CC BY
33
УДК 621.395.623.8
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ МАЛОГАБАРИТНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
А.С. Бадаев, А.И. Сукачев, В.О. Алексеев, П.А. Кондратов
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассчитывается и разрабатывается конструкция высококачественных высокоэффективных малогабаритных акустических систем (АС) для беспроводных систем передачи информации - персональной сети Bluetooth. Показано, что для достижения максимально высоких энергетических характеристик при небольших габаритах оптимальным видом акустического оформления является "фазоинвертор с пассивным излучателем (ПИ)". На основе метода электромеханических аналогий построена эквивалентная акустическая схема разработанных АС. Передаточная функция фазоинверсной системы с малыми потерями, полученная из анализа эквивалентной схемы в области низких частот (НЧ), аналогична передаточной функции фильтра верхних частот (ВЧ) полиномиального типа четвертого порядка с крутизной спада амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в сторону НЧ 24 дб/окт. С учетом параметров, использованных НЧ головок громкоговорителей (ГГ), установлено, что АЧХ разработанных АС может быть аппроксимирована дробнорациональными функциями на основе полиномов четвертой степени Баттерворта или полиномами квазитретьего порядка. На основе предложенной методики рассчитаны основные конструктивные характеристики АС: объем корпуса, частота настройки ПИ, его масса и гибкость подвеса, разработана и представлена конструкция, приведены параметры АС. Отмечены более высокие характеристики разработанных АС по сравнению с аналогами
Ключевые слова: беспроводные сети передачи информации, Bluetooth, акустические системы (АС), мощность, уровень характеристической чувствительности, диапазон воспроизводимых частот
Введение
В последние годы с появлением цифровой обработки передаваемых данных и развитием микро- и наноэлектроники бурно развиваются технологии беспроводных сетей передачи информации, в том числе и персональных беспроводных сетей с небольшим радиусом действия - технология "Bluetooth". В настоящее время интерфейс "Bluetooth" достаточно широко используется в различных мультимедийных устройствах - персональных компьютерах, планшетах, мобильных телефонах, периферийных устройствах и т.д. Широкое распространение этой технологии обусловлено, в первую очередь, относительно низкой стоимостью технологии и элементов, ее реализующих [1].
С ростом емкости и компактности флеш-памяти в мобильных устройствах становится возможным высококачественное воспроизведение музыки без потери качества при сжатии на этих устройствах. Вслед за мобильностью источников аудио-мобильными становятся и беспроводные акустические системы (АС), позволяющие принимать и воспроизводить звук с мобильных устройств (Google Music + iTunes Match - вся медиатека доступна с любого устройства) в местах, где установка проводных
© Бадаев А.С., Сукачев А.И., Алексеев В.О., Кондратов П.А., 2018
решений невозможна - в любой комнате дома, в дороге, на открытом воздухе и т.д.
С появлением новых прогрессивных стандартов передачи звука по Bluetooth - apt X HD с битрейтом 576 кб/с при передаче двухканаль-ного звука с диапазоном частот 10-22000 Гц и LD AC с битрейтом 990 кб/c с частотой дискретизации 96 кГц качество звука возросло настолько, что превосходит звучание CD-дисков и удовлетворяет требованиям большинства меломанов. В связи с этим многие производители откликнулись на требования рынка и стремительно занимают нишу Bluetooth AC. Среди них признанные мировые бренды, производящие Hi-Fi, Hi-End, профессиональные АС и другую звуковоспроизводящую аппаратуру: Klipsch, Bose, Dali, Cambridge Audio, Harman Kardon, Philips и т.д. Тем не менее практически у всех AC этого класса без применения сабвуфера отмечается невысокая эффективность воспроизведения низких частот (НЧ). Во-первых, невысокая мощность (редко выше 50 Вт) и уровень характеристической чувствительности (85-86 дБ), а также полоса воспроизводимых НЧ ограничена частотами 60-80 Гц, динамический диапазон не шире 105 дБ. Это скорее не недостаток, а данность, обусловленная требованиями к мобильности, а следовательно, к малогабаритности АС с Bluetooth, а это, в свою очередь, накладывает ограничения
на габариты, массу и параметры головок громкоговорителей (ГГ), установленных в АС.
В связи с этим целью настоящей работы являлись разработка и расчет конструкции малогабаритных высокоэффективных и высококачественных АС, поддерживающих профили Bluetooth. При этом использовались подходы, наработанные при конструировании АС категории Hi-Fi и Hi-End в предыдущие годы, например [2, 3].
Разработка и расчет конструкции
Для решения этой непростой задачи требовалось выбрать малогабаритные излучатели с высокими мощностью и уровнем характеристической чувствительности. Мы остановили свой выбор на НЧ-СЧ ГГ фирмы «SeaS» (Норвегия) Н149 и Н760 диаметром 11 см, резонансной частотой 52-55 Гц и ВЧ-излучателях фирмы Wifa / Sсan-Speak (Дания) D 2904/600001. Параметры ГГ следующие - H149: диаметр -11 см; номинальная мощность - 60 Вт; максимальная мощность - 200 Вт; уровень характеристической чувствительности - 86 дБ; резонансная частота f0 = 57 Гц; полная добротность Qn = 0,24; эквивалентный объем Уэ = 5,4 дм3; диапазон воспроизводимых частот - 45 - 5000 Гц; номинальное сопротивление 8 Ом; диффузор из бумаги со специальной пропиткой.
H760: диаметр - 11 см; номинальная мощность - 70 Вт; максимальная мощность - 200 Вт; уровень характеристической чувствительности - 87 дБ; резонансная частота f0 = 52 Гц; полная добротность Qn = 0,23; эквивалентный объем Уэ = 4,6 дм3; диапазон воспроизводимых частот - 50 - 3500 Гц; номинальное сопротивление 8 Ом; диффузор из алюминиевого сплава.
D2904/6000-01: диаметр - 6 см; номинальная мощность - 150 Вт; уровень характеристической чувствительности - 90,5 дБ; резонансная частота f0 = 750 Гц; диапазон воспроизводимых частот - 2.0 - 25 кГц; номинальное сопротивление 6 Ом.
Единственным видом акустического оформления для получения максимально высоких энергетических параметров при минимальных размерах корпуса в нашем случае является "фазоинвертор" (рис. 1).
Поскольку в этой классической конструкции труба фазоинвертора занимает значительный объем, который надо учитывать при расчете объема корпуса, для сохранения небольших габаритов был выбран "фазоинвертор с пассив-
ным излучателем ПИ" [4]. ПИ представляет собой жесткую пластину на гибком подвесе или подвижную систему ГГ без магнита и звуковой катушки, на нужную частоту fф ПИ настраивается с помощью дополнительных грузов, устанавливаемых в центре пластины.
Рис. 1. Схема фазоинвертора
Для расчета АС и анализа процессов в них на НЧ успешно применяется метод электромеханических аналогий. Метод основан на замене механических и (или) акустических параметров, элементов или систем соответствующими электрическими аналогами с последующим применением хорошо разработанного и удобного математического аппарата теории четырехполюсников [5]. При анализе электрических четырехполюсников используют передаточную функцию, которую в случае АС в области НЧ можно представить в следующем виде
T(S) = PBblx(S)/UBX(Sl
(1)
где Рвых(5) - комплексный выходной сигнал - звуковое давление;
ивх(Б) - комплексный входной сигнал -электрическое напряжение;
Б = - комплексная частота. Поскольку "фазоинвертор" на НЧ, как и многие другие оформления, является системой с сосредоточенными параметрами, передаточная функция такой системы может быть аппроксимирована дробно-рациональной функцией [4]
Tn(S) = Wm(S)/Gn(S),
(2)
где Шт(Б) и Сп(5) - полиномы степени т и п>т соответственно.
Т(Б) АС в области НЧ в общем виде может быть представлена в виде:
T(S) = Ha(S)Hk(S),
(3)
где На (5) и Нк (5) - передаточные функции ГГ в корпусе и корректирующей цепи.
В случае оформления "закрытый корпус", без корректирующей цепи
Нк(Б) = 1,Г2 (5) = На2(Б) = АБ2/(а2Б2 + а1(Б) + а0), (4)
где А1, а0, а1, а2 - коэффициенты, зависящие от электромеханических параметров ГГ и корпуса.
Для "фазоинвертора" без корректирующей цепи передаточная функция может быть аппроксимирована в виде отношения полиномов четвертого порядка
Нк(Б) = 1, Т4(Б) = Яа4В54/(Ь454 + Ь353 + Ь2Б2 + ВгБ + Ь0), (5)
где В, Ь0 — Ь4 - вещественные коэффициенты, зависящие от параметров ГГ, корпуса и ПИ: массы, гибкости, частоты настройки, механических потерь.
Выражение (5) аналогично передаточной функции фильтра верхних частот, полиноминального типа четвертого порядка, АЧХ которых претерпевает спад в сторону НЧ с крутизной 24 дБ/окт.
По передаточным функциям можно вычислить важные характеристики АС: АЧХ, ФЧХ (фазочастотная характеристика) и ГВЗ -групповое время задержки, параметр, который характеризует искажение ФЧХ.
Эквивалентная акустическая схема "фазо-инвертора с ПИ" представлена на рис. 2.
мр
1 2 3 4
Рис. 2. Упрощенная эквивалентная акустическая схема
фазоинвертора с ПИ: 1 - источник сигнала; 2 - ГГ;
3 - корпус; 4 - ПИ; М^ - масса подвижной системы ГГ вместе с присоединенной массой воздуха; С^ - гибкость подвижной системы ГГ; Rгг - акустическое сопротивление потерь в подвижной системе; Ск - гибкость воздуха в корпусе; Rк - акустическое сопротивление потерь в корпусе; Мпи - масса ПИ с присоединенной массой
воздуха; Спи - гибкость подвеса ПИ; Rпи - акустическое сопротивление потерь в подвесе ПИ
Анализ эквивалентной схемы показывает, что она является аналогом схемы связанных электрических контуров (в АС один контур образуется из Мгг, Сгг и Ск, связанного через гибкость воздуха в корпусе Ск с другим контуром, образованным Мпи и Спи). АЧХ АС типа "фазо-инвертор с ПИ" соответствует электрическому фильтру четвертого порядка с крутизной спада 24 дБ/окт. Форма АЧХ определяется полиномами какого типа могут быть аппроксимированы передаточные функции таких фильтров, в зависимости от этого они называются фильтрами Чебышева, Баттерворта, квазитретьего порядка и т.д. Частотная зависимость модуля полного сопротивления ГГ, установленной в фазоинвертор с ПИ, совпадает с аналогичной зависимостью для связанных электрических контуров (рис. 3), расстояние между пиками также характеризует фактор связи контуров.
Рис. 3. Частотная зависимость модуля полного сопротивления |И| ГГ в фазоинверторе с ПИ
При настройке ПИ с помощью дополнительных грузов добиваются, чтобы "провал" между пиками совпадал с рассчитанной частотной фазоинвертора fф. В грамотно рассчитанном фазоинверторе пики должны быть одинаковыми по высоте, отношение частот
/В//н = 3.
Используя номограммы для расчета фазо-инвертора и учитывая, что с влиянием активного сопротивления индуктивности разделительного фильтра первого порядка, полная добротность 2-х НЧ-СЧ ГГ составит Qп 2 0,3, получим, что в нашем случае следует воспользоваться аппроксимацией промежуточной между аппроксимацией по Баттерворту и квазитретьем порядком [4, 5]. В этом случае получаем максимально гладкую АЧХ в области НЧ, объем
корпуса Ук — 2.8 дм3, /ф = 62Гц. Частота настройки ПИ определяется его массой и гибкостью подвеса.
Г = 1
/пи - 2Яумписпи ■ (6)
Пластина ПИ представляет собой алюминиевый диск диаметром 100 мм и толщиной 1 мм с массой 27 г. Гибкость подвеса ПИ определяется из формулы (6)
_ 1
Спи = л „2^2л/г ■ (7)
Для получения максимально высокой частоты настройки ПИ /пи — 65 Гц, Спи — 23 *
10-5М.
н
При этом, например, для получения /пи — 55 Гц масса дополнительного груза
должна быть т.
доп
10г.
Описание конструкции
Была разработана конструкция АС с Bluetooth, схема которой приведена на рис. 4.
B4wifa'S - speak
Рис. 4. Схема разработанных АС с Bluetooth
Конструкция представляет собой фазоин-вертор с ПИ, обе НЧ-СЧ ГГ нагружены на один объем. На передней панели установлены вверху ГГ H149, внизу D2904/6000-01, такое расположение, как показывает опыт, улучшает диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. На левой стороне, внизу, расположена ГГ H760, на правой, вверху, ПИ, вторая АС выполнена симметрично, сзади предусмотрен отсек размерами 20х11х6 см под усилитель с модулем Bluetooth, имеются разделительные фильтры, блок питания, радиатор, разъемы, органы управления и коммутации, предусмотрена возможность питания от источника постоянно-
го тока. Электрические схемы разделительных фильтров для двух возможных вариантов включений показаны на рис. 5 [6].
0-
0,32 мГн™ H1491 S мкФ
П>.2
H 760
D2904/6000-01
а)
6 мГн
=PjB149
A J мкФ ЬмеФ 0.38 мГн
ID2904/60000-01
б)
Рис. 5. Схемы разделительных фильтров:
а) номинальное сопротивление - 4 Ом;
б) номинальное сопротивление - 8 ОМ
Схема (а) представляет собой двухполосный вариант с частотой раздела 2,4 кГц и номинальным сопротивлением 4 Ом, схема (б) является квазитрехполосной, в которой ГГ Н760 выполняет роль сабвуфера, частоты раздела в этом случае 200 Гц и 2,4 кГц, номинальное сопротивление - 8 Ом. В фильтрах используются высококачественные полипропиленовые конденсаторы "Solen" (Франция). Корпус АС выполнен из MDF - плиты толщиной 16 мм и частично заполнен звукопоглотителем. В случае профессионального исполнения для изготовления корпуса возможно использование специальных алюминиево-магниевых сплавов с высоким декрементом затухания. Фронтальная поверхность АС и ГГ H760, установленная на боковой стороне, закрыты съемными декоративными рамками, обтянутыми специальным материалом с высокой акустической прозрачностью.
Основные технические характеристики
Основные технические характеристики разработанных АС следующие.
Номинальная мощность - 140 Вт, максимальная мощность - 400 Вт, номинальное сопротивление - 4 и 8 ОМ, диапазон воспроизводимых частот, при настройке ПИ на 50 ГЦ: 35 -25000 Гц, уровень характеристической чувствительности - 90 дБ, габариты: 23*14*22 см, масса без усилителя - 3,6 кг.
Для сравнения приводим характеристики напольной четырехполосной акустической системы "Radiotehnika s-400M".
Максимальная мощность - 400 Вт, диапазон воспроизводимых частот - 25 - 25000 Гц, уровень характеристической чувствительности - 89 дБ, диаметр НЧ ГГ - 25 см, диаметр mid-bass ГГ - 20 см, габариты - 90*32,5*28 см, масса - 26 кг.
Заключение
Разработанные АС могут быть использованы в трактах высококачественного звуковос-
произведения Hi-Fi, в системах конференц-связи, в качестве студийных контрольных мониторов.
Литература
1. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В.Н. Вишневский, А.И. Лехов, С.Л. Портной и др. М.: Техносфера, 2005. 592 с.
2. Бадаев А.С. Малогабаритные акустические системы на основе акустического лабиринта // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 4. С. 75-78.
3. Бадаев А.С., Гукин Д.В. Высококачественная рупорная акустическая система // Проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2011. С. 70-88.
4. Электроакустика и звуковое вещание: учеб. пособие для вузов / И.А. Алдошина, Э.И. Вологдин, А.П. Ефимов и др.; под ред. Ю.А. Ковалгина. М.: Горячая линия - Телеком, Радио и связь, 2007. 872 с.
5. Акустика: справочник / А.П. Ефимов, А.В. Никонов, М.А. Сапожников и др.; под ред. М.А. Сапожнико-ва. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989. 336 с.
6. Бадаев А.С. Разделительные фильтры для высококачественной двухполосной акустической системы // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2006. С. 268-273.
Поступила 22.05.2018; принята к публикации 20.09.2018 Информация об авторах
Бадаев Андрей Станиславович - канд. физ.-мат. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-952-553-86-63, e-mail: [email protected] Сукачев Александр Игоревич - ст. преподаватель, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-920-219-6353, e-mail: [email protected]
Алексеев Владислав Олегович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-950-778-00-65, e-mail: [email protected]
Кондратов Павел Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-910-347-98-11, e-mail: [email protected]
HIGH-QUALITY SMALL ACOUSTIC SYSTEMS FOR WIRELESS INFORMATION
TRANSMISSION NETWORKS
А^. Badaev, A.I. Sukachev, V.O. Alekseev, P.A. Kondratov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: in the work the design of high-quality, high-performance small-sized acoustic systems (AS) for wireless information transmission systems - a personal Bluetooth network is calculated and developed. It is shown that in order to achieve the highest possible energy characteristics with small dimensions, the optimal type of acoustic design is a "phase-inverter with a passive radiator (PR)". On the basis of the method of electromechanical analogies an equivalent acoustic scheme of the developed AS is constructed. The transfer function of the low-loss phase-input system obtained from the analysis of the equivalent circuit in the low-frequency region (LF) is similar to the transfer function of the fourth-order polynomial type high-pass filter (HF) with a slope of the amplitude-frequency characteristic decreasing toward the LF 24 dB / oct. Taking into account the parameters used by the low-frequency loudspeaker heads (LH), it is established that the frequency response of the developed AS can be approximated by fractional rational functions based on fourth order Butterworth polynomials or by quasi- order polynomials. Based on the proposed methodology, the main design characteristics of the AS are calculated: the volume of the casing, the frequency of adjustment of the PR, its mass and suspension flexibility, a design is developed and presented, and the parameters of the AS are listed. The higher characteristics of the developed systems are compared with the analogues
Key words: wireless information transmission networks, Bluetooth, acoustic systems (AS), power, level of characteristic sensitivity, range of reproduced frequencies
References
1. Vishnevsky V.N., Lekhov A.I., Portnoy S.L. "Broadband wireless data transmission networks" ("Shirokopolosnye be-sprovodnye seti peredachi informatsii"), Moscow, Tekhnosfera, 2005, 592 p.
2. Badaev A.S. "Small-size acoustic systems based on an acoustic labyrinth", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol.13, no. 4, pp. 75-78.
3. Badaev A.S., Gukin D.V. "High-quality horn speaker system", Designing of radio-electronic and laser devices and systems: interuniversity collection of scientific papers (Proektirovaniye radio-elektronnykh i lazernykh ustroystv i sistem: mezhvuz. sb. nauch. tr), Voronezh, Voronezh State Technical University, 2011, pp. 70-88.
4. Aldoshina I.A., Vologdin E.I., Efimov A.P. et al, ed. Kovalgin Yu.A. "Electroacoustics and sound broadcasting: manual" ("Elektroakustika i zvukovoe veshchanie: ucheb. posobie dlya vuzov"), Moscow, Goryachaya liniya - Telecom, Radio i svyaz', 2007, 872 p.
5. Efimov A.P., Nikonov A.V., Sapozhnikov M.A. "Acoustics: Reference book", Moscow, Radio i svyaz', 1989, 336 p.
6. Badaev A.S. "Separating filters for high-quality two-way speaker system", Problems of ensuring reliability and quality of instruments, devices and systems: interuniversity collection of scientific papers (Problemy obespecheniya nadezhnosti i kachestva priborov, ustroystv i sistem: mezhvuz. sb. nauch. tr.), Voronezh, VSTU, 2006, pp. 268-273.
Submitted 22.05.2018; revised 20.09.2018
Information about the authors
Andrey S. Badaev, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskov-skiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 8-952-553-86-63, e-mail: [email protected]
Aleksandr I Sukachev, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 8-920-219-6353, e-mail: [email protected]
Vladislav O. Alekseev, Student , Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 8-950-778-00-65, e-mail: [email protected]
Pavel A. Kondratov, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 8-910-347-98-11, e-mail: [email protected]
