Датчик эмос что это такое
Опыт реализации ЭМОС по смещению. Часть 1
Александр Ракитский, г. Ижевск
Термин ЭМОС – ЭлектроМеханическая Обратная Связь – появился на страницах журнала “Радио” в 1970 году, и интерес к этой теме периодически то всплывает, то опускается. Решил внести свою лепту в эту тему и я.
Изучая статьи о ЭМОС [1-6, 9,10, 12], патенты [15, 16] и сайты [14], я не мог отделаться от мысли, что в требованиях к ЭМОС, в конструкциях, ее реализующих, чегото не хватает, а именно – для улучшения каких показателей и параметров звучания нужна ЭМОС, почему именно она позволяет решить эти проблемы.
Слава Богу, что в технической библиотеке родного завода залежались некоторые фолианты [7, 8,13, 17, 21], изучение которых и дало направление поисков новой реализации ЭМОС.
Итак, какие параметры ставятся во главу качественного звучания? Сразу посыпятся ответы – естественность, прозрачность, подлинность и т.д. и т.п. Но как “гостированы” эти показатели, объективны ли они? Точка зрения автора статьи – во главу угла необходимо положить динамические свойства слуха человека – потребителя аудиопродукции.
В [17] дано понятие постоянных времени слуха, правильнее говоря, граничных временных интервалах, определяющих переход от одних закономерностей слухового восприятия к другим. Так, приведены три временных параметра, составляющих около 200, 20 и 2 мс, в зависимости от того, идет ли речь об интегрировании, о различении двух сигналов или о маскировке. Естественно, эти параметры определены процессами обработки информации в нервной системе. Но наиболее коротким интервалом является длительность процесса установления различий в огибающей процесса установления колебаний, величина которого начинается с 0.25 мс. Это чрезвычайно малое время, необходимое для восприятия ухом появившегося звука, объясняет, почему процессы установления играютрешающую роль в распознавании
музыкальных инструментов и речи. Если, например, в звучании взятой на фортепиано ноты исключить процесс установления тона и послушать установившийся звук и
его постепенное замирание, то при этом нельзя будет идентифицировать звучание фортепиано. Аналогичный эксперимент можно проделать почти со всеми инструментами. Только по спектру установившегося звучания их не узнать. Для примера, послушайте концовку композиции Beatles “Day in the Life”, когда одновременно ударяют по сотням клавиш десятков фортепиано и долго-долго длится затухающий звук.
Поэтому в каналах звукоусиления не должно быть элементов, влияющих на процесс установления сигналов, все промежуточные электрические и акустические инерционные устройства не должны изменять характера временных процессов, протекающих за 0.25 мс или за большее время. Обычные электродинамические громкоговорители не отвечают этому требованию. Поэтому для высококачественного воспроизведения чаще пользуются головными телефонами, обеспечивающих более чистое и естественное (штамп, никуда не деться) звучание.
Для справки: короткие времена установления – от 2 до 40 мс – имеют начальные и конечные звуки речи, около 20 мс имеют медные духовые инструменты, смычковые
инструменты (при использовании смычка) имеют время установления до 100. 150 мс.
Современные усилители низкой частоты имеют уровень нелинейных искажений ниже 0.001%, полосу пропускания – от долей Гц до МГц, скорость нарастания сигнала
≥1000 В/мксек, масштабную передачу формы сигнала и, практически, являются идеальными устройствами.
А вот у электродинамического громкоговорителя (основного вида электроакустического преобразователя) искажений – хоть отбавляй [8]. Причины: а) несовершенство
подвеса диффузора и центрирующей шайбы; б) неравномерность постоянного магнитного поля в рабочем зазоре и ряд других. Нелинейные искажения достигают 10%
и более для простейшего гармонического сигнала при его установившемся значении. Что же говорить об искажениях при воспроизведении динамических сигналов, на-
пример тональных импульсов (что будет показано позже), связанных с процессом установления тона музыкальных инструментов?
Наиболее используемым для улучшения работы громкоговорителя является охват обратной отрицательной связью громкоговорителя и усилителя низкой частоты путем снятия сигнала о том или ином параметре движения подвижной части диффузора громкоговорителя, его обработке и суммирования (с соответствующими фазовыми характеристиками) с сигналом, который поступает на вход усилителя мощности.
На рис. 1 показана общая схема построения ЭМОС, где:
Анализ данной схемы проделан в различных статьях [1-6, 9, 10, 12], но наилучший анализ работы ЭМОС (на взгляд автора настоящей статьи) дан в [6], классифицировавшей имеющиеся схемотехнические решения применения ЭМОС, их плюсы и минусы.
Однако датчики ЭМОС, применяемые для улучшения работы излучателя, механически (датчик по ускорению – акселерометр) или гальванически (датчик или, точнее,
квазидатчик по скорости) связаны с излучателем – электродинамическим громкоговорителем, или с подвижной частью излучателя или, соответственно, со звуковой ка-
тушкой излучателя. Датчик по ускорению крепится на подвижную часть излучателя, добавляя массу подвижной части плюс упругость и нелинейность отходящих от него
проводов. Датчик по скорости не снимает объективно скорость подвижной части, да и сама скорость подвижной части громкоговорителя не является уж так необходи-
мой. Кроме этого, каким образом можно охватить обратной связью излучатели электростатического, изодинамического типа, где и как снимать соответствующий сигнал о движении подвижной части громкоговорителя – науке это до сих пор неизвестно.
Однако, до сих пор не было реализации ЭМОС по смещению подвижной части излучателя от положения равновесия или в комбинации с ее производными – скоростью или(и) ускорением. Возможно, причиной этого стало утверждение авторов [12], что: “…точно измерить смещение диффузора трудно. Гораздо легче измерить скорость или ускорение…”.
Первая попытка ЭМОС по смещению появилась в [15], но так и осталась на бумаге. С появлением [16] появилась возможность реализации ЭМОС по смещению.
Итак, предлагается ЭМОС по смещению подвижной части диффузора громкоговорителя, при этом датчик снятия информации о смещении подвижной части громкоговорителя механически и гальванически развязан от, соответственно, механической части – диффузора и его электрической части – катушки.
Структурная схема реализации ЭМОС по смещению показана на рис. 2, где:
Вначале – о датчике смещения. Принцип его работы прост – источник света 1 освещает поверхность (рис. 3а), свет от нее отражается (диффузно) и падает на фотопри-
емники 2, расположенные рядом с источником света 1. При стабильном источнике освещения, если происходит удаление освещаемой поверхности от источника света, – фотопоток на входе фотоприемника уменьшается. Если поверхность приближается – фотопоток на входе фотоприемника увеличивается. Таким образом, происходит амплитудная модуляция интенсивности фотопотока, падающего на фотоприемник (рис. 3б), которая содержит информацию о смещении подвижной части громкоговорителя от положения равновесия. Изменение фотопотока вызывает изменение тока, протекающего через фотодиоды и сопротивление R1 (фотодиодный режим работы [20]) (рис. 4), и, в конечном итоге, напряжения UR1, которое подается на блок обеспечения работы датчика и обработки сигнала датчика 6.
| ||||||
| Рисунок 3. | ||||||
Конструкция датчика представлена на рис. 4. Желателен подбор фотодиодов по току в пределах ±(10. 15)%. Датчик устанавливается над громкоговорителем на расстоянии 27. 35 мм, с внутренней стороны акустической системы. Напряжение, подаваемое на фотодиоды, варьируется в пределах +(24. 34) В, но не более +40 В, так как возможен выход из строя фотодиодов. Корпус датчика взят от дросселя ДРТ-1 ЖВ4.759.011 ТУ. Напряжение, подаваемое на светодиод, в пределах +(2.2. 2.7) В.
Структурная схема ЭМОС по смещению (рис. 2) работает следующим образом. Сигнал, от внешнего источника, пройдя через предварительный усилитель 1 и сумматор-вычитатель 2, поступает на вход усилителя мощности звуковой частоты 3. Усиленный сигнал с его выхода поступает на вход громкоговорителя 4, преобразующего электрические колебания звуковой частоты в смещение подвижной части громкоговорителя от положения равновесия и возбуждение, в свою очередь, звуковых колебаний в пространстве. С датчика смещения 5 снимается сигнал о смещении подвижной части громкоговорителя и подается для обработки на блок обеспечения работы датчика и обработки сигнала 6. С выхода блока 6 обработанный сигнал поступает на другой вход сумматора-вычитателя 2, замыкая, таким образом, обратную связь.
 | ||
| Рисунок 4. | ||
Однако, для организации отрицательной обратной связи необходимо знать соответствующие фазо-частотную и амплитудно-частотную характеристики смещения диффузора громкоговорителя по отношению к напряжению на входе громкоговорителя (ФЧХ и АЧХ зависят как от принципа преобразования электрического сигнала в колебания подвижной части громкоговорителя – электродинамический, электростатический, изодинамический и т.д., так и от вида акустического оформления – открытый ящик, открытый ящик с акустической панелью, закрытый ящик, фазоинвертор и т.д.). В нашем случае имеем электродинамический громкогово-
ритель в закрытом ящике. Графики снятых ФЧХ и АЧХ смещения диффузора громкоговорителя придставлены на рис. 5, где ФЧХ показана на рис. 5а, а АЧХ – на рис. 5б.
| ||||||
| Рисунок 5. | ||||||
Полученные характеристики позволили сделать следующие оценки и выводы.
1. В [13] приведены ФЧХ по скорости и ускорения смещения подвижной части электродинамического громкоговорителя в акустическом оформлении типа “закрытый ящик”. ФЧХ (рис. 5а) смещения подвижной части логично дополняет их, возможна аппроксимация формулой (см. врезку 1, ф. 1):
ϕ(f) – фазо-частотная характеристика смещения;
f – частота, Гц;
Lэ – эквивалентная индуктивность динамика;
Rэ – эквивалентное сопротивление динамика;
π – 3.141592.
АЧХ (рис. 5б) близка к оценке, приведенной в [1] (см. врезку 1, ф. 2):
d (f) – амплитудно-частотная характеристика смещения;
А – размерный коэффициент;
U – напряжение на входе громкоговорителя;
f – частота в Гц.
А учитывая формулу для ФЧХ по смещению, возможна более точная аппроксимация (см. врезку 1, ф. 3) плюс учет резонанса акустического оформления (горб в районе 40. 45 Гц на АЧХ и небольшой изгиб на ФЧХ).
2. Исходя из графика ФЧХ смещения подвижной части (рис. 5а) видно, что, начиная с 50 Гц, она уходит в область самовозбуждения, где ϕ(f)
Реализации ЭМОС по смещению. 10 лет спустя
В 2008 году в журнале «Радиолюбитель» (Беларусь) была опубликована моя статья «Опыт реализации ЭМОС по смещению». Я продолжал работать в этом направлении и предлагаю на рассмотрение новые результаты. Если в статье много внимания уделялось основам звуковоспроизведения в низкочастотном диапазоне, когда идея еще до конца не оформилась, то в настоящей работе главным стала ее четкая реализация в конкретных технических решениях.
Рисунок 1. Структурная схема ЭМОС по смещению.
Структурная схема ЭМОС (электромеханической обратной связи) по смещению приведена на Рисунке 1, где:
Если сигнал с выхода 1 сразу подать на вход 2 УМЗЧ (К1 – вкл., К2…К4 – выкл.), то получаем стандартную схемотехнику звукоакустического агрегата (Рисунок 2).
Рисунок 2. Стандартная структурная схема электроакустического агрегата.
Попыток внедрения ЭМОС – по скорости, ускорению, звуковому давлению и т.д. – в электроакустику для улучшения звучания было немало, но широкого распространения эти ЭМОС не получили. И главной причиной является то, что не снималось и не анализировалось смещение подвижной части от равновесного положения, которое и определяет качество звука, а точнее, отклонение формы смещения подвижной части громкоговорителя от формы электрического сигнала, поступающего на вход громкоговорителя, так как не было соответствующей элементной базы для создания малогабаритного и бесконтактного датчика съема смещения подвижной части (диффузора) громкоговорителя.
Но элементная база совершенствуется, и датчик съема смещения подвижной части громкоговорителя был реализован, – в журнале был описан датчик съема смещения, в котором использовались фотодиоды ФД256-01 и светодиод BIR-O07J4G. Это изменило и схемотехнический подход к использованию сигнала ЭМОС. Если раньше сигнал ЭМОС (по скорости, ускорению) усиливался, затем тривиально обрабатывался и суммировался с выходным сигналом блока предварительного усиления и темброобработки, а затем поступал на вход УМЗЧ, то теперь сигнал S с выхода блока предварительного усиления и темброобработки 1 поступает на сумматор-вычитатель 8, где смешивается (суммируется-вычитается) с электрическими сигналами, пропорциональными смещению d, скорости v и ускорению a подвижной части громкоговорителя в таких пропорциях, чтобы получить максимальное совпадение формы сигнала смещения, поступающего на вход ключа К2 и формы сигнала S, поступающего на вход ключа К1. Электрические сигналы v и a, поступающие на ключи К3 и К4, соответственно, получаются однократным и двойным дифференцированием сигнала смещения подвижной части громкоговорителя d, снимаемого с датчика 7.
С учетом вышесказанного и было принято такое схемотехническое построение ЭМОС по смещению (Рисунок 1), когда блок предварительного усиления и темброобработки 1, УМЗЧ (блок 2), акустическая система 3 и громкоговоритель 4 остаются прежними, и вводится отражатель 6, датчик 7 съема смещения подвижной части громкоговорителя и блок ЭМОС, состоящий, в свою очередь, из сумматора-вычитателя 8, блоков питания 9, усилителя сигнала смещения 10, дифференцирующих звеньев 11 и 12, ключей К1- К4.
Рисунок 3. Вид блока ЭМОС – питание для датчика съема смещения и обработка сигнала смещения диффузора.
Собран блок ЭМОС из отдельных плат, реализующих структурную схему на Рисунке 1 в виде макета (Рисунок 3).
Рисунок 4. Вид панели питания ±27 В для датчика съема смещения.
На отдельной плате (Рисунок 4) собран блок питания ±27 В (блок 9) для преобразователя ток-напряжение на датчике смещения (схема на Рисунке 5).
Рисунок 5. Схема блока питания ±27 В. Все как обычно.
Рисунок 6. Схема блока питания на +1,5 В 100 мА.
Питание для светодиода +1.5 В, 100 мА (блок 9) представлено схемой на Рисунке 6, внешний вид – Рисунок 7. Для уменьшения пульсаций в стандартную схему был введен дроссель L1, что обеспечило низкий уровень шумов по питанию, а для уменьшения наводок был введен диод Д220 на датчике съема смещения 7.
Рисунок 7. Внешний вид блока питания на +1,5 В.
Рисунок 8. Схема усиления сигнала смещения и дифференцирующих звеньев для получения сигналов скорости и ускорения смещения диффузора.
Усилитель на Р и дифференцирующие звенья (Рисунок 8) совмещены на плате вместе со стабилизатором на ±15 В (Рисунок 9). Работа дифференцирующего звена описана в [3], внешний вид платы показан на Рисунке 10.
Рисунок 9. Схема получения питания ±15 В из ±27 В.
Рисунок 10. Вид платы обработки сигнала смещения и напряжений питания ±15 В.
Сумматор-вычитатель, работа которого описана в [4], собран по схеме на Рисунке 11, внешний вид платы показан на Рисунке 12.
Рисунок 11. Схема сумматора-вычитателя.
Рисунок 12. Вид панели сумматора-вычитателя.
Коммутация сигнала от блока предусилителя и темброобработки на блок ЭМОС, и от него на УМЗЧ происходит с помощью разъемов типа «тюльпан». Коммутация на датчик съема смещения питающих напряжений, и с него на блок ЭМОС сигнала смещения осуществляется с помощью разъема РП15-9Ш.
Рисунок 13. Схема датчика съема смещения подвижной части (диффузора) громкоговорителя.
Рисунок 14. Вид датчика съема смещения на громкоговорителе сверху.
Основным узлом является датчик съема смещения подвижной части громкоговорителя от равновесного положения. Была подобрана новая пара «светодиод-фотодиод»: светодиод SFH 4550 и фотодиод BPW34. Схема датчика приведена на Рисунке 13, внешний вид – на Рисунках 14, 15. Если для датчика съема смещения из [1] фотодиоды ФД-256-01 подбирались по параметрам в пределах ±20% из-за большого разброса, то для фотодиодов BPW34 этого не требуется.
Рисунок 15. Вид датчика съема смещения снизу.
Материал для рефлектора был найден в результате экспериментов с различными отражающими пленками. Лучшими стали пленки из под… кошачьего корма «KiteКat» (Рисунок 16) и кофе «Аrоmа» или «Eagle Premium».
Рисунок 16. Вид пленки для рефлектора – очень удачное KNOW-HOW!
Крепится пленка с помощью двухстороннего скотча, перед этим ее необходимо тщательно разгладить. Работа кропотливая, требует определенного навыка, поэтому совет – потренируйтесь на чем-то подобном, отсутствие опыта может привести к порче дорогого динамика!
Блок ЭМОС собран, датчик съема смещения подвижной части громкоговорителя и рефлектор изготовлены – приступаем к сборке и регулировке ЭМОС.
1. Тщательно наклеиваем рефлектор на одну поверхность двухстороннего скотча, без морщин и стяжек.
2. Обрезаем по периметру лишний скотч, форма должна быть симметрична.
3. Снимаем пленку с обратного слоя скотча и аккуратно наклеиваем рефлектор на внутреннею поверхность подвижной части громкоговорителя, осторожно прижимаем к поверхности диффузора и разглаживаем (Рисунок 17).
Рисунок 17. Вид рефлектора, укрепленного на диффузоре громкоговорителя.
4. Устанавливаем датчик определения смещения над рефлектором – направление луча светодиода перпендикулярно поверхности рефлектора, рефлектор должен быть освещен примерно по середине. Для контроля можно использовать цифровой фотоаппарат – на видеоэкране это будет ярко-белое пятно.
5. Конструкция крепежа датчика – на Ваше усмотрение, но она должна быть жесткой, не допускающей колебаний и болтания.
Рисунок 18. Сигнал S с входа ключа К1.
6. Выбираем расстояние до рефлектора. Здесь нужно терпение и понимание. Дело в том, что на выходе преобразователя ток-напряжение (NE5534) датчика съема смещения (Рисунок 13) мы имеем постоянное напряжение, зависящее от расстояния между светодиодом и рефлектором, модулированное сигналом смещения, например, синусоидой. Если расстояние будет большим, например, 11 см, то на выходе будет постоянное напряжение порядка +(8.5-10) В с амплитудой сигнала смещения, например, синусоиды ±(0.8-1.0) В. Если сблизим до 5 см, получим постоянное смещение +(22-22.5) В и несимметричную синусоиду с +5 В и –7.5 В. Таким образом, ищем нужное расстояние, когда у сигнала будет и приемлемая амплитуда, и симметрия. В нашем случае оно составило (73-75) мм, что дало на выходе симметричную неискаженную синусоиду с амплитудой ±(2.4-2.5) В.
Рисунок 19. Сигнал смещения диффузора d с входа ключа К2, ЭМОС не включена.
7. На вход блока предусилителя и темброобработки подаем низкочастотный музыкальный сигнал S, например, ремикс «HANDS UP» группы «ОTTOWAN», и с входа ключа К1 (К1 замкнут, К2, К3 и К4 – разомкнуты) подаем его на первый вход осциллографа (Рисунок 18), а сигнал смещения d с входа ключа К2 подаем на второй вход осциллографа (Рисунок 19). Замыкаем ключи К2, К3 и К4, подавая на сумматор-вычитатель электрические сигналы смещения d, скорости v и ускорения a подвижной части громкоговорителя. Регулировочными сопротивлениями R2-R4 максимально подгоняем форму огибающей сигнала смещения на входе К2 к форме огибающей сигнала на входе К1 (Рисунок 20).
Рисунок 20. Сигнал смещения диффузора d с входа ключа К2, ЭМОС включена. …и слушаем музыку.
8. Корпус акустической системы – от АС 35 АС-018 Корвет (Рисунок 21). УМЗЧ на микросхеме ТDA7294 взят из [1], предусилитель и темброблок собраны на ОУ NE5532.
Рисунок 21. Внешний вид АС с применением ЭМОС по смещению – блок ЭМОС стоит на АС. Динамик, использованный в АС – «MYSTERY» MJS12F (12 дюймов).
Анализируя Рисунки 18, 19, 20 и сравнивая звучание низкочастотного музыкального сигнала без использования ЭМОС и при ее включении, можно сделать следующие выводы:
Датчик полностью механически и гальванически развязан с громкоговорителем, то есть, с использованием данной ЭМОС возможна доработка широкого класса НЧ громкоговорителей, переводящая их звучание в более высокий класс. При этом стоимость блока ЭМОС и датчика весьма скромна по сравнению с ценами акустических агрегатов, усилителей и прочего дорабатываемого оборудования.
Автор работы: Александр Ракитский, г. Ижевск, по материалам: rlocman.ru