Известно, что для многих автомобилистов машина превратилась в нечто большее, чем просто средство передвижения. Ведь человек, проводящий за рулем несколько часов каждый день, хочет слушать не только местные новости, но и хорошую музыку. Однако, оборудуя салон высококачественной автомобильной звуковоспроизводящей установкой, редко кому удается обойтись только промышленными изделиями.
В последние годы в радиолюбительской литературе появилось немало публикаций, посвященных самостоятельному изготовлению автомобильной аудиоаппаратуры. Но даже хорошая аппаратура еще не решает всех проблем, встающих перед создателем аудиосистемы Hi-Fi класса для своего автомобиля. Скептическое отношение многих автомобилистов к подобного рода системам вызвано, прежде всего безграмотным подходом к установке АС в салоне. К сожалению, в большинстве случаев их размещают в машине по принципу "куда влезет", а не "куда надо".
Правда, однозначного ответа на вопрос - "а куда надо?" - не существует. Ни одно из известных решений не даёт гарантированного результата. Гораздо легче ответить на вопрос "куда не надо?". Самая распространённая ошибка - установка мощных и высококачественных головок громкоговорителей на задней полке. Спереди же устанавливают, что придется или вообще ничего. Неужели владелец такой машины предпочитает на концерте сидеть спиной к сцене ?
Вопреки сложившемуся мнению, главное при конструировании автомобильной аудиосистемы состоит не в достижении высокой мощности, малых искажений и даже не в получении хорошей АЧХ. Основная проблема - широкой звуковой картины для слушателей, сидящих на передних сиденьях машины.
Её решение напрямую связано с местом установки фронтальных головок. При любом разумном варианте их размещения разность пути сигнала от левого и правого излучателей до слушателя достигает недопустимо больших значений. Для сокращения этой разности можно использовать отражение всего или части сигнала от лобового стекла. Так появились установки с напольной фронтальной акустикой (рис.1).
Конструктивное воплощение такого решения сложно и трудоемко, но результат впечатляет. Однако резать пол для установки головок решится далеко не каждый. Поэтому реально для установки фронтальных излучателей в легковой машине остается не так много мест: приборная доска, стойки лобового стекла, двери, вертикальные панели в нижней части салона у передних колес автомобиля (кикпанели).
Приборная доска позволяет установить излучатели на достаточной высоте, но размер головок ограничен обычно 10...13 см, акустическое оформление практически отсутствует, поэтому низкие частоты воспроизводятся в этом случае недостаточно эффективно. Для дальнейшего подъема звуковой картины можно установить излучатели на стойках по боковым краям лобового стекла, но реально там могут разместиться только "пищалки".
Популярная в силу своей простоты установка низкочастотных и коаксиальных головок в дверях автомобиля обычно аргументируется увеличением эффективности воспроизведения низких частот готовым акустическим оформлением. Результат же получается прямо противоположным желаемому. При сведении фонограмм большинство современных звукорежиссёров располагают инструменты басового регистра в центре звуковой сцены, то есть звуковые сигналы левого и правого каналов в этом диапазоне частот синфазны и имеют практически одинаковую интенсивность.
Поэтому при установке излучателей в дверях фронт звуковой волны на частотах 100...150Гц, критической для субъективного восприятия басовой атаки, достигает противоположной головки в противофазе (что определяется шириной салона) и компенсируется. Отсюда - тусклый, безжизненный звук, который не исправить никаким эквалайзером.
Установка головок в кикпанелях уменьшает разность пути сигнала от левого и правого излучателей, но звуковая картина опускается недопустимо низко. Кроме того, этому варианту присущ тот же эффект "гашения" басовой атаки, правда в меньшей степени, чем при установке головок в дверях автомобиля, а организовать достойное акустическое оформление непросто.
Из сказанного следует, что наилучшего результата можно достичь, применяя многополосную рассредоточенную фронтальную АС. Полосовые излучатели необходимо разместить в тех местах, где они будут работать с максимальной эффективностью.
Полноценное воспроизведение низких частот возможно только при использовании акустического оформления значительного размера, поэтому практически во всех автомобильных аудиоустановках частотный диапазон основных каналов ограничивается 100...120Гц, а более низкие частоты излучаются сабвуфером в виде суммарного сигнала. Поскольку на самых низких частотах громкоговоритель имеет круговую диаграмму направленности излучения, выбор места установки сабвуфера - вопрос компоновки системы. Чаще всего его размещают в багажнике.
Проблема в том, что частотная характеристика салона, играющего здесь роль акустического оформления, имеет подъем в области самых низких частот, индивидуальный для каждой модели кузова. Поэтому для получения равномерной суммарной АЧХ системы необходимо иметь возможность регулировки не только уровня, но и частотной характеристики в сабвуферном канале.
Звуковой образ, сформированный без использования тыловых излучателей, безусловно, будет неполным. Основное их назначение - создание "эффекта зала" за счет имитации отраженного звука. Спектр сигнала тыловых каналов (рис.2) для этого должен быть ограничен, а сам сигнал может быть как традиционным ("левый-правый" канал), так и суммарным или разностным сигналом или представлять собой их комбинации. Мощность тылового канала невелика (не более 10% от общей мощности системы) и в ряде случаев для его реализации не потребуются дополнительные усилительные каналы. Простейший случай - встречно-последовательное включение тыловых динамиков между выходами усилителей левого и правого каналов через простейший фильтр.
О влиянии соединительных кабелей на качество звучания в последнее время написано столько, что этой темы можно здесь не касаться. Сечение проводов питания должно соответствовать потребляемому току и длине самих проводов. В любом случае падение напряжения на проводе питания при максимальной мощности должно быть не более 0,1-0,2В.
Демпфирование паразитных резонансов элементов и звукоизоляция салона также имеет большое значение. Шумопоглощающий материал следует наносить на все доступные панели и на пластмассовые элементы кузова, обратив особое внимание на панели , расположенные рядом с головками громкоговорителей или на те, которые используются как часть корпуса громкоговорителя. Резонансы обычно исчезают при покрытии 25 и более процентов площади. Для поглощения дорожного шума шумопоглощающим материалом следует покрыть пол салона, перегородку моторного отсека и зону колес.
Следующее по значимости влияние на качество звучания автомобильной аудиосистемы оказывают усилители ЗЧ. Однако традиционные усилительные устройства с разделением частот на выходе пассивными фильтрами плохо работают в автомобиле, так как имеют ряд недостатков. Помимо потерь мощности пассивные фильтры не позволяют перестраивать частоту среза АЧХ (а это часто требуется делать при настройке аудиосистемы) и весьма чувствительны к изменению импеданса головок.
По указанным выше причинам при создании автомобильной аудиосистемы удобнее использовать многополосное усиление, а частоты разделять активными или пассивными фильтрами, установленными на входе усилителя. Достоинства такого подхода - исключение потерь мощности и возможность применения оптимальных схемотехнических решений усилителей и полосовых фильтров. На графике, приведенном на рис.3, показана зависимость отношения мощности низкочастотного канала (в процентах) к полной от частоты раздела. Например, при частоте раздела 500Гц мощность низкочастотного канала составляет 60%, высокочастотного - 40%. (при одинаковой чувствительности головок).
Головной болью car audio - резонанс салона, проявляющийся в характерном "гудении" на некоторых басовых нотах. Замеры АЧХ показывают на частотах 120…160 Гц "горб" величиной от 3 до 8 дБ. Для коррекции "горба" чаще всего используют эквалайзер, но это решение не такое простое, как кажется на первый взгляд.
Профессиональный высококачественный прибор и стоит соответственно, и настройка его - дело непростое, требующее опыта и измерительной аппаратуры. Если же использовать бюджетную модель, качество звучания вряд ли улучшится. Два-три десятка операционных усилителей общего назначения способны оставить от звука одни воспоминания. Поэтому стремление обойтись без эквалайзера понятно всем, кто работает над установкой творчески.
Допустим невероятное - что все дефекты АЧХ побеждены выбранными компонентами и тщательной установкой и остался только неистребимый резонанс. Даже при использовании самых высококачественных компонентов решить эту проблему непросто. Первый и самый очевидный способ - разнести частоты раздела полос сабвуфера и остальной акустики. В этом случае сабвуфер воспроизводит частоты ниже 120 Гц, а остальная акустика - выше 180 Гц. Эти цифры приблизительные и зависят от размеров салона и особенностей конкретной установки.
Поскольку в серьезных установках используются кроссоверы как минимум второго порядка, спады частотной характеристики получаются достаточно крутыми, а разнос полос - небольшим. В результате сабвуферу приходится воспроизводить широкую полосу частот и во всей красе встает проблема "заднего" баса. Хвост вытащили, грива увязла…
Выход нашелся там, где его не искали, но начинать придется издалека - со схемотехники. Усилители бюджетных серий, чтобы не отставать по оснащению от "старших братьев", давно перешли от фиксированной частоты среза встроенного кроссовера к плавной перестройке. Отличие только в одном - на переменных резисторах там экономят.
Для перестройки фильтра второго порядка в стереофоническом варианте нужен четырехсекционный переменный резистор с хорошим согласованием сопротивлений, а в некоторых случаях - еще и с различным сопротивлением секций. Вещь если не заказная, то, как минимум, не ширпотребовская. Поэтому стали применять обычные двухсекционные, соответственно переработав схему фильтров.
Так на арену вышли фильтры переменной крутизны, в которых перестраивается только одно его звено. Вслед за бюджетными усилителями такие фильтры появились и в моделях среднего класса. В качестве примера - фрагмент схемы встроенного кроссовера усилителя Hifonics Mercury (рис.4).
Схема проста - пассивный ФВЧ первого порядка, перестраиваемый по диапазону и в дополнение к нему - активный фильтр второго порядка, настроенный на крайнюю частоту диапазона, то есть в сумме - фильтр третьего порядка. Но в отличие от классического варианта при изменении частоты среза меняется и форма АЧХ фильтра. На первый взгляд - недостаток, отступление от канонов. Но если подойти диалектически - достоинства есть продолжение недостатков. Посмотрим на АЧХ (рис.5).
На графике черным цветом показана АЧХ сабвуферного канала с частотой среза 80 Гц и АЧХ ФВЧ в двух крайних положениях регулятора. А синим - результирующая АЧХ в одном из его промежуточных положений. Результат налицо - в интересующей нас области около 150 Гц появился провал нужной величины.
Полоса частот сабвуфера при этом осталась в разумных границах и о "заднем" басе беспокоиться не нужно. И волки сыты, и овцы целы. Кроме того, в зоне работы звена первого порядка фазочастотная характеристика гораздо пристойнее, чем у классического фильтра третьего порядка.
Если посмотреть в результаты тестов различных изданий, подобные АЧХ можно обнаружить у большинства современных кроссоверов и усилителей нижней и средней ценовой категории. Вывод однозначен даже без вскрытия - в их конструкции использованы фильтры переменной крутизны. Вот пример того, как упрощение конструкции повысило ее качественные показатели и расширило область применения. Однако возможности коррекции при помощи такого метода ограничены, поэтому говорить о вымирании эквалайзеров пока рано.
Но ставить целый эквалайзер ради одного "горба" - все равно, что стрелять из пушки по воробьям. Вместо эквалайзера лучше использовать режекторный фильтр, настроенный на частоту 140…160 Гц. Схема простейшего пассивного фильтра на основе обращенного моста Вина приведена на (рис.6.) Добротность фильтра небольшая, поэтому точная настройка не требуется.
Фильтр включается между линейным выходом источника и входом усилителя. Емкость конденсаторов удобно выбрать равной 0,1 мкФ, сопротивление резисторов - 10…12 кОм. При использовании малогабаритных деталей планарок его можно разместить в корпусе RCA-"папы".
У данной конструкции только одно достоинство - простота. Недостатков гораздо больше - степень коррекции в большинстве случаев недостаточна, а характеристики зависят от выходного сопротивления источника и входного сопротивления усилителя. Для устранения недостатков фильтр нужно сделать активным.
Главное условие, которое ставилось при разработке схемы - простота и высокое качество сигнала. Поэтому микросхемы были решительно отвергнуты - дискретные элементы в таких условиях предпочтительнее. Лучший усилительный элемент для простой схемы - полевой транзистор. Помимо высокого входного сопротивления, полевой транзистор обладает более линейной характеристикой, чем биполярный, звук становится теплым и "ламповым".
Правда, в простых схемах может проявиться недостаток полевых транзисторов - большой разброс параметров. Впрочем, это легко обойти: достаточно использовать в конструкции транзисторы из одной партии - в пределах упаковки они похожи, как близнецы.
Схема активного фильтра для одного канала приведена на (рис.7.) Первый каскад - усилитель с разделенной нагрузкой. Его задача - создать противофазные напряжения для питания фильтрующего звена C2C3R4R5. В правом по схеме положении переключателя это уже рассмотренный ранее фильтр с затуханием около 3 дБ. В левом положении переключателя на фильтр поступают противофазные напряжения, и затухание на частоте настройки увеличивается до 5…6 дБ. Точное значение затухания зависит от характеристик транзистора и соотношения сопротивлений резисторов R2 и R3. Если сделать их равными, затухание будет максимальным (8 дБ), но сигнал на выходе будет ослаблен относительно входного на 3…4 дБ. На схеме показан оптимальный вариант номиналов.
Выходной каскад - обычный эмиттерный повторитель. Его задача - исключить влияние нагрузки на характеристики фильтра. Конденсатор C5 и диод VD1 - фильтр питания, общий для двух каналов. Питается фильтр непосредственно от выхода remote головного устройства, поскольку ток, потребляемый по двум каналам, не превышает 10 мА.
Помимо указанных на схеме можно применить транзисторы КП303В (VT1), КТ3102 с любой буквой (VT2). Диод VD1 можно использовать любой маломощный кремниевый. Электролитические конденсаторы должны быть на рабочее напряжение не ниже 16 В. Тип остальных деталей не критичен, и, как писали полвека назад, "зависит от вкуса и возможностей радиолюбителя". Корпус должен быть металлическим, в противном случае придется снабдить его внутри экраном из медной фольги и соединить его с общим проводом.
Налаживание схемы несложно. После проверки монтажа нужно подать на нее питание и замерить постоянное напряжение относительно общего провода на эмиттере транзистора VT2. Оно должно составлять от 50 до 70% напряжения питания и по возможности быть близким в обоих каналах. Если это не так - нужно подобрать сопротивление резистора R3 в пределах 1,2...1,8 кОм. Сопротивление этих резисторов в обоих каналах должно быть одинаковым, это более важное условие, чем равенство постоянных напряжений на выходе.
Входное сопротивление фильтра около 100 кОм, входное напряжение не должно превышать 1,5 В - иначе возможно появление искажений. Если напряжение на линейном выходе источника больше, на входе фильтра придется добавить делитель напряжения (резистор сопротивлением 100 кОм последовательно с конденсатором C1). Потери сигнала в этом случае придется компенсировать регулировкой чувствительности усилителя. Поскольку входное сопротивление весьма высокое, устанавливать фильтр лучше вблизи источника сигнала, чтобы избежать наводок на вход. Выходное сопротивление фильтра около 50 Ом, что намного меньше аналогичного параметра большинства головных устройств. Это позволит исключить влияние параметров соединительного кабеля, так что фильтр попутно выполняет и функции согласующего устройства.
АЧХ фильтра приведена на (рис.8.) Это уже не просто фильтр, а настоящий "эквалайзер окружения" (ambience equalizer). Устройство с таким названием и очень похожей АЧХ применяется в топовых усилителях Mcintosh, вот только схемотехника там посложнее…
Сабвуфер (subwoofer) представляет собой отдельную акустическую систему, предназначенную для воспроизведения низших частот звукового диапазона (обычно 20-120Гц).
Для того, чтобы получить хорошие низкие частоты на обычных акустических системах (без сабвуфера) обычно требуются довольно большие и мощные колонки. К тому же колонки с хорошими "низами" будут стоить довольно дорого. Применение сабвуфера позволит вам разгрузить АС по низким частотам. А поскольку человеческий слух не может распознать направление низкочастотного звука, сабвуфер понадобиться только один и расположить вы его можете практически в любом удобном месте. Качество звука при этом несколько повысится, поскольку вам не придется перегружать колонки басами большой мощности, и следовательно уменьшится количество искажений. К тому же АС получатся намного меньше в размерах, поскольку высокочастотному динамику (т.н. "пищалке") объема вообще не требуется, а среднечастотнику его нужно совсем мало.
Сабвуфер можно использовать и с уже имеющимися у вас колонками, которые, наверняка, не дают вам насладится мощным басом. Для начала, немного теории.... Чтобы добиться качественного звука любой самодельной АС нужно для начала знать немного теории. И сделать некоторый выбор. Я имею в виду тип.
