Динамики и интеллектуальные усилители: всё, что касается нижних частот

Расселл Крейн (Russell Crane), Метью Кучич (Matthew Kucic)

Интеллектуальные усилители могут улучшить ваше звуковое решение по сравнению со стандартными усилителями класса D.

Помните те времена, когда вы соединяли две консервные банки, чтобы сделать телефон? К сожалению, звук сотового телефона может быть таким же, какой издают эти две консервные банки, из-за миниатюризации устройств, включая динамики. Если только за последние пару лет вы не довели свой телефон до уровня экстра-класса, вы знаете, что использование громкоговорителя для прослушивания речи или аудиозаписей может быть достаточно мучительным. Это происходит потому, что изготовители телефонных трубок не слишком торопились сделать качество звука в телефонных трубках решающей характеристикой, и в настоящее время этот звук содержит мало низкочастотных составляющих, обычно называемых басами.

Теперь положение меняется — благодаря технологии, которую мы называем интеллектуальными (или «умными») усилителями, которые могут безопасно и своевременно подводить усилитель к пределу его возможностей. Контролируя работу громкоговорителя при воспроизведении музыки и применяя усовершенствованные алгоритмы, интеллектуальные усилители позволяют извлекать широкий спектр звуков из микродинамика сотового телефона безо всякого вреда для ваших ушей.

Что сегодня находится в динамике?

Прежде чем обсуждать, как работают интеллектуальные усилители, важно понять, что представляет собой ключевой элемент в цепи прохождения аудиосигнала — динамик. Независимо от усилителя, если динамик сконструирован плохо, никакая обработка и никакое усиление аудиосигналов не смогут компенсировать его недостатков. Это будет всё равно, что заправлять ракетным топливом двигатель газонокосилки — масса мощности и никакой возможности ее использовать. Однако если начать с приемлемого двигателя, добавление интеллектуального усилителя будет подобно добавлению турбонаддува, чтобы, не теряя управления, вывести двигатель на предельные возможности.

Конструктивно динамики состоят из рамы, магнита, звуковой катушки и мембраны (рисунок 1). Электрический ток проходит через звуковую катушку, что приводит к ее намагничиванию и как результат — к взаимодействию со стационарным магнитом динамика. Этот «электродвигатель» заставляет прикрепленную к катушке мембрану подниматься и опускаться и порождать звуковые волны, которые действительно можно услышать. Мы называем движение мембраны ее ходом, и этот ход имеет пределы. При превышении пределов хода могут возникнуть слышимые искажения. В исключительных случаях поврежденный динамик может стать причиной отказа всего устройства. В традиционных усилителях для ограничения хода используется простейший эквалайзер (EQ). Однако в смысле защиты по всем вариациям динамиков, режимам работы и аудиосигналам эти устройства в целом консервативны, ибо не дают возможности «продвинуть» динамик к его истинному пределу.

 Анатомия динамика

Рисунок 1. Анатомия динамика

Вторая проблема с динамиками заключается в том, что по мере прохождения тока через звуковую катушку энергия преобразуется в тепло вместо звука. Стоит слишком сильно нагрузить динамик, и это нагревание может повредить звуковую катушку, расплавив лак на проводе катушки. По мере того как звуковая катушка нагревается энергией, подаваемой усилителем, она должна охлаждаться сквозь магнит, передавая тепло окружающим деталям конструкции. В традиционных усилителях максимальная мощность ограничивается до величины, при непрерывной подаче которой динамик не будет повреждаться. Максимальная величина мощности должна предусматривать все вариации динамиков, режимов работы и сигналов. Поэтому эта величина обычно меньше того значения мощности, с которым может справиться динамик, и вследствие этого является заниженной.

Чем обеспечивается интеллектуальность усилителя?

Как можно извлечь максимальный уровень звукового давления (SPL) из определенного динамика и одновременно гарантировать его безопасную работу? Нужно использовать интеллектуальный усилитель. Звуковой сигнал характеризуется отношением пикового значения к среднему (PAR), что позволяет пропускать моментальные пики, поддерживая средние безопасные уровни. Интеллектуальные усилители подразделяются на две категории. К первой относятся усилители с прямой связью, в этой категории создаются модели динамиков, и через эти модели пропускается аудиосигнал для прогнозирования поведения динамика. Прямая связь имеет тенденцию хорошо работать с более крупными динамиками, в которых вариации меньше и функционирование более линейное. Но, даже имея дело с крупными динамиками, мы должны учитывать вариации параметров динамиков в запасе по усилению — ведь динамическая система может временно продвинуть динамики к предельным значениям, чтобы издать громкий звук.

Микродинамики, обычно используемые в смартфонах, требуют более совершенного интеллектуального усилителя, — это вторая категория, — к которой относятся интеллектуальные усилители с обратной связью, где к цифро-аналоговому преобразователю (DAC) и простейшему решению класса D с прямой связью добавляется контроль тока и напряжения (IV). Этот IV-контроль позволяет напрямую измерять температуру звуковой катушки динамика и обнаруживать изменения в динамике, вызванные варьированием параметров изделий, температуры окружающего воздуха и нагрузки на динамик (например, если положить руку на отверстие динамика). Эта информация позволяет алгоритму извлекать из динамика дополнительный SPL, который иначе был бы потерян вследствие ограничения выхода для покрытия этих вариаций.

Чтобы воспользоваться информацией контроля напряжения и тока, интеллектуальным усилителям нужен процессор (предпочтительно процессор цифрового сигнала, или DSP) для анализа этих данных и применения сложных алгоритмов, чтобы обеспечить оптимальные характеристики и звук, одновременно поддерживая безопасный режим работы динамика. Интеллектуальные усилители могут быть с интегрированными DSP или без таковых, а также соответствовать ожиданиям разработчика по стоимости, времени от начала разработки до выпуска на рынок и по рабочим характеристикам.

Получение представления о своем динамике

Имея базовое понимание того, как динамики и интеллектуальные усилители работают совместно для обеспечения более качественного звука при более высоких громкостях, можно обсудить способ вывода на рынок своего изделия с помощью этой технологии. Первый шаг — создание характеристики динамика, которая оценивала бы различные аспекты этого конкретного динамика для установления его предельных возможностей. Для того чтобы получить от динамика звук наибольшей громкости и самого высокого качества, не повредив его, эти пределы должны быть полностью понятны. Выполните детальные измерения, чтобы разработать точную модель динамика. Одним из способов сделать это является использование PurePath Console 3 (PPC3) Texas Instruments (TI) вместе с сопутствующей ознакомительной платой; данная комбинация позволяет выполнить эти измерения с помощью простой в исполнении процедуры.

В число этих измерений входят, в частности, системные проверки, характеристика хода (перемещения), тепловая характеристика и измерения SPL. Несмотря на то, что определение хода можно выполнить с использованием параметров из листа технических данных динамика, более точным методом является использование лазерного датчика смещения для измерения хода и извлечения нужных параметров. Ознакомительная плата интеллектуального усилителя от корпорации TI позволяет инженерам легко получать характеристики динамиков, обеспечивая весь нужный сбор информации с помощью лазера, а также микрофона для измерений SPL. По завершении измерений пользователи могут быстро просмотреть различные графики измеренных данных, включая ход в зависимости от частоты и пределы безопасной рабочей зоны.

PPC3 от корпорации TI может упростить процесс настройки. Данный набор новейших инструментов автоматически объединяет низкочастотные измерения импеданса с высокочастотными измерениями сигнала с микрофона. Тем самым выполняется достоверное полночастотное измерение SPL, позволяющее начать настройку. Область низкочастотных басов можно быстро настроить для улучшения их звучания, легко выбирая различные выравнивающие фильтры и позволяя программному обеспечению автоматически генерировать нужные компенсационные фильтры. Интеллектуальный усилитель динамически регулирует эти фильтры для достижения максимума низкочастотной составляющей без превышения пределов хода. Затем с помощью SmartEQ можно легко выполнить озвучивание динамиков. Пользователь может просто указать целевую кривую EQ, и PPC3 рассчитает необходимые фильтры для того, чтобы адаптировать характеристику SPL динамиков к целевой EQ. Инструмент выполняет все математические расчёты, позволяющие инженеру-акустику быстро получить результаты без ограничений, обычно обнаруживаемых в конкурирующих решениях EQ.

Сведение воедино всех результатов

Закончив определение характеристик динамика и точную настройку проекта, важно обеспечить, чтобы выбранные вами варианты могли безопасно и надёжно работать в большой выборке динамиков. Испытания надёжности являются важным шагом перед передачей изделия на сборочную линию. Неизменно и независимо от изготовителя динамиков между экземплярами динамиков всегда есть различие. Несмотря на то, что настройка представляется достаточно надёжной и укладывающейся в безопасные эксплуатационные ограничения, динамики из следующих партий могут оказаться не такими надёжными, как целевой объект, с которым вы работали на всех предыдущих этапах. Во время испытаний на долговечность рекомендуется взять выборку динамиков большего объёма. В этой выборке должно быть хотя бы 20 динамиков, которые следует подвергать испытанию в течение более длительного времени и в диапазоне экстремальных температур, чтобы имитировать ожидаемые условия их использования заказчиком. Используйте результаты испытаний для корректировки окончательных параметров области безопасной работы.

Если вы используете интеллектуальный усилитель TAS2555 производства Texas Instruments, вам не нужно встраивать задание последовательности действий и настройки в хост-процессор, поскольку DSP-процессор полностью интегрирован в данный интеллектуальный усилитель. Это значительно сокращает время разработки программного обеспечения. Кроме того, если ваш основной процессор модернизируется или заменяется, не нужно снова встраивать в него задание последовательности и настройки.

При переходе на производственную линию можно реализовать быстродействующую и надёжную программу испытаний, чтобы обеспечить соответствие конечного продукта параметрам, заданным во время разработки. Программное обеспечение производственной линии может помочь в отбраковке динамиков, обеспечивая их нахождение в заранее заданных пределах и подтверждая отсутствие повреждений во время сборки. Дополнительно можно измерить и сохранить различия между динамиками по импедансу. Этот шаг гарантирует, что можно использовать весь запас по температуре для каждого динамика.