Добрый день, уважаемые радиолюбители.
Сегодня мы хотели бы поделиться с вами конструкцией лабораторного стенда, предназначенного для практического изучения некоторых особенностей восприятия звука человеком. Итак, сегодня мы расскажем вам о стенде Звучание.
Описываемый в данной статье стенд позволяет исследовать бинауральный слух в широком диапазоне частот (в частности способность определять направление на источник звука по сдвигу фаз между сигналами, приходящими к правому и левому уху); эффект маскирования и демаскирования звуков; влияние спектральных составляющих на восприятие звука; кривые порога слышимости и равной громкости для сложных сигналов в широком диапазоне частот; зависимость высоты звука от его интенсивности и пр.[1, 2].
Физически лабораторный стенд состоит из двух идентичных каналов, подключаемых, соответственно, к правому и левому каналу наушников. В связи с этим рассмотрим работу только одного канала стенда. Его схема электрическая принципиальная представлена на рисунке ниже.
За основу была взята схема генератора, описанная в журнале Радио [3] с изменением режима работы и дополнением отдельными вспомогательными каскадами для получения необходимого результата.
Фактически на операционном усилителе DA1.1; конденсаторах С2, С4, С6; резисторах R1-R4 реализован регулируемый фазовращатель. С выхода фазовращателя сигнал поступает на эмиттерный повторитель, реализованный на транзисторе VT1. Эмиттерный повторитель необходим для нормальной работы цепи стабилизации амплитуды сигнала, состоящей из ламп накаливания Ла1-Ла3 и резистора R10. Данная цепь нужна для стабилизации амплитуды сигнала при изменении температуры окружающей среды, температуры компонентов и пр.
На операционном усилителе DA1.2, резисторах R11-R13, конденсаторе С13 реализован инвертирующий усилитель. Его основное назначение — обеспечение необходимого коэффициента усиления для выполнения условия баланса амплитуд в описываемом генераторе. Коэффициент усиления данного усилителя определяется соотношением резисторов R13 и R11.
R12, C13 – цепь, необходимая для компенсации паразитных фазовых сдвигов на высокочастотном диапазоне. Данная цепь позволяет сохранить линейность регулировки частоты в зависимости от угла поворота резистора R3 (регулятор Частота).
Цепь R9, С12 – частотная коррекция. Она необходима для компенсации подъема АЧХ, вызванного введением корректирующей цепи R12, C13.
Баланс фаз же выполняется благодаря фазовому сдвигу фазовращателя на операционном усилителе DA1.1; фазовому сдвигу инвертирующего усилителя на операционном усилителе DA1.2; а также цепочки, состоящей из конденсаторов С1, С3, С5 и входного сопротивления фазовращателя на операционном усилителе DA1.1.
Генератор имеет 3 поддиапазона. Переключение между поддиапазонами осуществляется путём изменения положения перемычки X1. В случае необходимости на переднюю панель стенда можно вывести, например, галетный переключатель, либо реализовать переключение при помощи миниатюрных реле.
С выхода генератора сигнал поступает на переменный резистор R14, необходимый для установки амплитуды сигнала на выходе лабораторного стенда (регулятор Амплитуда). С выхода переменного резистора сигнал поступает на вход регулируемого фазовращателя, реализованного на операционном усилителе DA2.1; резисторах R15-R17, а также конденсаторе С14. Благодаря применению дополнительного фазовращателя стало возможно изменять форму выходного сигнала в широких пределах (регулятор Фаза).
С выхода фазовращателя сигнал поступает на вход буферного усилителя, выполненного на операционном усилителе DA2.2. Фактически данный буферный усилителя представляет из себя повторитель сигнала. Буферный усилитель необходим для согласования выходного сопротивления фазовращателя с сопротивлением наушников. С выхода буферного усилителя, через разделительный конденсатор С16 сигнал поступает на один из каналов наушников. В качестве наушников рекомендуется применять высокоомные наушники (с сопротивлением более 100 Ом).
Режим работы узлов генератора выбран так, чтобы форма выходного сигнала была прямоугольной. На первой осциллограмме в подборке фото ниже показана форма сигнала на эмиттере транзистора VT1 при нормальной работе генератора. На осциллограммах 2-4 показана форма сигнала на выходе генератора при разном положении движка резистора R17 (Фаза).
Конденсаторы С7, С8, С9, С10 – дополнительный фильтр питания одного канала лабораторного стенда.
Подстроечные резисторы R1, R2 необходимы для точной установки крайних частот диапазонов стенда.
Настройка и налаживание генератора не представляет сложности.
Во-первых, при выборе комплекта радиодеталей для сборки необходимо как можно точнее подобрать между собой пары конденсаторов С1-С2, С3-С4, С5-С6. При указанных на схеме номиналах частота выходного сигнала на первом поддиапазоне будет лежать в диапазоне от 30 Гц до 80 Гц, на втором поддиапазоне от 280 Гц до 730 Гц, а на третьем поддиапазоне от 3 кГц до 7 кГц. Таким образом, коэффициент перекрытия по частоте для приведённых диапазонов лежит в районе 2.6 раз. Для изменения средней частоты диапазона необходимо изменить номиналы соответствующих пар конденсаторов.
Во-вторых, сопротивление резистора R10 необходимо выбрать таким, чтобы при работе генератора нить ламп накаливания Ла1-Ла3 лишь незначительно светилась. Только в таком режиме осуществляется нормальная работа цепи стабилизации амплитуды сигнала.
В-третьих, для питания генераторов необходимо использовать двухполярный стабилизированный источник питания с напряжением +/- 15 Вольт. Правильно собранный стенд начинает работать сразу после подачи напряжения питания.
В-четвёртых, на рисунках ниже представлен сборочный чертёж печатного узла одного канала лабораторного стенда (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на втором рисунке указано только расположение компонентов схемы).
Тут следует отметить, что компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка. При этом сборочный чертеж нарисован так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке микросхем, а также полярных конденсаторов и транзистора VT1. В файле zv-1.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6, а также схема электрическая принципиальная в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления каналов стенда.
На фото ниже представлен внешний вид собранных каналов лабораторного стенда без источника питания.
Данный лабораторный стенд был представлен на международной научно-практической конференции школьников Политех-2023.
А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей Савченко, Маргарита Карлова.
Список использованной литературы:
1. И. Алдошина, Р. Приттс. Музыкальная акустика. Учебник.-СПб.: Композитор Санкт-Петербург, 2006.-720с.
2. И. Алдошина. Основы психоакустики (подборка статей).
3. Е. Невструев. Генератор сигналов ЗЧ. Журнал Радио, №5, 1989 год, стр. 67-69.