать фильтр для сабвуфера с регулируемой частотой среза - это позволит тоньше стыковать НЧ- и СЧ-звенья уже в процессе эксплуатации системы.

Основной недостаток сабвуфера - необходимость конструирования еще одного ящика и проектирование трехканального усилителя при проектировании стереосистемы.

Конструктивно сабвуфер представляет собой обычную однополосную акустическую колонку, выполненную в оформлении ЗЯ, ФИ или полосового излучателя. Часто в сабвуферах, выполненных в оформлении Фи, динамик направлен в пол, а фазоинвертор выведен на переднюю панель ящика. Сам же ящик располагается на высоте 5-10 см над уровнем пола на ножках или выступающих боковых стенках. Такая конструкция заодно работает как шейкер, передавая вибрацию в пол и усиливая низкочастотные спецэффекты.

Существует мнение, что чем больше объем ящика и площадь диффузора динамика, тем лучше. Однако это не совсем так. Действительно, большой объем ящика и большая площадь диффузора позволяют воспроизводить очень низкие частоты, но из-за большой инерции воздуха и подвижной системы излучателя бас размыт и не динамичен.

III. Критерии качества звучания акустической системы

Наиболее важный показатель качества звучания акустической системы - ширина полосы воспроизводимых частот (см. рис. 1).

Рис.1. Типичная АЧХ НЧ-излучателя в ближнем поле.

F1 – нижняя граница воспроизводимых частот,

F2 - нижняя граница воспроизводимых частот, F рез. – резонансная частота

Считается идеальным, если она составляет от 20 Гц до 20 кГц. При этом обычно указывается, по какому уровню определяется АЧХ - по уровню - 3 дБ (ослабление сигнала в 1,5 раза) или по уровню - 6 дБ (ослабление сигнала в два раза). Также существуют другие параметры, отражающие качество АС:

неравномерность ДЧХ - разница в амплитуде сигнала между самой низкой и самой высокой точкой на характеристике АЧХ;

коэффициент гармонических искажений (КГИ, Кг, ТНD). Этот параметр показывает, какой процент мощности занимают гармоники основного сигнала. Считается, что усилитель мощности должен обладать КГИ менее 0,1 %;

КГИ+Шум (THD+N). Данный параметр указывает, какой процент мощности занимают гармоники основного сигнала и другие посторонние сигналы;\

фазовые искажения (Phase гesponse) - отклонение фазы выходного сигнала от фазы входного сигнала. Фазовые искажения влияют на передачу сцены;

групповая задержка (Gгoup delay) - время, на которое изменение выходного сигнала отстает от изменения входного сигнала;

верность воспроизведения - комплексная оценка качества звучания АС путем экспертного прослушивания. Это субъективная оценка, результатом которой является письменное (реже - устное) резюме, отражающее основные критерии звучания.

В конечном итоге субъективное качество имеет большее значение, чем объективное, ведь акустические системы создаются для человека, а не для измерительных приборов. Более того, зачастую при экспертной оценке АС с худшими объективными показателями получают более высокие баллы, чем АС с идеальными характеристиками. О причинах этого среди экспертов до сих пор нет единого мнения.

IV. Процесс сборки трехполосной акустической системы

Итак, мною было принято решение об изготовлении трехканальной акустической системы в соответствии со структурной схемой (см. рис. 2).

Рис.2. Структурная схема трехканального акустического комплекса.

При конструировании АС пользуются простым правилом соотношения мощности: ВЧ:СЧ:НЧ = 1 :3:9, то есть, если мощность НЧ-излучателя составляет 30 Вт, мощность СЧ-излучателя должна составлять 10 Вт, а ВЧ - 3 Вт.

Данная акустическая система состоит из трехканального усилителя низкой частоты (левый канал, правый канал и канал сабвуфера) и трех акустические системы.

Для изготовления мною были применены динамические головки с наиболее приятным для меня звучанием, воспроизведением всего частотного диапазона и выделением низкой частоты.

У разработчиков АС часто возникает вопрос какова должна быть мощность АС, чтобы она, с одной стороны, обеспечивала достаточную громкость при сохранении высокого качества звучания, а с другой – не была слишком большой, чтобы не вызвать повреждение здания либо баротравмы. На этот вопрос однозначно ответить нельзя - все зависит от чувствительности акустических колонок и особенностей помещения, но опыт изготовителей и разработчиков показывает, что стереосистемы с мощностью 30 Вт на канал вполне достаточно для обычной квартиры.

Последовательность сборки акустических систем левого и правого канала раскрывается в изображениях, расположенных ниже.

На первом этапе был собран корпус будущей колонки. После сборки корпуса я нашел и выпилил сетки, после чего подверг их окраски.

На следующем этапе я вырезал кольцо. А затем наложил его на подготовленную сетку.

После подготовительной работы над корпусом и сеткой необходимо было найти ткань для обшивки корпуса. Для этой цели мною был выбран красный винил и плотная чёрная ткань. Затем я смонтировал и установил все комплектующие детали

После завершения работы над колонками, я начал собирать сабвуфер.

Для повышения качества воспроизведения низких частот, был разработан корпус в форме цилиндра, так как, на мой взгляд, наиболее качественное звучание исходит из акустической системы цилиндрической формы.

В целях удешевления стоимости акустической системы, для изготовления корпуса сабвуфера была выбрана бумажная труба, спрессованная по принципу пресс-папье.

После полной оклейки трубы я сделал отверстия под фазоинвертор и зашпаклевал их. Затем вырезал кольцо для крепежа динамика и установил его.

На следующем этапе работы над сабвуфером я забил внутреннюю полость синтепоном и установил динамик. Затем обшил сабвуфер той же черной тканью, что и колонки и установил сетки

По завершению работы над акустической системой было решено добавить световые эффекты. Для этого я установил светодиод и катушку индуктивности. Крышку сабвуфера сделал из фанеры и обклеил её самоклеющейся бумагой

После всего перечисленного у меня получилась 3-х канальная акустическая система.

 V. Процесс сборки усилителя трехполосной акустической системы

Процесс сборки усилителя для трехполосной акустической системы состоял из нескольких этапов.

На первом этапе необходимо было определиться со схемами для усилителей низкой, средней и высокой частоты.

Усилитель низкой частоты (НЧ-усилитель), собран по интегральной микросхеме TDA2040, представленной ниже.

Затем я собрал два усилителя высокой частоты и низкой частоты по одной принципиальной схеме TDA2030A

После этого мне предстояло собрать сумматор для сабвуфера и два тембра блока для каждого усилителя колонок.

Ниже приведена схема, по которой мною производилась сборка фильтр сумматора для сабвуфера.

На входе фильтра установлен сумматор – пассивный фильтр первого порядка с частотой порядка 150Гц. Оставшаяся часть схемы представляет собой активный фильтр второго порядка. Частота среза перестраивается от 30 до 250 Гц. Нижняя граница диапазона – 15 Гц. Входной сигнал не должен превышать 1 В, иначе возможны искажения. Сигнал на выходе ослаблен
в 1,5 – 2 раза, в результате чего наладка не требуется.

После сборки сумматора я приступил к созданию тембра блока, схема которого показана ниже.

После того, как мною было собрано 5 схем, необходимо было собрать блок питания и корпус.

В итоге работы у меня получился вот такой усилитель 3*15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При работе над техническим проектом по созданию трехполосной акустической системы в домашних условиях, мною были получены навыки по сборке аудиотехники на основании схем-проектов.

По результатам проведенной работы, можно сделать следующие эмпирические выводы:

1. При конструировании АС следует пользоваться правилом соотношения мощности: ВЧ:СЧ:НЧ = 1:3:9. Это означает, что если мощность НЧ-излучателя составляет 30 Вт, то мощность СЧ-излучателя должна составлять 10 Вт, а ВЧ - 3 Вт.

2. Стереосистема с мощностью 15 Вт на канал оптимальна для использования с персональным компьютером, а стереосистемы с мощностью 30 Вт на канал вполне достаточно для обычной квартиры.

Что же касается экономической составляющей данного технического проекта, то на разработку, сборку и наладку описанной системы ушло примерно 4 месяца, а себестоимость проекта составила 3 842 рубля.

Таким образом, акустическая система, изготовленная в домашних условиях, наиболее полно отвечает требованиям заказчика и сохраняет его бюджет.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Создание акустических систем в домашних условиях / с. М. Афонин. - М. Эксмо, 2008. - 160 с.

Интернет-сайты:

http://zahodivse.ru/index2akks.php

http://www.payatel.ru/368-shema-aktivnoy-akusticheskoy-sistemy.html

http://vseodin.blogspot.ru/2010/11/21.html

 ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение №1.

Коммерческий расчет стоимости

изготовления трехканальной акустической системы