Часть 11. Регулировка тембра

Данная глава представляет собой вроде бы некоторое отступление от темы. Но в действительности это не совсем так. Связь есть и весьма тесная. Не поленитесь просмотреть и почитать далее.

11.1. АЧХ УНЧ
В идеальном случае УЗЧ должен равномерно усиливать сигнал во всём диапазоне звуковых частот. Иначе говоря, его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) должна быть линейной. Реально так не бывает, и усиление на разных частотах, соответственно, разное.
АЧХ представляет собой график зависимости амплитуды выходного напряжения Uвых (или коэффициента усиления) от частоты f:

Uвых (или коэффициент усиления) удобно откладывать по оси ординат в децибелах, принимая максимальный уровень за 0 дБ.

Для частоты f используется логарифмический (нелинейный) масштаб. Это приводит к эффективному расширению низкочастотного (НЧ) и сжатию высокочастотного (ВЧ) участков на оси частот.

Выходной сигнал (и коэффициент усиления) усилителя постоянны в диапазоне средних частот, но спадают при ВЧ и НЧ. Область частот, заключенная между f1 и f2, называется полосой пропускания усилителя. Частоты f1 и f2 соответствуют точкам a1 и a2, которые называются также точками по уровню -3 дБ (дециБел).

ДециБел — нелинейная (логарифмическая) единица измерения коэффициента усиления.

Точка a1 называется нижней точкой по уровню -3 дБ, а точка a2 — верхней точкой по уровню -3 дБ. В этих двух точках выходное напряжение усилителя составляет 70% от своего максимального значения. Точки по уровню -3 дБ называют ещё точками по уровню половинной мощности, поскольку выходная мощность усилителя на этих частотах уменьшается ровно в два раза.

Чтобы обеспечить усиление сигналов всех звуковых частот, УЗЧ должен иметь полосу пропускания, перекрывающую стандартный диапазон звуковых частот (от 20 Гц до 20 кГц). Внутри этого диапазона коэффициент усиления УНЧ должен сохранять постоянное значение. Ниже 20 Гц и выше 20 кГц допустим спад усиления.
Поскольку музыка и речь представляют собой сложную смесь гармонических сигналов с различными частотами звукового диапазона, то качество усилителя зависит от того, какую полосу этих частот и их гармоник данный усилитель может воспроизвести без искажений. Узкая полоса пропускания будет обязательно приводить к ограничению числа усиливаемых и воспроизводимых на выходе усилителя гармоник. Этим, отчасти, объясняется низкое качество звука у дешевых усилителей.

11.2. Тембр звука
Когда мы говорим о тембре звука, мы имеем в виду его определённую «окраску», свойственную голосу человека, музыкального инструмента, хора, оркестра. Тембр звука зависит от количества содержащихся в нём гармонических колебаний и соотношения их амплитуд. А это, соответственно, зависит от особенностей конкретного источника звука. Всем известно, что голос человека так же уникален, как отпечатки пальцев. Уникальность как раз и определяется его тембром.
В связи с тем, что конкретный УНЧ не одинаково усиливает сигналы всех частот звукового диапазона, в большинстве случаев весьма желательно иметь возможность подкорректировать АЧХ усилителя, чтобы сделать звучание более приятным, более естественным, наконец, более подходящим под индивидуальные особенности слуха конкретного человека. Для этого в УНЧ и должна быть предусмотрена регулировка тембра.

11.3. Простейшие регуляторы тембра
Примечание: далее указаны примерные номиналы резисторов и конденсаторов.
Действие регуляторов тембра основано на зависимости ёмкостного сопротивления конденсаторов
и индуктивного сопротивления катушек от частоты f переменного тока.
Из формул видно, что ёмкостное сопротивление ХC с ростом частоты f и увеличением ёмкости С уменьшается. Индуктивное сопротивление ХL с ростом частоты f и увеличением индуктивности L возрастает. При уменьшении  частоты f, ёмкости С и индуктивности L – наоборот. Таким образом, сигнал некоторого диапазона звуковой частоты может ослабляться с помощью специальной цепочки, содержащей конденсаторы и/или катушки. Такие цепочки называют фильтрами НЧ (низких частот), СЧ (средних частот), ВЧ (высоких частот). Изменяя усиление на том или ином участке полосы пропускания, мы несколько меняем вид АЧХ и влияем на тембр звучания. Естественно, при прослушивании звука через наушники, головные телефоны, динамики, колонки и т.п.
Допустим, имеется двухкаскадный УНЧ. Подадим на его вход сигнал звуковой частоты, лучше – музыку, от любого источника. Внимательно послушаем. Затем включим между базой VT2 и общим проводом конденсатор Сф ёмкостью 0,1 мкФ. Что произойдёт?

На слух будет заметно, что звук стал более «глухим» за счёт уменьшения уровня ВЧ. Если ёмкость конденсатора взять побольше – 0,25¸0,5 мкФ, то ослабление ВЧ станет ещё более значительным. Соответственно формуле (1) ёмкостное сопротивление конденсатора тем меньше, чем больше его ёмкость и выше частота переменного тока (звукового сигнала). Значит, один и тот же конденсатор оказывает разное сопротивление токам разных частот, например: высоким – меньшее, средним и низким – большее.
В приведённом примере Сф шунтирует вход второго каскада на VT2. Колебания ВЧ, для которых его сопротивление мало, проходят через него на общий провод, минуя базу VT2. В итоге уровень ВЧ на выходе УЗЧ значительно уменьшается или, иначе говоря, происходит их «завал».
Обычно, для плавной регулировки «завала» в области ВЧ последовательно с Сф включают переменный резистор Rф:

Уровень колебаний ВЧ уменьшается (происходит «завал») при смещении ползунка резистора Rф вверх (по схеме). В крайнем нижнем положении ползунка сопротивление цепочки СфRф оказывается достаточно велико во всём диапазоне звуковых частот, и тембр звука не изменяется. В данном случае Сф=0,25мкФ; Rф=10к.

Регулятор тембра ВЧ можно включить в цепь ООС (между входом и выходом второго каскада):

Конденсатор Сф следует подбирать таким, чтобы его ёмкостное сопротивление было для НЧ больши́м, а для ВЧ – малым. В данном случае Сф=0,02мкФ; Rф=10к. При перемещении движка переменного резистора влево (по схеме) глубина ООС увеличивается – происходит «завал» в области ВЧ.

Если использовать разделительный конденсатор С1 между каскадами, то надо последовательно с ним включить переменный резистор Rф≈100 кОм, а параллельно этой цепочке – постоянный конденсатор Сф≈0,01-0,02 мкФ:

то при перемещении движка Rф вправо (по схеме) будут «срезаться» НЧ, т.е. получается регулятор тембра НЧ. Каким образом? Здесь сигнал звуковой частоты поступает с выхода первого каскада на вход второго по двум параллельным цепочкам С1 Rф и Сф. Ёмкость Сф такова, что для колебаний ВЧ его сопротивление невелико, а для колебаний НЧ – весьма значительно. Сопротивление цепочки С1 Rф зависит от положения движка переменного резистора. Когда движок находится в крайнем левом положении, сопротивление цепочки для всего диапазона звуковых частот оказывается мало, поскольку ёмкость С1 достаточно велика. По мере перемещения движка вправо сопротивление цепочки возрастает, и уровень колебаний НЧ на входе второго каскада уменьшается.

11.4. Двухполосные регуляторы тембра
Как правило, чаще всего требуется не только «завал» в области ВЧ или НЧ, но и «подъём» (относительно определённой – средней – частоты, например, 1000 Гц), причём, одновременно в области НЧ и ВЧ.
Например, в упомянутом ранее «Бестрансформаторном УНЧ» («РАДИО» №2, 1970 г., с.29) показано использование регуляторов тембра НЧ и ВЧ:

Теперь - подробнее.

НАЧАЛО цитаты (с небольшими моими корректировками) - - - >
Такую возможность даёт регулятора тембра, разработанный английским инженером Баксандалом еще в 1952 г. Этот регулятор тембра стал, пожалуй, самым распространенным частотным корректором в электроакустике. Классический его вариант состоит из образующих мост двух звеньев фильтра первого порядка – НЧ: R1C1R3C2R2 и ВЧ: C3R5C4R6R7

Понятно, что такое большое количество пассивных элементов – резисторов и конденсаторов – приводит к значительному ослаблению сигнала. Следовательно, требуется вводить в УЗЧ дополнительные каскады усиления. Это первый недостаток пассивных регуляторов тембра (понятно, откуда проистекло сие название). Второй недостаток – необходимость применения переменных резисторов с экспоненциальной зависимостью сопротивления от угла поворота движка (группа «В»), обеспечивающих плавное регулирование.

Тем не менее, простота конструкции и высокие качественные показатели говорят «ЗА» применение именно пассивных регуляторов тембра. Следует отметить также, что эти регуляторы требуют низкого выходного сопротивления предшествующего им каскада и высокого входного сопротивления последующего.

В традиционном варианте рассматриваемого регулятора R1/R3=C2/C1= =C4/C3=R5/R6=n, R2=R7=n-R1.
Внимание: n – это величина затухания.

При этом достигается приблизительное совпадение частот перегиба АЧХ в области ее подъема и спада (в общем случае они различны), что обеспечивает относительно симметричное регулирование АЧХ (спад даже в этом случае неизбежно получается более крутым и протяженным). При обычно используемом n =10 (для этого случая указаны минимальные значения номиналов элементов) и выборе частот раздела вблизи 1 кГц регулирование тембра на частотах 100 Гц и 10 кГц относительно частоты 1 кГц составляет ±14...18дБ. Как отмечалось выше, для достижения плавного регулирования переменные резисторы R2, R7 должны иметь экспоненциальную характеристику регулирования (группа «В»). Кроме того, для получения линейной АЧХ в среднем положении движков регуляторов соотношение сопротивлений верхнего и нижнего (по схеме) участков переменных резисторов также должно быть равно n.

При «хайэндовском (Hi-end)» n=2...3, что соответствует диапазону регулирования ±4...8 дБ, вполне допустимо использовать переменные резисторы с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота движка (группа «А»), но при этом несколько огрубляется регулировка в области спада АЧХ и растягивается в области подъема, а плоская АЧХ получается отнюдь не в среднем положении движков регуляторов. С другой стороны, сопротивление секций сдвоенных переменных резисторов с линейной зависимостью лучше согласовано, что уменьшает рассогласование АЧХ каналов стереофонического усилителя, так что неравномерное регулирование в этом случае можно считать допустимым.

Наличие резистора R4 не принципиально, его назначение – снизить взаимное влияние звеньев и сблизить частоты перегиба АЧХ в области высших звуковых частот. Как правило, R4=(0,3...1,2)*R1. В некоторых случаях от него можно вообще отказаться. Для снижения влияния на регулятор предшествующих и последующих каскадов их выходное Rвых и входное Rвх сопротивления должны быть соответственно Rвых<<R3, Rвх>>R2.

Приведенный «базовый» вариант схемы Баксандала применяется, обычно, в УЗЧ высокого класса. В бытовой аппаратуре используют несколько упрощенный вариант:

Подобный корректор при n=2 (с переменными резисторами группы «А») был особенно популярен в простых любительских усилителях УЗЧ конца 60-х – начала 70-х годов (главным образом, из-за малого затухания), но вскоре величина n возросла до привычных сегодня значений. Все сказанное выше относительно диапазона регулирования, согласования и выбора регуляторов справедливо и для упрощенного варианта корректора.

Если отказаться от требования симметричного регулирования АЧХ на участках их подъема и спада (кстати, необходимость спада практически не возникает), то можно еще более упростить схему:

Достоинство такого регулятора - простота, но поскольку все его характеристики взаимосвязаны, для удобства регулирования целесообразно выбирать n=3...10. С ростом n крутизна подъема растет, а спада - снижается. Все сказанное выше о традиционных вариантах корректора Баксандала в полной мере относится и к этому, предельно упрощенному варианту.
Однако схема регулятора тембра Баксандала и ее варианты – отнюдь не единственная возможная реализация пассивного двухполосного регулятора тембра. Вторая группа регуляторов выполнена не на базе мостов, а на базе частотно-зависимого делителя напряжения.
< - - - КОНЕЦ цитаты

Желающие расширить свой ДИАПАЗОН могут познакомиться с полной версией статьи в , с.14-15, А. Шихатов, «Пассивные регуляторы тембра».

11.5. Конкретные примеры упрощённой схемы Баксандала для транзисторных УЗЧ:

Номиналы резисторов R1-R5 и конденсаторов С2-С5 выбраны так, что колебания СЧ приходят с выхода первого каскада на вход второго ослабленными, примерно, в 10 раз, причём это ослабление не зависит от положения движков переменных резисторов R2 и R5. Колебания НЧ и ВЧ могут проходить через регулятор тембра без особого ослабления, что соответствует подъёму этих частот относительно средних, либо ослабляться относительно СЧ.
В данном регуляторе усиление на НЧ изменяют с помощью резистора R2, ВЧ – R5.
Колебания НЧ ослабляются при перемещении движка R2 вниз (по схеме), ВЧ – при перемещении движка R5 также вниз (по схеме).
Как было отмечено ранее, из-за значительного ослабления колебаний СЧ, вносимых таким регулятором тембра, приходится вводить дополнительные каскады усиления, что  и делают в высококачественных УЗЧ. В простых любительских конструкциях обычно применяют регуляторы, изменяющие тембр только в области ВЧ.

Для ранее упомянутой схемы из «РАДИО», №11, 1971 г, с.17, В. Васильев, З. Лайшев, «Усилитель НЧ на деталях новых типов» также имеется дополнение в «РАДИО», №9, 1972 г, с.61:


Смотри его полностью - - - > ЗДЕСЬ

11.6. В заключение ещё раз о выборе номиналов:
1) см. «РАДИО», 1969 г., №1, с.40-41; смотри полностью - - - > ЗДЕСЬ
2) см. «РАДИО», 1973 г., №11, с.62; смотри полностью - - - > ЗДЕСЬ
3) в но́нешнее время поголовной компьютеризации, информатизации, внедрения зачатков искусственного интеллекта и прочая, можно использовать программку для расчёта регуляторов тембра:

Не лазая по сайтам, скачать её в архиве можно - - ->ЗДЕСЬ.

Примечание. Иногда в регуляторах тембра НЧ используют индуктивные компоненты, например:

Схема из «РАДИО», №9,1982 г., с.51-52, Ю. Богданов, Н. Хухтиков,  «Простой усилитель НЧ»; смотри полностью - - - > ЗДЕСЬ

©SEkorp 4_октябрь_2020

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 или на РАДИОзвук