Великий Китайский Заговор или как я Bluetooth-колонку переделывал

Написать эту статью меня попросил @Artyom_Silchenko, за что ему большое спасибо.

Сначала я отказался от этой идеи, т.к. в процессе переделки почти не снимал промежуточные результаты (а речи о хороших фото, достойных публикации, и подавно не идёт), и по части электроники почти ничего своими руками не сделал. Но потом я подумал, что статья может оказаться полезной тем, кто вообще не в курсе, какие великолепные копеечные вещи для аудио можно купить на Aliexpress.

В статье будут упрощения, т.к. мы здесь не про прогрев проводов собрались поболтать. Также будет широко применяться термин «колонка», который мне совсем не по душе, но который прочно устоялся в обиходе.

Если вам неинтересна графоманская предыстория и теоретическая часть проблемы, можете переходить сразу к практической части.

И да, это моя первая публикация, потому прошу строго не судить и указать на ошибки/недочёты.

Предыстория

Стоя в обычной пробке в час пик, что только не придёт в скучающую голову. В один прекрасный вечер, наблюдая за пешеходами, с гордостью превышающими скорость автомобильного потока, я почувствовал непреодолимое желание заиметь Bluetooth‑колонку. Желание это для меня весьма странное и одновременно вполне закономерное.

Закономерное потому, что я нередко бываю в ситуациях, когда неплохо было бы включить музыку для приятного фона. Музыка — довольно серьёзная часть моей жизни, так уж сложилось.

А странное потому, что моё отношение к портативной аудиотехнике долгое время было крайне негативным. Отчасти из‑за отвратительного качества звука (а я испытываю жуткие страдания от неприятного звука в музыке), отчасти из‑за любителей громко послушать современное творчество на улице или на природе.

И если вторая причина со временем только набирала обороты, то первую частично решило использование в портативном аудио пассивных излучателей. На том, что это такое, и как устроено, я здесь останавливаться не буду, т.к. в сети таких материалов хватает и эта объёмная тема выходит далеко за рамки данной статьи. Да и я в этой теме — лицо не самое компетентное.

Основная задача у таких штук — расширение диапазона воспроизводимых частот в нижней части спектра. Проще говоря, усиление баса.

Пассивные излучатели применяются давно, были установлены в нескольких моделях советских акустических систем (далее — АС), но в компактные устройства массово пришли именно с появлением портативных колонок из Поднебесной.

Впервые я был шокирован возможностями относительно небольшой акустики, когда на отдыхе услышал, как у соседей по пляжу из динамиков Harman/Kardon Go + Play божественно разливалась тюремная лирика 90-х годов (кстати, если я не ошибаюсь, у этой модели пассивных излучателей нет). Сам факт того, что такая компактная штука, да ещё из пластика (далеко не самый лучший материал для оформления АС) может так хлёстко и громко отыгрывать низ, причём на открытом воздухе, казался невероятным.

Тем же вечером я твёрдо решил, что просто обязан обзавестись такой же штуковиной. Твердость значительно обмякла, когда я загуглил цену (на тот момент около 24000 рублей). Не скажу, что это какие-то запредельные деньги, но отдать такую сумму за устройство, которое всё-таки является компромиссом и в сравнении со стационарной акустикой звучит откровенно плохо, я не готов и по сей день.

Спустя несколько месяцев, стоя в вышеупомянутой пробке, я понял, что момент настал. В ста метрах от меня был расположен магазин дешёвой одежды. Не знаю, везде ли так, но у нас в городе в этих магазинах возле касс Bluetooth-колонки представлены в изобилии и по ценам ниже онлайна.

В магазине продавец любезно включил мне несколько штук для прослушивания, я выбрал наименьшее из зол (цена вопроса — 1000 рублей), довольный вернулся в автомобиль и втиснулся обратно в затор. Надо сказать, терпения такая покупка не прибавила и хотелось поскорее приехать домой, чтобы примерить к обновке любимые композиции. Но радость моя была не такой долгой, как хотелось бы, так как по приезду домой быстро выяснилось, что в каждом из динамиков воспроизводится сумма двух каналов стереозаписи, проще говоря — моно.

Фото пациента. Не моё.

Почему моно плохо

Ну моно и моно, скажет обыватель. Буцки буцкают, слова слышно, всё хорошо. Но креативный звукорежиссёр отвесит обывателю оплеуху за такое пренебрежение его трудами. Первая проблема состоит в том, что два независимых канала позволяют расставить инструменты в стереополе, создавая тем самым объём. Лучше всего это слышно в наушниках — какие‑то инструменты звучат левее, какие‑то правее, а какие‑то прямо в центре головы. А сигнал в моно лишает нас этой красоты. Всё звучит в центре.

Ну в наушниках‑то понятно, скажет обыватель, потирая затылок, а колонка‑то от нас чаще всего далековато. Да и динамики не слишком далеко друг от друга расположены. И здесь отчасти есть доля здравого смысла. При нахождении на расстоянии в несколько метров от колонки, у которой пара динамиков расположены в десяти сантиметрах друг от друга, стереополе действительно почти не воспринимается должным образом (хотя разница‑таки слышна, я специально проверял и в слепом AB‑тесте легко определю, стерео это либо моно из двух динамиков). Но вторая проблема при воспроизведении суммы двух каналов более серьёзная, и имя ей — смещение фазы.

Полагаю, на Хабре много людей, знакомых с понятием фазы в переменном токе. Сильно углубляться в эту тему не буду, для понимания проблемы достаточно будет знать, что:

1. Звуки, смещённые в стереополе влево/вправо при прослушивании в стерео не воспринимаются тише, чем звуки в центре, а в сумме они фактически гарантированно будут тише. т. е. в композиции уровни разных звуков, просто раскинутых по панораме, будут согласованы не так, как должны.

2. Существует масса эффектов и приёмов, используемых в музыкальном производстве, которые смещают фазу одного из каналов для придания объёма звуку. Но если суммировать такой стереосигнал в моно, то чем дальше смещена фаза, тем тише будет звук. И так вплоть до 180 градусов, при которых в сумме звук полностью исчезнет.

С одной стороны, современные звукорежиссёры, особенно работающие на коммерческих рельсах, используют фазовые анализаторы для того, чтобы визуально контролировать моносовместимость, но такой компромисс порядком связывает руки для творчества.

Анализатор спектра и фазы от Waves

С другой стороны, всё же существуют не‑моносовместимые записи, и причины тому самые разные: недостаток квалификации инженеров, их творческий замысел, пожелание самих артистов и т. д.

Ну что ж, проблема обозначена, будем решать.

Решение 1

Первым делом вскроем нашего пациента и посмотрим, что под капотом. Фото содержимого в первозданном виде, к сожалению, нет. Внутри расположены два динамика, пассивный излучатель, аккумулятор в форм‑факторе 18650 и основная плата.

Фото основной платы

На плате нам интересны основная микросхема (1) и два (!) усилителя (2). Даташита на основную микрушку я найти не смог, но для китайских устройств это обычное дело (бывает, ставят микросхемы вообще без маркировки). Тот факт, что две стоящие рядом микросхемы являются усилителями, установить можно и без даташита. Если присмотреться, от них в сторону отходят по паре пятачков. С другой стороны платы это разъёмы, к которым подключаются динамики.

Найдя даташит на NS4165B, убеждаемся, что это Power Amplifier (усилитель). Вход на 4-й ноге. Включаем колонку, тыкаем пальцем по 4-м пинам обоих микросхем и вуаля — фон то в левом, то в правом канале.

Столь кликбейтный заголовок я выбрал неспроста. Во‑первых, проблема с моно, как оказалось позднее, была у всех представленных в том магазине экземпляров, вне зависимости от цены. А во‑вторых, мы видим на борту два усилителя и два аудио вывода из основной платы. Соответственно, можно предположить, что суммирование реализовано в прошивке. Иначе для чего делать выводы для двух каналов, если в них всегда сумма? И похожие микросхемы с такой же распиновкой и одинаковым голосовым интерфейсом (наверняка, многие слышали это неповторимое Зе блючус дивайс из риди ту пэл) я встречал в разных устройствах с нормальным стерео. Это ли не заговор?

Объективную причину я могу предположить только одну. Эти колонки, если верить производителю, умеют в TWS (я не пробовал). Это такой режим работы, при котором к Bluetooth‑источнику подключаются две колонки и одна воспроизводит правый канал, другая — левый. Хотите стерео? Берите две! Но через USB/microSD/AUX придётся довольствоваться суммой.

Но это всё лирика. Какие есть варианты? Можно было бы заморочиться, поискать прошивки (тот ещё квест), но, изучив тему, стало ясно, что эти платы кирпичатся прошивками на раз‑два (например, нередко после прошивки перестаёт работать USB порт, через который, собственно, девайс и шьётся). Да и не хардкорно.

Для меня функция Bluetooth не принципиальна, достаточно будет одной карты microSD. На мою радость, в коробках со всякой электронщиной нашёлся китайский mp3-плеер, который не жалко раздербанить.

Образец плеера

План такой:

1. Поднимаем на плате колонки 4-ые ножки усилителей.

2. Подводим к ним аудиовыход с платы mp3-плеера через конденсатор и резистор (по даташиту).

3. Снимаем разъём microSD на плате mp3-плеера.

4. Шлейфом соединяем выводы разъёма microSD mp3-плеера с ножками разъема microSD на плате колонки.

5. На плате колонки топором ножом перерезаем все дорожки, идущие к разъёму microSD.

6. Ищем на плате питание и запитываем оттуда плату плеера.

7. На плате колонки перерезаем все дорожки, идущие к кнопкам управления.

8. Шлейфом соединяем выводы кнопок плеера с кнопками управления на плате колонки.

Вот тут я сильно жалею, что нет фото. Работа была, по моим меркам, ювелирная. Но осталась нерешённая проблема — наша колонка постоянно включена. Тут я прям заморачиваться не стал. Выкинул антенну и поставил на её место брутальный тумблер (ниже будут фото) в разрыв аккумулятора. На моё счастье, при отключении/подключении питания плата включалась не в STAND BY, а в рабочем режиме.

Запускаем. Всё работает. Но не без проблем. Во‑первых, заряжать устройство получится только во включённом состоянии, что не очень удобно. Во‑вторых, карта памяти периодически отваливается (скорее всего, проблема в длинном шлейфе). В‑третьих, есть небольшие наводки (скорее всего, от длинных проводов от источника к усилителю или из‑за навесного монтажа сопротивления с конденсатором). Будем искать другое решение.

Решение 2

Не хотелось сильно портить внешний вид колонки, но, как вы могли заметить, я не особо эстет =))) Поэтому было решено полностью избавиться от основной платы.

Я, полный решительности

Я

В качестве источника звука использовать вот такой Bluetooth/mp3/FM/SD/USB/AUX‑модуль (далее mp3-модуль для краткости), в качестве усилителя взять плату усилителя на микросхеме PAM8403 (у меня давно лежали без дела пару штук), запитать всё это счастье платой заряда на основе TP4056 (тоже было пару штук).

Блок-схема 1

По приезду mp3-модуля разобрал колонку, вырезал в корпусе полотном от ножовки по металлу отверстие для него, всё соединил по блок‑схеме, включил и... mp3-модуль не работает. Проблема в том, что ему нужно питание 5–12 В, а на нашем аккумуляторе диапазон питания будет в пределах 2,5–4,2 В. Но у меня в шкафу, слава богу, чего только не найдёшь. На помощь пришёл повышающий DC‑DC преобразователь на MT3608. Ставим нашего спасителя в разрыв между выходом TP4056 и питанием mp3-модуля и всё готово.

Блок-схема 2

У нашего mp3-модуля есть один существенный недостаток, присущий многим китайским Bluetooth‑аудиоустройствам: громкость звукового интерфейса Bluetooth не зависит от установленной громкости воспроизведения. И когда вы включаете колонку, следом слышите громкий звук, сигнализирующий о готовности принять соединение. Эту проблему я решил также не самым утончённым способом — поставил в разрыв питания усилителя отдельный тумблер. Теперь можно включить mp3-модуль, подключиться по Bluetooth и только потом включить усилитель.

После того, как мы отказались от заводской платы, сзади остались сквозные отверстия от портов карты памяти, USB и AUX. Хотя ниша платы акустически изолирована от основного рабочего объёма, и на звук эти отверстия не повлияют, раздражать они от этого не перестанут. Заливаем их синим ABS‑пластиком, а к отверстию для microUSB советским болтом приколхозим плату с разъёмом, через который будем колонку заряжать. Некрасиво, зато надёжно.

Фото. Слабонервным лучше не смотреть.

Вижу, как Барни Стинсен играет на воображаемой гитаре

Собираем, включаем. Работает. Но плохо. Во‑первых, есть фон по питанию; во‑вторых, есть дополнительный фон при включении режима Bluetooth; в‑третьих, громкости мало.

Беда. Будем переделывать.

Решение 3

Очевидно, чтобы поднять громкость, нужен другой усилитель. В этот раз мой выбор пал на PAM8406 с регуляторами громкости. Они нам помогут выставить максимальный уровень громкости, при котором наша акустика будет играть без искажений.

Ставим на место предыдущего усилителя новый, включаем. Работает. Но плохо =))) Фон по питанию и от Bluetooth никуда не делся. Ставим полярный конденсатор 2200 мкФ на входе питания усилителя. Помогло, но отчасти. Пробуем зайти с другой стороны. Ставим полярный конденсатор на 470 мкФ на входе питания mp3-модуля, параллельно его заводскому фильтру.

Фото

Фона уже значительно меньше, но он всё ещё есть. Меняем три сигнальных провода от модуля к усилителю на один экранированный. Готово. Во всех режимах, кроме Bluetooth, полная тишина. В режиме Bluetooth ВЧ‑писк слышен, только если поднести ухо вплотную к динамику. Большой конденсатор с питания усилителя я снял, т.к. он перестал на что‑либо влиять.

Всё готово, ура? Как бы не так. При работе на ~30% громкости полного заряда аккумулятора хватает на 6 часов. Мало. Будем менять аккумулятор.

Автономность

На сайтах, где продаются такие же колонки, в характеристиках указана ёмкость аккумулятора 1200 mA*h, об этом же говорит надпись на самой батарее. Увеличения автономности хотелось бы, как минимум, в два раза. Заказываю аккумулятор 18650 на 3000 mA*h, а пока он едет, делаю замеры реальной ёмкости штатного аккумулятора. Как и ожидалось, заявленные цифры далеки от реальности. LiitoKala Lii‑S2 показала 596 mA*h.

После установки нового аккумулятора (его ёмкость я также проверил — действительно 3000 mA*h, даже чуть больше) наша колонка проиграла без малого 40 часов в течение недели. Полностью заряжается за 4 часа.

Также по предыдущему опыту использования стало понятно, что хорошо бы добавить индикацию завершения зарядки. Сверлим отверстие, вставляем в него светодиод и подводим к нему провода от платы заряда.

Фото

В комплекте с mp3-модулем шёл пульт ДУ. Дабы не потерялся и всегда был под рукой, прилепим его на липучку прямо к корпусу. Внешний вид уже особо ничем не испортить =)))

Внимательный читатель заметит два электролитических конденсатора, последовательно подключённых к каждому динамику. Они здесь для того, чтобы срезать те нижние частоты, звук которых такая акустика выдавать не сможет.

Итоги

Фото внутри

Фото снаружи

Стоила ли игра свеч? Если бы я не любил заниматься такими вещами, то, однозначно, нет. Если посчитать количество потраченных часов работы, то на заработанные за то же время деньги я мог бы себе купить ту же Harman/Kardon Go + Play. Но процесс подарил мне массу удовольствия, да и пользоваться устройством, к разработке которого ты приложил, хоть растущую не совсем откуда надо, но всё же свою руку, намного приятнее. Кстати, вся история заняла полтора года =))

Надеюсь, я не утомил вас не относящимися к основной теме подробностями. Если у вас есть вопросы, пишите в комментарии, отвечу. Спасибо за внимание.