Доработки штатной головы Мазда3. : Активная двухполоска и Мазда3

Сейчас я немного расскажу о доработке штатной головы Мазда3, 2009 года выпуска, № 14793606, с встраиванием в голову активных фильтров и собственно построение на их основе двухполосной поканальной системы.

Моя задача твикнуть голову, впихнуть туда активные фильтра, а Роста, как директора студии "Старый трамвай" выполнить инсталляцию в автомобиль, как-то: виброшумку, изготовление подиумов и выставление динамиков, силовая проводка, подиум под усилитель... и всего остального, чтобы это все выглядело красиво и настроить, чтобы это все играло. Хоть сама инсталляция и занимает много сил и времени, но в данном случае она не будет подробно описываться, а статья написана для того, чтобы обратить внимание именно на использование активных комплементарных фазолинейных двухполосных (кому надо, может сделать и трехполосные) фильтров на интеграторах, которые по сути дела можно применять в любой инсталляции и в любой машине, а не только в привязке к Мазде. Подобная печатная плата с активными фильтрами без всяких изменений спокойно подойдет практически ко всем Маздам (2,3,5,6,7,8), а также может работать совершенно автономно, надо только впихнуть ее в какую-то коробочку, желательно металлическую для лучшей экранировки от внешних наводок.

Поступаю как всегда - я все подробно рассказываю, выдаю все данные и описываю в теме, отвечаю на все вопросы, но второй раз этого делать не буду – есть еще много других задумок, которые я потихоньку делаю…

Думаю, что найдутся радиоаматоры, которые учтя опыт, описанный ниже, сделают подобные платки промышленно (лучше двухсторонние) или сами и если кому надо, то их где-то потом можно будет приобрести и спаянные и неспаянные....

Как бы мы от этого не уворачивались, но построение именно качественного звука как в домашке, так и в автомобиле постоянно упирается в линейность фазы сигнала. Если в ресиверах и усилителях изменение фазы в диапазоне звукового сигнала происходит плавно, то в пассивных кроссоверах на частотах раздела это происходит довольно таки круто и сразу резко на 90*N градусов, где N - это порядок фильтров.

(Сам я в этом деле не сильно умный - это и дальше переписано с разных книг и статей).

В разных участках диапазона слышимых частот человеческий слух использует разные способы определения направления на источник звука.

В границах диапазона от 350 до 2000 Гц все определяется размерами головы человека (а точнее - расстоянием между ушными раковинами) и здесь преобладает фазовый механизм восприятия, основанный на разности расстояний между источником звука и ушами. "Противное" ухо на этих частотах оказывается наиболее чувствительным ко всякого рода фазовым и временным изъянам.

С трехполоской вообще отдельная тема - я пока хочу остановиться на двухполоске, где частоты раздела НЧ и ВЧ явно не попадают в этот диапазон, но в любом случае для всех систем всегда приветствуются применение фазолинейных фильтров. Это позволяет исключить "размытость" сцены и повысить точность локализации кажущихся источников сигнала, "особенно" при пространственно разнесенных НЧ и СЧ излучателях.

С домашкой как бы более-менее ясно - многие топовые акустические системы (АС) изначально создаются на концепции фазокогерентного источника звука (Coherent Source) или хотя бы по кроссам видно, что применялся фазовый метод расчета разделительных фильтров акустических систем. Также не забываем про подход к созданию многополосных АС с минимально-фазовыми характеристиками... и т.д. и т.п.

И совершенно с твердой уверенностью могу сказать, что в основной массе акустических бюджетных автомобильных компонентных систем за фазовыми характеристиками на стыке полос при разработке вообще не следят, уделяя внимание лишь АЧХ да характеристической чувствительности, декларируемым в технических данных, так как опять же в основной своей массе - миды просто прикручиваются не только в передние двери, но и в задние, а твитера вешаются в удобном месте... ни о какой сцене речь вообще не идет - так нафиг производителю вообще заморачиваться с какой-то фазой на стыках!!!!

Да и с самими динамиками не так все красиво... по отрывочным сведениям в инете - у приличного динамика неоднородность ФЧХ составляет порядка +/-20 градусов, что считается для реальных условий просто отлично..... я так понимаю, что у бюджетных динамиков эта величина горааааздо больше....

Не вдаваясь сильно в теорию звука и практических решений, скажу, что некоторые производители настолько тщательно корректируют фазовые сдвиги в зонах сопряжения полос тем или иным способом, что поворот фазы у АС по всей полосе частот не превышает ±10º (ясно пень, что здесь идет речь о АС стоимость которых начинается от 10 тысяч енотов), причем такое значение считается блестящим значением.

В автомобиле все гораздо сложнее из-за сильной разнесённости в пространстве динамиков и неодинакового расстояния до слушателя.

Говорить про пассивные кроссовера также не буду - как говорят бывалые инсталляторщики, для того, чтобы понять преимущества активной фильтрации, достаточно только один раз самому сделать правильные пассивные фильтры... про процессорные системы тоже, пусть их слушают кому это нравится.

Как теперь становится ясно, что речь пойдет именно о активной фильтрации и именно о максимально фазолинейном тракте и далее мы рассмотрим на примере конкретной инсталляции, что из этого получилось.

теперь остановимся на выборе типа активных фильтров (не очень хотелось повторяться по теории, но для полноты как бы надо):

В промышленных конструкциях активных кроссоверов наибольшее распространение получили построенные на повторителях фильтры Баттерворта, Бесселя и Саллена-Ки.

Фильтры Бесселя обладают самой гладкой фазовой характеристикой (как у одиночной RC-цепи), но суммарная АЧХ имеет провал величиной 3 дБ на частоте раздела.

Фильтры Баттерворта обеспечивают плоскую суммарную АЧХ, но их фазовая характеристика более крутая.

Наконец, фильтры Саллена-Ки (равнокомпонентные фильтры) очень удобны в серийном производстве, поскольку (как следует из названия) для них требуются детали одинаковых номиналов и с большим допустимым отклонением, чего нельзя сказать о фильтрах Баттерворта и Бесселя, требующих точных деталей

Однако фазовая и частотная характеристики равнокомпонентных фильтров самые худшие, поэтому их используют только в бюджетных моделях.

Достаточно много есть схем фазолинейных активных кроссоверов, типа на ФНЧ Бесселя и фазокорректоре Делияниса ( кроссовер Питера Ласки).... и так далее, но, как правило, это сложные и в расчетах и настройках, много ОУ, точных резисторов и конденсаторов.

В значительной степени свободен от перечисленных выше недостатков способ построения разделительных фильтров с применением так называемых комплементарных фильтров.... и наилучшие характеристики имеет разделительный фильтр на интеграторах, который из-за особенностей своего построения также является комплементарным фильтром и поэтому обладает всеми его достоинствами. Кроме этого, такой фильтр характеризуется высокой устойчивостью, низкой чувствительностью параметров фильтра к точности элементов, очень высокой идентичностью характеристик НЧ и ВЧ звеньев, ровной суммарной АЧХ и, наконец, простотой расчета частоты среза фильтра и небольшим количеством активных и пассивных элементов и что особенно радует - нет разделительных конденсаторов... во многих случаях можно избавится и от выходных разделительных емкостей в ресивере и входных в усилителе вплоть до выходного каскада УМ, что еще более линеаризует общую фазолинейность общего звукового тракта.

http://www.acousticmaster.com.ua/pages/art_88

Вот именно на таком фильтре мы и остановимся.

Для желающих более подробно изучить этот вопрос, просьба по ключевым словам (фазолинейные фильтра, фазокогерентные фильтра, комплементарные фильтра и т. д.) в поиске найти соответствующие форумы и темы....

Я уже писал о таком фильтре и о его практической реализации в автономном исполнении:

http://halin-af.blogspot.com/

Не так он прост, как кажется с первого взгляда, хотя бы даже из-за того, что требуется, как показал опыт, динамики, которые могут работать от частоты среза ниже/выше на 1,5-2 октавы (что в общем-то не очень большая проблема), также требуется подбор конкретного типа ОУ, которые будут работать в сумматоре и в интеграторах.....

Сразу скажу, что у меня получился пока самый лучший результат по общему тональному балансу и нейтральности звучания - это пара LM4562 и AD8066, как для бюджета можно смело ставить обе NE5532.

Немного об остальных ОУ, то что запечатлелось в памяти:

обе AD823 - сильное ослабление энергетики сигнала в НЧ/СЧ диапазоне

ОРА2132, ОРА2134, ОРА2604, JRC4580, JRC2068 в интегратор - плохие и резкие ВЧ, некоторые проблемы в СЧ.

две AD826 - может быть, но как-то слишком просветленно на СЧ/ВЧ...

LT1469, LT1364, LM833 и много-много других вариантов с вышеперечисленными ОУ - что-то промежуточное, и, наверное, каждый должен выбрать то, что ему больше понравится по звучанию с конкретным усилителем и конкретными динамиками.

Конденсаторы в цепях обратной связи слышно, самое лучшее, что звучит нейтрально - это ФТ, Эпкосы, неплохо К73-17....в любом случае лучше ставить пленку (а не керамику), хотя бы Wima FKP2 .

Перегрузочная способность - больше двух вольт среднего входного сигнала (при питании +/- 12 вольт) на такой фильтр лучше не подавать - иначе первый интегратор входит в клип... ну вот, пожалуй, и все самое главное об этом фильтре.

Теперь вернемся к автомобилю Мазда3, 2009 года выпуска.

В качестве источника звука будем использовать доработанное головное устройство, номер 14793606 .

Не совсем в данном случае идеальный вариант, так как голова внутри запитана однополярным питанием и никуда не денешься от разделительных электролитических конденсаторов, которых в данном случае стоит 4 штуки на канал (с ЦАПа СД привода до выхода сигнала с аудиопроцессора (АП)), но с другой стороны в любом ресивере разделительных конденсаторов может стоять и гораздо больше и фазолинейность гораздо хуже....
Принципиальная схема активных фильтров вот такая:

АЧХ фото

Подробного объяснения здесь я думаю совсем не нужно, так как предназначения каскадов написаны на схеме. Размеры платы выбраны такими, чтобы спокойно разместиться в подвале головы, все регуляторы сгруппированы и вынесены в одну сторону для удобства регулировки в процессе наладки системы. Активный сабовый фильтр довольно стандартный, выполнен на одной счетверенной ОУ TL084 и также не требует пояснений.
Фото слоя:

Плата фото:

Спаянная плата фото:

Плата в подвале фото:

Голова в сборе:

С полным ремоутом сразу не получилось - с одной релюхой при выключении немного пукало, поэтому потребовалось добавить еще один каскад на реле (на схеме эти изменения уже внесены), чтобы он вначале отключал в первую очередь усилитель и потом с небольшой задержкой снималось питание с платы фильтров. Пришлось оформить его в виде дополнительной платки и разместить за СД приводом.

Остался, правда небольшой пучок в динамиках, когда заводится автомобиль при работающей голове (в это время с головы снимается АСС, а усилитель еще не успевает выключиться), но я уже примерно знаю как решить эту проблему, как точно это сделать напишу немного позже, когда машина еще раз приедет на установку саба.
По идее ремоут можно сделать в электронном виде без всяких релюшек, примерно так как, нарисовано на этой схеме, соответственно надо все эти изменения внести на печатную плату.

Все ОУ запитаны от ДС/ДС фирмы TRACO TMR1222 с двухполярным выходным напряжением +\-12 вольт и выходным током +\- 85 мА. Все ОУ на плате потребляют около +/- 60 мА, так что нужный режим ДС/ДС в 0,7 от ее максимальной мощности идеально обеспечен. Конденсаторы в цепи питания установлены ELNA Cerafine и компьютерные низкоимпедансные. Наводки по питанию от ДС/ДС получились около 10 мВ в размахе, что по сравнению с наводками по питанию в самой голове (в стоке 400-500 мВ), да и вообще по сравнению с любыми промышленными автоаудиоустройствами - можно считать идеальным вариантом.
При выборе ОУ в ФВЧ, фильтрах и выходных предварительных усилителях остановился на NE5532, применение других, более быстродействующих ОУ при прослушивании звука с головного устройства или не приводили к слышимым улучшениям в звуке, или наоборот - сильно проявляли недостатки АП по воспроизведению сигнала на ВЧ. Что хочу отметить - в данной голове примененный ЦАП в СД приводе более качественно и смачнее воспроизводит низкие частоты, чем в однодисковом СД приводе без МР3, косвенным подтверждением служит то факт, что если на выходе на фронтах в головах, где СД привод без МР3 на выходе АП стоят конденсаторы номиналом 56 нФ, то тут стоят 47 нФ (т.е. производителю пришлось пораньше срезать низкие частоты, чтобы не перегрузить штатные динамики низкими частотами).
Но есть и недостатки свойственные именно этому МР3 СД приводу - так как ЦАП находится внутри микропроцессора MN101C77ASB1 (который и декодирует сигнал скомпрессированный в МР3), и второй микропроцессор управляющий головкой и контролером двигателя и сам контролер двигателя LA6242 находится на одной малюсенькой плате и все запитывается одним и тем же напряжением (совершенно нет разделения на цифровое и аналоговое питание, то же самое относится и к землям), то все действия СД привода по перемещению головки, поиску дорожки, чтению диска - даже в стоке слышны в динамиках и естественно это все усиливается в десятки раз, когда начинает работать от внешнего усилителя в твитерах, что сильно раздражает при вставлении нового диска и ручном переключении дорожек (если привод читает дорожки сам друг за другом, то это совсем незаметно) ...
Фото СД привода:

Что можно было сделать для первого раза - это выпаять СМД электролиты около микропроцессора MN101C77ASB1 и контролера LA6242 номиналом 100,0*10 В (их ESR составляет 0,5-0,6 Ом на 100 кГц) и поставить компьютерные низкоимпедансные конденсаторы с самым низким ESR, который только удастся найти. Простое увеличение этих емкостей в два-три раза с ESR на уровне 0,2-0,3 Ом ничего не дает - все наводки также оставались хорошо слышимыми.
Такими у меня оказались конденсаторы Samwha серии WB (Ultra Low Impedance 105°C) номиналом 100,0*50 В - их ESR составляет 0,09-0,08 Ом. Также припаян отсутствующий блокировочный керамический конденсатор С903 емкостью 0,1 мкФ. Только после этого значительно снизились наводки с СД привода до удобоваримого низкого уровня, когда это еще слышно, но лишь только в случае, если уровень громкости установлен практически в максимальное значение,.... поэтому считаю, что результат придавления наводок достигнут и налицо, но бороться дальше особо не имеет смысла, так как придавить наводки совсем не удастся - надо разводить питание и земли между микропроцессором и контролером двигателя и головок... а это сделать на той маленькой плате практически невозможно......хотя еще можно попробовать вывести аналог с ЦАПа не по шлейфу, а отдельными экранированными коаксиальными проводничками, может это как-то кардинально исправит ситуацию....

Доработка самой главной платы штатного головного устройства практически по стандартному перечню твика головного устройства Мазд, в предварительный усилитель СД привода поставлен NE5532 и сюда еще добавил четыре дросселя, вместо которых на плате стоят перемычки.

Перечень работ на главной плате штатной головы:
1. Отключить питание на выходной усилитель (снять первую маленькую перемычку около выходного усилителя JC906)
2. Выпаиваем красненькие пленочные конденсаторы после АП (С249, 250, С253, 254).
3. Разделительные конденсаторы на выводах 3-2 и 21-20 АП (С229, 230) ставим 4,7 мкФ,
4. На 5-6 и 13-14 выводах АП (С227, С236, С228) выводах АП ставим 10 мкФ (USB Link), С235 не устанавливаем.
5. На 9-17 выводах АП (С251, 252) ставим 10 мкФ (вход CD),
6. На 26-27 и 24-25 выводах АП поставить (С241, 242, 243, 244) 220 нФ (фильтр НЧ), сдвиг на одну октаву вниз.
6. На 39 выводе АП (С256) поменять конденсатор на 100 мкФ.
7. На 1 и 44 выводах АП (С245 и С246) поставить 4,7 нФ (фильтр ВЧ), подъем ВЧ на октаву вверх.
8. Выпаять 2 резистора (R281 и R282) по 2,2 кОм, чтобы исключить работу тонкомпенсации на высоких частотах (эти резисторы висят на 2 и 20 выводах АП, один с одной стороны платы - второй с обратной стороны платы).
9. Добавить в тонкомпенсации на 4 и 12 выводах АП (С231 и С234) конденсаторы номиналом 82 нФ (чтобы общая сумма двух конденсаторов (С231, С233 и С232, С234 не превышала 180 нФ)( в этом варианте головы здесь не стоят как в предыдущих головах два конденсатора на общую сумму 100-110 нФ, а стоят только по одному (C232 и C233) по 100 нФ).
10. Увеличиваем конденсаторы по питанию АП и предвара на 470 мкФ C292 и C319 (голубенького цвета на фото)
11. Вместо резистора R234 номиналом 22 Ом устанавливаем дроссель 100 мкГн.
12. Устанавливаем 4 отсутствующих дросселя (вместо них на плате стоят перемычки) - L003, L004, L603, L604 номиналом 33-100 мкГн.
13. На все конденсаторы на плате, которые относятся к фильтрации по питанию 100,0, 220,0 и 470,0 мкФ, C413, C704 - прямо на их ножки дополнительно устанавливаем блокирующие керамические конденсаторы 0,1 мкФ.
14. Заменяем конденсатор по питанию СД привода на самый что низкоимпедансный номиналом 1000,0 мкФ (рядом с разъемом СД и около радиатора (записать номер не успел))
15. Заменяем в предварительном усилителе СД привода JRC4560 на NE5532.
16. Если не пользуемся RDS - выпаиваем L001 (немного гадит звук все время работающий генератор опорной частоты в LC72723)
17. Устанавливаем перемычки по дифвходу в АП, как это описано в теме про твики.

Обратная сторона платы:

Зеленым обведены выходы фронтов и тыла, синим - откуда берем землю (чуть вверху видна перемычка, чтобы получить землю в этом месте), желтыми полосками - перемычки для доработки по дифвходу (AUX или для Хкарлинка).
Вывод фронтов и тыла с главной платы головы на плату фильтров:

На поканалку для фронтов сразу планировался усилитель Helix А4, который также подвергся небольшому твику, повторяться не буду - вся необходимая информация здесь.

http://halin-kvd.blogspot.com/2013/05/helix-4-b2-b4.html

В любом случае надо планировать применение четырех каналов в полную полосу без включения внутренних фильтров усилителя, если таковые имеются. Естественно, что в поканалке, когда динамики подключены к усилителю напрямую - надо очень осторожно относиться к системе при наладке - все подключения межблочников выполнять только при выключенной системе... иначе любое дотрагивание к межблочнику твитеров... и твитер навсегда замолкнет. Можно конечно ставить самовосстанавливающиеся предохранители, лампочки - но это все на любителя.
Динамики Helix P206 Precision, Helix RS801 Competition. Как видно по железу - довольно все серьезно. Частота раздела выбрана 2200 Гц.
Силовые провода Одесса-кабель 16 мм кв., межблоки - плетеная косичка из моножильного провода с жилой диаметром 0,5 мм. Наводок никаких!!! Кстати, пробовали подкинуть межблочники DAKX 55 - я никакой разницы между межблоками не заметил.
Левый мид установился без всяких доворотов, правый с небольшим доворотом. Твитера на стояках направлены практически на водителя. Нет никаких привязок - ни к мидам, ни к твитерам. Для неопытного установщика практически мечта, а не установка бюджетной сцены!!!
В дальнейшем планируется еще один заезд к Росту в студию для изготовления стелса под саб с головкой Helix Р10 и с усилителем Стег....

Первоначальное прослушивание показало, что сцена с мидами сразу строится на уровне глаз, ширина сцены - по зеркалам заднего вида, глубина легко просматривается на середине капота, фокусировка выше всяких похвал. Сразу скажу, что мы с Ростом совсем не боялись, что этот активный фильтр что-то испортит, так как определенные эксперименты с таким фильтром мы уже проводили в его и моей машине. В целом с этим активным фильтром все звучит очень цельно, лучше и естественней выстраивается вокал, голос солиста собирается в точку, как и должно быть, особенно это заметно на солистах с низким голосом. Мидбас в отсутствии саба практически снизу даже и не подрезан (в смысле, что частота среза осталась по нижней границе регулировке входного ФВЧ - 30 Гц)- контроль мида усилителем великолепный, вплоть до максимальных мощностей - нет даже на намека на хлюпанье, гудеж и перегруз динамиков! Вот она - сила поканалки, плюс хорошая подготовка дверей!
Рост, конечно, очень пока осторожен в своих высказываниях, и сказал что-то подробнее скажет только после второй такой подобной инсталляции, так как пока, например, непонятно, зачем для лучшего сведения на правом миде пришлось ставить цепь Цобеля.... с одной стороны, это понятно: входное сопротивление усилителя, на которое нагружен активный фильтр постоянно, с другой стороны — не следует думать, что активная фильтрация решает все проблемы компенсации. Так, собственную, присущую любой намотке индуктивность звуковой катушки Lvc компенсировать полезно, хотя и говорят, что компенсация индуктивности портит звук на реальной музыке и вроде как Цобель, хоть и в довольно узком диапазоне частот, но все-таки изменяет фазу сигнала....
Я так думаю, что поскольку работа современных усилителей слабо зависит от импеданса нагрузки, здесь задача цепи Цобеля - подровнять фазовые характеристики динамика, в данном случае к которым Helix А4 оказался чувствительным.
Обязательно хочу уточнить, что здесь речь идет об желании получить идеальное сведение сцены, так как сцена в "обычном" хайфаевском понимании - получилась и гораздо лучше, чем при пассивных кроссоверах.
Возникла даже небольшая проблема - если при сведении сцены на пассивных кроссоверах как звучат твитера слышно очень хорошо, то сейчас твитера настолько сливались с мидами, что Росту пришлось напрячь весь свой замечательный слух, чтобы уловить и выбрать правильное направление твитеров.
Что меня больше всего порадовало при прослушивании - ну нет мидов в дверях, нет практически совсем!!!! весь звук слышно только впереди на уровне глаз!!!

Так что дерзайте, игра стоит свеч!

Успел немного сфотографировать инсталл, сделанный Ростом.
Собственно по твитерам и мидам все как обычно - практически сток: