« НАЗАДДЕЛИТЬСЯ
сабвуфер акселерометр ближнее поле рабочий стол сабвуферы НИОКР пластинчатые усилители мониторы ближнего поля Истории исследований и разработок тепловая защита сентябрь 2022 г. МФБ Термогид сервобас
Показать больше (14)
Истории исследований и разработок: Настольные сабвуферы с обратной связью движения для студийных мониторов ближнего поля
26 октября 2022, 14:10
Когда я начал свой собственный инженерный бизнес здесь, в Израиле, моим первоначальным планом было служить электронной промышленности с помощью моих навыков теплового проектирования и радиочастот, которые я приобрел за 26 лет работы над проектированием передатчиков для Motorola. Именно поэтому я назвал свою компанию «Термогид». В течение последних примерно 16 лет я был очень занят, работая над инженерными проектами для небольших высокотехнологичных фирм, и одним из моих основных клиентов была компания Waves Audio, также базирующаяся здесь, в Израиле. Я проделал для них большую работу по проектированию и анализу и продолжаю это делать до сих пор.
Я впервые начал свой путь аудиофила 25 лет назад. У меня был друг, который покупал дорогое оборудование высокого класса и никогда не был удовлетворен тем, что он получал. Мне нравилась качественная музыка, но я решил, что лучше всего создать собственное оборудование на основе электростатических панелей, сделанных своими руками. Я построил пять разных моделей, пока не начал искать сабвуфер, который мог бы соответствовать моим электростатическим колонкам.
Проблема заключалась в том, что мне нужен был кроссовер с частотой 400 Гц, чтобы он соответствовал моим электростатическим панелям размером 100×50 см. Коммерческие сабвуферы не были такими высокими, поэтому я попробовал несколько типов концепций сабвуферов, в том числе пару линий передачи от пола до потолка, но они плохо сочетались с моими панелями. В конце концов я решил, что обратная связь по движению (MFB) — правильный путь.
Я разработал уникальный емкостный датчик положения для питания контура обратной связи, и в те годы — когда Интернет был еще молод — я действительно думал, что MFB — еще одно из моих изобретений.
Мне также пришлось решить некоторые сложные проблемы, связанные со стабильностью контура и шумом, но в конечном итоге все заработало нормально, и мой проект сабвуфера очень хорошо сочетался с панелями. Я был очень доволен результатами, и эта установка до сих пор работает нормально. Все эти годы я продолжал исследования MFB и датчиков, используя несколько типов концепций датчиков положения, которые были слишком сложными или слишком шумными.
Возможность домашней студии
В 2018 году мне в голову пришла идея настольных сабвуферов. За время работы с Waves я встретил немало звукорежиссеров в небольших и домашних студиях. Все они любили свои маленькие мониторы, заявляя, что они «продолжение их ушей» и что они никогда не подумают об использовании других мониторов. Они выполняли свою работу по микшированию, не слушая по-настоящему точных базовых нот через свои динамики. Все они в какой-то момент попробовали сабвуферы и отказались от них, потому что они плохо сочетались с их мониторами и вызывали неприятные условия в помещении.
Поэтому я подумал, что если бы я мог сделать сабвуферы достаточно маленькими, чтобы их можно было разместить под мониторами, это было бы хорошим началом. И если бы я мог спроектировать достаточно широкополосные сабвуферы, то я смог бы получить идеальное смешение фронтов акустических волн на высоте ушей слушателя. Используя кроссовер с частотой выше 100 Гц, я смог избавиться от интермодуляции низких и средних частот в мониторах и поднять их уровень звукового давления до более высокого уровня. А используя MFB, я смог получить широкополосный ровный отклик до 25 Гц в небольших герметичных корпусах. Я также мог бы получить больше преимуществ, таких как быстрое затухание переходных процессов, смягчение старения параметров драйвера и тепловое сжатие. А при прослушивании сабвуферов в ближнем поле прямая волна будет доминировать, смягчая эффекты отражения в комнате.
Итак, я отправился в более чем двухлетнее путешествие по проектированию и созданию нескольких прототипов сабвуферов MFB. На этом закончилась моя текущая версия настольных сабвуферов, настольные сабвуферы с обратной связью по движению ZRS-1, показанные на фотографии 1, которую я сейчас показываю на своем веб-сайте и которую я объясню.
Фото 1: Мои настольные сабвуферы ZRS-1 с мониторами Neumann KH 120 сверху.
Прослушивание тестов с профессиональными звукорежиссерами лишило их дара речи, заявив, что у них не было такого опыта прослушивания. Они также сказали мне, что домашние студии могут стать огромным рынком для такого продукта.
Один из самых уважаемых звукорежиссеров здесь, в Израиле (
www.yuvalsound.com ), провел сеанс работы с этими сабвуферами и мониторами Neumann KH 120, которые он использует в своей студии. Он был настолько впечатлен улучшением качества звука, что оставил эту установку для демонстраций в своей студии, утверждая, что эта концепция представляет собой сдвиг парадигмы. Он бесплатно помогает мне своими навыками слушания, контактами и знаниями.
Все это заставило меня задуматься о том, что идею десктопного сабвуфера стоит коммерциализировать. У меня нет финансовых средств для инвестирования в производство, и для меня это не имеет смысла, учитывая все проблемы с цепочкой поставок в наши дни. Моя цель — заключить лицензионное соглашение с производителями динамиков. Хотя у меня нет патентной защиты, у меня есть немало знаний, практического опыта и знаний об аппаратном обеспечении, необходимом для успешной реализации MFB.
Помимо настольных сабвуферов, я также концентрируюсь на сабвуферах для автомобильных аудиосистем и саундбаров. Немногие аудиоинженеры разбираются в MFB. Это почти забытая технология, которую я вернул на основе материалов драйверов тока, акселерометров MEMS и усилителей класса D, которые являются ключевыми элементами MFB в моей конструкции.
Все эти технологии были недоступны в 1970-х и 1980-х годах, когда MFB был горячей темой исследований. Любому производителю придется потратить годы на работу талантливых инженеров, чтобы добиться того, где мои прототипы находятся сегодня.
Нижняя граница
У меня нет никаких секретов или защищенной интеллектуальной собственности, кроме моих ноу-хау и конкретных деталей моей схемы. Я могу освоить любого разработчика акустических систем с любым сабвуфером MFB, используя любой драйвер и размер корпуса в зависимости от моих схем питания и управления. Это все аппаратное обеспечение, никакого программного обеспечения или DSP — просто старомодные электронные схемы. Но это работает! Благодаря функциям DSP с коррекцией помещения, интеллектуальным кроссовером и возможностью подключения Bluetooth (BT) этот дизайн также может подойти для потребительских товаров.
Концепт
Небольшие студийные мониторные колонки широко используются дома и в профессиональных студиях. Большинство моделей основаны на двухполосной конструкции с мидбасовым динамиком диаметром от 3 до 5 дюймов в портированном корпусе и высокочастотным динамиком. Параметры конструкции мидбасового драйвера выбираются в соответствии с расчетными формулами Тиле-Смолла или другими расчетными формулами, и для данного размера корпуса уровень отклонения ограничен, что ограничивает воспроизведение низких частот. При превышении максимального уровня отклонения нелинейность динамика вызывает модуляцию средних частот басовыми нотами, ухудшая стереоизображение и четкость. Поэтому многие небольшие мониторы ближнего поля резко падают и фильтруют диапазон частот от 30 Гц до 60 Гц.
Даже при тщательном проектировании портированный корпус является резонансным, воспроизводя устойчивые, нависающие низкочастотные ноты (что приводит к гулкому или квадратному звуку). Добавление напольного сабвуфера в дополнение к компактным студийным мониторам с низким частотным диапазоном вызывает возбуждение в комнатном режиме. Иногда, даже при правильном размещении, сабвуферы плохо сочетаются со студийными мониторами.
Небольшие настольные сабвуферы, которые могут охватывать диапазон от 30 Гц до 400 Гц, можно использовать с кроссовером на частоте 100 Гц или даже до 200 Гц, что позволяет мониторам воспроизводить только средние и высокие частоты, образуя, по сути, трехполосную конфигурацию.
Идеальное выравнивание фронта акустической волны может быть достигнуто на высоте ушей слушателя, если динамики монитора расположены поверх настольных сабвуферов. А если сабвуферы ближнего поля направлены прямо на слушателя, можно значительно переносить эффекты отражения в помещении.
Корпус размером 20 × 20 × 20 см с 6-дюймовым низкочастотным динамиком казался практической целью проектирования настольного сабвуфера, на котором можно разместить множество типов студийных мониторов. Разработка такого маленького сабвуфера для мощного воспроизведения басов — серьезная задача, которую можно решить, внедрив систему управления движением для смягчения резонансов, присущих такому маленькому корпусу.
Обзор имеющихся в продаже сабвуферов
Герметичные или портированные корпуса — это классические концепции дизайна, обычно используемые для сабвуферов. Параметры драйвера должны быть тщательно выбраны для данного размера корпуса в соответствии с параметрами Тиле-Смолл (TS) или некоторыми правилами автоматизированного проектирования (САПР). Частотная характеристика портированного корпуса резонансная (порт представляет собой резонатор Гельмгольца), что дает медленные, устойчивые, нависающие басовые ноты (гулкий, квадратный бас).
Известно, что герметичные корпуса обеспечивают лучший контроль басов, чем портированные корпуса, но для покрытия нижней октавы с приемлемым переходным откликом требуются корпуса большего размера и тщательно подобранные драйверы.
Большие корпуса также требуют тщательно спроектированных распорок для снижения вибрации панели, а параметры драйвера должны тщательно контролироваться на производстве и обеспечивать долговременную стабильность.
Тепловое сжатие — еще одна известная проблема сабвуферов. Температура звуковой катушки увеличивается во время обычной работы, и когда она достигает 125°C, сопротивление медной обмотки может увеличиться в два раза, уменьшая мощность, потребляемую усилителем, почти на 6 дБ, тем самым сжимая уровень звукового давления и ухудшая переходные характеристики. Многие коммерческие сабвуферы повреждаются из-за структурных повреждений звуковой катушки из-за перегрева клея, поэтому часто используются дорогие драйверы с завышенной мощностью. Все эти проблемы можно решить, используя управление MFB.
MFB для воспроизведения басов
Динамики, использующие MFB, имеют своего рода датчик, контролирующий движение звуковой катушки. Сигнал датчика подается обратно на вход усилителя через схему управления и сравнивается с входным сигналом. Сигнал ошибки заставляет движение голоса создавать звуковое давление, которое следует за входным сигналом.
Технология MFB для низкочастотных динамиков не является чем-то новым. В течение многих лет лишь несколько производителей реализовывали эту технологию из-за ее сложности конструкции и ограничений драйверов и усилителей. Но это больше не считается проблемой современной электроники и материалов драйверов.
При использовании MFB характеристики драйвера больше не имеют решающего значения для соответствия TS или другим правилам проектирования, поскольку датчик и схема управления заботятся о частотной характеристике и подавлении резонанса.
Длинноходные звуковые катушки с уменьшенным коэффициентом силы могут использоваться для MFB с повышенной линейностью и более высоким уровнем звукового давления без ущерба для качества звука. Частотную характеристику можно сделать плоской от 20Гц и до режима развала драйвера, при этом кроссовер на мониторы можно установить от 100Гц до 200Гц.
Кроме того, с MFB можно использовать относительно небольшие корпуса без ущерба для уровня звукового давления и качества звука. В небольших корпусах вибрация панели не является проблемой, и крепления не требуются. Тепловая компрессия и гармонические искажения значительно уменьшаются при использовании MFB благодаря глобальной отрицательной обратной связи.
За последние 40 лет было исследовано множество методов измерения динамики звуковой катушки в реальном времени. Филлипс опубликовал исследовательскую работу в 1968 году и изготовил несколько моделей колонок для книжных полок MFB. Infinity, Velodyne, Sony, Yamaha, Grimm Audio и другие производители акустических систем также успешно использовали MFB.
Оптические, емкостные, индуктивные усилители, датчики Холла, сенсорные катушки, акселерометры, ультразвуковые и интеллектуальные усилители широко экспериментировали с методами управления движением звуковой катушки, но успех был ограниченным.
Многие патенты, связанные с MFB, были выданы частными дизайнерами и ведущими производителями акустических систем. Большинство патентов, связанных с MFB, были отменены, прекращены или срок их действия истек через 20 лет с даты выдачи патентов, и теперь они могут свободно использоваться промышленностью.
Современные технологии MEMS-акселерометров, надежные материалы динамиков и доступность эффективных, мощных усилителей класса D изменили представление о MFB и позволили разработать доступные небольшие сабвуферы.
Разработка прототипа для проверки концепции.
Чтобы реализовать свои идеи и продемонстрировать возможность создания небольшого настольного сабвуфера ближнего поля, я решил работать с MFB на основе акселерометра. Я спроектировал схему управления MFB, кроссоверные фильтры Линквица-Райли четвертого порядка, импульсный источник питания и мощный усилитель класса D, которые я интегрировал в корпус из МДФ размером 20×20×20 см. Я также модифицировал длинноходный динамик диаметром 6 дюймов, прикрепив акселерометр к каркасу звуковой катушки драйвера.
Основываясь на измерениях драйвера и теории управления, я решил установить параметры контура MFB для ровной частотной характеристики в диапазоне от 20 Гц до 400 Гц и реализовал схему защиты звуковой катушки от температуры в реальном времени, чтобы поддерживать температуру звуковой катушки ниже 125 ° C во время работы с перенапряжением. Я также разработал схему контроля перегрузки, которая определяет выходное напряжение усилителя и включает красный свет при приближении к шинам питания.
Блок-схема (рис. 1) показывает основные особенности конструкции этого прототипа. Сабвуфер был разработан для использования в конфигурации полного стерео, но его также можно настроить как одиночный сабвуфер, питающий два монитора с суммированием левых и правых низких частот.
Посмотреть вложение 76217
Результаты концептуальных испытаний ЗРС-1
Было построено шесть прототипов. Все эти прототипы имели ровную частотную характеристику от 30 Гц до 400 Гц без каких-либо корректировок. Тесты на прослушивание, проведенные в необработанных помещениях, показали, что прототипы сабвуферов хорошо сочетаются с несколькими марками студийных мониторов ближнего поля, демонстрируя лучшие характеристики среднечастотных и высоких частот с высоким уровнем звукового давления, превосходной четкостью и стереоизображением. Хорошо контролируемые мощные басовые ноты воспроизводятся вплоть до 30 Гц.
Теория акустики динамиков учит нас, что ускорение звуковой катушки тесно пропорционально акустической мощности низкочастотного динамика в герметичном корпусе (в поршневом режиме на низких частотах ниже уровня пробоя). Учитывая это и имея акселерометр, уже установленный на звуковой катушке, измерение выходного сигнала акселерометра было самой простой альтернативой для минимизации ошибок измерения отражения в помещении.
Измерения (рис. 2) показывают выходные данные акселерометра прототипа с MFB и без него. Первый график (зеленый) показывает сигнал акселерометра, измеренный с отключенной петлей обратной связи. Второй график (красный) показывает сигнал акселерометра с активным контуром MFB. Понятно, что без МПЧ драйвер имеет резкий резонансный отклик. При использовании MFB отклик выравнивается до диапазона от 25 Гц до 400 Гц в пределах ±1 дБ.
Посмотреть вложение 76218
Также известно, что на этих низких частотах очень близкие измерения микрофона на акустической оси динамика пропорциональны измерениям на расстоянии 1 метр в безэховой камере или в свободном поле. На рис. 3 показан 6-дюймовый динамик, измеренный на акустической оси сабвуфера с отключенным кроссоверным фильтром (зеленый), настроенным на частоту 100 Гц (красный) и, наконец, 200 Гц (синий).
Посмотреть вложение 76219
Заключение
Я продемонстрировал возможности моего небольшого настольного сабвуфера ZRS-1 MFB (фото 2), который можно использовать в качестве дополнения к небольшим студийным мониторам. Сеансы прослушивания, выполненные с помощью мониторов ближнего поля, расположенных над сабвуферами настольного компьютера, продемонстрировали смягчение эффектов отражения в помещении, повышение уровня звукового давления с превосходной четкостью и стереоизображением. Такой подход MFB позволяет реализовать сабвуферы в компактных корпусах, в том числе для саундбаров, автомобильных аудиосистем и портативных музыкальных устройств.
Посмотреть вложение 76220
Я открыт к сотрудничеству посредством лицензирования или любого рода делового взаимодействия с производителями акустических систем.
aX
Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress в сентябре 2022 г.
Об авторе
Зами Шварцман — инженер-электрик, окончивший в 1974 году Технион в Израиле. Он проработал в компании Motorola Communications 26 лет, занимаясь проектированием и управлением разработкой продуктов радиосвязи. Он покинул Motorola 16 лет назад и открыл собственный инжиниринговый бизнес — Thermoguide, Ltd. Большая часть его бизнеса сосредоточена на аналоговой электронике, тепловом проектировании и профессиональной аудиотехнике. В эти годы он активно участвовал в качестве субподрядчика в компании Waves Audio, Ltd., крупнейшем поставщике программных инструментов для музыкальной индустрии. Настольные сабвуферы, описанные в этой статье, были разработаны и спроектированы во время COVID-19 как дополнительный продукт, который можно добавить к любому студийному монитору ближнего поля. С Зами можно связаться через его веб-сайт
www.servobass.com или
по электронной почте здесь .
Ссылка на статью :
In this article, Zami Schwartzman shares his personal journey to design and perfect his own accelerometer-based motion feedback desktop subwoofers, including plate amplifiers with MFB control, crossover and voice coil thermal protection that can be matched with any low frequency MFB driver. The...
audioxpress.com
forum.vegalab.ru
ldsound.info
ldsound.club
на платах есть ещё микросхемы ум на tpa31хх (для установки готового модуля в 2х полосную ас)
m.youtube.com
www.youtube.com
