Активный сабвуфер своими руками: фильтр и мощность канала
Сабвуфер из усилителя, динамика и фильтра низких частот. Фильтр считается за минуту, а вот частоту среза и мощность канала придётся подбирать под комнату и основные колонки.
Содержание
Активный сабвуфер состоит из фильтра низких частот, усилителя мощности и динамика в закрытом ящике. Частоту среза обычно ставят около 80 Гц (диапазон 60–120 Гц). Фильтр второго порядка на сдвоенном операционном усилителе даёт спад 12 дБ на октаву, а мощность канала считают по формуле P = U² / (2 · R).
Фильтр считается за минуту. Частоту среза, объём ящика и мощность придётся подбирать под комнату и основные колонки.
Сабвуфер берёт на себя нижние басы, которые маленькие основные колонки воспроизвести не могут. Для этого между источником и усилителем ставится фильтр, который пропускает только низ.
Ниже — из чего состоит сабвуфер, как выбрать частоту среза, рассчитать фильтр и объём ящика, оценить мощность канала и наладить систему.
Из чего состоит
Сигнал идёт по цепочке: основной усилитель или предусилитель, суммирование каналов в моно, фильтр низких частот (ФНЧ), регулировка громкости, усилитель мощности, динамик в ящике. Мы собираем фильтр и выбираем усилитель; ящик считается по параметрам динамика.
Суммирование делают на отдельном каскаде или повторителях: сопротивление источника, прибавленное к резистору фильтра, сдвигает частоту среза.
Частота среза
Типичная область — от 60 до 120 Гц, а точное значение зависит от основных колонок. Правило такое: срез сабвуфера должен лежать там, где основные колонки начинают сдавать. Если они ровно играют от 80 Гц, ставьте срез 80–100 Гц и подгоняйте на слух.
Значение 80 Гц — стандартная отправная точка в домашних кинотеатрах: по описанию Sound & Vision его придерживается и THX. Ниже этой частоты источник звука на слух определить трудно, а выше сабвуфер начинает «выдавать» своё положение в комнате.
Для больших напольных колонок срез ставят ниже, для малых полочных — выше.
Фильтр второго порядка
Подходящая схема — активный ФНЧ по Саллену–Ки (Sallen–Key) на операционном усилителе, включённом повторителем. Для характеристики Баттерворта (добротность Q ≈ 0,71) при равных резисторах R номиналы такие:
- C₂ (на землю) = 0,707 / (2π · f · R);
- C₁ (в цепи обратной связи) = 1,414 / (2π · f · R).
Пример для f = 80 Гц и R = 10 кОм: C₂ ≈ 141 нФ, C₁ ≈ 281 нФ. Ближайшие стандартные значения 150 нФ и 270 нФ дают частоту среза около 79 Гц и добротность около 0,67.
Проверка: f₀ = 1 / (2π · R · √(C₁ · C₂)) = 1 / (2π · 10 000 · √(270 нФ · 150 нФ)) ≈ 79 Гц, Q = ½ · √(C₁ / C₂) = ½ · √1,8 ≈ 0,67. Отличие от идеала невелико.
Общие формулы RC-цепей проверяйте в калькуляторе RC-фильтра. Подробнее о разделении полос — в материале расчёт кроссовера для акустики.
Объём закрытого ящика
Объём считают по параметрам динамика Тиля–Смолла из его паспорта: резонансной частоте Fs, полной добротности Qts и эквивалентному объёму Vas. Для закрытого ящика с желаемой добротностью Qtc:
- Vb = Vas / ((Qtc / Qts)² − 1);
- Fc = Fs · Qtc / Qts.
Значение Qtc = 0,707 даёт самую ровную характеристику без подъёма; при нём частота среза ящика на −3 дБ совпадает с Fc.
Пример (условный): динамик с Vas = 100 л, Qts = 0,4, Fs = 30 Гц. Тогда (0,707 / 0,4)² ≈ 3,12, Vb = 100 / 2,12 ≈ 47 л, Fc = 30 · 0,707 / 0,4 ≈ 53 Гц. Реальные значения берите из паспорта своего динамика, а к расчётному объёму добавляйте место под детали внутри ящика.
Мощность канала
Мощность усилителя определяется не только динамиком, но и комнатой и основными колонками. Для небольшой комнаты хватает нескольких десятков ватт: удвоение мощности добавляет всего 3 дБ, подробнее — в статье децибелы в паспорте усилителя.
Максимальную мощность синусоидального сигнала на нагрузке R оценивают по размаху: P = U² / (2 · R), где U — амплитуда выходного напряжения. Пример (условный): питание ±25 В, потери в выходном каскаде 3 В, нагрузка 4 Ом: U = 22 В, P = 22² / (2 · 4) ≈ 60 Вт.
- Не больше, чем держит динамик.Сверяйте номинальную мощность и сопротивление динамика с паспортом.
- Микросхемные усилители.Подойдёт усилитель 2×60 Вт на LM4780 в мостовом включении или канал на TDA2030A для малой мощности; радиатор и питание смотрите в их статьях.
- Блок питания с запасом.Басовые ноты потребляют заметный ток, и «впритык» усилитель ограничивает пики.
- Мощность — это не громкость.Громкость определяется чувствительностью динамика и ящика, а не только ваттами.
Мощность, указанную в паспорте, всегда читайте вместе с условиями: напряжение питания, нагрузка и допустимые искажения.
Сборка и наладка
Собирайте по шагам и проверяйте результат на каждом.
- Соберите фильтр на макетной плате.Подайте тестовый сигнал от генератора или телефона и убедитесь мультиметром и осциллографом, что выше среза сигнал падает.
- Соедините фильтр с усилителем.Регулятор громкости поставьте на минимум.
- Подключите динамик в ящике.Питание включайте при отключённом сигнале.
- Выставьте срез и громкость по основным колонкам.Басы должны плавно «подстилаться», а не выделяться отдельным гулом.
- Подберите фазу.Если басы пропадают на стыке с колонками, переверните подключение динамика сабвуфера.
Сначала прослушайте знакомую запись, где бас идёт ровной линией, а не ударами: так проще услышать провал на стыке.
Типовые ошибки
- Подключение динамика при включённом питании усилителя.Щелчки и риск для динамика.
- Слишком высокая частота среза.Сабвуфер «бубнит» и выдаёт своё положение в комнате.
- Нет суммирования каналов.Фильтр получает только один канал.
- Ящик «на глаз».Сабвуфер хрипит, а не играет; объём считают по Vas и Qts.
- Блок питания «впритык».На пиках басов усилитель ограничивает сигнал.
- Усилитель без радиатора.Перегрев и срабатывание защиты.
Что в итоге
Подходит: небольшая система, которой не хватает баса, и вы готовы собрать фильтр, рассчитать ящик и подобрать усилитель. Не подходит: серьёзный домашний кинотеатр, где проще взять готовый активный сабвуфер.
Главное — частота среза, ящик и фаза, а не гонка за ваттами.
Частые вопросы
На какой частоте ставить срез сабвуфера?
Отправная точка — 80 Гц, диапазон 60–120 Гц. Ориентируйтесь на нижнюю границу основных колонок: срез ставят там, где они начинают сдавать.
В российских квартирах из-за тонких стен лучше не поднимать срез и громкость выше нужного: низкие частоты хорошо передаются соседям.
Какого объёма делать закрытый ящик?
Объём считают по параметрам динамика: Vb = Vas / ((Qtc / Qts)² − 1). Для Qtc = 0,707 и динамика с Vas = 100 л и Qts = 0,4 получается около 47 л (пример условный).
Берите значения Vas и Qts из паспорта своего динамика.
Сколько ватт нужно сабвуферу?
Для небольшой комнаты хватает нескольких десятков ватт. Расчёт: P = U² / (2 · R) для амплитуды U на нагрузке R.
Для питания ±25 В и динамика 4 Ом получается около 60 Вт. Мощность усилителя не должна превышать допустимую для динамика.
Можно ли использовать готовую микросхему вместо отдельного усилителя?
Да: для малой мощности подходит канал на TDA2030A, для большой — мостовое включение LM4780. Радиатор и питание смотрите в статьях о них.
Готовые модули усилителей продаются в российских магазинах радиодеталей; сверяйте в описании питание и сопротивление нагрузки.
Что делать, если басы пропадают на стыке с колонками?
Переверните подключение динамика сабвуфера (поменяйте провода местами). Если после этого басы стали сильнее — фаза была противоположной.
Сравнивайте на знакомой записи с ровной басовой линией.
Калькуляторы для акустики
Что понадобится
| Обозначение | Номинал | Тип | Кол-во |
|---|---|---|---|
| — | Сдвоенный операционный усилитель | питание по даташиту выбранной модели | 1 |
| R1, R2 | 10 кОм | резисторы фильтра, 1 % | 2 |
| C1 | 270 нФ | плёночный, в цепи обратной связи | 1 |
| C2 | 150 нФ | плёночный, на землю | 1 |
| — | Усилитель мощности | готовый модуль или микросхема из наших материалов | 1 |
| — | НЧ-динамик в закрытом корпусе | подбирается по корпусу | 1 |
| — | Блок питания | по току усилителя, с запасом | 1 |
