АС с ЭМОС как саморегулирующаяся система

[теоретизирующий практик]

АС с ЭМОС как саморегулирующаяся система звуковоспроизведения.

Целью проектирования и изготовления громкоговорителей с ЭМОС является улучшение соотношения звукового давления в озвучиваемом помещении к электрическому сигналу воспроизводимого звукового трека. Логично предположить, что идеальную ЭМОС надо проектировать «от печки», с обратной связью по звуковому давлению в воздухе перед излучающей поверхностью диффузора.

Установив микрофон давления на внешней поверхности диффузора и подключив его в цепь ЭМОС получим уникальную саморегулирующуюся в условиях помещения АС. О чём речь? Предположим, что АС расположена вблизи короткой стенки длинного помещения. На определённой частоте возникает резонанс с возникновением стоячей волной по длине помещения. На частоте резонанса сопротивление излучению динамика резко увеличится, и одновременно увеличится звуковое давление в ближней зоне диффузора. ЭМОС с микрофоном, установленным в этой зоне будет эффективно противостоять возникновению таких резонансов. Образно выражаясь АС с такой ЭМОС будет «всё постороннее впускать во внутрь, и ничего постороннего не выпускать», как окно в открытое пространство, то есть вести себя как активный компенсатор или глушитель посторонних шумов в помещении (трек звуковоспроизведения не относится к посторонним шумам, но отражёнка, достигшая АС — уже посторонний шум).
Очевидно, эти предполагаемые эффекты должны проявляться тем сильнее, чем больше соотношение площади диффузора (диффузоров) к площади ограничивающих стен помещения. Например в салоне легкового автомобиля, или при нескольких АС с ЭМОС в жилом помещении. (Каков же этот предел соотношения площадей? Вот в чём вопрос.)
Другие варианты снятия сигнала ЭМОС, например по колебаниям диффузора, или по давлению за диффузором внутри АС не будут обладать таким свойством.

Интересно узнать мнение участников форума по затронутому вопросу.

Раз уж предлагается ввести датчик давления на поверхности диффузора, то неплохо бы определиться и с конструкцией. А конструкция предлагается такой. На внешней поверхности пылезащитного колпачка, по центру, жестко крепится диск из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. На поверхности диска через изоляционное кольцо толщиной около 0,2 мм натянута (не очень сильно натянута) тончайшая металлизированная полимерная плёнка, например от какого либо металлоплёночного конденсатора. Получим три электрода: 1- плёнку, 2 - прилегающую через воздушную прослойку фольгированную сторону диска, и 3 - наружную фольгированную сторну диска. К плёнке 1 подключаем поляризующее напряжение (например -200 V), диск 2 через большое сопротивление (50 гигаОм, например) соединяем с землёй и снимаем с этого сопротивления сигнал, а наружную (заднюю) фольгированную сторну диска 3 соединяем с землёй (это экран). Получили конденсаторный микрофон, измеряющий давление на поверхности диффузора. Несложный расчет показывает, что при толщине полимерной металлизированной плёнки 0,005 мм на низких частотах до 300 Гц. воздействие на плёнку сил ускорения от вибрации диффузора составит около 1% от воздействия излучаемого давления воздуха. Сигнал можно получить и без поляризующего напряжения: конденсаторный микрофон подключаем в цепь колебательного контура ВЧ генератора (естественно в дальнейшем ВЧ напряжение подается на частотный дискриминатор).
Другой вариант крепления датчика давления - на ребро к центру диффузора. В этом случае целесообразно рабочие плёнки расположить с обеих сторон датчика, а внутренний несущий диск изготовить из тонкой алюминиевой пластины (0,1 мм), или вообще диск заменить кольцом. При такой конструкции вибрация датчика от осевого перемещения диффузора вообще не скажется на выходном сигнале.
Ну, в крайнем случае, можно установить тот же капсюль на ребро вблизи центра диффузора на расстоянии, гарантирующем отсутствие механического контакта при любом рабочем перемещении диффузора. Но при этом за счёт дополнительной задержки сигнала в воздухе частотный диапазон устойчивой работы системы ЭМОС вероятно снизится. И вообще, возможно найдутся другие, более эффективные конструктивные решения выполнения микрофона давления.

P.S. Прошу прощения у возможных предшественников — авторов аналогичных высказываний. «Патентную проработку» не проводил, и, возможно дублирую эту, *лежащую на виду*, идею.

[Александр К.]

теоретизирующий практик, шум будет подавлен только в точке установки микрофона. Шаг влево, шаг вправо ... Практически для подавления шума придётся засовывать по микрофону в каждое ухо и использовать две системы ЭМОС .

[теоретизирующий практик]

Nota Bene, Спаял бы с удовольствием, да кураж уже не как у молодого, а работы с нуля здесь не мерено.
Другое дело, если бы был в «процессе» и вопрос касался небольшого эксперимента, например с альтернативным датчиком. Кроме того, напомню
мою кличку: сперва теоретизирующий, а уж потом практик. Жизненный опыт и привычка толкают меня именно к такой последовательности.
Кстати и участие в форуме оказывается отнимает много времени (я тугодум, медленно соображаю) и нервов, боюсь, что по этой причине мои записки начали отдавать язвительностью, хотя по натуре я добродушен, просто мои шутки можно принять иногда за язвительность.

А Ваше пожелание бросить давить клопов на клавиатуре, это от чего? Проявление личных чувств, или проявление интереса к практическим результатам?

С уважением Анатолий.

---------- Добавлено в 23:01 ---------- Предыдущее сообщение в 22:57 ----------

RobinF, Вообще то устройство микрофона давления дело второстепенное в данной ветке.
Но на всякий случай поясняю принцип действия конденсаторного микрофона давления (КМД). Простейший КМД состоит из двух электродов, с заключённых между ними воздухом, воздушное пространство загерметизировано, точнее уплотнено. Одна обкладка представляет собой тонкую лёгкую электрорпроводящую пленку. Другая обкладка относительно массивная. Плёнка воспринимая внешнее давление, передаёт его (давление) внутреннему воздушному промежутку ( воздух является диэлектриком конденсатора). Воздух сжимается, мембрана прогибается, и ёмкость конденсатора меняется. Осталось преобразовать изменение ёмкости в электрический сигнал. Рассчитаем изменение ёмкости такой конструкции, например при давлении в 10 Па. Атмосферное давление составляет 100 000 Па. Отношение звукового давления к атмосферному составляет 10 к 100 000., т.е. 0,0001. Примерно таким же будет и относительное изменение объёма внутреннего воздушного диэлектрика, и, соответственно, изменение толщины диэлектрика, что приведёт к соответствующему изменению ёмкости конденсатора. Простейшим способом преобразования изменения ёмкости в электрическое напряжение является поляризация электродов постоянным напряжением через резистор, с которого снимается выходной сигнал. Сопротивление резистора должно быть больше, чем реактивное сопротивление конденсатора на наименьшей рабочей частоте. Как известно из электростатики, в заряженном конденсаторе при изменении его ёмкости механическим путём, напряжение на обкладках конденсатора меняется. При разведении пластин конденсатора совершается механическая работа преодоления электростатического притяжения, и одновременно напряжение на конденсаторе повышается. Повышение напряжения происходит в соответствии с формулой зависимости электрического заряда от ёмкости и от напряжения. Q = C x U. Короче, в результате, относительное приращение напряжения равно относительному изменению емкости умноженному на напряжение поляризации. При напряжении поляризации 200 В, выходное напряжение сигнала составит 20 мВ. В расчете не учтено влияние пассивных емкостей, которые шунтируют рабочую ёмкость и снижают чувствительность, но одновременно понижают выходное сопротивление, и позволяют применить нагрузочный резистор меньшего сопротивления. В промышленных микрофонах применяются простые конструктивные пути повышения чувствительности.
Возможно Вас смутило предложение прилепить микрофон прямо на излучатель? И вы предполагаете, что лёгкая мембрана будет прогибаться от ускорения излучателя, приводя , таким образом датчик давления в нечто другое, например в датчик ускорения? Давайте посчитаем прикидочно, насколько повысится давление в воздушном диэлектрике от воздействия ускорения излучателя. Примем расчётную частоту 300 Гц. и считаем что ЭМОС эффективен максимум до этой частоты, а ускорение диффузора как правило увеличивается с увеличением частоты. Чтобы не путаться с относительными единицами, возьмём площадь мембраны микрофона 1 см.кв., Материал мембраны — полимерная металлизированная плёнка толщиной 0,005мм. Удельный вес полимера 1,2 г/см.куб. На частоте 300гц, в воздухе, при акустическом давлении 10 Па. колебательное ускорение частиц воздуха составит 4,5 м/cек в кв.(из научно популярной литературы). Так как расчёт прикидочный, а для точного расчёта ускорения излучателя у меня ни желания ни возможности нет (ну не собираюсь я писать научный труд ) , то ускорение излучателя примем как ускорение частиц в воздухе (4,5 м в сек кв). Масса мембраны в граммах 1 (см кв) х 0,0005 (см) х 1,2 (г/см куб) =0,006 (г)., или 0,000006кг. Сила инерции воздействующая на такую массу F = 0,000006(кг) х 4,5 (м в сек кв) =0,000027 (Н). Так как эта сила действует на 1 см кв, т.е. 0,0001 м кв, то для получения давления силу делим на площадь, и получаем 0,27Па, что составляет 2,7 % от исходных 10 Па. С понижением частоты влияние ускорения, по понятиям, должно уменьшиться.
Кроме того, как вариант, было предложено прилепить микрофон на ребро, а в этом случае силы инерции действуют вдоль плёнки, и на давление внутри датчика вообще не скажутся.
В конце концов пристройте микрофон давления снаружи, возле излучателя (да хоть пьезоэлектрический, хотя линейную АЧХ с таким микрофоном представить трудно, другое дело электретный, как одна из разновидностей конденсаторных)
Возможно по прочтении Вы решили, что я предлагаю одну обкладку конденсатора присобачить на излучатель, а другую удалить от излучателя на такое расстояние, чтобы излучатель и другая обкладка в любом случае не соприкоснулись. Если Вы так решили, то я не это имел в виду. Даже если бы и потребовался датчик положения, то для линейности, стал бы конструировать его по дифференциальной схеме, с питанием от ВЧ генератора.

По вопросу практической работы с ЭМОС можно ответить и да, но скорее нет. Поясняю. Однажды после изготовления мощной (400 ВТ) головки для узкогорлой рупорной системы я имел неосторожность закрепить её на горизонтальной плоскости. (Так был сконструирован узел примыкания головки к горлу рупора). Музыканты — заказчики обслуживали свадебные мероприятия и имели привычку включать максимальную мощность, которую выдавала система (Обычно они работали на открытом воздухе). После нескольких свадеб в результате размягчения подвеса от разогрева головки, подвижная система под собственной тяжестью провисла вниз, нормальная работа была нарушена. Предложение в будущем укладывать АС на бок музыкантам не понравилось, да и у меня опасение, что тогда подвижка провиснет на бок. Пришлось по-быстрому устраивать принудительный обдув головки и для надёжности устанавливать оптическую систему слежения за средним положением катушки в зазоре с замыканием цепи ОС через усилитель, который тоже пришлось переделать для пропускания постоянной составляющей петли обратной связи. Вот тогда, после отладки ОС по положению, я просто поигрался с ЭМОС, подключил дифференцирующую цепочку, убедился, что для рупора ЭМОС бесполезна (хотя бесполезность и до этого не вызывала особых сомнений), снял динамик с рупора, повертел, постучал, попихал диффузор рукой, восстановил ОС по постоянному току и благополучно сдал заказчику. Да и пробовать наверное не стоило, но любопытство, однако. Оптическая система по задумке обладала значительной нелинейностью с резкой волной перегиба в центральной области хода катушки. Дело было в Советском Туркменистане.
С уважением, Анатолий

---------- Добавлено в 23:16 ---------- Предыдущее сообщение в 23:01 ----------

Александр К., Против Вашего мнения моё мнение: Шум в значительной мере будет подавлен по крайнй мере в ближней зоне головки ( и микрофона). Идём дальше. Ближней зоной будем считать сферу радиусом четверти длинны волны звуковых колебаний. Идём дальше, в остальном объёме шум будет подавлен в меньшей степени.
Согласен с Вами что для полного подавления шума надо в уши вставить две затычки.

с уважением, Анатолий.

[RobinF]

Вижу, что предмет обсуждения Вы представляете, судя по Вашим виртуальным опытам, также виртуально. Сделайте простой начальный образец системы, убейте на это время, и это Вас поставит перед лицом жестокой реальности. А реальность такова.
За все придется заплатить. Как Вам, например, такое. Все расчеты грубые, но, надеюсь, наглядные и в достаточной точности соответствуют действительности. Исходная головка до охвата ЭМОС имеет чувствительность 90дБ. Головка охваченная петлей ЭМОС глубиной 20 дБ, будет иметь чувствительность 70 дБ. При этом НИ будут конечно снижены, правда не на самых низких частотах, как нам хотелось бы, и не всегда в 10 раз. Для компенсации снижения чуствительности головки нужно поднять подводимую к ней мощность на 20 дб. Понятно, что не всякая головка выдержит такое увеличение. Допустим 6 дБ выдержит. Но при этом опять увеличатся нелинейные искажения. На низких частотах под действием ЭМОС резко увеличивается ход диффузора для поднятия давления. Головку заставляют это сделать, но она не сможет. Поэтому давление не возрастет, а амплитуда колебаний диффузора увеличится вплоть до выпрыгивания из магнитной системы, если подвес мягкий.То есть головка должна быть отобрана по возможному десятикратному увеличению подводимой мощности, большому ходу диффузора, и по малым НИ. Если у нас есть такая головка, зачем нам тогда ЭМОС?

Теперь о подавлении мод комнаты. Со стороны это выглядит так. Человек делает большой резонатор в виде комнаты и затаскивает внутрь мощный излучатель, возбуждающий этот резонатор. Понятно, излучатель - это усилитель с АС. А затем человек начинает придумывать, как переделать излучатель, чтобы он, подстраиваясь под свойства резонатора, не излучал частот, которые усиливает этот резонатор. Нонсенс, на мой взгляд. Не стоит ли подумать об изменении свойств резонатора - комнаты.

[теоретизирующий практик]

Dvm1961, Похоже, Вы проводили такой эксперименты практически, так поделитесь опытом, ане задавайте каверзные вопросы.

С уважением, Анатолий

[gross]

Исходная головка до охвата ЭМОС имеет чувствительность 90дБ. Головка охваченная петлей ЭМОС глубиной 20 дБ, будет иметь чувствительность 70 дБ. При этом НИ будут конечно снижены, правда не на самых низких частотах, как нам хотелось бы, и не всегда в 10 раз. Для компенсации снижения чуствительности головки нужно поднять подводимую к ней мощность на 20 дб.

На деле происходит немного не так. Если говорить про диапазон от fs и выше, то в правильно настроенной ЭМОС ни чувствительность головки, ни подводимая мощность не изменяется. Нелинейные искажения снижаются за счет действия ЭМОС, которая представляет из себя обычную ООС.
Для сравнения: Головка - это выходной каскад усилителя. Принцип снижения искажений для головки точно такой же, как для выходного каскада в усилителе. Ни там ни там ни подводимая мощность ни чувствительность не меняются. Устройство сравнения в ООС (ЭМОС) выделяет компенсирующий сигнал и подает его в нужной фазе для снижения искажений выходного каскада усилителя (головки). (Все очень упрощенно).

[Александр К.]

Шум в значительной мере будет подавлен по крайнй мере в ближней зоне головки ( и микрофона). Идём дальше. Ближней зоной будем считать сферу радиусом четверти длинны волны звуковых колебаний.

Какой Вы предполагаете длину волны? И есть ли смысл вырезать из шума НЧ-часть?

[теоретизирующий практик]

RobinF, Вы исходите из положения. что ЭМОС охватывается АС с заведомо малым ящиком. Действительно, такая АС для воспроизведения низов требует силового подхода, т.е. увеличения подводимй мощности на частотах ниже резонансной, и ЭМОС тут ни при чём.С таким же успехом можно снизить воспроизводимую частоту и коррекцией частотной характеристики усилителя, правда применение ЭМОС дополнительно имеет меньшие НИ. Конструктор сначала выбирает альтернативу, либо маленький ящик (30литров) с мощной головкой (0,2кВт) и мощным усилителем (0,2кВт), либо нормальный ящик (120л) с нормальной головкой (50Вт с хорошим КПД) и нормальный усилитель с мощностью, измеряемой не киловатами, а ватами (излюбленный вариант для лампоманьяков). Имеются и промежуточные варианты. Вы должны определилится, что дя Вас важнее, 50 - 100 литров экономии жилого объёма и показная крутость своей системы с повышенным энергопотреблением и тепловыделением (и ценой тоже!), или простота и естественность получения качественного звука с нормальными компонетами, но относительно увеличенным, нормальным объёмом.

Только после этого надо определиться, нужна ли Вам ЭМОС, которая для любого варианта обеспечит снижение КНИ в нижнем диапазоне частот, улучшит переходные характеристики, возможо упростит (вожможно что несколько и усложнит) решение проблем с линеаризацией АЧХ в нижнем диапазоне. Если Вы решите ставить ЭМОС, то как правило, это определяет тип АС - закрытый ящик, о других вариантах я пока неслышал.

По поводу нонсенса с покорением резонансных мод в помещении мне кажется что не закрыты любые способы, у нас ведь открытое общество )
Кстати, может слышали страшилки о абсолютном вреде влияния инфранизких частот на человеческий организм, влияние в диапазоне от плохого настроения и сонливости, до внезапной смерти. Возможно,что доля истины в этом имеется, иначе с чего бы водители так часто засыпали в дороге? Ну дальше не буду мелить воду в ступе, вы по теме сами знаете что можно дальше предложить.

---------- Добавлено в 17:54 ---------- Предыдущее сообщение в 17:39 ----------

Александр К., Это Вы точно подметили. Именно НЧ часть помех и предлагается подрезать, неплохо бы прибавить сюда и ифранизкие частоты. Тем паче, что технически предлагаемым методом только на подавление НЧ и можно расчитывать. Остальной диапазон значительно проще и естественнее подавляется акустическим демпфированием помещения, ну там ковры, мягкая мебель, тяжелые занавеси, пушистые паласы, нарядная одежда на присутствующих дамах, и тд, и т.п. Но не переусердствуйте, имеется золотая середина демпфирования, правда зачастую субъективная.

С уважением, Анатолий.

[RobinF]

Ни там ни там ни подводимая мощность ни чувствительность не меняются.

Согласен, погорячился. Но требования к усилителю, головке, к датчику, к цепям коррекции особые и непростые. Прошел на практике, давно это было.

[Carbon]

просто не могу "приладить" этот концепт к своему техническому мировоззрению..

Это ключевые слова имхо! Давайте, друзья, попытаемся "приладить". Ведь это действительно новая технология. Ее нужно сначала понять, а потом уже браться за паяльник. И только тогда появятся измерения, где будет видно, что эта технология может, а что нет.