Аттенюатор что это в акустике

4

Портит ли звук резистивный аттенюатор?

Итак, начну свой рассказ про аттенюатор и как я дошëл до жизни такой. Периодически на рынке появляются позиционируемые как домашние ламповые комбики и усилки небольшой (3-15 Вт) мощности. Конечно же, у многих, как и у меня, возникает желание приобрести домой такой аппарат. И приобретение подобного девайса, не взирая на скептические высказывания «знатоков», вполне оправдано.

Прелесть таких аппаратов в том, что это отдельное устройство, дающее ГОТОВЫЙ звук. Т.е. приятный звук, не требующий плясок с бубном, доступен сразу, при положении всех ручек эквалайзера по центру. Далее, в зависимости от задачи и вкусов, можно прибрать или добавить каких-то частот. Нет необходимости включать компьютер, запускать плагины, доставать батарею педалей. Наверное, многие со мной не согласятся, но я замечал за собой, что настройки плагинов, процессоров, педалей регулярно хочется поменять, а ламповый звук просто приятен уху и его не хочется трогать.

Но есть одна проблема с ламповым звуком. Одноканальный аппарат даже в 5 Вт, с возможностью понижения мощности до 0,5 Вт, без ручки мастер-громкости, наподобие моего Marshall Origin 5, или старый Vox AC4, Fender Champion 600 и др. — это ООООчень громкий прибор. Если есть желание поиграть с чистым звуком, то особых проблем нет: при минимальном положении ручки громкости мы получим чистый звук с комфортной комнатной громкостью. Можно поиграть себе под нос, не напрягая своих домочадцев и не раздражая соседей.

Но что если нам захотелось порычать с кранчем? У моего аппарата кранч начинает проявляться при положении ручки на 11-12 часов, громкость при этом становится такой, что в комнате становится невыносимо находиться самому. Решение данной проблемы — использование аттенюатора, позволяющего понизить выходной уровень усилителя. Хорошие, разрекламированные ныне реактивные нагрузки (лоудбоксы) стоят очень дорого. Недорогие резистивные приборы на нашем рынке доступны только на 8 Ом. А мой усилитель требует 16.

Решить проблему помог аттенюатор CanoraSound нужного мне номинала, сделанный под заказ, именно для моего 16-омноно комбика. И вот он в моëм распоряжении. Аттенюатор резистивный, ступенчатый. Три степени понижения выходного уровня. Принцип работы: подключаем аттенюатор к выходу усилителя, шнур от динамика подключаем в одно из трëх гнëзд, в зависимости от необходимого уровня гашения сигнала.

После экспериментов я выбрал для себя среднее гнездо. В таком положении при выборе на усилителе режима мощности в 5 Вт получаю чистый звук, а при переключении в режим 0,5 Вт мне становится доступен плотный кранч. И всë это на комфортной домашней громкости. Как говорится, и домочадцы целы, и соседи от тебя ничего не хотят. А что ещë надо, если хочется потренькать вечерком, не обматываясь проводом наушников?

Но ведь резистивный аттенюатор портит звук!

Попробуем разобраться с утверждением, что резистивный аттенюатор невыносимо портит звук. Вот два примера звучания, с аттенюатором и без. В первом файле только чистый звук, т.к., как я писал выше, для получения кранча без аттенюатора мне нужно разогнать усилитель до некомнатных громкостей. Звук снят недорогим стареньким микрофоном Shure PG57.

Да, небольшая разница есть. Критична ли она? Для меня — нет. Также стоит понимать, что микрофон расположен вплотную к динамику. Думаю, никто из вас не играет, прислонив ухо к динамику. Обычно все сидят в метре-двух от комбика, зачастую немного сбоку, в итоге эта разница в звучании будет нивелироваться акустической средой того помещения, где находится усилитель. Но при прямом сравнении двух записей мы эту небольшую разницу услышим, конечно.

Теперь попробуем понять, что именно произошло со звуком. Вот два снимка частотной составляющей записей — без аттенюатора и с ним. Как мы можем заметить, весь частотный диапазон (по паспортным данным динамика от 100 до 5000 Гц), на обеих записях присутствует в одинаковой степени, провалов на каких-то частотах нет. Правда, есть небольшое «набухание» низких частот при использовании аттенюатора.

Повторюсь, что при прослушивании в комнатных условиях этого не замечаешь, но подставленный вплотную к динамику микрофон это улавливает. Прочие частоты до 13-14кГц — это некоторые обертона и, по большей части, воздух, который микрофон нахватал при записи.

Также есть небольшие изменения в динамическом диапазоне. Здесь нужно сразу разъяснить, что динамика, с которой вы играете, и динамический диапазон вылетающего из усилителя звука — это не одно и то же. Вся динамика игры сохранилась. Аттенюатор только немного срезал пики самых резких, самых звонких звуков. При записи музыки, чтобы подобные пики не клиповали, пользуются лимитерами и компрессорами. В данном случае стал ли звук значительно беднее? На мой взгляд — не существенно.

Подытожим. При использовании аттенюатора мы имеем некоторое набухание низких часто, т. е. они стали немного плотнее, есть небольшое лимитирование самых резких пиков. Это явление называется… компрессией. И именно с этим явлением мы сталкиваемся, когда слушаем музыку по радио. Причëм на радио звук компрессируется и лимитируется куда агрессивнее.

В итоге лично для меня данное устройство оказалось очень в кассу. Есть возможность негромко музицировать с натуральным ламповым кранчем, никого не напрягая. Плюсом данного устройства оказался компактный размер (размер небольшой педали эффектов), позволивший закинуть его внутрь корпуса самого комбика, причëм ничего откручивать для этого не пришлось. В итоге нет мешающегося провода и лишней мешающейся коробчонки под ногами. Данный аттенюатор рассчитан на номинальное сопротивление в 16 Ом и на мощность до 15Вт.

Причëм по мощности есть небольшой запас, а это всегда хорошо, плюс к надëжности и безопасности использования. С моим усилителем мощностью 5Вт аттенюатор, считай, не греется, а нужно отметить, что его алюминиевый корпус является сразу и радиатором (интересное решение). Т.е. идëт небольшой нагрев при включении режима 5 Вт и при подключении динамика в гнездо с самой большой степенью рассеивания мощности, в остальных случаях корпус аттенюатора остаëтся ледяным.

В общем, считаю данное устройство отличным решением для домашнего использования с одноканальными усилками небольшой мощности.

Простейший аттенюатор для аудиокарты

В любительской радиотехнике, а именно в области проектирования усилителей низкой (звуковой) частоты, очень удобно использовать для измерений компьютер.
Профессиональные измерительные приборы стоят немалых денег, тогда как аудиокарта имеется почти в любом домашнем компьютере. В совокупности с доступным и разнообразным ПО мы получаем удобный инструмент для снятия всех основных характеристик: АЧХ (амплитудно-частотная характеристика), THD (уровень гармонических искажений), соотношение сигнал/шум и спектрограмму.

Единственным неудобством оказывается слишком чувствительный вход аудиокарты,
на который нельзя подать сигнал, превышающий напряжение 0.5-1.5 вольта.
И здесь на помощь приходит аттенюатор.

Его можно (и нужно) собрать самостоятельно. Ничего хитрого в этом опыте нет, но для тех, кто делает первые шаги в усилителестроении, материал будет полезным.

Аттенюатор является пассивным устройством и фактически, применительно к нашему случаю, представляет собой резистивный делитель напряжения. Его функция — ослабление уровня сигнала (переменного напряжения звуковой частоты) по заданным параметрам. Давайте определим эти параметры.

Задача

Необходимо подать на линейный вход аудиокарты сигнал, снятый с выходных клемм усилителя мощности, при этом не перегрузив аудиокарту. Для удобства установим величину выходного напряжения аттенюатора равным 0.775v RMS. Такое напряжение будет приемлемым для любой современной аудиокарты с линейным входом, к тому же величину 0.775v принято выбирать за опорный уровень (0dBu) при измерении абсолютных величин в децибелах.

Внимание! Обратите внимание на суффикс dBu — он означает, что величина (напряжения) указывается безотносительно нагрузки (от англ. unloaded).

Про измерения и децибелы очень рекомендую ознакомиться со статьей Михаила Чернецкого «Что мы измеряем?» (ссылка на публикацию на сайте журнала «Звукорежиссер» есть в конце поста [1], но для глаз намного комфортнее читать на сайте автора)

Входное напряжение на аттенюаторе выберем таким образом, чтобы оно соответствовало мощности, рассеиваемой на эквивалентной нагрузке в 8 Ohm, и равнялось 1W.

Для среднеквадратичного значения напряжения (RMS) верна следующая формула расчета мощности:

Некоторые считают мощность синусоидального сигнала по формуле P = U_a^2/2R, перепутав амплитудное значение напряжения со среднеквадратичным. Может быть у них для этих измерений осциллограф всегда под рукой(?!), мы же используем TrueRMS вольтметр и знаем разницу (и зависимость) между амплитудным и среднеквадратичным значениями напряжения (если поймали себя на мысли, что забыли и нужно срочно освежить память — идем прямиком к Радиокоту [2]).
По выше приведенной формуле находим значение 2.83v (для 1W), 4v (для 2W) и 5.66v (для 4W). Обычно для промера характеристик маломощного усилителя этих значений вполне достаточно, но если требуются бОльшие значения — вы без труда рассчитаете их сами.
Не удивляйтесь таким «маленьким» значениям мощности — для примера: однотактный ламповый усилитель вашего покорного слуги (режим работы класс «A») мощностью 2W(!) «раскачивает» здоровую напольную акустику безо всякого труда (по немногочисленным просьбам хабрачитателей я в процессе обдумывания статьи про его конструирование, но покамест решил прощупать интерес к теме публикацией данного материала — тут есть связь с компьютерами хотя бы).
Итак, у нас есть входные данные — можно перейти к расчёту.

Расчёт

В общем случае формула для расчета делителя без нагрузки выглядит так:

Единственно надо учесть тот факт, что номинал резистора Z₁ должен быть выбран на 3-4 порядка больше эквивалентной нагрузки 8 Ohm, чтобы для усилителя подключение атеннюатора осталось «незамеченным» (высокоомный, относительно выхода усилителя, вход аттенюатора практически не изменит значение сопротивления эквивалентной нагрузки, так как подключен параллельно нагрузке в 8 Ohm — вспоминаем правило сложения соединенных параллельно резисторов [3]).
Для удобства выберем Z₁=20 kOhm, тогда номинал нижнего резистора (Z₂) посчитаем по формуле:

Получим Z₂ = 0.775*20000/2.828-0.775 = 7550 Ohm
Аналогично посчитаем номиналы для других входных напряжений: 4v (для 2W) и 5.66v (для 4W).

Дотошные читатели наверняка уже заметили, что мы нигде не учитываем входное сопротивление аудиокарты. И дело вот в чём: практически любая звуковая карта изменит сопротивление резистора Z₂, так как фактически будет представлять собой включенное параллельно к нему сопротивление. Что это означает для нас? Означает, что выходное напряжение нашего аттенюатора будет несколько меньше, чем заложенное в расчётах 0.775v (sic!).
«Так значит надо измерить сопротивление линейного входа, делов-то!», — скажете вы. Но всё не так просто: звуковая карта имеет на входе конденсатор — обычным мультиметром входное сопротивление карты не измерить. Здесь понадобится генератор и осциллограф, не у всех они имеются, поэтому в рамках данной статьи мы не учитываем входное сопротивление аудиокарты при расчете.

Однако, на случай, если вы уже знаете сопротивление линейного входа вашей звуковой карты (например, оно указано в спецификации) привожу формулу, учитывающую входное сопротивление аудиокарты при расчете аттенюатора:

где Z_L — сопротивление линейного входа аудиокарты.

Принципиальная схема аттенюатора

В схеме использованы графические обозначения принципиальных схем авторства Сергея Комарова. Рекомендую скачать[5] и использовать.

Конструкция и детали

Нам понадобятся коннекторы типа «бананы» (2шт.) (или другие разъемы, совместимые с вашим усилителем), один RCA-разъем, поворотный переключатель (rotary switch) и ручка к нему (1/4″), а также резисторы (см. номиналы в схеме).
В качестве корпуса мне пришлось купить пластиковый корпус в «Чип и Дипе» за бешенные 90 рублей. Зато он очень подошел по размеру (65х45х22мм).

Выбор поворотного переключателя — дело вкуса. Можно выбрать самый дешёвый китайский, а можно — качественный. Я выбрал 2-ой вариант и заказал дорогущий Grayhill 71BD36-01-1-AJN. Ресурс 50000 поворотов, контакты ротора покрыты золотом (30 microinches — любопытная единица толщины покрытия), «военная приёмка», настоящее американское производство. Я ни разу не агитирую, но ссылку на даташит привожу [4].

Переключатель имеет 10 позиций, но нам понадобятся только три.
В идеале ещё нужен минимум инструментов: линейка или штангенциркуль, дрель, ключи-«многогранники» (чтобы закрепить рукоятку на вал).

Земляную шину лучше сделать из медной моножилы. У меня под рукой не было подходящего диаметра и я свил из медного проводника (22AWG) и облудил её бессвинцовым серебресодержащим припоем.

Резисторы можно взять любые, 1-2 ватта. Идеально выбрать проволочные или фольговые — у них минимальный шум. Я выбрал безиндуктивные проволочные Mills.
Припаивать к контактам очень удобно — у них большой шаг, а корпус переключателя сделан из термопластика и можно не опасаться повредить его горячим жалом паяльника.

После того, как закрепили разъемы и припаяли резисторы, можно закрыть корпус крышкой (я закрепил все детали в половинке корпуса), затянуть гайку переключателя, поставить два самореза (прилагаются к корпусу), закрепить ручку на вал и подписать на корпусе значения входных напряжений.

Финиш! Можно приступать к измерениям, но это уже тема для отдельной статьи.

Устройства частотной коррекции

В прошлый раз решили, что теперь мы будем знакомиться с корректирующими устройствами. Вот и займёмся устройствами частотной коррекции и другими полезными схемами.

(Продолжение. Начало в #4/2009)

ОТСЕКАЯ ЛИШНЕЕ-4

Устройства и цепи, входящие в состав пассивных фильтров (конечно, если это фильтры соответствующего уровня), можно разделить на три группы: аттенюаторы, устройства частотной коррекции и то, что англоговорящие граждане называют miscellaneous, попросту говоря, «разное».

Аттенюаторы

Поначалу это может показаться удивительным, но аттенюатор является непременным атрибутом многополосной акустики, ибо головки для разных полос не только не всегда имеют, но и не должны иметь одинаковую чувствительность. В противном случае свобода манёвра по частотной коррекции будет сведена к нулю. Дело в том, что в системе пассивной коррекции, чтобы исправить провал, надо «осадить» головку в основной полосе и «отпустить» там, где был провал. Кроме того, в жилых помещениях часто бывает желательно, чтобы пищалка немного «переигрывала» по громкости мидбас или среднечастотник и бас. В то же время «осаживать» басовый динамик выходит накладно в любом смысле — требуется целая группа мощных резисторов, и изрядная часть энергии усилителя уходит на разогрев упомянутой группы. На практике считается оптимальным, когда отдача среднечастотника на несколько (2 — 5) децибел выше, чем у баса, а у пищалки на столько же выше, чем у СЧ-головки. Так что без аттенюаторов не обойтись.

Как известно, электротехника оперирует комплексными величинами, а никак не децибелами, так что мы ими сегодня будем пользоваться лишь отчасти. Поэтому для вашего удобства привожу табличку пересчёта показателя аттенюации (дБ) в коэффициент пропускания устройства.

Итак, если вам нужно «осадить» головку на 4 дБ, коэффициент пропускания N аттенюатора должен быть равен 0,631. Простейший вариант — последовательный аттенюатор — как явствует из названия, устанавливается последовательно с нагрузкой. Если Z_L — средний импеданс головки в области, представляющий интерес, то номинал R_S последовательного аттенюатора определится по формуле:

В качестве Z_L можно брать «номинал» 4 Ом. Если мы из лучших побуждений установим последовательный аттенюатор прямо перед головкой (китайцы, как правило, так и делают), то импеданс нагрузки для фильтра увеличится, и частота среза НЧ возрастёт, а фильтра ВЧ — понизится. Но это ещё не все.

Берём для примера аттенюатор 3 дБ, работающий на 4 Ом. Номинал резистора по формуле (4,1) будет равен 1,66 Ом. На рис. 1 и 2 — то, что получится при использовании фильтра ВЧ на 100 Гц, а также фильтра НЧ на 4000 Гц.

Рис. 1. АЧХ последовательного аттенюатора (ФВЧ)

Рис. 2. То же для ФНЧ

Синие кривые на рис. 1 и 2 — частотные характеристики без аттенюатора, красные — АЧХ с последовательным аттенюатором, включённым после соответствующего фильтра. Зелёная кривая соответствует включению аттенюатора перед фильтром. Единственное побочное явление — смещение частоты на 10 — 15% в минус и в плюс для ФВЧ и ФНЧ соответственно. Так что в большинстве случаев последовательный аттенюатор должен устанавливаться перед фильтром.

Чтобы избежать дрейфа частоты среза при включении аттенюатора, были придуманы устройства, которые у нас называются Г-образные аттенюаторы, а в остальной части мира, где алфавит не содержит волшебной и такой нужной в повседневной жизни буквы «Г», носят название L-Pad. Такой аттенюатор состоит из двух резисторов, один из них, R_S, включается последовательно с нагрузкой, второй, Rp — параллельно. Вычисляются они так:

Для примера берём те же 3 дБ аттенюации. Номиналы резисторов получились такие, как показано на схеме (Z_L опять же 4 Ом).

Рис. 3. Схема Г-образного аттенюатора

Здесь аттенюатор показан вместе с фильтром ВЧ на 4 кГц. (Для единообразия все фильтры сегодня — типа Баттерворта.) На рис. 4 вы видите обычный набор характеристик. Синяя кривая — без аттенюатора, красная — с аттенюатором, включённым до фильтра, и зелёная — с аттенюатором после фильтра.

Рис. 4. Частотные характеристики Г-образного аттенюатора

Как видим, у красной кривой и добротность ниже, и частота среза смещена вниз (у фильтра НЧ она будет смещаться вверх на те же 10%). Так что не надо мудрить — L-Pad лучше включать именно так, как показано на предыдущем рисунке, непосредственно перед головкой. Впрочем, при определённых обстоятельствах перестановкой можно воспользоваться — не меняя номиналы, подкорректировать область раздела полос. Но это уже высший пилотаж… А теперь переходим к «разному».

Другие употребительные схемы

Чаще других в наших кроссоверах встречается цепь коррекции импеданса головки, обычно называемая цепью Цобеля по имени известного исследователя характеристики фильтров. Она представляет собой последовательную RC цепочку, включённую параллельно нагрузке. По классическим формулам

C = Le/R 2 e (4.5), где

Le = [(Z 2 _L — R 2 e)/2πFo] 1/2 (4.6).

Здесь Z_L — импеданс нагрузки на частоте Fo, представляющей интерес. Как правило, за параметр Z_L, не мудрствуя лукаво, выбирают номинальный импеданс головки, в нашем случае, 4 Ом. Я бы советовал величину R искать по такой формуле:

Здесь коэффициент k = 1,2 — 1,3, всё равно более точно резисторы не подобрать.

Рис. 5. Частотные характеристики фильтра со схемой Цобеля

На рис. 5 вы можете видеть четыре частотные характеристики. Синяя — обычная характеристика фильтра Баттерворта, нагруженного на резистор 4 Ом. Красная кривая — такая характеристика получается, если звуковую катушку представить как последовательное соединение резистора 3,3 Ом и индуктивности 0,25 мГн (такие параметры характерны для сравнительно лёгкого мидбаса). Почувствуйте разницу, как говорится. Чёрным цветом показано, как будет выглядеть АЧХ фильтра, если разработчик не станет упрощать себе жизнь, а параметры фильтра определит по формулам 4.4 — 4.6, исходя из полного импеданса катушки — при указанных параметрах катушки полный импеданс составит 7,10 Ом (4 кГц). Наконец, зелёная кривая — это АЧХ, полученная с использованием цепи Цобеля, элементы которой определены по формулам (4.4а) и (4.5). Расхождение зелёной и синей кривых не превышает 0,6 дБ в диапазоне частот 0,4 — 0,5 от частоты среза (в нашем примере это 4 кГц). На рис. 6 вы видите схему соответствующего фильтра с «Цобелем».

Рис. 6. Схема фильтра с цепью Цобеля

Кстати говоря, когда в кроссовере вы находите резистор номиналом 3,9 Ом (реже — 3,6 или 4,2 Ом), можно с минимальной вероятностью ошибки утверждать, что в схеме фильтра задействована цепочка Цобеля. Но есть и другие схемные решения, приводящие к появлению «лишнего» элемента в схеме фильтра.

Конечно, я имею в виду так называемые «странные» фильтры (Strange Filters), которые отличаются наличием дополнительного резистора в земляной цепи фильтра. Уже хорошо нам известный фильтр НЧ на 4 кГц можно представить в таком виде (рис. 7).

Рис. 7. Схема «странного» фильтра

Резистор R1 с номиналом 0,01 Ом можно рассматривать как сопротивление выводов конденсатора и соединяющих дорожек. А вот если номинал резистора становится существенным (то есть сравнимым с номиналом нагрузки), получится «странный» фильтр. Будем менять резистор R1 в диапазоне от 0,01 до 4,01 Ом с шагом 1 Ом. Полученное семейство частотных характеристик можно увидеть на рис. 8.

Рис. 8. Амплитудно-частотные характеристики «странного» фильтра

Верхняя кривая (в области точки перегиба) — обычная баттервортовская характеристика. По мере роста номинала резистора частота среза фильтра сдвигается вниз (до 3 кГц при R1 = 4 Ом). Но крутизна спада меняется незначительно, по крайней мере в пределах полосы, ограниченной уровнем -15 дБ — а именно эта область имеет практическое значение. Ниже этого уровня крутизна спада будет стремиться к 6 дБ/окт., но это не так уж и важно. (Обратите внимание, масштаб графика по вертикали изменён, поэтому спад кажется более крутым.) А теперь посмотрим, как меняется фазочастотная характеристика в зависимости от номинала резистора (рис. 9).

Рис. 9. Фазочастотные характеристики «странного» фильтра

Характер поведения графика ФЧХ изменяется начиная с 6 кГц (то есть от 1,5 частот среза). С использованием «странного» фильтра можно плавно регулировать взаимную фазу излучения соседних головок, чтобы добиться желаемой формы общей частотной характеристики.

Теперь в соответствии с законами жанра прервёмся, пообещав, что в следующий раз будет ещё интереснее.

Аттенюатор что это в акустике

Эх, золотые 80-е, эпоха расцвета диско, хард-рока и действительно звучащей аудиоаппаратуры. Неудивительно, что многие аудиофилы до сих пор в своих системах используют компоненты 80-х (а то и 70-х) годов. Пусть и немного доработанные.

Однако, при сопряжении таких компонентов с современными источниками сигнала (CD- и DVD-плеерами, звуковыми картами и т.п.) возникают проблемы с согласованием уровней сигнала. В те годы не было жёстких стандартов в этом плане и различия в чувствительности входов разных аппаратов разных фирм, мягко говоря, поражают.

Просматривая спецификацию на какой-то старый усилитель 70-х годов, автор обнаружил "стандарты" по входам для тюнера, магнитной ленты и линейного входа в 155 мВ, 180 мВ, 200 мВ, 220 мВ, 250 мВ и 300 мВ. У современных аппаратов различия тоже наблюдаются, но уже не такие разительные.

Поэтому при согласовании между собой компонентов из разных эпох возникают.

Проблемы.

Первая проблема заключается в существенных различиях выходного уровня современных источников сигнала и чувствительности входов компонентов 80-х и 70-х годов.

Вторая проблема вытекает из первой — из-за высокой чувствительности (по современным меркам) входов «раритетных» аппаратов существует (и весьма серьёзный) риск перегрузки усилителя мощности.

Если посмотреть на характеристики старой аппаратуры, то мы увидим, что относительно стандартной чувствительностью для линейных входов, входов для CD-проигрывателя и тюнера является уровень 200 мВ. Причём больше всего вариаций встречается для входа тюнера, где чувствительность порой достигает 100-150мВ. Причины такого разнообразия неясны, да и неважны.

Гораздо более важным является тот факт, что «старомодный» уровень 200 мВ абсолютно не соответствует современному стандарту на выходные уровни CD, DVD и MD проигрывателей. Все без исключения эти устройства обеспечивают максимальное напряжение на выходе в 2В! Это в десять раз выше, чем входная чувствительность старых аппаратов.

Конечно, надо учесть, что в среднем уровень записи CD-дисков на 12 дБ ниже максимума. Следовательно средний уровень выходного сигнала составляет только 500 мВ. И ситуация кажется уже не такой катастрофичной. Но это опасная иллюзия, так как на правильно записанном компакт-диске пиковые уровни сигнала могут достигать 2 Вольт. И если ваш усилитель способен развить полную мощность уже при 200 мВ на входе, то такие пики сигнала вызовут сильнейшую перегрузку усилителя с весьма нежелательными, а порой и непредсказуемыми последствиями.

Резистивный аттенюатор.

К счастью, излишне высокий уровень выходного сигнала источника может быть довольно легко приведен к требуемому значению. Для этого нам потребуется простой резистивный делитель, представленный на рисунке:

Степень ослабления сигнала определяется соотношение резисторов R1 и R2. В примере, показанном на рисунке, коэффициент ослабления сигнала составляет 0,5 или в 2 раза. Ослабление можно выразить в дБ (да и правильнее так будет). В этом случае ослабление составит -6 дБ (минус показывает, что сигнал ослабляется).

Формула для расчета затухания в дБ: Ослабление=20log[R2/(R1+R2)].

Чтобы избавить читателей от «сложных» расчётов, в таблице ниже приведён ряд практически-ориентированных примеров:

Номиналы резисторов взяты из стандартного ряда E12.
Скорее всего, аттенюаторы с ослаблением в -2,5 дБ и -3,3 дБ нужны не так часто. Но в силу упомянутых выше различий в уровнях сигнала аттенюаторы с ослаблением в -6 ​​дБ и -12 дБ являются очень востребованными.

Согласование

Кроме соотношения номиналов резисторов R1 и R2 (напомню, соотношение определяет затухание), мы должны учитывать и абсолютные значения этих резисторов. По каким критериям?

Со стороны входа аттенюатора мы должны принимать во внимание выходной импеданс источника сигнала, а со стороны выхода — входное сопротивление усилителя. Для примера рассмотрим учёт входного сопротивления усилителя.

Обратимся к высокочастотной технике. Здесь всегда пытаются обеспечить передачу максимальной мощности сигнала. Согласитесь, неплохая идея? Для этого необходимо, чтобы входное сопротивление аттенюатора было равно выходному импедансу источника сигнала.

В аудиотехнике практикуется совсем другой подход. Здесь стараются как можно меньше нагружать источник сигнала (т.е. входное сопротивление последующих компонентов делают как можно больше) иначе при перегрузках ограничение сигнала будет частотно-зависимым. То есть нарушается линейность источника сигнала, что в Hi-Fi и уж тем более в Hi-End системах недопустимо! Вдобавок сильное ослабление сигнала может привести к росту уровня шумов.

Учитывая вышесказанное, сопротивление нагрузки стоит выбирать минимум в 10 раз выше выходного сопротивления источника сигнала. Это проиллюстрировано на рисунке:

Выходное сопротивление большинства источников сигнала находится в диапазоне от одной до нескольких сотен Ом. Если мы обеспечим сумму сопротивлений R1 и R2 в интервале от 10 кОм до 20 кОм, то таким образом наш аттенюатор будет вполне безопасной нагрузкой для источника сигнала. Кстати, это было учтено при расчете значения резисторов приведенной выше таблице.

Входной импеданс усилителя чаще всего составляет порядка 47 кОм. Это сопротивление получается включено параллельно сопротивлению R2 нашего аттенюатора, и, конечно, влияет на его коэффициент деления. На практике, однако, полученные отклонения не так серьёзны. Например, если посчитать точно, то при расчётном затухании ненагруженного аттенюатора в -9,9 дБ, подключенный к усилителю с входным сопротивлением 47 кОм и источнику с выходным импедансом в 600 Ом, такой аттенюатор даст ослабление в -10.8 дБ. Как видим, разница весьма незначительная.

Конструкция.

С точки зрения конструкции, естественно, тут варианты могут быть разными, в зависимости от ваших способностей и подручных средств. Приведенные ниже фотографии показывают одну из возможных реализаций аттенюатора. Довольно, простую, эстетичную и удобную. Если использовать маломощные резисторы (0,125 Вт), то они легко помещаются в корпусе RCA-переходника.

Защитить контакты можно термоусадочной трубкой. Для удобства эксплуатации на корпусе стоит пометить затухание вашего аттенюатора.

Обратите внимание, что для снижения шумов, аттенюатор необходимо подключать на входе усилителя, а не на выходе источника. Если резисторы монтируются не в переходник, а в разрыв сигнального кабеля, то часть кабеля, подключённая ко входу усилителя, должна быть как можно короче.

Если вы часто экспериментируете с аппаратами в своей аудиосистеме или ищите «свой звук», то, скорее всего, будет очень полезно иметь набор таких аттенюаторов, перечисленных в таблице 1.

Статья подготовлена по материалам журнала «Электор Электроникс»,
вольный перевод Главного редактора «РадиоГазеты».

В прошлый раз решили, что теперь мы будем знакомиться с корректирующими устройствами. Вот и займёмся устройствами частотной коррекции и другими полезными схемами.

(Продолжение. Начало в #4/2009)

Устройства и цепи, входящие в состав пассивных фильтров (конечно, если это фильтры соответствующего уровня), можно разделить на три группы: аттенюаторы, устройства частотной коррекции и то, что англоговорящие граждане называют miscellaneous, попросту говоря, «разное».

Аттенюаторы

Поначалу это может показаться удивительным, но аттенюатор является непременным атрибутом многополосной акустики, ибо головки для разных полос не только не всегда имеют, но и не должны иметь одинаковую чувствительность. В противном случае свобода манёвра по частотной коррекции будет сведена к нулю. Дело в том, что в системе пассивной коррекции, чтобы исправить провал, надо «осадить» головку в основной полосе и «отпустить» там, где был провал. Кроме того, в жилых помещениях часто бывает желательно, чтобы пищалка немного «переигрывала» по громкости мидбас или среднечастотник и бас. В то же время «осаживать» басовый динамик выходит накладно в любом смысле — требуется целая группа мощных резисторов, и изрядная часть энергии усилителя уходит на разогрев упомянутой группы. На практике считается оптимальным, когда отдача среднечастотника на несколько (2 — 5) децибел выше, чем у баса, а у пищалки на столько же выше, чем у СЧ-головки. Так что без аттенюаторов не обойтись.

Как известно, электротехника оперирует комплексными величинами, а никак не децибелами, так что мы ими сегодня будем пользоваться лишь отчасти. Поэтому для вашего удобства привожу табличку пересчёта показателя аттенюации (дБ) в коэффициент пропускания устройства.

Итак, если вам нужно «осадить» головку на 4 дБ, коэффициент пропускания N аттенюатора должен быть равен 0,631. Простейший вариант — последовательный аттенюатор — как явствует из названия, устанавливается последовательно с нагрузкой. Если Z_L — средний импеданс головки в области, представляющий интерес, то номинал R_S последовательного аттенюатора определится по формуле:

В качестве Z_L можно брать «номинал» 4 Ом. Если мы из лучших побуждений установим последовательный аттенюатор прямо перед головкой (китайцы, как правило, так и делают), то импеданс нагрузки для фильтра увеличится, и частота среза НЧ возрастёт, а фильтра ВЧ — понизится. Но это ещё не все.

Берём для примера аттенюатор 3 дБ, работающий на 4 Ом. Номинал резистора по формуле (4,1) будет равен 1,66 Ом. На рис. 1 и 2 — то, что получится при использовании фильтра ВЧ на 100 Гц, а также фильтра НЧ на 4000 Гц.

Рис. 1. АЧХ последовательного аттенюатора (ФВЧ)

Рис. 2. То же для ФНЧ

Синие кривые на рис. 1 и 2 — частотные характеристики без аттенюатора, красные — АЧХ с последовательным аттенюатором, включённым после соответствующего фильтра. Зелёная кривая соответствует включению аттенюатора перед фильтром. Единственное побочное явление — смещение частоты на 10 — 15% в минус и в плюс для ФВЧ и ФНЧ соответственно. Так что в большинстве случаев последовательный аттенюатор должен устанавливаться перед фильтром.

Чтобы избежать дрейфа частоты среза при включении аттенюатора, были придуманы устройства, которые у нас называются Г-образные аттенюаторы, а в остальной части мира, где алфавит не содержит волшебной и такой нужной в повседневной жизни буквы «Г», носят название L-Pad. Такой аттенюатор состоит из двух резисторов, один из них, R_S, включается последовательно с нагрузкой, второй, Rp — параллельно. Вычисляются они так:

Для примера берём те же 3 дБ аттенюации. Номиналы резисторов получились такие, как показано на схеме (Z_L опять же 4 Ом).

Рис. 3. Схема Г-образного аттенюатора

Здесь аттенюатор показан вместе с фильтром ВЧ на 4 кГц. (Для единообразия все фильтры сегодня — типа Баттерворта.) На рис. 4 вы видите обычный набор характеристик. Синяя кривая — без аттенюатора, красная — с аттенюатором, включённым до фильтра, и зелёная — с аттенюатором после фильтра.

Рис. 4. Частотные характеристики Г-образного аттенюатора

Как видим, у красной кривой и добротность ниже, и частота среза смещена вниз (у фильтра НЧ она будет смещаться вверх на те же 10%). Так что не надо мудрить — L-Pad лучше включать именно так, как показано на предыдущем рисунке, непосредственно перед головкой. Впрочем, при определённых обстоятельствах перестановкой можно воспользоваться — не меняя номиналы, подкорректировать область раздела полос. Но это уже высший пилотаж… А теперь переходим к «разному».

Другие употребительные схемы

Чаще других в наших кроссоверах встречается цепь коррекции импеданса головки, обычно называемая цепью Цобеля по имени известного исследователя характеристики фильтров. Она представляет собой последовательную RC цепочку, включённую параллельно нагрузке. По классическим формулам

C = Le/R 2 e (4.5), где

Le = [(Z 2 _L — R 2 e)/2πFo] 1/2 (4.6).

Здесь Z_L — импеданс нагрузки на частоте Fo, представляющей интерес. Как правило, за параметр Z_L, не мудрствуя лукаво, выбирают номинальный импеданс головки, в нашем случае, 4 Ом. Я бы советовал величину R искать по такой формуле:

Здесь коэффициент k = 1,2 — 1,3, всё равно более точно резисторы не подобрать.

Рис. 5. Частотные характеристики фильтра со схемой Цобеля

На рис. 5 вы можете видеть четыре частотные характеристики. Синяя — обычная характеристика фильтра Баттерворта, нагруженного на резистор 4 Ом. Красная кривая — такая характеристика получается, если звуковую катушку представить как последовательное соединение резистора 3,3 Ом и индуктивности 0,25 мГн (такие параметры характерны для сравнительно лёгкого мидбаса). Почувствуйте разницу, как говорится. Чёрным цветом показано, как будет выглядеть АЧХ фильтра, если разработчик не станет упрощать себе жизнь, а параметры фильтра определит по формулам 4.4 — 4.6, исходя из полного импеданса катушки — при указанных параметрах катушки полный импеданс составит 7,10 Ом (4 кГц). Наконец, зелёная кривая — это АЧХ, полученная с использованием цепи Цобеля, элементы которой определены по формулам (4.4а) и (4.5). Расхождение зелёной и синей кривых не превышает 0,6 дБ в диапазоне частот 0,4 — 0,5 от частоты среза (в нашем примере это 4 кГц). На рис. 6 вы видите схему соответствующего фильтра с «Цобелем».

Рис. 6. Схема фильтра с цепью Цобеля

Кстати говоря, когда в кроссовере вы находите резистор номиналом 3,9 Ом (реже — 3,6 или 4,2 Ом), можно с минимальной вероятностью ошибки утверждать, что в схеме фильтра задействована цепочка Цобеля. Но есть и другие схемные решения, приводящие к появлению «лишнего» элемента в схеме фильтра.

Конечно, я имею в виду так называемые «странные» фильтры (Strange Filters), которые отличаются наличием дополнительного резистора в земляной цепи фильтра. Уже хорошо нам известный фильтр НЧ на 4 кГц можно представить в таком виде (рис. 7).

Рис. 7. Схема «странного» фильтра

Резистор R1 с номиналом 0,01 Ом можно рассматривать как сопротивление выводов конденсатора и соединяющих дорожек. А вот если номинал резистора становится существенным (то есть сравнимым с номиналом нагрузки), получится «странный» фильтр. Будем менять резистор R1 в диапазоне от 0,01 до 4,01 Ом с шагом 1 Ом. Полученное семейство частотных характеристик можно увидеть на рис. 8.

Рис. 8. Амплитудно-частотные характеристики «странного» фильтра

Верхняя кривая (в области точки перегиба) — обычная баттервортовская характеристика. По мере роста номинала резистора частота среза фильтра сдвигается вниз (до 3 кГц при R1 = 4 Ом). Но крутизна спада меняется незначительно, по крайней мере в пределах полосы, ограниченной уровнем -15 дБ — а именно эта область имеет практическое значение. Ниже этого уровня крутизна спада будет стремиться к 6 дБ/окт., но это не так уж и важно. (Обратите внимание, масштаб графика по вертикали изменён, поэтому спад кажется более крутым.) А теперь посмотрим, как меняется фазочастотная характеристика в зависимости от номинала резистора (рис. 9).

Рис. 9. Фазочастотные характеристики «странного» фильтра

Характер поведения графика ФЧХ изменяется начиная с 6 кГц (то есть от 1,5 частот среза). С использованием «странного» фильтра можно плавно регулировать взаимную фазу излучения соседних головок, чтобы добиться желаемой формы общей частотной характеристики.

Теперь в соответствии с законами жанра прервёмся, пообещав, что в следующий раз будет ещё интереснее.

Всем привет, данная запись есть также у меня в БЖ, так как на этапе создания девайса был выявлен дефицит информации — решено тему осветить, полагаю кому-нибудь она тоже поможет.

Итак вчера закончился экшн по созданию тех самых. Цель у них одна — понижение уровня на некоторое количество децибел. Конкретно мне нужно было приглушить твиттеры (пищалки).
Почитать про них можно здесь например: Устройства частотной коррекции.
Рассчитать нужные резисторы можно тут: Расчёт фильтров акустических систем. Там можно рассчитывать фильтра разных видов, и самый последний — тот самый L-pad. Очень полезный калькулятор, считаю маст хэв.)

У меня же случилось следующим образом: как обычно, я ничего не знал про эти самые аттенюаторы, и даже не собирался честно говоря, но судьба внесла свои коррективы). Пару дней изучал инфу, далее же начал заниматься рукоделием.

Всего было 3 варианта:
1. Ошибочный, в расчёте нужно указывать "сопротивление". Так вот, нужно указывать не сопротивление динамика в покое, а номинальный импеданс который указан в ТТХ, это разные вещи (у меня импеданс 4 Ом, строил исходя из измеренного мультиметром сопротивления покоя 3,1 Ом).
В цифрах — 1.5Ом последовательно, 3.1Ом параллельно. Глушение -6Дб для 3,1Ом.
По факту получилось что глушение слабое, а верх срезало, забраковано.

2. Работоспособный, понял что что-то не так, решил сделать чтоб как на бумаге, а именно вписал в расчёт импеданс 4Ом.
В цифрах — 2Ом последовательно, 4Ом параллельно. Глушение -6Дб для 4Ом.
По факту получилось уже неплохо, но всёж маловато верха.

3. Окончательный, так как второй вариант немного не подошёл, было решено сваять полайтовей.
В цифрах — 1.5Ом последовательно, 6,8Ом параллельно. Глушение -4Дб для 4Ом

Итого — эффект достигнут, глушить меня пищами перестало, можно ещё поиграться настройкой на кроссовере (+2,0,-2, стоит на -2), дальше — только поканал.

За сим со всеми прощаюсь, после небольшой отстройки напишу отчёт о всей системе. Всем бобра и ровных дорог)