Портативная акустическая система с эмуляцией бас-гитарного кабинета

Да, название может показаться странным, но именно эта терминология правильно определит описанное в этой статье устройство, так как полноценным бас-гитарным комбоусилителем оно не является. Но простоты ради дальше я буду использовать слово «комбик». Начну, как всегда, с предыстории.
Уже довольно длительное время я занимаюсь восстановлением старой болгарской полу акустической бас-гитары Кремона. Процесс этот длительный, много времени занимает ожидание между накладкой слоёв лакокрасочного покрытия, по этому я решил «забить» это время вторым вопросом, через что на ней играть. Для домашних занятий у меня в целом есть обычный гитарный комбик, бас-гитару в него в принципе можно тоже воткнуть, но в основном цель восстановления гитары состоит в том, что бы подыгрывать на обычных акустических посиделках с гитарой, будь-то у товарища на дне рождения или посиделки с шашлыками на природе. По этому было принято решение сделать новый, небольшой, маломощный и портативный комбик для этих целей. Должен предупредить, схема питания и блок УМЗЧ крайне банальны и ничего особенного из себя не представляют, так что если читали статьи по всяким самодельным портативным колонкам — предлагаю сразу перейти к самому интересному в этой статье, блоку обработки звука. Начнем по порядку.
Корпус
Корпус изготовлен из обычной древесно-стружечной плиты и скреплён сосновым брусом. Скажу сразу, корпус я не делал. Ну, точнее я его делал, только лет десять назад, за это время он успел побывать портативной колонкой (да, смешно), просто колонкой, потом собственно комбиком, когда я купил электрогитару, но ещё не купил фирменный комбик, потом снова колонкой, пока не был заброшен в дальний угол гаража. Достав его снова я понял, что выглядит он довольно убого.

Так что первым делом я решил его перетянуть. Содрав старую винил-кожу я понял, почему я выбрал такую некрасивую — углы были очень сильно выкрошены, так как качество самой плиты довольно низкое. Так что их я обильно намазал универсальной двухкомпонентной шпатлевкой и закруглил по-нормальному.

В корпусе так же имелись два окна, которые делались под органы управления. В итоге выяснилось, что такое расположение очень неудобное, нужно было делать у заднего края, как это сделано на всех комбиках с таким «верхним» расположением органов управления. Боковое окно задумывалось для гнезда зарядки и индикаторов. В общем эти окна я заделал по-простому, распаянными кусочками текстолитовых плат.

Далее обтяжка. Вообще, для обтяжки акустических систем, производят специальную ткань и кожзаменитель. Достать такую штуку можно только в крупных городах, специализированных магазинах или через интернет. Однако есть этому материалу альтернатива — так называемая винил-кожа, или мебельная кожа, в общем это кожа молодого дерматина, которая используется при обтяжке кухонных уголков, табуретов и тому подобного. Достать такой материал можно в любом городе в магазине тканей и, как правило, даже есть из чего выбрать.

В обтяжке самое сложное это углы и стык. Углы у меня получились очень плохо, придётся закрывать их декоративными уголками, которых пока нет. Стык я просто заклеил черной лентой для вышивки.

Передняя панель, на которой крепиться динамик, была очищена от старого клея, покрашена черной краской и обтянута тканью. Пару нюансов. Да, для этого динамика нужно сделать новую панель, но как нельзя к стати у меня сгорел лобзик, по этому закрепил на старой. Второй нюанс — ткань. Для этих целей производят специальную ткань, так называемую акустически проницаемую, также называемую радиоткань, или акустическая ткань. Однако нашего человека не победить, мы всему найдем замену! И она есть. Это канва, специальная ткань для вышивки крестиком, достать такую можно или в том же магазине тканей, или, что лучше — в магазине для женского рукоделия. Почему лучше? Да просто у них выбор больше, можно подобрать не только разного цвета, но и с разной ячейкой. Я выбрал черную с уже не помню какой ячейкой, вроде мелкая.

К слову, на каком-то форуме натыкался на довольно серьезное исследование одного человека по сравнению АЧХ, полученных с разных радиотканей и канвы. Канва, по итогу, ничем не уступала. Ах, да, я совсем забыл сказать про динамик, сейчас самое время. Динамик 4ГД7, имеет следующие характеристики:

Диапазон воспроизводимых частот: 63 – 12500 Гц
Неравномерность АЧХ: 10 дБ
Чувствительность: 93 дБ
Сопротивление: 4,5 Ом
Мощность: 4 Вт
Частота основного резонанса: 60 Гц
Габариты: 202х76 мм
Вес: 0,43 кг

В общем по частотам он для обычной электрогитары уже хорош, если срезать всё лишнее, но мы ещё помудрим. За счет большого диффузора он выдает неплохой бас, собственно из самодельного сабвуфера он и выдернут. Мощность невелика, но вспомним цели: портативность, подыграть акустической, не подзвученной гитаре. Забегая вперёд скажу, что этого хватает.
Шильдик изготовлен из того же обрезка распаянной платы. Сам шильдик нарисован в программе FrontDesigner. Сначала распечатан слой с отверстиями.

Приклеен на клей-карандаш, и отверстия просверлены/вырезаны.

Далее шильдик заклеен алюминиевым скотчем. Скажу честно, тут я решил поэкспериментировать.

Дальше на специально самоклеящейся пленке для печати распечатан сама картинка.

Буду честен сам с собой, вышло плохо. Краска легла как-то странно, волнами. Виной тому то-ли уже полежавшая пленка, то-ли недавний переход на пигментные чернила, в любом случае на просвет это выглядит так:

Раньше такой проблемы не наблюдал. Ну что поделаешь, делаю как есть. После печати пленку обязательно нужно задуть обычной акриловой эмалью в баллонах. Поверхность пленки, на которой отпечатывается рисунок, чем-то напоминает желатин. В него и впитывается краска. Если не защитить поверхность от воздействия влаги — то буквально потными пальцами этот рисунок легко смазать. После этого изображение клеится на шильдик, задуманный эффект был в металлизированных надписях, в принципе достигнут, но качество печати тут подсунуло свинью, конечно. Что поделаешь, HP DeskJet)))

По корпусу на этом в принципе всё, переходим к более интересному — схеме.

Схема
Схему всего устройства в целом можно разделить на три блока: блок питания, блок обработки звукового сигнала и блок питания.

Блок питания
В качестве элементов питания были выбраны литий ионные аккумуляторы формфактора 18650, по причине их большой ныне доступности. В моём случае это четыре аккумулятора от ноутбучной батареи, соединённых параллельно. Изначально задумывалось, что все потребители будут питаться через повышающий DC/DC преобразователь, что, в итоге, вызвало определенные проблемы, но об этом позже. И так, аккумуляторы заряжаются при помощи модуля TP4056, в моём случае без контроля разряда(какой нашел), но надо ставить с контролем. Минус питания от аккумуляторов разрывается гнездом подключения гитары, это практика применяемая на всех педалях гитарных эффектов. В моём случае это была необходимость, вызванная недостатком места на панели для эргономичного размещения включателя питания, но в целом это довольно удобно: подключил гитару — комбик включился, отключил — выключился. Далее питание идет на цифровой индикатор PZEM-005, отображающий заряд батареи, потребляемый ток и сопротивление нагрузки. На самом деле мне от него нужен лишь индикатор питания, я поставил то, что есть.

С индикатора питание уходит по двум путям: непосредственно к усилителю и через повышающий преобразователь к блоку обработки звука. С этим и сложились проблемы, опишу я их дальше, но суть в том, что преобразователь был вынесен отдельно, экранирован, а питание с него берется через П-образный фильтр.

Усилитель мощности звуковой частоты
Изначально в качестве усилителя сразу было задумано использовать TDA2822. Я уже писал, что в корпусе DIP16 это очень хороший усилитель для портативных систем, он очень хорошо звучит, имеет высокий КПД и низкий КНИ. Его я первым делом и решил использовать.

Однако как я не старался, подружить этот усилитель с питанием от преобразователя у меня не получилось. Без фильтра по питанию он сразу ушел в возбуд, добавив фильтр ситуация улучшилась, но от «бунежа» избавиться так и не удалось.
В итоге был установлен тот самый PAM8403, в данном случае он звучал лучше, чем TDA2822, но повторюсь, в данном случае. Сам по себе этот усилитель хорош только потреблением, звук же у него откровенно не очень, плоский и не выразительный. Так или иначе, преимущество модульного конструирования в том, что любой блок, в том числе усилитель, всегда можно заменить, если появиться альтернатива или решение. Если же не говорить о звуке, мощность TDA2822 в мостовом включении при 12В питании примерно 3,5 Ватта, PAM8403 — 3 Ватта, при питании 5 В. Напрямую от аккумулятора естественно ниже.

Схема была выбрана самая простая. Если кто-то считает, что для домашних занятий 3 ватта это мало — собирайте мощнее. Я же свой пятнадцативаттный маршал, в который играю на электрогитаре, больше чем на треть громкости никогда не раскочигареваю, ибо надоело объяснять полиции, что соседка сверху у меня человек неадекватный.
Во время работы над усилителем мощности я столкнулся с целым рядом проблем. Теперь, завершив устройство, я уже понимаю, что проблемы эти были вызваны изначально моими плохими знаниями в области усилителей мощности звуковой частоты. Я решил показать все свои ошибки и их решения, я не гордый, а начинающим это пригодится. И так, я пойду по пути своего совершения ошибок. Ошибка первая: я расположил DC/DC преобразователь слишком рядом с той частью схемы, которая отвечает за сигнал. В результате наводки от дросселя создали очень сильные помехи. Решение — вынести преобразователь подальше от схемы обработки звука, а сам преобразователь поместить в экранирующий корпус.

Вторая ошибка. Дроссель преобразователя неизбежно вносит в питание шумы. Если при сборке металлоискателя это не имело значения, то со звуком совсем иная история. Преобразователь шумит так, что вводит усилитель в самовозбуждение. Лечение — на выход преобразователя установлен П-образный фильтр.

Это почти полностью решило проблему с шумами. Но осталась ещё одна: усилитель на большой громкости запирался. Частично я решил эту проблему установкой высоко ёмкого конденсатора по питанию, что можно видеть тут:

Но реальная причина проблемы оказалась настолько проста, элементарна и банальна, что я начал терять уверенность в себе. Малое сечение провода, по которому питается усилитель. Да, казалось бы, это маломощный УМЗЧ, но и ему нужно обеспечить хорошее питание. Ток просаживался на десяти сантиметровом куске провода, который на высоком уровне громкости (равно потреблении)работал как сопротивление. Замена его на медный провод с большим сечением решило все проблемы (синяя косичка).

Так же пробовал использовать вместо резистора ферритовую бусину, Это никак не изменило ситуацию.

Блок обработки звука
Самая интересная часть. Начнем с простого. Дело в том, что гитарные динамики имеют особые характеристики, отличные от обычных широкополосных. Во-первых, — они не воспроизводят частоты, которые не может воспроизводить электрогитара. Это особенно сильно заметно при игре с перегрузом: перегруз вносит очень большое количество гармоник, и гармоники на верхних частотах делают звук очень противным, как это называют гитаристы «песочит». Гитарный динамик эти частоты просто не воспроизводит, следовательно, и гармоники тоже. Обрез нижних частот избавляет от лишнего «бубнежа», но нижние частоты не такая беда, их легко отрезать регулятором тембра.
Второй нюанс — гитарный динамик имеет особую АЧХ, горбы в районе 80 Гц, 3,5 кГц и провал в области 500 Гц — 1кГц. Это делает гитарный сигнал более выразительным.

С некоторой долей успеха в качестве гитарного динамика можно применить динамик от старых ламповых радиол, в которых динамики стояли парами. Дело в том, что парами они стояли не ради увеличения мощности. Качественные широкополосные динамики изготавливать тогда не умели, так что парами они и работали: у одного диапазон был сдвинут в одну сторону, у другого в другую, таким образом они заполняли весь спектр частот. Вот один из них имеет как раз необходимые амплитудно частотные характеристики и спектр.
Однако достать такой динамик всё сложнее и сложнее, да и если честно — не стоит заниматься таким варварством, эти радиолы уже можно вносить в «красную книгу» радиолюбительства, многие их коллекционируют. А вот широкополосников 70х-80х, серии ГД и ГДШ по сей день навалом.
Ну так к чему я всё это? Существует такая штука, как спикерсимулятор. Применяется эта штука гитаристами при необходимости играть «в линию», то есть втыкаться непосредственно в микшер и дальше на широкополосную концертную аппаратуру. По-хорошему играют всегда так: Гитарист подключается к своему комбику, который он приносит с собой, а звук с комбика снимается микрофоном и дальше воспроизводиться через основные колонки. Это удобно по многим причинам, вдаваться в подробности я не буду. При игре в линию же возникают все те вышеперечисленные проблемы.
Так вот, спикерсимулятор — это по сути эмулятор гитарного динамика. Если быть точным, по сути это активный фильтр, который как раз и срезает всё лишнее и формирует АЧХ, схожую с гитарным динамиком. Обычно их делают в виде педали, почему я уже объяснил, в моём же случае это встроенный в устройство блок, именно по этому правильно это назвать колонкой с эмуляцией комбика.
Перейдем к схеме. Схему я выбрал проверенную временем, в своё время, когда я занимался изготовлением гитарных эффектов эту педаль у меня разбирали как горячие пирожки гитаристы как и из моего города, так и из соседних. Прелесть этой педали в том, что она имеет очень гибкую регулировку, что позволяет достичь звучания очень разных кабинетов. Круче этой педали из аналоговых, по моему личному мнению, только пресловутый SansAmp, но и в изготовлении он сложнее. Несомненно отдам дань автору: автор наш земляк, пользователь Сибиряк с форума академии гитарной электроники, за что ему спасибо.

Так же прилагаю видео автора по работе:

Как и говорилось, схема представляет собой настраиваемый активный фильтр звуковой частоты, и имеет следующие настройки:

Cab — переключение между тремя различными кабинетами*. Трехпозиционный переключатель.
Accent — смещает срез верхних частот. Потенциометр или двухпозиционный переключатель.
Send Cut — изменяет срез низких и одновременно смещает средние (гитарные средние). Потенциометр.

*Кабинетов в кругу гитаристов называется пассивная акустическая система (колонка), гитарный динамик встроенный в рассчитанный для него корпус. Т.к. корпус играет немаловажную роль в формировании звука и АЧХ снимались именно с кабинетов, а непосредственно с динамиков, то правильно было бы говорить об эмуляции именно кабинета, а не динамика. АЧХ кабинетов можно наблюдать на графике ниже.

На первом графике АЧХ с отключенным «акцентом». Плата изготовлена обычной лазерно утюжной технологией.

Травить я предпочитаю в перекиси + лимонная кислота + соль, это дёшево, быстро, доступно и не пачкает всё на свете.

Вышло не очень, тонер расплылся, перегрел. Теряю сноровку, платы делаю пару раз в год, а не в неделю, как раньше.

Плата залужена сплавом Розе.

И собрана.

Советы по сборке. Первым паяем перемычки. За ними «лежачие» резисторы. Потом панельку (в моём случае цанговые панели), ну и дальше — остальные резисторы, конденсаторы. Конденсаторы только плёнка (ну или тантал), керамику в звук нельзя. Кроме электролитов, разумеется. При правильной сборке плата работает 100%, как уже и говорил собрано далеко не один раз. Единственный нюанс — может выйти так, что при верхних положениях регулятора акцента будет исходить очень сильный и противный писк. Эта проблема индивидуальна и вызвана разбросом значений компонентов, это может и случиться, а может и нет. Лечиться элементарно: если ставите тумблер — подбирайте резистор. Если ставите потенциометр — шунтируйте крайние лапы потенциометра резистором, который тоже нужно подобрать. В моём случае 20 кОм. В общем цель уменьшить сопротивление. Так же стоит отметить диод, в схеме он один. Диод является «защитой от дурака», то бишь от переплюсовки. Особо он не нужен, но в данных условиях он является дополнительным фильтром шумов от преобразователя. Преобразователь настроен на 12 вольт, в целом напряжение питания ограничено питанием ОУ, в данном случае 30 В. Однако, пару слов от автора по поводу ОУ:
В идеале MC33204, т.к. он Rail-to-Rail, а по цоколёвке тот же TL074, к тому же потребление будет всего 3,6 мА.
Ещё один плюс, благодаря Rail-to-Rail, питать можно от 3..5 В, без искажений.
Только верхний предел питания MC33204 это 12 В, нужно это учесть, чтоб не сжечь.

То есть, используя этот ОУ можно питать схему напрямую от аккумулятора без преобразователя, что положительно скажется и на звуке, и на потреблении. К сожалению заказать эти микрухи можно только из китая, вероятно так я и поступлю.
Переключатель кабинетов подключайте по картинке ниже, в схеме есть ошибка, два провода перепутаны местами, в результате схема работает не адекватно. Подключение по картинке точно правильное.

Так же напоминаю, что данный комбик делался для бас гитары, тут я снова цитирую автора:

Записываем рецепт ХотЛайна для Баса
1. C2=10n (расширяем НЧ диапазон)
2. R5=R6=7.5k (расширяем ВЧ диапазон регулятора SandCut)
3. Убираем С9,С10, а R8 можно заменить перемычкой (т.к. нет большого смысла для баса в этом каскаде)
4. С11=33n, C12=3.3n (сдвигаем вырез СЧ)

Так же стоит сказать, что устройство эмулирует лишь гитарный динамик, а не комбик, по этому перед входом на него добавлен регулятор тембра. Я предлагаю выбрать любой из этой статьи. В моём случае выбран следующий.

На этом в общем то и всё. Комбику была добавлена ручка, изготовленная из куска кожи и привинченная двумя мебельными шурупами.