Схема. Схема усилителя для наушников, для бинауральной стереофонии

Бинауральный эффект (от латин. bini — пара, два и auris — ухо) — способность людей и животных определять, в каком направлении от них находится источник звука, а обусловлена эта способность наличием у них двух ушей. Однако стереофонические фонограммы, воспроизводимые через головные стереотелефоны, не создают ощущений, соответствующих бинауральному эффекту. Как правило, локализация кажущихся источников звука (КИЗ) оказывается внутри головы.

Авторы поставили перед собой задачу разработать схему усилителя для наушников, который обладает высоким качеством воспроизведения музыкального материала и позволяет приблизить звуковую картину к той, которую создают акустические системы в оптимальной зоне прослушивания.
Для достижения поставленной цели было решено синтезировать схему устройства на базе ОУ, введя дополнительные звенья взаимной связи каналов для имитации пространственных эффектов.

Базирующаяся на взаимосвязи каналов усиления модель бинаурального эффекта была описана на сайте Meier Audio (статья Corda-HA1, автор Jan Meier) [1] Она необходима для того, чтобы слушатель, использующий головные телефоны, не терял три важных эффекта, вполне обычных для слушателя АС:
—   каждое ухо получает звуковую информацию от обеих колонок стереофонической АС (и от левой, и от правой), причём сигнал от более удалённой колонки достигает уха с задержкой;
—   звуковые волны частично отражаются и частично поглощаются головой (в частности, ушной раковиной) слушателя, что придаёт звуку окраску;
—   звуковые волны, отражённые от стен помещения, также достигают ушей слушателя.

В результате звуковая сцена для слушателя АС складывается из разницы в уровнях звука, временах задержки (для стереофонических систем), окраски.
Для локализации источника звука человеческий мозг анализирует фазовые (временные) соотношения сигналов частотой до 3 кГц, поэтому при разработке устройства допустимо реализовать частотно-зависимую задержку в другом, соседнем канале.
Фазовая задержка может быть получена введением фазовращающих RC-цепей в тракт звукового сигнала таким образом, чтобы сигнал, передаваемый через цель межканальной связи, оказывался задержанным относительно сигнала основного (левого или правого) канала. Таким образом, в каждый из каналов, помимо основного сигнала, будет попадать задержанный сигнал из другого.
Схема Схема усилителя для наушников, для бинауральной стереофонии 1
В настоящее время идея разработки схему усилителя для наушников на базе умощнённых ОУ не нова и достаточно подробно рассматривается как в литературе, так и в сети Интернет. Современная промышленность предлагает широкий выбор микросхем для построения усилителя для наушников. В частности, отдельного внимания заслуживают широкополосные драйверы линий, например, микросхемы AD815 (Analog Devices), LT1210 (Linear Technology) и THS6012 (Texas Instruments).

К сожалению, несмотря на отличные параметры, приведённые в технической документации, микросхема AD815 не показала удовлетворительных результатов при прослушивании: звук достаточно детальный, но «холодный», причём результат повторяется вне зависимости от схемы усилителя для наушников. Микросхемы от Linear Technology и от Texas Instruments имеют сходные паспортные характеристики, однако THS6012 обладает большей широкополосностью и высокой линейностью, вплоть до частот в несколько мегагерц. Выбор, сделанный в пользу этой микросхемы, полностью оправдался при прослушивании; можно уверенно охарактеризовать звучание как мягкое, тёплое, без потери детализации.

Схема усилителя для наушников(рис. 1)

Выходной каскад усилителя для наушников выполнен на широкополосном высокоскоростном драйвере THS6012 с токовой обратной связью в неинвертирующем включении. Цепь обратной связи обеспечивает его коэффициент усиления, близкий к единице. Каскад предварительного усиления выполнен на прецизионном ОУ AD823 с полевыми транзисторами на входе; он же определяет общий коэффициент усиления, равный примерно 15 дБ.

В каналах усилителя резисторы R3, R9 и R4, R10 задают коэффициент усиления первого каскада по переменному току. Отрицательная обратная связь по постоянному току замыкается через резистор R8 (R11) и охватывает оба каскада усиления. Сопротивление этих резисторов ограничено входным током AD823, создающим напряжение смещения на выходе. Ввиду того что в данном каскаде применён ОУ с полевыми транзисторами на входе, можно использовать резистор сопротивлением 1 МОм.

Ёмкость неполярных конденсаторов СЗ, С4 определяют так же, как для обычного усилителя, но в расчётах необходимо оперировать не сопротивлением R9, a R8, т. е. Рнижн= 1/(2πR8C3). Следовательно, принимая во внимание R8 = R11 = 1 МОм, можем заключить, что два встречно включённых полярных конденсатора ёмкостью по 10 мкФ (или неполярный ёмкостью 4,7 мкФ) в данном применении вполне подойдут. При этом переменное напряжение на обкладках конденсатора в области звуковых частот не превышает нескольких милливольт. А это значит, что влияние этого конденсатора очень мало, и не обязательно использовать «аудиофильский» оксидный конденсатор. В авторском макете прекрасно зарекомендовали себя конденсаторы Rifa PHE426 ёмкостью 1 мкФ.

Взаимная связь каналов обеспечивается введением звеньев из элементов С5, R13, R14 (С6, R15, R16) и С7, С8, R20, R21 — задержанный сигнал частично попадает из одного канала в другой. Разделение петель ООС по постоянному и переменному току позволило включить цепь смешения каналов между предусилителем и выходным каскадом по схеме усилителя для наушников, изолировав её от цепей регулятора громкости со стороны источника сигнала и от низкоомной нагрузки со стороны выхода. Общая линейность усилителя для наушников от этого практически не пострадала благодаря высокой линейности и перегрузочной способности выходного каскада на THS6012.

В качестве регулятора громкости рекомендуется использовать сдвоенные переменные резисторы ALPS серии RK18. Входные цепи усилителя для наушников защищены от высокочастотных помех фильтрами нижних частот (R2C1, R5C2).
Для питания устройства необходимо постоянное напряжение 13… 15 В. Нижняя его граница соответствует более мягкому тепловому режиму. Верхняя граница напряжения (близкого к максимальному) позволяет немного увеличить динамический диапазон.
Схема Схема усилителя для наушников, для бинауральной стереофонии 2
Питание осуществляется от сети переменного тока через сетевой трансформатор мощностью не менее 15 Вт с двумя вторичными обмотками на напряжение 12…15 В, которые подключены к мостовым выпрямителям с диодами Шотки и двухполярным стабилизатором, схема которого представлена на рис. 2 (нумерация элементов устройства сквозная). Для умощнения малошумящего стабилизатора напряжения на микросхеме M5230L фирмы Mitsubishi применены транзисторы 2SC4793 и 2SA1837 в изолированных корпусах. Для снижения помех и паразитных связей питание на предварительный каскад подаётся через RC-фильтры R42C20C22, R43C21C23.

В качестве альтернативного варианта можно рекомендовать построение блока питания на базе стабилизаторов LM317, LM337.
Применённые в усилителе для наушников элементы и возможные замены приведены в таблице. Номинал резисторов R9, R10, указанный на схеме, выбран по субъективным ощущениям при прослушивании подходящих стереофонограмм, и он может быть изменён в некоторых пределах. Все резисторы в усилителе необходимо применять из ряда Е24 (±5 %) или Е48. Все типы элементов являются рекомендуемыми и могут быть заменены по желанию радиолюбителя аналогичными.

Особенностью предложенного схемотехнического решения является использование на выходе усилителя конденсаторов С9, С10 для блокировки высокочастотных наводок, в частности, от близко расположенных мобильных телефонов и других подобных источников СВЧ сигнала. Это позволяет защитить вход драйвера от проникновения помех, наводимых на телефонный провод. Кроме того, включение цепей бинаурального преобразователя после главного каскада усиления по напряжению снижает долю вносимых преобразователем шумов и искажений, так как они уже не усиливаются.
Схема Схема усилителя для наушников, для бинауральной стереофонии 3
Отличие применённой схемы бинаурального преобразователя [1] от других известных решений (например, в [2]) в том, что вносимая задержка сигнала плавно уменьшается с ростом частоты. Это несколько снижает реализм звучания, но позволяет избежать эффекта гребенчатого фильтра, который свойственен преобразователям с постоянным временем задержки. Применённые для внесения задержки фильтры первого порядка фазолинейны, что также положительно влияет на восприятие музыки. В этом смысле, по мнению авторов, лучше частично пожертвовать иллюзией бинаурального звука.

На наш взгляд, задача бинаурального прослушивания в телефонах при наличии только двухканальной исходной фонограммы вряд ли будет решена в обозримом будущем — слишком много параметров отвечает за пространственное представление звука. Одним из вариантов создания реалистичного бинаурального эффекта является запись музыки в специальных условиях, которые сразу учитывают особенности человеческого восприятия (но в нашей статье подобные материалы не рассматриваются ввиду их исключительной редкости). Однако, на наш взгляд, в предложенном усилителе достигнут разумный компромисс между отсутствием окраски, вносимой преобразователем, и снижением утомляемости при прослушивании. В то же время предложенная конфигурация обратных связей в усилителе позволяет без ущерба адаптировать схему к другому бинауральному преобразователю как на активных, так и на пассивных элементах.

И наконец, можно добавить, что предложенную схему усилителя для наушников можно рассматривать как обычный усилитель для головных телефонов (без бинауральной компоненты). Тогда можно смело утверждать, что он великолепно передаёт музыкальный материал, превосходя по качеству известные схемотехнические решения с общей ООС, с двумя петлями ООС и автоподстройкой режима по постоянному току. Оказалось, что данное решение, незначительно проигрывая в прозрачности звучания, выигрывает по многим параметрам, основными из которых можно назвать теплоту звучания и музыкальность.

Тестовое прослушивание проводилось с несколькими источниками и несколькими парами головных телефонов. В частности, использовались Beyerdynamic DT 770 (сопротивление 250 Ом) и Sennheiser HD280 pro (сопротивление 64 Ом). Во всех случаях представленное устройство продемонстрировало ожидаемый результат; его звукопередачу с большой степенью уверенности можно охарактеризовать как прозрачную.
Усилитель вполне уверенно работает и с низкоомной нагрузкой.
Оптимальные номиналы резисторов в «обвязке» мощного ОУ зависят от применяемых головных телефонов: для нагрузки сопротивлением 100 Ом и менее можно рекомендовать значение R22 = R23 = 820 Ом, а для более высокоомных — 1 кОм.
Схема Схема усилителя для наушников, для бинауральной стереофонии 4
Введение взаимосвязи между каналами приближает звуковую картину, передаваемую головными телефонами к звуковой картине, которую создают АС в помещении. Звучание головных телефонов перестаёт раздражать, гораздо комфортнее становится длительное прослушивание. Более того, источники звука локализуются в пространстве, появляется «сцена». Иногда авторы ловили себя на том, что крутили головой (с головными телефонами) для более точного определения источника звука.

Для иллюстрации принципа функционирования взаимного влияния каналов были построены в симуляторе графики ГВЗ для применённых фазовращающих цепей (рис. 3), а также графики выходного напряжения (рис. 4) для основного (кривая 1) и вспомогательного (кривая 2) сигналов в каждом из каналов.

Из графиков можно сделать вывод, что на частотах до 600 Гц выходной сигнал формируется из 60…80 % основного канала и 20…40 % соседнего, причём сигнал, поступающий из соседнего канала, оказывается отстающим относительно основного на 250…450 мкс. Согласно информации с сайта Meier Audio [2], такая задержка примерно соответствует АС, в которой громкоговорители расставлены под углом 30 град, от линии симметрии, на которой находится слушатель. По задержке (450 мкс) и скорости звука в воздушной среде около 340 м/с несложные вычисления показывают, что разница в удалении виртуальных источников (виртуальных громкоговорителей) относительно одного приёмника звука (одного уха слушателя) достигает примерно 15 см. Субъективно виртуальный источник звучания оказывается на расстоянии 1,5…3 м от слушателя. Но в любом случае он «выносится» из головы слушателя на комфортное расстояние.
Схема Схема усилителя для наушников, для бинауральной стереофонии 5
В авторском макете усилителя, выполненного вместе с выпрямителями и стабилизаторами питания на печатной плате из стеклотекстолита (фото на рис. 5), применены бескорпусные конденсаторы (С5—С8) фирмы Wima для поверхностного монтажа. Однако были опробованы отечественные выводные конденсаторы К73-17, которые показали незначительное субъективное изменение звучания.

Опыт прослушивания позволил сделать вывод, что, по-видимому, выбор номиналов конденсаторов С5—С8 является субъективным вопросом. В общем случае ёмкость конденсаторов С5, С6 следует выбирать в интервале 0,1…0,2 мкФ, причём увеличение соответствует ослаблению связи между каналами. Однако это может потребовать перерасчёта сопротивления резисторов R13, R16.

Также можно предложить переключение глубины бинаурального эффекта по аналогии с предложенным в [1]: один из конденсаторов С7, С8 сделать отключаемым. Их суммарная ёмкость, выбираемая в интервале 0,02…0,05 мкФ, определяет частотно-зависимую связь каналов. При её выборе не следует ожидать увеличения баса, необходимо обращать внимание только на субъективное впечатление о натуральности передачи НЧ при использовании взаимного влияния каналов.

Бинауральный эффект, достигаемый с помощью усилителя для наушников, наблюдается на любых музыкальных записях. Однако необходимо отметить, что наиболее полно пространственный эффект проявляется в том случае, если учтены два фактора:
• используется достоверный источник сигнала;
• высококачественная запись с хорошим пространственным эффектом и естественной реверберацией.

Для их выполнения авторы рекомендуют в качестве источника хороший проигрыватель компакт-дисков, а если музыка хранится в компьютере, — внешний ЦАП и формат исходного файла со сжатием без потери качества (например, FLAG или АРЕ). Кроме того, необходимы стереозаписи, в которых изначально хорошо показана звуковая «сцена».
Авторы могли бы порекомендовать некоторые музыкальные композиции из разных музыкальных стилей, позволяющие в полной мере оценить работу имитации бинаурального эффекта:
• Dire Straits — Private Investigations (альбом   Love   Over   Gold)   [Vertigo Records]
• Pink Floyd — Time (альбом The Dark Side Of The Moon (Black Triangle)) [Harvest, EMI]
• Yello — The Race (альбом Flag) [Fontana]
• Enigma — Mea Culpa (альбом MCMXCa.D.) [Virgin]
• Scorpions — Are You The One? (альбом Pure instinct) [EastWest Records]
• Scorpions — Eye II Eye (Eye II Eye) [EastWest Records]
• Nightwish — Beauty Of The Beast (альбом Century Child) [Spinefarm]
• Vivaldi — Recitative and Aria from Cantata RV 679 — Che giova il sospirar, povero core — [2L Audiophile Refe*ence Recordings, 192kHz].

Последний пример интересен ещё и тем, что распространяется в Интернете свободно [3].
Творчество Pink Floyd и Dire Straits настолько хорошо подходит в качестве иллюстрации из-за сложного музыкального материала и высочайшего качества записи, что действительно затруднительно выбрать только одну композицию.
К сожалению, приходится констатировать факт, что современные стереозаписи вряд ли можно назвать пригодными для демонстрации бинаурального эффекта через головные телефоны. Зачастую звукорежиссеры обращают внимание на другие аспекты и гонятся за плотностью звучания, чрезмерно применяя компрессию.

Макет представленного устройства продемонстрировал великолепное звучание. Без звеньев взаимного влияния каналов устройство может быть использовано как обычный усилитель головных телефонов высокой достоверности с комфортным звучанием. Применение звеньев взаимного влияния каналов позволяет «выдвинуть» звуковую сцену из центра головы вперёд, практически приближая построение звуковой картины головными телефонами к звуковой картине помещения с АС. Таким образом, гарантировано снимается проблема усталости при прослушивании музыки через головные телефоны.

ЛИТЕРАТУРА
1. A DIY headphone amplifier. —    www.meier-audio.hornepage.t-online.de/headamp.html
2. Атаев Д. И., Болотников В. А. Функциональные узлы усилителей высококачественного звуковоспроизведения. — М.: Радио и связь, 1989.
3. Интернет-страница Lindberg Lyd. —    www.2l.no    .

Б. ДРАЧ, А. РОДИОНОВ, г. Москва
«Радио» №6 2012г.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *