Разработка активного сабвуфера для ПК

Введение.

Средства multimedia одно из интересных направлений развития микропроцессорной техники.

Курсовой проект на тему «Разработка активного сабвуфера для ПК» является актуальным. Курсовой проект состоит: теоретической части и расчетной. В расчетной части – главы 3,4, 5 представлены этапы разработки активного сабвуфера для ПК.

При малых габаритах фронтальной АС компьютера сабвуфер, часто размещаемый вне поли зрении пользователя, обеспечива­ет воспроизведение низкочастотных звучаний без нарушения стереофонического эффекта. Самостоятельное изготовление сабвуфера позволит исключить недостатки многих промышлен­ных аналогов в тонкостенных пластмассовых корпусах, а ком­пьютерная программа поможет смоделировать конкретное акус­тическое оформление под имеющиеся в распоряжении радио­любителя головки НЧ.

Для прослушивания музыки из аудио файлов большинство пользователей компьютеров довольствуются относительно дешевыми (около 20 долл.. США) малогабаритными активными акустическими системами (АС) в пластмассовом корпусе с эффективно воспроизводимым диапазоном частот от 125 200 Гц до 12,5 16 кГц, Тонкостенные корпуса подобных АС, как правило, никак акустически не заглушены, что приводит практически к короткому замыканию на низких частотах и заметному окрашиванию звука. Акустическое оформление АС выполнено чаще всего в виде фазоинвертора (ФИ), а, как известно, для ФИ полная добротность головок не должна превышать 0,6. Несмотря на это, применяемые головки громкоговорителей чаще имеют добротность 0,7 и более, что в АС с ФИ приводит к подъему АЧХ на частотах 130...200 Гц до 5 дБ и более. В результате пользователи получают качество звучания далекое от желаемого.

В ряде случаев заметно улучшить звуковоспроизведение позволяет установка распорок между боковыми стенками корпуса, а также оклеивание внутренних поверхностей корпусов АС материалом, поглощающим вибрации, Для этой цепи можно использовать линолеум, рубероид, а также гидростеклоизол (кровельный материал на основе битума). Покрытие стенок гидростеклоизолом делают следующим образом, Нарезают заготовки по размерам внутренних поверхностей корпусов, доступных для покрытия, и снимают с одной стороны заготовок защитную лавсановую пленку. Удерживая их над газовой горелкой пинцетом (пинцетами), подогревают поверхность каждой заготовки до легкого оплавления и быстро прикладывают на внутреннюю поверхность корпуса и приглаживают. Перед сборкой корпусов полезно заполнить их обрезками синтепона до 50 % объема так» чтобы не перекрыть пространство между головкой громкоговорителя и отверстием трубы ФИ.

После такой доработки "пластмассовые" призвуки АС существенно уменьшаются, а низкие частоты субъективно прибавляются, и звук становятся более комфортными. В ряде случаев отказ от ФИ также способствует улучшению звучания; для этого достаточно заглушить ФИ.

Дальнейшего улучшения качества звучания АС можно добиться применением активного сабвуфера. Учитывая, что на частотах ниже 200 Гц стереоэффект не проявляется, достаточно сделать один общий сабвуфер с полос; полосой воспроизведения от 40..,60 до 150..,200 Гц. Выполнить такой сабвуфер можно по-разному. Простейший спо­соб — изготовить активный дополнительный низкочастотный громкоговоритель с пассивным фильтром на выходе усили­теля мощности в виде последовательно включенной индуктивности. Для нагруз­ки сопротивлением 4 Ом и частоты среза 150 Гц необходима индуктивность

L=Z/2πt=4/2∙3, 14∙150≈0,004Гн=4мГн.

1. Основные характеристики звука

Звук - это механические колебания в пространстве. Эти колебания характеризуются амплитудой, скоростью распространения и частотой. Звук мы слышим на различных расстояниях от источника. Отсюда можно сделать вывод, что звуковые колебания происходят не в одном определенном месте, а распространяются в пространстве и, соответственно, зависят от вре­мени и расстояния. Так же как и электромагнитным колебаниям, звуку прису­ще такое явление, как интерференция, то есть усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в резуль­тате наложения двух или нескольких звуковых волн, приходящих в эти точки пространства. Когда мы слушаем звуки разных частот сразу от двух источни­ков, к нам приходят то гребни обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате звук то усиливается, то ослабевает, возникают биения (рисунок 1.1), или, иначе говоря, происходит интерференция во времени. Есть и еще одно важное явление, с которым звук тесно связан - вол­новое движение в замкнутом объеме, когда волны отражаются то от одной, то от другой стенки замкнутого объема. Это явление также очень важно учиты­вать, так как оно может сильно влиять на восприятие звука: изменять его ок­раску, насыщенность и прочее. Все упомянутые явления, а также многие дру­гие, о которых мы не упомянули, широко используются и учитываются при обработке и синтезе звука.

В основе распространения звука лежит следующий факт: в результате каких-то воз­мущений, вызывающих движение и колебания воздуха в каком-то месте, воз­никает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее ок­ружающие слои воздуха. Эти слои, в свою очередь, сжимаются, снова возника­ет избыточное давление, и так далее. Таким образом, происходит передача пер­воначального возмущения в пространстве, что и является распространением звуковой волны. Тело же, вызывающее возмущение (колебания) воздуха, явля­ется фактически источником звука. В качестве такого тела может выступать диффузор громкоговорителя или голосовые связки человека. Нужно также от­метить, что скорость распространения звука почти не зависит от частоты. Это означает, что звук воспринимается в той последовательности, в какой он созда­ется источником. Если бы это было не так, и звук одной частоты распростра­нялся бы быстрее звука другой частоты, то вместо, например, музыки, мы бы слышали резкий и отрывистый шум. В этом смысле можно провести аналогию с распространением света. Скорость распространения света также не зависит от частоты. А если бы, например, красный свет двигался бы быстрее синего, то вспышка белого света выглядела бы сначала красной, затем белой и наконец синей.

Существует несколько способов представления аудиосигнала.

Амплитудное (осциллографическое) представление - это всем привычное изображение, когда сигнал представляется значениями его уровня в любой мо­мент времени. На графике это выглядит следующим образом: по оси X (горизон­тально) откладывается время, а по оси Y (вертикально) максимальная и мини­мальная амплитуда (размах) сигнала в каждый момент времени относительно среднего значения (рисунок 1.1). Изменение амплитуды во времени называет­ся амплитудной огибающей (envelope). Эта огибающая как бы очерчивает гра­фик. Глядя на амплитудную огибающую, можно судить о характере интенсивно­сти звука на всей его протяженности. Если, например, на графике в амплитудном представлении изобразить человеческую речь (рисунок 1.2), то по нему можно визуально определить, где находятся, например, промежутки между словами. Кроме того, по такому графику можно судить об уровне сигнала в целом.

рисунок 1.1.

Второй способ представления сигнала заключается в следующем. В соответ­ствии с теорией французского математика Фурье (1768-1830), звук можно пред­ставить в виде спектра входящих в него частот. Частотные составляющие спек­тра - это синусоидальные колебания (так называемые чистые тона), каждое из которых имеет свою собственную амплитуду и частоту. Таким образом, любое, даже самое сложное по форме колебание (например, человеческий голос), мож­но представить суммой простейших синусоидальных колебаний определенных частот и амплитуд. Частотные составляющие, кратные основной частоте тона, называют гармониками или обертонами. В зависимости от амплитуд составля­ющих спектра, звук может приобретать различную окраску и восприниматься как тон или как шум. В случае если спектр дискретен (то есть на графике спект­ра присутствуют явно выраженные пики), то звук воспринимается как тон, если имеет место один пик, или как созвучие, в случае присутствия нескольких явно выраженных пиков. Если же звук имеет сплошной спектр ( то есть амплитуды частотных составляющих спектра примерно равны), то на слух он воспринима­ется как шум. Для демонстрации наглядного примера можно попытаться экспе­риментально «изготовить» различные музыкальные тона. Для этого необходимо к громкоговорителю подключить несколько генераторов чистых тонов (синусои­дальных сигналов) - осцилляторов. Причем сделать это таким образом, чтобы мы имели возможность регулировать амплитуды и частоты каждого чистого тона. В результате проделанной операции мы можем смешивать сигналы (гармоники) от всех осцилляторов в желаемой пропорции и тем самым создавать различные звуки (различные тембры). Этот пример доказывает, что любой звуковой сигнал является суммой гармонических составляющих, и состав спектра сигнала крити­чески влияет на восприятие звука.

рисунок 1.2.

Спектр обычно представляют в виде графика, на котором вертикально от­кладываются амплитуды частотных составляющих, а горизонтально - часто­ты, на которых располагаются эти составляющие. На графике амплитуды со­ставляющих спектра сигнала можно соединить кривой, которая называется амплитудной огибающей спектра сигнала. На рисунке 1.3 для примера при­ведена последовательность прямоугольных импульсов, а также спектр этой последовательности (рисунок 1.4).

рисунок 1.3. рисунок 1.4.

Часто встречается другой вариант спектрального представления сигнала. Он заключается в том, что по оси X (горизонтально) откладывается время, по оси Y (вертикально) - частота, а амплитуды гармонических составляющих на соответствующих частотах отражаются насыщенностью цвета на пересечении временной и частотной координат (рисунок 1.5). Такой вариант спектрально­го представления сигнала наглядно показывает изменение интенсивности сиг­нала во времени на определенном диапазоне частот и часто используется в раз­личном программном обеспечении по обработке звука для представления сиг­налов сравнительно большой продолжительности.

рисунок 1.5.

Достаточно часто можно встретить также трехмерное представление спект­ра сигнала. Такое представление является, пожалуй, наиболее наглядным. В этом случае по оси Y откладывается время, по оси X - частота, а по оси Z - амплитуды гармоник (рисунок 1.6). Фактически этот график (трехмерная поверхность) представляет собой изображение спектральной огибающей сигнала.

рисунок 1.6.

Разновидности шумов

Выше, когда мы говорили о возможности разложения сигналов, в сумму простейших составляющих, было сказано о том, что в зависимости от спект­рального состава звук может восприниматься как тон или как шум. Вообще, шум - это звук, в котором отсутствует или неявно выражена тональность. Од­нако провести резкую границу между шумами и тонами почти невозможно, так как многие шумы обладают все же некоторым преимущественным тоном. Рассмотрим известные разновидности шумов.

• Белый шум (шум Джонсона). Такой шум имеет спектр с приблизительно постоянной спектральной плотностью на всей его протяженности.

• Розовый шум. Спектр такого шума имеет спектральную плотность, умень­шающуюся на 3 дБ с каждой последующей октавой (спектральная плот­ность обратно пропорциональна частоте).

• Оранжевый шум. Это квазипостоянный шум с конечной спектральной плотностью. Спектр такого шума имеет полоски нулевой энергии, рассе­янные на всей его протяженности. Такие полоски находятся около час­тот, соответствующих музыкальным нотам.

• Зеленый шум. Подобен розовому шуму с усиленной областью частот в районе 500 Гц.

• Синий шум. Его спектральная плотность увеличивается на 3 дБ с каждой последующей октавой (спектральная плотность пропорциональна частоте).

• Фиолетовый шум. Это дифференцированный белый шум. Его спектраль­ная плотность увеличивается на 6 дБ с каждой последующей октавой (спектральная плотность пропорциональна квадрату частоты).

• Серый шум. Спектр такого шума имеет график, аналогичный графику психоакустической кривой порога слышимости (см. ниже). Это значит, что для слухового аппарата человека этот шум имеет одинаковую гром­кость на всем слышимом диапазоне частот.

• Коричневый шум. Его спектральная плотность уменьшается на 6 дБ с каждой последующей октавой (спектральная плотность обратно пропор­циональна квадрату частоты).

• Черный шум. Определений этого шума существует достаточно много. Мы остановимся на следующем. Черный шум - это белый сверхзвуковой шум. Такой шум имеет постоянную конечную спектральную плотность за пределами порога слышимости (20 Кгц).

Существует понятие тонального шума. Тональный шум - это шум, в спек­тре которого имеются слышимые дискретные тона. Шум считается тональным, если на частотах свыше 300 Гц уровень звукового давления (см. ниже) в одной полосе шириной в треть октавы превышает уровни звукового давления в со­седних полосах частот не менее чем на 10 дБ.

При описании характеристик различных звуковых сигналов, приборов и устройств часто употребляется понятие уровня шума. Уровень шума - это общее понятие уровней звукового давления, звука, звуковой мощности и ин­тенсивности звука.

Громкость звука - это ощущение силы звука (то есть психологическая ве­личина восприятия звука). Громкость звука нарастает непропорционально уве­личению интенсивности сигнала. На громкость влияет частота и длительность сигнала. Чтобы правильно судить о связи ощущения звука (его громкости) с раздражением (уровнем силы звука), нужно учитывать, что изменение чувстви­тельности слухового аппарата человека неточно подчиняется логарифмичес­кому закону. Существует две величины, характеризующие громкость: в фонах характеризуется уровень равной (объективной) громкости (уровень громкос­ти, меняющийся пропорционально изменению физических параметров звука), в сонах характеризуется уровень субъективной громкости (уровень громкости, воспринимаемый слуховым аппаратом человека). Субъективно воспринимае­мая громкость (в сонах) при малых уровнях силы звука нарастает медленно, а при больших - быстро. Для достаточно мощных источников различие между субъективной громкостью и ее уровнем невелико, в то время как для источни­ков малой мощности это различие становится большим. Субъективная гром­кость натуральных сигналов выше, чем субъективная громкость чистых тонов той же интенсивности.

По длительности звуковые сигналы могут быть непрерывными или импуль­сными. К непрерывным сигналам относят шумы, в то время как большинство звуковых сигналов, источниками которых служат речевой аппарат человека или музыкальные инструменты, в той или иной мере являются импульсными.

Пространственность звучания определяется положением источников зву­ка относительно приемника и друг друга, их направленными свойствами, а также свойствами помещения, обусловленными разнообразием направлений прихо­да отраженных в нем сигналов. Природа слухового аппарата человека устроена таким образом, что в мозг попадает два звуковых сигнала через левое и пра­вое ухо. Если два одинаковых сигнала приходят к слушателю с разных направ­лений с некоторым сдвигом во времени, то они воспринимаются как один сиг­нал, находящийся между действительными источниками. Если время запазды­вания равно нулю, то воспринимаемый сигнал локализуется посредине между действительными источниками; при увеличении времени запаздывания до 1,5-2 мс, кажущийся источник все более смещается в сторону источника опережа­ющего сигнала. Такой эффект используется в стереофонии. Дальнейшее уве­личение времени задержки вызывает расплывание кажущегося источника. В отношении прямого и первого отраженного в помещении сигналов это прояв­ляется в том, что слух начинает улавливать различие в направлении их прихо­да. Возникает впечатление объемности звучания (расширение слухового объек­та по фронту), характерное для восприятия звука в закрытом помещении. Это происходит при времени задержки равном 30-40 мс. При еще большем увели­чении задержки происходит расщепление сигнала, и отраженные сигналы на­чинают восприниматься как эхо. Кроме того, на пространственность восприя­тия звука влияет и соотношение громкостей сигналов. Существует большое число технологий, имитирующих объемное звучание в двухканальных и более системах. Все эти технологии в целом основываются на описанных выше свой­ствах. Ниже мы будем обсуждать проблемы, связанные с созданием простран­ственного звучания.

На восприятие звука также влияет инерционность слуха. Например, при прослушивании звучания органа, слух на начальном этапе значительно видо­изменяет характер нарастания гармонических составляющих, в результате чего все они для слуха нарастают с большей скоростью, чем это происходит на са­мом деле. Это влияет на тембр воспринимаемого звучания. Таким образом, инерционность выражается в том, что для определения высоты тона слуху тре­буется некоторое зависящее от частоты время. Это время, особенно для низких частот, находится в пределах вышеупомянутого этапа звучания. Таким обра­зом, инерционность может повлиять на окраску звучания. Кроме того, инерци­онность слуха усиливает взаимную маскировку звуков и способствует слитно­му восприятию одинаковых по тональности сигналов, звучащих с интервала­ми в пределах до 150 мс.

Немаловажной деталью восприятия звука слуховым аппаратом человека является так называемый порог слышимости (минимальная интенсивность звука, с которой начинается восприятие сигнала). Дело в том, что порог слы­шимости звука для человека не остается постоянным с изменением частоты. Иными словами, чувствительность человеческого уха сильно зависит как от громкости звука, так и от его частоты. Например, порог слышимости сигнала на частоте около 3 Кгц составляет приблизительно 0 дБ, а на частоте 200 Гц -

около 20 дБ. Напротив, болевой порог слышимости мало зависит от частоты и колеблется в пределах 100-130 дБ.

График порога слышимости представлен на рисунке 1.7.

рисунок 1.7.

Эта психоакустическая особенность широко используется в различных ал­горитмах сжатия звука (см. ниже). Кроме того, в связи с этой особенностью введено понятие корректированных значений уровней звукового давления или мощности - это измененные значения уровней звукового давления или мощности на величину поправки, зависящей от частоты звука. Эти поправки стандартизованы. Например, для расчета корректированного уровня звуко­вого давления Р_кор используют следующую формулу: Р_кор = Р - А_р, где А_р -поправка к уровню звукового давления по шкале А. Стандартные значения А_р в функции частоты звука составляют:

2. Разработка структурной схемы активного сабвуфера

Обобщенная структурная схема представлена на рис.2.1.

1. ПК

3. СБВ

2. ЗП

Х1

Х2

3. Разработка принципиальной схемы активного сабвуфера

Возможен вариант компьютерной ак­тивной АС и на основе четырехканального автомобильного усилителя. Два канала УМЗЧ использованы для СЧ—84 громкоговорителей АС левого и правого канала включают на общий сабвуфер объемом 20л, корпус которого выполнен из фанеры толщиной 10 мм. В качестве НЧ
излучателей тут можно применить доступные динамические головки 25 ГДН-1-4 (10 ГД-34) , в этом случае ФИ представляет отрезок трубы с внутренним диаметром 75 мм и длиной 115 мм. Для увлечения индуктивности катушек фильтра внутрь их нужно вложить по два ферритовых П - образных магнитопровода от строчных трансформаторов телевизоров. Катушки могут быть выполнены на основе готовых обмоток подходящих дросселей или трансформаторов из провода диаметром 1…1,3 мм. Например, исходная индуктивность обмотки равна 2,5 мГн, но после того как в катушку вставлены два сердечника, ее индуктивность возрастает до 6 мГн и более. Отмотав лишние витки, получа­ют нужную индуктивность с приемле­мым сопротивлением обмотки.

Ну и, наконец, наиболее оптимальное решение — это изготовление сабвуфера с активным разделительным фильтром. Схема такого фильтра второго порядка приведена на рис,2.2.

рис 2.2.

Входной сигнал с выхода аудиокарты поступает через разъемы X1, Х2 (можно использовать один стереофонический разъем типа "Джек" или "мини-Джек") на контакты реле К1, При выключенном питании сабвуфера сиг нал проходит через нормально замкнутые контакты реле К1 сразу на выходные разъемы ХЗ, Х4, к которым подключают имеющиеся доработанные выше описанным способом активные громкоговорители.

При включении питания сабвуфера срабатывает реле К1 и сигнал поступает вход разделительного фильтра. Повторитель на ОУ ША1.1 (для второго канала обозначение соответственно 2DA1.1) исключав! влияние выходного сопротивления источника сигнала на ВЧ на ОУ 1DA2.1 и фазовращатель на 1DA1 2. Учитывая, что выход аудиокарты рассчитан на работу, на низкоомную нагрузку и имеет низкое выходное сопротивление, входные повторители можно исключить, заменив неполярные конденсаторы 1С1, 2С1 полярными емкостью 4,7 мкФ (плюсовым выводом к входу).

Частота настройки фазовращателя (соответствующая сдвигу фазы на 90) и частота среза ФВЧ (по уровню-6дБ)
f ср = 1/2πRC = 1/ (2∙3,14∙33∙10∙33∙10)≈146 Гц.

Фазовые характеристики фазовращателя и ФВЧ одинаковы при условии отклонения номиналов частотозадающих элементов не более ±1…2% (рис. 2.3). Сигналы с фазовращателя и фильтра поступают на дифференциальный усилитель на ОУ 1DA2.2, где в результате вычитания сигнала ФВЧ из сигнала фазовращателя получается сигнал НЧ каждого канала. Далее сигналы обоих каналов суммируются через развязывающие резисторы R1 R2 на входе повторителя на ОУ DA1. На выходе повторителя включен переменный резистор R3, который можно использовать как регулятор тембра НЧ.

Радиолюбители, у которых есть два стереоусилителя, могут использовать такой фильтр для существенного улучшения качества звуковоспроизведения. В этом случае один из них можно использовать для одного канала, а другой – для второго. Для этого данный фильтр встраивают в корпус одного из усилителей, при этом ОУ DA1 не устанавливают, сигналы с выхо­дов фильтра А1 подают на входы первого усилите­ля, а с выходов фильтра А2 — на внешний разъем (для второго уси­лителя), В двухпо­лосных АС пассив­ные разделительные фильтры ис­ключают полностью, а в трехпо­лосных пассивный фильтр сущест­венно упрощает­ся: исключается фильтр НЧ для низкочастотной головки, а полосо­вой фильтр для среднечастотной головки заменяет­ся фильтром НЧ.

В качестве ком­мутатора использо­вано реле РЭС22, но можно исполь­зовать и любые другие малогаба­ритные реле (на­пример, распро­страненные РЭС9) с меньшим чис­лом контактных групп, в этом слу­чае их придется устанавливать по две штуки.

На рис.2.4. показана АЧХ фильтра ВЧ, а на рис.2.5. — АЧХ выхода на сабвуфер.

Соотношение мощности вещатель­ного сигнала в канале ВЧ и общей мощ­ности громкоговорителя, в зависимос­ти от частоты (в соответствии с Публи­кацией МЭК 268 -1C), приведена в таб­лице. Из нее следует, что при частоте разделения 160 Гц на СЧ—ВЧ канал приходится 72 % общей мощности, а значит, мощность канала НЧ требуется всего около 60 % (с учетом того, что на каждый канал приходится по 28 % мощ­ности сигнала НЧ), Учитывая, что мощ­ность наиболее распространенных ком­пьютерных АС не превышает 1,5. 2 Вт в качестве усилителя мощности сабву­фера можно применить почти любой усилитель. Автором построен транзис­торный усилитель класса А (рис. 2.6) на основе каскада с динамической на­грузкой [1].

Усилители класс. А, по сравнению с усилителями других классов (В, С и D), имеют самый низкий КПД, но, как пра­вило, более высокие технические харак­теристики и субъективно оцениваются выше. Для обеспечения такого режима транзисторы выходного каскада долж­ны работать без отсечки тока, при этом ток покоя выходных транзисторов выби­рают из условия.

Io ≥ u r n/z,

где U_m =U _вых ∙ 1,41 — амплитудное значе­ние выходного напряжения; Z — сопро­тивление нагрузки.

Технические

Характеристики усилителя.

Чувствительность, мВ. . .560

Полоса рабочих частот, Гц. .5. .5000

Выходная мощность, Вт . . . . . 6

Коэффициент гармоник, %, не более . . .1

Ток покоя выходных транзисторов, А . . . 0,67

Ток покоя выходных транзисторов зависит от сопротивления резисторов R10—R12.

Задавшись током Io = 0,67. А, полу­чим падение напряжения на резисторе R15 равным соответственно 0,67. В Де­литель R10R11 выбран таким, чтобы обеспечить ток базы транзистора VT2 при работе в положительных полупериодах сигнала (зависимый от сопротивления резистора R10). Кроме того, на резисторе R11 напряжение должно быть равно сумме падений напряжения на резисторах R12, R15 и на змиттерном переходе транзисторов VT2. VT4. Коэффициент гармоник не превышает 1% при преобладании второй и треть гармоник.

Введение в схему интегратора на DA1 позволило отказаться от переход­ного конденсатора на выходе усилителя мощности и питать УМЗЧ и раздели­тельный фильтр от общего выпрямителя. Поскольку усилитель мощности не дифференциальный, для его питания желательно иметь стабилизированный источник напряжения, С целью упрощения в опытном образце использован нестабилизированный источник питания, тем не менее, фона не заметно.

Усилитель промоделирован с помощью программы Multisim. и все его характеристики были полностью подтверждены. Его АЧХ показана на (рис. 2.7).

В качестве излучателя НЧ можно использовать доступные отечественные головки типа 25ГДН-1-4(10ГД-34) или еще лучше 25ГДН-3-4(15ГД-14).Параметры Тиля - Смолла имевшихся в наличии головок измерены с помощью программы Speaker Workshop (рис.2.8). Ниже показан пример использования компьютерной программы для моделирования сабвуфера с конкретными головками.

Открываем программу JBL Speaker Shop и, выбрав режим нового проекта (File New Design), вводим тапа параметры громкоговорителя (рис.2.9). С целью уменьшения объема в два раза и снижения искажений остановимся на варианте ″compound″. Если головки громкоговорителей имеют номиналь­ное сопротивление 4 Ом, выбираем их последовательное включение (Series), Результат моделирования показан на (рис.3.0).

Теперь самое время определиться с акустическим оформлением. У сабвуферов оно обычно бывает двух вариантов: закрытого фазоинверторного. В прочем, есть и редко используемые, например сабвуфер с пассивным излучателем (ПИ), с комбинированным оформлением (ФИ — ПИ) или сабвуфер с акустическим лабиринтом.

Сабвуфер с акустическим оформлением закрытого типа практически не бубнят у них более ровная частотная характеристика, но не спад АЧХ по низким частотам начинается раньше. Такие сабвуферы более всего подходят для прослушивания классической музыки. Они менее критичны к местоположе­нию, чем модели с фазоинвертором.

Фазоинверторное оформление требует тщательной настройки, зато позволяет сабвуферу воспроизводить более широкий диапазон частот; нежели в закрытом корпусе и отличается большим разнообразием (рис.3.1).

Все ФИ, кроме открытых, обладают свойствами полосовых фильтров и предпочтительны в случаях, когда есть необходимость сэкономить на фильт­рах. Кроме того, двойные закрытые ФИ обладают повышенным КПД, Однако звуковоспроизведение музыкальных сигналов через системы с закрытым ФИ сопровождается значительными фазо­выми искажениями, поэтому звучание таких систем не совсем "музыкальное" и целесообразно остановиться на от­крытом ФИ. Рассмотрим его конструк­тивные особенности.

Таблица 1

Перечень элементов

4. Разработка печатной платы активного сабвуфера

Конструкция и детали

В качестве ОУ разделительного фильтра можно использовать практически любые малошумящие ОУ как отечественного производства (КР140УД608,К544УД1 и др.), так и зарубежные (ОРА227, ОРА2134, NO5534 и др.). Для миниатюризации выгодно использовать сдвоенные зарубежные ОУ — RC5532, NE5532, ОРА2227, ОРА2228,ОРА2604 или их отечественные аналоги. В фильтре можно использовать прецизионные конденсаторы К10-43 или более доступные К73-17, предварительно отобранные по емкости. В случае использования конденсаторов ёмкостью 0,022 мкФ все резисторы сопротивлением 33 кОм заменяют на 47 кОм, а при использовании конденсаторов ёмкостью 0,047 мкФ — на резисторы сопротивлением 22кОм.

Печатная плата фильтра раз­мерами 65×60 мм выполнена из одностороннего стеклотекстолита. На рис.3.2. показан рису­нок печатной платы фильтра.

Усилитель мощности выпол­нен на печатной плате из одно­стороннего стеклотекстолита размерами 67,5×50 мм. Выход­ные транзисторы расположены на краю платы, а их выводы от­формованы таким образом, что­бы при установке платы на реб­ро площадки транзисторов опи­рались на теплоотвод. Выход­ные транзисторы крепят к плате через изоляционные втулки, подложив под контактную поверхность эластичные теплопроводящие изоляторы "Номакон-Gs" ТУРБ 14576608,003-96 изоляторы из слюды с при­менением теплопроводной пас­ты КТП-8. При использовании составных выходных транзисто­ров (КТ8116А, КТ81588 или КТ827А) схема усилителя суще­ственно упрощается — исключа­ются транзисторы VT2, VT3 и резисторы R12, R13.

Сетевой трансформатор мощностью 20...25 Вт имеет вторичную обмотку с отводом от середины. Выходное направление составляет 2×10В (за отсутствием готового трансформатора автор использовал два трансформатора мощностью 12 Вт с одной вторичной обмоткой 10 В).

рис.3.2.

Выпрямитель блока питания выполнен на диодном мосте КЦ405Е и четырех оксидных кон­денсатора* емкостью 2200 мкФ
на напряжение 25 В (в каждом плече по два конденсатора). Для питания платы фильтра на плате выпрямителя собран простейший двухполярный параметрический стабилизатор на тран­зисторах серий КТ502, КТ503, двух резисторах сопротивлени­ем 620 Ом и двух стабилитронах на напряжение 10,5…12В.

Конструкция корпуса сабвуфера показана на (рис.3.3). На чертеже пронумерованы сле­дующие детали: 1 — плата вы­прямителя; 2 — сетевой трансформатор; 3 — плата усилителя мощности; 4 — ребристый теплоотвод; 5 — плата разделительного фильтра; 6 — головки динамические (ВА1, ВА2); 7 — регулятор НЧ (резистор R3, см рис. 1); 8 —гнезда Х1—Х4; 9 — стойка: 10 — четырехгран­ное основание; 11 — основа; 12 — резиновые опоры.

Корпус выполнен из фанеры толщи­ной 10 мм. Нижняя стенка склеена клеем ПВА из фанеры и ДСП толщиной 14 мм. Перед склеиванием в листе фанеры 180x180 мм вырезают отверстие диаметром 110 мм, сверлят четыре крепежных отверстия диаметром 4,3 мм и закрепляй четыре самодель­ные гайки с резьбой М4 (стальная плас­тина толщиной 3 мм с резьбовым и дву­мя крепежными отверстиями), а в заго­товке ДСП вырезают отверстие по габа­ритам диффузородержателя головки.

Стенки корпуса соединяют с помощью деревянных реек сечением 10×10мм и клея ПВА. Труба фазоинвертора состоит из двух деталей; отрезка алюми­ниевой трубы длиной 110 мм от пыле­соса и фланца, выточенного так, чтобы суммарная длина ФИ составляла 120 мм. Перед монтажом ФИ его на­ружную часть можно покрасить краской черного цвета.

Все узлы электрической части кре­пят на ребристом теплоотводе с габа­ритными размерами 18×595х18 мм (см. фото на рис.3.4). Нижняя часть ребер теплоотвода на длине 53 мм сре­зана фрезой и на нем установлены вы­ключатель сети, входные и выходные гнезда, а также регулятор чувствитель­ности (резистор RЗ). В задней стенке корпуса вырезано отверстие 170х80 мм под усилительный блок сабвуфера (рис. 13). Края теплоотвода шириной 10 мм, прилегающие к корпусу сабву­фера, с целью лучшей герметизации корпуса проклеены листовым пороло­ном, Теплоотвод крепят к корпусу саб­вуфера шестью саморезами. После первого выкручивания саморезов в крепежные отверстия заливают клей ПВА и дают ему полностью высохнуть.

На основании 11 из фанеры толщи­ной 10 мм приклеивают усеченную пи­рамиду 10 с предварительно просвер­ленными отверстиями под крепежные стойки и вырезанным отверстием диа­метром 110 мм под магнитную систему головки. Основание и динамические го­ловки крепят с помощью четырех стоек 9 длиной 67 мм и четырех винтов М4. С одной стороны стойки диаметром 10 мм имеют резьбу М4 длиной 33 мм а с другой — резьбовое отверстие. Снизу основания приклеивают четыре ре­зиновые ножки 12 или закрепляют шу­рупами пластмассовые ножки с резино­выми вкладышами.

Готовый корпус красят краской или обклеиваю шпоном, пленкой под де­рево или другим доступным материа­лом. Внутреннюю поверхность корпуса обклеивают гидростеклоизолом или покрывают двумя слоями автомобильной звукопоглощающей мастики.

На посадочное место динамических головок приклеивают шайбу из резины от автомобильной ка­меры, между головками также вставляю резино­вую шайбу толщиной 3…4 мм, под крепежные стойки также подкладывают вырубленные пробой­ником резиновые шайбы. Первую распайку динами­ческих головок делают из предположения, что усили­тель имеющихся акустиче­ских систем неинвертиру­ющий и его выход подклю­чен к "плюсовому" выводу динамических головок, по­этому ВА1 — внешняя го­ловка, а ВА2 — внутренняя.

Перед использованием сабвуфера следует прове­рить его фазировку. Для этого в любой профес­сиональной программе по обработке аудиофайлов (например, в cool Edit, Adobe Audition [2]) делают тестовый сигнал частотой 150 Гц. Выход усилителя временно подключаю по схеме рис, 14 и определяют положение, при котором наблюдается максимальная громкость тестового сигнала. По­сле подбора головки, соединяют в соответствии с найденным вариантом ком­мутации. Переключатель SА1 можно ввести в конструкцию в качестве посто­янного элемента.

5. Расчет надежности активного сабвуфера

Расчет надежности чаще всего сводится к определению числовых

значений наработки на отказ Т₀ и вероятности безотказной работы Р(t) по известным интенсивностям отказов элементов. Методы расчета делят на две группы: приближенный или ориентировочный и полный или окончательный.

Для выполнения приближенного расчета необходимо знать усредненные значения интенсивности отказов λi типовых элементов и числа Ni элементов определенного типа в каждой группе. В группу объединяются элементы, которые имеют примерно одинаковую интенсивность отказов. Для полного расчета надежности необходимо иметь данные о реальных режимах работы элементов устройства и о зависимостях интенсивности отказов элементов от температурных, электрических и других режимов и нагрузок.

В практике приближенный и полный расчет надежности обычно выполняют в период нормальной эксплуатации аппаратуры, т.е. в предположении, что интенсивность отказов элементов и система постоянны во времени.

При приближенном расчете надежности аппаратура по среднегрупповым интенсивностям отказов в качестве данных используются значения интенсивностей отказов λi элементов различных групп и число Ni элементов каждой группы, входящих в систему. Сущность расчета состоит в определении наработки на отказ Т₀ и вероятности безотказной работы Р(t).

Порядок расчета надежности следующий:

Элементы проектируемой системы разабъем на группы с примерно одинаковыми интенсивностями отказов и подсчитаем число N в каждой группе.

Элементов К₁, т.е. микросхем с 14 выводами - 2шт.

Элементов К₂, т.е. микросхем с 16 выводами - 1 шт.

Элементов К_З, т.е. конденсаторы электролические - Зшт.

Элементов К₄, т.е. конденсаторы керамические - Зшт.

Элементов К₅, т.е. резисторы - 7 шт.

Паяные соединения -104

В соответствии с расчётной схемой вероятность безотказной работы системы определяется как:

N

Р(t) = ПPi(t) =P1(t)*P2(t)*P3(t)*...

i=1

где N - количество таких элементов, используемых в задании Pi -вероятность безотказной работы 1-го элемента. Учитывая экспоненциальный закон отказов, имеем:

N  - *  λit

Р(t) = Пe^-λit-eⁱ⁼¹=e ^{i=1 i=1}

i=1

где ni - количество элементов одного типа, λj-интенсивность отказов элементов j-го типа. Причём λj=kλ * λj₀, kλ где - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации, а λj₀ - интенсивность отказов в лабораторных условиях.

Суммарная интенсивность отказов элементов одного типа составит

ni

λi_= k_λ* λj₀= ni* kλ* λj₀

j=1

Исходя из условий эксплуатации принимаем kλ =1. Никаких дополнительных поправочных коэффициентов вводится не будет, так как все элементы системы работают в нормальных условиях, предусмотренных в ТУ на данные элементы.

Для элементов, используемых для построения ВУ, приняты следующие интенсивности отказов

1. Установим значения интенсивности отказов λi элементов каждой

группы (табличные данные).

• • Микросхем с 14 выводами - λ₁= 3,5*10^-7
  • Микросхем с 16 выводами - λ₂= 3,0* 10^-7
  • Конденсаторы электролические - λз⁼ 0,2*10^-5
  • Конденсаторы керамические - λ₄ = 0,05 * 10^-5
  • Резисторы - λ ₅=1,0*10^-5
  • Паяные соединения - λ₆ =1,0*10^-7

Исходя из этих значений можно подсчитать суммарную интенсивность отказов всех элементов одного типа, а затем и для всех элементов ВУ.

N

λ_k1=N*4,5*10^-7=… λ_Еобщ=  λE_i

i=1

1. Определим общую интенсивность отказов системы:

λ_Еобщ=2*3,5*10^-7*1*3,0*10^-7*3*0,2*10^-5*5*0,05*10^-5*7*1,0*

*10^-5*104*1,0*10^-7= 2293,2 *10^-7

так как данная схема не имеет

1. Вычислим наработку на отказ Т₀ = 1/λ_с

Так как данная схема не имеет резервных элементов, и выход из строя любого из элементов повлечёт за собой отказ всего устройства, то среднее время наработки на отказ определится как

Т_м= 1/λ_Еобщ = 1/2293,2 *10^-7 = 4361 часов.

1. Определим вероятность безотказной работы:

Р(t) = e ^{–λЕобщt}

Тогда вероятность безотказной работы за восьмичасовую смену составляет:

Р(t) = e^-1/4361*10*8=0,229

Для полного расчета надежности аппаратуры необходимо иметь данные об условиях её эксплуатации и знать режимы работы всех элементов, а также иметь зависимости поправочных коэффициентов а интенсивности отказов от условий эксплуатации.

Заключение

Целью данного курсового проекта является разработка мультимедийного усилителя для домашнего компьютера. В ходе курсовой работы была разработана структурная схема устройства. После выбора элементной базы результатом проделанной работы является разработка принципиальной схемы проектного устройства.

Из всего изложенного материала можно сделать следующий вывод: данная УМЗЧ является универсальной, т.е. подходит к любому ПК.

Расчет надежности показал, что она является надежной.

В ходе написания работы была использована техническая и справочная литература

Список литературы

1. Нечаев И. Автомат включения обдува. – Радио, №4, 2001г.
2. Соколов А. – Радио, №9, 2006г.
3. Дахин М. Приемники с автоматической настройкой. – Радио, №6, 2001г.
4. Кулафин Р. О доработке проигрывателя. – Радио, №9, 1998г.