Проект "48 литров" или сборка сабвуфера для музыки из корпуса АС S-90.

Процесс сборки сабвуфера в акустическом оформлении типа «закрытый ящик».
Замеры, графики, схемы. Рассчитано на подготовленного читателя.

1. Как обычно, всё начинается с наживки.
В этот раз наживкой была авторская статья
Отличный сабвуфер для музыки и кино.
Графики, показывающие достигнутые результаты:


Результаты очень хорошие!

«Закрытый ящик (скращённо ЗЯ) — простейшее акустическое оформление, но далеко не примитивное, напротив, имеющее, ряд преимуществ перед другими.
Что происходит с характеристиками динамика при установке в закрытый ящик? Это зависит от одной-единственной величины — объема ящика.
Если объем настолько велик, что динамик его практически не замечает, мы приходим к варианту бесконечного экрана. На практике такая ситуация достигается, когда объем ящика (или другого замкнутого объема, находящегося позади диффузора, а проще говоря, что там скрывать — багажника автомобиля) превышает эквивалентный объем динамика втрое или больше. Если такое соотношение выполняется, резонансная частота и полная добротность системы останутся практически такими же, какими они были у динамика. А значит — их и выбирать надо соответственно.
Известно, что акустическая система будет обладать наиболее гладкой частотной характеристикой при величине полной добротности, равной 0,7. При меньших значениях улучшаются импульсные характеристики, но спад частотки начинается довольно высоко по частоте. При больших — частотная характеристика приобретает подъем вблизи резонанса, а переходные характеристики несколько ухудшаются.
Если вы ориентируетесь на классическую музыку, джаз или акустические жанры — оптимальным выбором будет несколько передемпфированная система с добротностью 0,5 — 0,7.
Для более энергичных жанров не повредит подчеркивание низов, которое достигается при добротности 0,8 — 0,9.
И наконец, любители рэпа оттянутся по полной программе, если из система будет обладать добротностью, равной 1,0 или даже выше.
Значение 1,2 надо, пожалуй, признать предельным для любого жанра, претендующего на музыкальность. » ©


Источник: Акустические системы своими руками Гапоненко С.В. 2013г.

2. Чтобы лучше понимать графики, рекомендуется ознакомиться с понятием
Групповое Время Задержки (ГВЗ).


3. Казалось бы, саб в доме есть Magnat 530A — обычный саб с фазоинвертором (ФИ).

Чего ещё не хватает?

После недавних прослушиваний разных усилителей прозвучало мнение «низ мазаный».
Что, честно говоря, для меня не было новостью.

В архивах сохранились замеры 530-го. Использован измерительный мик для больших звуковых давлений:

Мик — MK102:

Совмещённые графики:

Ладно, пусть Кг=1,75% на 40 Гц. Терпимо.

Пришлось помучать саб посылками 40Гц 100мс, чтобы увидеть переходные процессы саба.
Вот так выглядит посылка на выходе звуковой карты (картинка с осциллографа):

А вот так видит этот же сигнал звуковая карта в режиме записи с линейного входа:


Ход мысли был такой: надо заглушить ФИ у саба, чтобы понять, возможно ли его использование в таком виде.

ФИ саба были заглушены тряпочными валиками, на вход саба подана тональная посылка 40Гц 100мс.
Запись с микрофона «немного» удивила:

Получилось не четыре, как в исходном сигнале, а пять (!) периодов сигнала.
Плюс колебательный процесс на частоте 71 Гц (обведено красным) вследствие заглушенного ФИ.
Мда, совсем плохи дела. (

АЧХ саба с заглушенным ФИ (красным цветом) и с открытым ФИ (голубым цветом):


Выводы о сабе Magnat 530A:
— АЧХ саба плохая хоть с открытым ФИ, хоть с закрытым ФИ
— ГВЗ ещё хуже в обоих вариантах
— THD терпимое, но это не спасает ситуацию
— саб годится только для спецэффектов в кино

4. Динамик для экспериментов. Где взять?
Разбирать саб, чтобы заполучить динамик для экспериментов почему-то не хотелось.

В доме нашёлся халявный дарёный «саб» от АС Электроника 25АС-132

с полуживым динамиком 35ГДН-1С-4
Поводки рассыпались то ли от времени, то ли от эксплуатации. Пришлось потратить вечер, чтобы их заменить.

Чтобы замерить параметры T-S (Тиля-Смолла), была использована программа JBL Speakershop.
Отверстие ФИ пришлось заглушить пластиковым стаканчиком (см. фото выше).
В тот день меня преследовали грабли неудачи:
— генератор, собранный 20+ лет назад, гнал ВЧ помехи, что очень мешало измерениям
— USB-осциллограф DSO-2150, как на зло, начал ловить помехи (пришлось измерять RMS мультиметром)
— контакт в разъёме (на задней панели корпуса тестового бокса) вдруг добавил сопротивление 10-70 Ом, которое волшебным образом менялось, из-за чего JBL Speakershop начала выдавать странные сообщения (типа «Пацан! Ты что там вообще измеряешь?»)
Вот эта гадость:


Только к позднему вечеру тропинка с граблями закончилась, и с 9-й попытки (не вру) удалось получить достоверные характеристики динамика 35ГДН-1С-4:

И так, динамик есть. Где же взять корпус?

5. Подарок себе любимому к Новому году.
За символические 200 грн. (7 долларов) был куплен… корпус всеми любимой колонки S-90B:



После вытряхивания из корпуса всего ненужного полный внутренний объём корпуса S-90B составил 48 литров.
Использую реальные данные динамика, был сделан черновой расчёт ЗЯ:

48 литров идеально подходят для получения добротности 0,7.
Проверка расчёта в JBL Speakershop:

Для добротности 0,7 программа предложила объём 31,3 литра.
А для 48 литров получилась добротность 0,64, что очень хорошо для музыкального саба.

Для превращения корпуса S-90B в ЗЯ у знакомого мебельщика была заказана передняя панель по эскизу:

И 27.12.2020 всё было готово:

Панель была закреплена шестью саморезами (пока без использования клея или других клеевых составов).
Ватного валика мне показалось мало:

И я хотел было запихнуть вовнутрь мягкую игрушку:

Супруга, увидев всё это, покрутила у виска пальцем. Пришлось пожалеть зверя.

Прикрутил динамик:

Перетащил саб в измерительную лабораторию:

Условия замеров:
— любые фильтры\коррекция отсутствуют
— тестовые сигналы подаются с выхода звуковой карты через УМ непосредственно на динамик
АЧХ (замер розовым шумом; график жёлтым цветом):

Графики красным и голубым цветом — АЧХ саба Magnat.

Вот уж чего не ожидал увидеть, так это ровную АЧХ почти до 8-10 кГц.
А по паспорту всего 5 кГц:


Отклик на тональную посылку 40Гц 100мс:

Четыре периода по прежнему превращаются… превращаются… в 4-5 периодов. Мистика! ©

Радует факт, что нет значительного колебательного процесса по окончанию посылки ( вот она добротность около 0,7 ).
Понижение добротности системы путём заполнения корпуса звукопоглотителем вряд ли улучшит ситуацию.

Если верить первоисточникам, при добротности 0,5 колебательный процесс полностью отсутствует.
Какой же потребуется объём ЗЯ для добротности хотя бы 0,55?

315 литров!
Всё, на сегодня хватит.

28.12.2020
6. Усилитель для саба.
На этапе экспериментов использование отдельного УМ приемлемо.
А вот в будущем?

Среди бесполезных покупок в доме нашлась готовая плата УМ на базе микросхемы TPA3116.
Быстро ознакомившись с документацией, я не нашёл цифры, на какой же отметке начинается клиппинг.

Питание платы — от аккумулятора 12В (чтобы не было связи по нулю с осциллографом).
Тестовый сигнал 1 кГц подавался от mp3 плеера.
Максимум, что удалось выжать из микросхемы без клиппинга на 4 Ом нагрузку — всего 7,4В RMS:

При питании 24В (два аккумулятора по 12В, нагрузка также 4 Ом) всего 12,4В RMS.

Радиатор на микросхеме начал заметно греться!

Честные цифры для TPA3116 (нагрузка 4 Ом):
— 12 Вт при питании 12В
— 36 Вт при питании 24В

А 60Вт пусть останутся для рекламы. ))

Паспортная мощность 35ГДН-1С-4 всего 35Вт, мощности усилителя на tpa3116 достаточно.
Конечно, хотелось бы иметь усилитель с запасом, но…

7. Трансформатор Линквица.
Для ЗЯ было бы логично использовать специализированный корректор АЧХ (т.н. трансформатор Линквица).
Расчёт:


Посмотрим, что покажет моделирование:
Дополнительный «бонус» — временная задержка 3,2 мс. (
Таким образом, чтобы согласовать саб с остальной акустикой, надо иметь «фору» 3,2 мс,
или выдвинуть саб вперёд на 330м/с*3,2мс = 1,06 м.

Можно схитрить: инвертировать фазу сигнала на 180 градусов на входе саба, получив т.о. псевдо-опережение, и сдвинуть саб «в зад» (кстати, этот метод работает; проверено).

8. Пропорционально-интегрирующий фильтр (ПИ-фильтр) как замена трансформатора Линквица.
ПИ-фильтр — это всего два резистора и один конденсатор.
Временная задержка 2,4 мс (экв. 0,8 метра):

Как по мне, три пассивных элемента спаять проще, чем схему на операционном усилителе с питанием +-15В. ))

Получился участок с подъёмом АЧХ от 125 Гц

до 37 Гц

Подъём 6 дБ.

Пытаться выжать бОльший подъём (10дБ и более) можно, но
— потребуется усилитель бОльшей мощности (tpa3116 и так на пределе)
— динамик будет работать в режиме пиковых перегрузок
— как следствие, коэффициент гармоник будет выше в разы выше

9. По пути дальнейшего упрощения.
Из схемы ПИ-фильтра удаляется R1, т.о. получается простейший ФНЧ.
При тех же номиналах точка -3дБ переместилась на 44 Гц:

*Подстроить значение всегда можно, изменив R2 или C1.
Задержка 2,8 мс:

Результат:
трансформатор Линквица и ФНЧ для саба заменён пассивной RC-цепочкой.

10. Прослушивание сабвуфера.
Экспериментировать с усилителем на tpa3116 уже не было настроения, поэтому сабвуфер был подключен к одному каналу 100Вт усилителя (у которого коэффициент демпфирования около 100):


Схема на проводах — это ФНЧ и корректор из пункта 9.
Суммарная АЧХ (АС Heco + сабвуфер) в точке прослушивания:

Тот редкий случай, когда график показывает одно (НЧ как бы немного), а реально низов — хоть отбавляй.

Количество слушателей — всего двое.
Мнение было единогласное: саб добавляет очень хорошо. Именно то, чего не хватало у АС Heco.
Никакого мазаного низа или бубнения нет.
Прослушали музыкальные композиции разных исполнителей и авторов:
— Youngblood Brass Band
— KITARO
— YELLO
— Leonard Cohen
— Pink Martini
— Richard Clayderman («Tango»)
— Томми Эммануэль
и др.

Музыкальный саб удался!
Я первый раз нормально послушал, как играет ЗЯ с добротностью около 0,7.
После этого слушать ФИ саб уже не хочется.

Замер напоследок, какая же мощность поступала на НЧ динамик.
Осциллограф в режиме запоминания, порог триггера 7,5В:

Пики с амплитудой 10В проходили, когда на регуляторе громкости было -3 дБ.
Для комфортного прослушивания (вместе с соседями) достаточно -9..-6 дБ.
Так что tpa3116 должна справиться (кому должна? фз). Лишь бы с ней не получилось, как с TDA7294 в эксперименте 20-летней давности. ))

На этом всё. Всем удачных экспериментов.

Дополнение от 21.02.2021
Фазоинвертор от АС S-90B:

Параметры ФИ:
— внутренний объём 1,0 л
— площадь 37,4 кв. см
— эквивалентная длина 26,7 см