Biamping or not biamping? (опыт реализации активного биампинга)

Признаюсь, для меня было открытием, что в русскоязычном интернете мало информации и примеров самостоятельной реализации биампинга. Скорее всего это объясняется тем, что активный биампинг требует доработки АС (обход встроенных пассивных фильтров, а на это не каждый согласится), дополнительных усилителей и активного кроссовера, который не так-то просто найти в свободной продаже. Между тем активный биампинг (мультиампинг) считается едва ли не mast have для систем hi-end уровня.
Из любопытства и заинтригованный отзывами любителей хорошего звука, я решил собрать активный 2-х полосный кроссовер с линейными АЧХ и ФЧХ.
Очевидно, что звучание системы с активным кроссовером лучше, чем АС с пассивным кроссовером. Это связано с тем, что исключается влияние переходных процессов и фазовых искажений, вносимых пассивными фильтрами.

Схема

Уточню, что под биампингом я подразумеваю полный биампинг, т.е. когда динамические головки подключены напрямую к выходам усилителей в обход пассивных фильтров АС (см. Рис. 1). При этом на вход усилителей сигнал подается через активный кроссовер, не искажающий результирующую ФЧХ и АЧХ.

Рис.1. Подключение компонентов системы при реализации биампинга.

Некоторые активные кроссоверы реализуются без учета линейности ФЧХ, т.е. на простых фильтрах Баттерворта 2,3 порядка, которые порождают фазовый сдвиг. В итоге это приводит к нарушению целостности звуковой картины. Реализаций активных кроссоверов, обладающих линейными ФЧХ/АЧХ не мало, но большинство из них требует большого количества деталей и точного подбора пассивных элементов.
Для эксперимента я выбрал одну из самых простых схем кроссовера, иначе ее называют - фильтр с постоянным уровнем (источник):

Рис 2. Схема активного кроссовера для одного канала (без блока питания)

Рис 3. АЧХ кроссовера (при сложении сигналов ВЧ и НЧ каналов получается гладка АЧХ)

Для моей акустики оптимальная частота радела равна 3500 Гц. Частота раздела полос вычисляется по формуле: F=1/(2πRC). По этой формуле легко подобрать R и С для требуемой частоты раздела F. Для упрощения подбора емкости конденсатора C (в зависимости от частоты F и сопротивления R) можно воспользоваться этим файлом, в котором меняя значение частоты и сопротивления в соответствующих полях можно автоматически рассчитать значение емкости конденсатора в пикофарадах.

Фазовый сдвиг сигналов на выходе фильтра равен 180 градусам. Твитер следует подключить к усилителю ВЧ в обратной полярности.

Схема кроссовера содержит минимум элементов и не критична к точности подбора пассивных элементов. Характеристики АЧХ и ФЧХ абсолютно линейны в области 20...20000 Гц. Но у данной схемы есть и недостатки: 

• второй порядок фильтра (крутизна спада АЧХ 12 дБ на октаву) может быть недостаточным для хорошей стыковки динамиков АС; 
• предъявляются высокие требования к линейности АЧХ динамиков на протяжении 2 октав от частоты среза. 

Тем не менее собранный по этой схеме кроссовер прекрасно работает. Коэффициент усиления кроссовера равен единице, поэтому его входы можно подключать непосредственно к источнику сигнала, а выходы к усилителям.

Реализация

Печатку на скорую руку начертил в SprintLayout. Кто захочет повторить, могут скачать ее здесь. Для кроссовера подойдут любые операционные усилители, но желательно на них не экономить (есть простор для экспериментов). Я использовал LM4562NA.

Схема питается от стабилизированного источника +/-15 вольт. Стабилизатор реализован на микросхемах L7815CV (+15В), L7915CV(-15В) и размещается на одной плате с кроссовером.

Регулировка общей громкости системы осуществляется через сдвоенный переменный резистор, подключенный к входам кроссовера. Такое решение позволяет обойти необходимость раздельной регулировки громкости на усилителях.

Корпус для кроссовера был заказан на Aliexpress. По размерам идеально подошел корпус усилителя для наушников (ссылка). Огорчает только наличие отверстия в центре корпуса под разъем для наушников. Сначала закрыл отверстие алюминиевой пластиной, но смотрелось это убого, пришлось сделать алюминиевый диск того же диаметра (см. первое фото).

Рис. 4. "Начинка" кроссовера в сборе

Рис. 5. Конденсаторы фильтра (2х6800 мкФ) расположены горизонтально, чтобы не мешали закрытию верхней панели корпуса.

Рис. 6. Вид на обратную сторону с паутиной проводов

Рис. 7. В роли оконечного каскада для ВЧ и СЧ/НЧ динамиков я задействовал два стерео усилителя А-класса - JLH 1969. 

Акустика собственной сборки на Fostex FE126En и Fountek NeoCd3.5h, с возможностью перемещения твитера для оптимизации ФЧХ.

Рис 8. 2-х полосная АС для экспериментов

Настройка

Увы, без настройки и согласования всех компонентов системы реализация биампинга, на мой взгляд, не оправдана и может привести даже к ухудшению звучания системы, по сравнению с классическим (заводским) подключением через пассивный фильтр. Причины:

1. Необходимо выровнять отдачу НЧ/СЧ и ВЧ драйверов в области раздела полос точной подстройкой громкости усилителей или регулировкой выходных сигналов в кроссовере (если для этого были предусмотрены подстроечные резисторы).
2. Необходимо совместить акустические центры динамиков для получения оптимальных ФЧХ и ПХ. 

Также стоит обратить внимание, что усилители должны иметь функцию Source direct - отключение темброблока (в идеале темброблока/эквалайзера в тракте вообще не должно быть).

Для настройки потребуются: 

• вольтметр переменного напряжения или осциллограф для выравнивания у усилителей коэффициентов усиления, если используются неидентичные усилители.
• измерительный микрофон для проверки итоговых АЧХ/ФЧХ/ПХ акустики и подстройки уровня сигнала при разной чувствительности НЧ/СЧ и ВЧ драйверов в области раздела полос.

Для предварительной (грубой) настройки необходимо выровнять коэффициенты усиления УМ. Для этого можно подать на входы усилителей (слабый!) сигнал одинаковой амплитуды и частоты. Выходы усилителей нагрузить сопротивлением, равным сопротивлению используемых динамиков. Регулятор громкости обоих усилителей выставить в максимальное положение. Уменьшая громкость на одном из усилителей, сделать так, чтобы выходные напряжения были равны, отслеживая изменение по вольтметру.
Затем динамики подключаются к усилителям, усилители к кроссоверу и дальнейшая настройка осуществляется по микрофону с использованием соответствующего ПО (Arta, SpectraLab).

Важно! Т.к. регулировка общей громкости выполняется с помощью переменного резистора на входе активного кроссовера, при этом регуляторы громкости на усилителях выставлены в максимальное или околомаксимальное значение, то нужно внимательно отключать/подключать  усилители к кроссоверу. Не забывайте выключать усилители или убавлять громкость до минимума! Есть высокий риск повредить динамики АС, особенно если мощность усилителей превышает предельную кратковременную мощность динамиков. Учтите, что ВЧ динамик подключается к усилителю напрямую, без разделительного конденсатора, который мог бы обрезать низкочастотный сигнал при ошибке подключения. Он легко может быть поврежден. 

Микрофон необходимо размещать на уровне центра ВЧ динамика и на расстоянии, равном расстоянию от АС до точки прослушивания. Это связано с тем, что центры НЧ/СЧ и ВЧ драйверов расположены не на одной оси, как, например, у коаксиальных динамиков. Соответственно, чем больше расстояние между двумя драйверами, тем сильнее меняется ФЧХ в зависимости от расстояния до АС. По этой причине рекомендуется размещать СЧ и ВЧ драйверы как можно ближе друг к другу (в идеале нужно сделать так, чтобы они друг на друга немного "наезжали").
Сдвигая ВЧ динамик относительно НЧ/СЧ динамика, необходимо совместить их акустические центры, контролируя согласование сигналов по переходной характеристике. Она должна быть максимально приближена к идеальной (резкий подъем с плавным затуханием, см Рис. 9).

Рис. 9. Идеальная переходная характеристика

Затем выполняется тонкая подстройка (сдвиг динамиков относительно друг друга и выравнивание отдачи динамиков) по итоговым ФЧХ и АЧХ акустики. ФЧХ не должна содержать резких скачков фазы, а АЧХ - провалов в области частоты раздела.

Измерения 

Измерения проводились в обычной жилой комнате с помощью самодельного измерительного микрофона и ПО Arta. Возможностей такого микрофона вполне достаточно для измерения ПХ и ФЧХ и проверки отсутствия резких пиков/провалов в АЧХ. Но если есть возможность, то лучше воспользоваться профессиональным измерительным микрофоном.

Рис. 10. Измеренная переходная характеристика. Очень быстрое нарастание и затухание сигнала. Великолепный результат!

Рис. 11. Измеренная ФЧХ системы (ФЧХ не содержит резких скачков фазы и меняется очень плавно) 

Если сравнить переходные характеристики акустики с пассивным и активным кроссовером (Рис. 12), то результат налицо. По графикам видно, что для варианта с активным кроссовером затухание основного пика импульса происходит в 2 раза быстрее. Существенно уменьшается влияние переходных процессов, что в лучшую сторону сказывается на реалистичности звучания ударных инструментов и отчетливости воспроизведения мельчайших деталей. Такого результата невозможно добиться другими способами, например, доработкой пассивного фильтра, демпфированием динамиков, и тем более заменой проводов/усилителей или прочими средствами из области аудиофильских сказок.

Рис 12. Зеленая линия - переходная характеристика с активным кроссовером, фиолетовая - с пассивным

Прослушивание

Расстановку стерео акустики рекомендую всегда выполнять по "аудиофильскому фэншую" (Рис. 13), т.к. при таком расположении зона стереоэффекта будет оптимальна и можно достоверно оценить качество звучания стеросистемы.  

Рис. 13. Рекомендуемое расположение слушателя относительно пары АС

Наконец-то все подключено и настроено. Процесс создания биампинговой системы достаточно трудоемок и остается главный вопрос: "А стоит ли овчинка выделки?" Скажу без тени сомнения: Однозначно стоит!

Звучание акустики, после перехода на биампинг с минимальнофазовой характеристикой системы, меня приятно удивило! Можно сказать, во второй раз словил "Вау!" эффект (первый раз был, когда на пассивных фильтрах добился когерентного звучания мидбаса и твитера в области раздела полос - тогда проявился объем и отлично прорисованная сцена). В случае с биампингом прорисовка сцены, инструментов голосов исполнителей доведена до абсолюта. Слушая качественные записи, нет желания закрыть глаза для погружения в атмосферу музыкального произведения. Наоборот, хочется смотреть в пространство вне акустики и удивляться тому, как оно так может звучать! Акустика, как нечто материальное, исчезает и звуки могут быть слышны отовсюду, словно это не стеросистема, а многоканальная система пространственного звучания. Звук реально окружает тебя. Особенно впечатляет насколько хорошо и отчетливо проявилось эхо и послезвучия, воссоздающие объем зала. Порой ловлю себя на том, как обманывается мозг - очень удивляешься, когда реальное пространство меньше того, что слышится. Отмечу, что все, кому демонстрировал свою систему (друзья, жена, мама :)), обращают внимание на этот эффект.
Что касается верности воспроизведения музыки, то данная система меня более чем устраивает. Нет никакого желания где-то что-то подкрутить, добавить "низов" или "верхов". Это в очередной раз доказывает, что для грамотно построенной и согласованной системы эквалайзеры и регуляторы тембра не требуются. Имхо, секрет качественного звука простой:

• компоненты должны оказывать минимальное воздействие на звук (усилитель А-класса и отсутствие эквализации в тракте)
• акустика должна быть либо на широкополосном динамике, либо, что лучше,  двух-трехполосная минимально-фазовая. 

После достаточно долгого прослушивания данной системы и сравнения с другими хорошими пассивными АС, в т.ч. на широкополосном динамике, могу с абсолютной уверенностью утверждать, что многополосные минимально-фазовые системы - это качественно новые ощущения от прослушивания любимой музыки. Никакие ухищрения при использовании обычных акустических систем, без учета принципа минимально-фазовости, не дадут схожего эффекта пространственного звучания и точности локализации инструментов или голосов исполнителей.  

upd:

После приобретения измерительного микрофона Nady CM 100, с помощью которого можно максимально достоверно измерить АЧХ, Fostex был доработан. У динамика удален пылезащитный колпачок и установлена фазовыравнивающее тело. Затем проведены замеры комнатной АЧХ акустики в биампинг варианте и выполнена окончательная подгонка уровней усиления. Итак на Рис. 14, первая линия АЧХ - биампинг с доработанным Fostex, вторая - включение Fosetx в широкополосном режиме и до его доработки:

Рис. 14. Сравнение АЧХ АС в широкополосном варианте и в двухполосном биампинг варианте

Неравномерность АЧХ в СЧ/ВЧ диапазоне укладывается +/- 2-2.5 Дб (при увеличении расстояния становится еще более сглаженной), что намного лучше широкополосного варианта данной АС. Конечно не идеал и есть еще к чему стремиться, но вкупе с минимальнофазовой характеристикой это просто великолепный результат! Звучание системы очень натуральное и естественное.