2. Основные принципы.
АС, как говорится, имеют три проблемы - НЧ, СЧ и ВЧ
Проблема воспроизведения НЧ связана с несовершенством существующих конструкций акустических излучателей и может быть решена с разумной достаточностью, в том числе, применением универсального принципа обратной связи (ОС), когда специальное устройство (датчик) регистрирует сигнал, имеющий непосредственное отношение к воспроизводимому звуку (басу), и подает его на сравнивающее устройство, находящееся на входе системы. В результате происходит выделение сигнала рассогласования (сигнала ошибки) и его компенсация, что, в свою очередь, приводит к уменьшению погрешностей всего НЧ-тракта, а именно: нелинейных (и интермодуляционных) искажений, частотных искажений (нелинейность АЧХ), кроме того снижаются требования к конструкции АС (в части габаритных размеров).
Конечно, в природе ничего даром не дается
, поэтому применение этого метода возможно при соблюдении некоторых дополнительных (ограничивающих) условий. Но, об этом позже.
Обычно, в качестве НЧ-звена используются электродинамические головки излучения, причем, как правило, резонансная частота этих головок в акустическом оформлении находится в рабочем диапазоне частот. С точки зрения систем автоматического регулирования (САР) это означает, что такой объект регулирования (диффузор ДГ) будет вести себя различно на разных частотах. Соответственно, характер звукового давления (SPL), пропорционального ускорению движения диффузора, на частотах выше и ниже резонансной частоты ДГ будут также значительно отличаться. Это проявляется в различном виде АЧХ по SPL (переходе от прямой с наклоном +12дБ/окт. через полюс на частоте резонанса ДГ к горизонтали) и ФЧХ (поворот фазы практически на 180 градусов в области резонанса). Такие особенности накладывают определенные требования к системе управления подобным объектом и ограничивают максимально достижимую глубину ООС. Из теории САР мы знаем, что любая система с отрицательной обратной связью (ООС) будет устойчива, если петлевое усиление будет меньше единицы при условии перехода отрицательной ОС в положительную. То есть, теоретически, по фазе есть поле допуска в +/-180 градусов, чтобы ООС перешла в ПОС. Но, фазовый сдвиг в 180 градусов, присущий нашему объекту управления (ДГ), уменьшает этот запас по фазе до значений +/-90 градусов по краям диапазона, при правильном выборе структуры САР. Что же входит в понятие петлевое усиление? Проще говоря - это произведение передаточных функций всех звеньев, входящих в контур, охваченный обратной связью. Это упрощение связано с тем, что в общем случае обратная связь может быть многопетлевой
В нашем случае в контур ОС нужно включить сравнивающее устройство X1, устройство частотной коррекции Z2, усилитель мощности X2, объект управления (ДГ), датчик, дополнительные цепи коррекции Z3. Задачей сравнивающего устройства является выделение сигнала рассогласования между входным сигналом и сигналом, полученным с датчика и характеризующим поведение ДГ. Устройство частотной коррекции Z2 необходимо как раз для обеспечения условий устойчивости всей системы, усилитель мощности согласует маломощный выход корректора с низкоомным импедансом ДГ, обеспечивая необходимый для получения требуемого динамического диапазона, уровень управляющего (воздействующего на ДГ) сигнала. Датчик, прямо или косвенно, регистрирует интересующий нас физический параметр движения диффузора ДГ, преобразуя его в электрический сигнал. Дополнительный корректор Z3 может видоизменить в желаемом направлении взаимосвязь между регистрируемым физическим параметром и входным сигналом. Поскольку датчик, в общем случае, может регистрировать отличающиеся от SPL параметры движения диффузора ДГ, и с помощью ЭМОС линеаризовывать их, то на входе всей системы может потребоваться устройство Z1, необходимое для выполнения задачи частотной коррекции, так как нас в конечном итоге интересует равномерная АЧХ по звуковому давлению в определенном частотном диапазоне. В общем виде функциональную схему Э_ОС можно представить так -
Однако в таком виде эта функциональная схема не очень-то пригодна для анализа и синтеза систем с ЭМОС - пока мы не формализуем параметры ДГ и датчика, все рассуждения будут иметь характер флейма
. Попробуем составить требуемую электромеханическую модель динамика. Желательно, чтобы с "электрического" конца она эмулировала реальный импеданс ДГ, а на "механическом/акустическом" конце мы могли бы снимать параметры движения/звукоизвлечения диффузора. Конечно, здесь придется пойти на некоторые упрощения, несущественные для нашей области применения этой модели. Учтем, что основной движущей силой в ДГ является ток в звуковой катушке, SPL пропорционален ускорению ее движения, порожденному этим током, скорость движения ЗК получается интегрированием этого ускорения по времени, а смещение интегрированием скорости движения ЗК по времени.
Эти моменты можно наблюдать на следующей иллюстрации, полученной на электрической модели ДГ, составленной в соответствии с вышеперечисленными допущениями. Модель описывает поведение ДГ в поршневом рабочем диапазоне как по SPL, так и по электрическому импедансу. R1 - характеризует активное сопротивление звуковой катушки, L1 - ее индуктивность. C1L2 - задают резонансную частоту ДГ в акустическом оформлении, а R2 - определяет добротность резонансного горба, или, что одно и то же, характеризует механические потери в системе. Эту модель мы далее будем использовать при анализе различных систем с ЭМОС.
В модели ДГ также учтен тот факт, что при некоторых методах измерения имеется определенная задержка в получении сигнала с датчика (элемент Х1, хотя, в принципе, он может быть уже отнесен к модели датчика). Чем же эта временная задержка может помешать при построении систем с ЭМОС? На графиках ФЧХ хорошо видно, что где-то, начиная со 100Гц, происходит нарастающее отставание по фазе для всех графиков, что при замыкании петли ЭМОС будет приводить к уменьшению устойчивости системы на верхней границе рабочего диапазона частот, независимо от типа ЭМОС. Так, например, видно, что для ЭМОС по скорости (зеленый график), теоретическим пределом вверх по частоте будет частота в 600Гц, при которой ООС переходит в ПОС, если не предпринимать каких-то специальных мер по частотно-фазовой коррекции.
Некоторые типы датчиков (электретные микрофоны, пьезо-акселерометры), из-за конструктивных особенностей, не могут регистрировать статические значения измеряемых физических величин, например, абсолютную величину давления
, то есть неявно содержат в себе дифференцирующее звено с той или иной постоянной времени. Это приводит к тому, что на ФЧХ появится дополнительный паразитный фазовый сдвиг, также уменьшающий устойчивость ЭМОС, но уже на ИНЧ. Эти моменты мы рассмотрим позднее, при анализе различных систем с ЭМОС.
Надо добавить, что эта модель не учитывает особенности поведения ДГ за пределами его поршневого диапазона - частотного интервала, в котором диффузор движется как единое целое, еще не переходя в режим зонного излучения. Обычно для различных типов НЧ-головок, в зависимости от размеров и материала диффузора, эта верхняя граничная частота лежит в диапазоне 300-800Гц. Выше этих частот наблюдаются резкие изменения фазы и амплитуды колебаний, связанные с локальными резонансами самого диффузора, которые также могут влиять на устойчивость систем с ЭМОС и ограничивать максимально достижимую глубину ООС.
Интересно также взглянуть на поведении ДГ при возрастании его добротности, например, под управлением ИТУН или в неоптимальном акустическом оформлении. На АЧХ появляется резонансный выброс и перегиб фазы в этой области приобретает большую крутизну. Это, в принципе, может дать бонус при работе с ЭМОС - повысить глубину ООС на резонансной частоте и увеличить КПД системы.
Кроме того, под управлением ИТУН, исчезает спад АЧХ, вызванный наличием индуктивности ЗК - L1, что может положительно сказаться на устойчивости системы с ЭМОС на СЧ за счет меньшего фазового сдвига в системе.
Пишем статью/FAQ по Э_ОС
Сообщение от Carbon
- по ускорению.
Вот в таком ключе (просто, буквально на пальцах) хорошо бы в статье на эту тему. Как, например, у классиков Хоровица и Хилла. Минимум практических правил, которые нужно знать наизусть, и как ими пользоваться на практике при построении Э_ОС. Чувствуется, что не все свободно ориентируются в этом, а интерес есть.
. 
Социальные закладки