Схемы фильтров для акустических систем

Трехполосные колонки — это оптимальное решение для высококачественного воспроизведения звука. В них используются три типа приводных устройств. Они различаются по размеру, конструкции и частотным характеристикам. Полосовые фильтры — кроссоверы используются для распределения полного диапазона частот на выходе усилителя низкой частоты. В них используются конденсаторы, дроссели и, реже, резисторы.

Очень легко сделать кроссовер для громкоговорителя, используя в качестве основного компонента индуктор или дроссель. Катушка подключена последовательно с НЧ-динамиком.

Фильтр для низкочастотного динамика

Фильтр нижних частот, состоящий из дросселя и большого конденсатора, называется схемой Баттерворта второго порядка. Он дает срез частоты выше частоты среза до 12 дБ на октаву. Схема работает следующим образом. Индуктивность в LC-контуре действует как переменный резистор. Его сопротивление прямо пропорционально частоте и увеличивается по мере увеличения диапазона. Именно поэтому высокие частоты почти никогда не улавливаются НЧ-динамиком. Это также является функцией конденсатора. Его сопротивление обратно пропорционально частоте, и он подключается параллельно громкоговорителю.

Поскольку схема устройства должна хорошо пропускать низкие частоты и отсекать высокие, конденсаторы такого устройства имеют большую емкость.Пассивный фильтр громкоговорителя может быть выполнен по более сложной схеме. Если два контура Баттерворта соединены последовательно, создается устройство четвертого порядка с двумя индукторами и двумя конденсаторами. Он обеспечивает снижение частотной характеристики сабвуфера на 24 децибела на октаву.

Для выравнивания частотной характеристики и лучшего согласования схемы Баттерворта и громкоговорителя между индуктором и конденсатором устанавливается резистор с низким сопротивлением. Предпочтительнее использовать для этой цели проволочные резисторы.

Фильтры для динамиков своими руками

Изготовить фильтр для громкоговорителя совсем не сложно. Он состоит всего из двух элементов — конденсатора и индуктора. Для расчета параметров радиоэлементов для пассивной низкочастотной цепи второго порядка проще всего воспользоваться онлайн-калькулятором. Здесь вы можете ввести желаемый уровень среза и импеданс головки динамика. Программа сообщит вам необходимую емкость конденсатора и индуктивность катушки. Например, если вы выбрали уровень среза 150 Гц, а импеданс динамика составляет 4 Ом. Калькулятор выдаст вам следующие значения:

  • Емкость конденсатора — 187 мкФ
  • Индуктивность катушки — 6,003 MH

Необходимую емкость можно получить из параллельно соединенных конденсаторов K78-34, которые специально разработаны для использования в акустических системах. Кроме того, существует обновленная линейка конденсаторов того же типа. KZKWhiteLine говорит. В качестве недорогих аналогов радиолюбители часто используют конденсаторы MBGO или MBGP.

Катушка с индуктивностью 6 мГн намотана на оправку диаметром 1 см и длиной 6 см. Поскольку катушка не имеет магнитного сердечника, в качестве катушки может быть использован цилиндр из любого материала, на котором должны быть сделаны щечки для облегчения намотки. Для намотки использовалась медная проволока типа ПЭЛ диаметром 1 мм. Длина провода составляет 84 метра. Намотка должна производиться с помощью катушки.

Расчет кроссовера для акустики75

Расчет кроссовера для громкоговорителя, очевидно, является очень важной операцией. Ни одна акустическая система в мире не является идеальной для воспроизведения всего частотного диапазона.
Именно здесь возникает часть спектра акустических систем. Например, если вы хотите воспроизвести низкие частоты, вы используете сабвуфер, а чтобы воспроизвести высокие частоты, вы устанавливаете сабвуфер.
Когда все эти динамики собираются вместе для игры, может возникнуть путаница, прежде чем они достигнут той или иной точки. По этой причине необходимо использовать активный или пассивный кроссовер для акустических систем.
В этой статье мы рассмотрим, зачем нужен расчет фильтра, а также изучим пассивные кроссоверы и то, как они строятся с использованием индукторов и конденсаторов.

Расчет кроссовера

Кроссоверы DIY для автомобильных динамиков

Для подключения 2-полосной акустической системы (см. 2-полосная акустическая система и ее преимущества) или любой другой акустической системы с большим количеством полос к 1 каналу усилителя или ГУ необходимо отдельное устройство разделения сигнала. Однако для каждого диапазона он должен выделить свою частоту. Эти устройства называются фильтрами или кроссоверами.

Внимание. Компонентные акустические системы обычно уже оснащены пассивным кроссовером. Он готовится производителем и предназначен для этой цели.

Но что если вы хотите разделить частоты по-другому, например, если ваш комплект акустических систем состоит из отдельных компонентов?
В этом случае вычислить кроссовер очень просто, и это даже можно сделать самостоятельно.

Профессиональные кроссоверы Pioneer для автомобильных колонок

Здесь приведены инструкции по расчету кроссовера:

  • Загрузите специальную программу. Это может быть Crossover Elements Calculator на вашем компьютере;

Crossover Elements Calculator — это специальная программа для расчета кроссоверов.

  • Введите импедансы НЧ- и ВЧ-динамиков. Сопротивление — номинальное сопротивление динамика, выраженное в омах. Как правило, среднее значение составляет 4 Ом;
  • Введите частоту кроссовера. Полезно знать, что частоту следует вводить в Гц, но никогда в кГц.

Внимание. Если кроссовер второго порядка, необходимо также ввести тип кроссовера.

  • Ожидаемый результат можно получить, нажав кнопку рассчитать.

Кроме того, вам необходимо знать следующее:

  • Емкость конденсаторов, а точнее их значение, вводится в Фарадах;
  • Индуктивность рассчитывается в Генри (mH).

Схема расчета фильтра выглядит примерно так:

Как рассчитать фильтр

Фильтры разного порядка

Для того чтобы четко понимать расчеты кроссовера (см. Кроссоверы домашних акустических систем и их назначение), необходимо понимать разницу между фильтрами разных порядков. Мы обсудим это более подробно ниже.

Внимание. Существует несколько порядков пересечений. Здесь порядок относится к способности кроссовера подавлять нежелательные частотные сигналы.

Первый порядок

Схема 2-полосного кроссовера такого порядка выглядит следующим образом:

2-полосный кроссовер 1-го порядка

Из схемы видно, что LPF или фильтр низких частот построен из дроссельной катушки, а фильтр высоких частот — из конденсатора.

Внимание. Такой выбор компонентов не случаен, поскольку сопротивление дроссельной катушки увеличивается прямо пропорционально частоте. Конденсатор, с другой стороны, обратно пропорционален. То есть получается, что эта катушка отлично справляется с прохождением низких частот, а конденсатор отвечает за прохождение высоких частот. Это простое и гениальное решение.

Кроссовер 1-го порядка

Следует также помнить, что кроссоверы первого порядка, а точнее их оценка, зависят от выбранной частоты раздела и величины импеданса динамика. При проектировании ФНЧ в первую очередь следует обратить внимание на частоту среза НЧ- и СЧ-динамиков (см. раздел Как самостоятельно выбрать динамики для автомобильной радиостанции).
Но когда вы проектируете LPF, вы должны сделать то же самое с HPF.

Пассивный кроссовер

Что такое кроссовер в звукорежиссуре

Пассивная фильтрация в настоящее время считается наиболее доступной, поскольку ее относительно просто реализовать. С другой стороны, все не так просто.
Недостатки следующие:

  • Согласование параметров и значений фильтров с характеристиками излучателей громкоговорителей — очень сложная вещь;
  • Во время работы акустической системы может наблюдаться нестабильность ее работы. Например, если импеданс звуковой катушки увеличивается по мере ее нагрева. Это значительно ухудшит согласование, достигнутое в процессе проектирования;
  • Фильтр, благодаря своему внутреннему сопротивлению, поглощает часть выходной мощности усилителя. Одновременно уменьшается и затухание, что влияет на качество и четкость звучания в нижнем регистре.

Что такое кроссовер в акустических системах

Как известно, сегодня 2-элементные варианты считаются самыми распространенными акустическими системами.
В них фильтр разделяет звуковой сигнал на две полосы:

  • Первая полоса предназначена исключительно для низких и средних частот. В этом случае используется низкочастотный кроссовер или LPF;
  • Второй диапазон предназначен для высоких частот. В этом случае используется другой фильтр, LPF.

Предупреждение. Может существовать несколько вариантов реализации фильтров, но все они должны соответствовать определенным канонам.

Ниже приведен список требований, которым должен соответствовать кроссовер:

  • Фильтр не должен влиять на спектр частот и форму выходного звукового сигнала;
  • Он должен обеспечивать независимую от частоты активную нагрузку для усилителя;
  • Он должен быть способен обеспечить направленную диаграмму направленности в сочетании с громкоговорителями. Он должен быть реализован таким образом, чтобы максимальное излучение достигало слушателя.

Кроссовер громкоговорителя имеет важное значение

В этой статье мы узнали, как рассчитать кроссовер для акустической системы своими руками. Также в процессе будет полезно изучить схемы, посмотреть видеообзор и фото — материал.
Если вы научитесь рассчитывать фильтр самостоятельно, вам не придется оплачивать услуги специалистов. Таким образом, стоимость операции сводится к минимуму, потому что все, что вам нужно сделать, это запастись терпением и потратить немного времени на обучение.

Тема микширования динамиков довольно популярна среди радиолюбителей. Этому способствует не только желание построить, имея колонки на любой бюджет, но и неудовлетворительное качество имеющихся на рынке колонок. Изготовление фильтров требует большого опыта, отчасти эмпирического, поскольку строгий математический расчет в виде симуляции не отражает звучания и тем более не может дать ответ, как их комбинировать. Приблизительная оценка не всегда дает ожидаемые результаты.

Причина этого в том, что нет четкой теории смешивания, но не электрических фильтров, которые не описаны в литературе, где все основано на нюансах, которые не описаны адекватно. Цель этой статьи — рассказать о некоторых особенностях проектирования фильтров на реальном примере. В этой статье, к величайшему сожалению, не будет полноценного расчета или инструкции, как брать и делать, потому что каждый случай уникален и требует личного рассмотрения, и максимум можно определить, на что обратить внимание и задать вектор для размышлений в целом.

Важные характеристики АС

Давайте сначала рассмотрим, чем характеризуется акустическая система. Существуют три характеристики: амплитуда, фаза и импеданс.

  • АЧХ считается самой важной, так как она определяет звук, но это не лучший способ ее определения — ровная АЧХ не является гарантией хорошего звучания.
  • MFD не слышен как таковой, но резкий перекос фазы в точке кроссовера может быть слышен.
  • MFD вообще не влияет на звук, но влияет на усилитель, но не на каждый усилитель, а только на те, которые имеют высокое внутреннее сопротивление, в частности, ламповые усилители.

Из-за несоответствия импеданса многие динамики могут не сочетаться с лампой, все дисбалансы импеданса будут отображаться на АЧХ. В одном случае это может быть полезно, но не надейтесь на это, хотя бы потому, что такие колонки будут очень чувствительны к усилителю. В результате лампы и их режимы будут слышны, сравнение с «рок»-усилителем станет абсолютно некорректным.

Поэтому, если целью является создание громкоговорителя с низкой чувствительностью усилителя, необходимо обеспечить согласованность импеданса во всем диапазоне частот, а это накладывает определенные ограничения. В частности, необходимо использовать фильтры с одинаковой частотой среза и добротностью.

Используя этот принцип, можно настроить фильтр, проверяя только линейность импеданса, что исключает необходимость измерения частотной характеристики фильтра и, при отсутствии хорошего микрофона, измерения ачх динамиков, т.е. можно обойтись минимальным набором инструментов: генератором (возможно, программным) и вольтметром.

Практическая работа

Медленно перехожу от теории к практике. У меня есть винтажная колонка Kompaktbox B 9251, и первое, что возникло — прослушивание.

С холодным камнем звук был в среднем неплохим, если быть точным, он был хорошим в некоторых местах и беспорядочным в других. С теплой трубкой они вообще отказывались играть. На основании этих наблюдений был сделан вывод о наличии глубоко залегающего потенциала. Вскрытие показало, что немецкие инженеры решили обойтись одним конденсатором, включенным последовательно с ВЧ-головкой. Измерение АФК дало пугающую картину. На фото АЧХ одного динамика кривая с глубокой дырой на 6 кгц из-за плохого контакта разъема, не обращайте на это внимание. АЧХ твитера и НЧ-динамика по отдельности показана ниже.

Частота раздела

Здесь самое время подумать о частоте кроссовера. Как правило, выбор частоты кроссовера должен производиться на ровной горизонтальной плоскости, вдали от резонансов и мусора, избегая внезапного уплощения как потенциального источника искажений. А если вспомнить, что есть фаза, о которой мало что известно, а если и известно, то вектор ачх невозможно сложить на листе бумаги, и из-за кривизны фазы даже на идеально ровном ачх что-то вылезет, что-то провалится в большей или меньшей степени. Также важно помнить о том, что может дать динамик, особенно высокие частоты. Скажем так, не стоит заставлять однодюймовый купол играть с двух или, тем более, одного килогерца, даже если AFC может это сделать.

Не забывайте, что большая экскурсия порождает интермодуляционные искажения, поэтому каждому размеру динамика соответствует свой частотный диапазон. В свете вышесказанного, понятие кроссоверной частоты размывается, и конечную точку стоит выбирать по-другому, например, на слух. Или вообще не выбирайте его, но об этом позже.

Итак, давайте посмотрим, какие исключительные ораторы у нас есть. ВЧ-динамик начинает сворачиваться на частоте 1,3 кгц, поэтому ниже опускаться нельзя. Сабвуфер, с другой стороны, пытается играть до 10 килогерц, с переменным успехом. Но здравый смысл говорит, что не стоит превышать частоту в 1 килогерц. Что же делать, если рабочие диапазоны колонок не пересекаются?

Есть два способа обойти это: если водопад достаточно крутой, лучше заложить ямку, особенно если ямка широкая. Однако в нашем случае, если уклоны крутые, как пропасти, следует держаться подальше от самого крутого из них. В основном это может произойти с твитерами, им всегда тяжело работать на низких частотах, поэтому логичнее облегчить им жизнь, переложив воспроизведение низких частот на НЧ-динамик, который будет хорошо работать, но не будет создавать беспорядок. Поэтому мы ограничиваем диапазон между 1,5 кгц и 2,2 кгц.

Порядок фильтра и его добротность

Следующий параметр, который необходимо выбрать, — это порядок фильтрации и его коэффициент качества. В этой статье мы поговорим о двух порядках — первом и втором.

  • С первым все просто: имеем индуктор и конденсатор, рассматриваем их параметры под требуемую частоту среза и, при необходимости, подстраиваем их для получения нужной частотной характеристики, СЧ и ПЧ.
  • Второй ряд более сложный, здесь уже есть две индуктивности и два конденсатора. От значений знаменателей зависит коэффициент качества, определяющий крутизну затухания АЧХ и, в некоторой степени, фазовый сдвиг. Поскольку влияние фазы и коэффициента качества нельзя оценить наугад, достаточно выбрать, в какую сторону думать. А чтобы думать в направлении низкого коэффициента качества, читайте больше индуктивности в индукторах, меньше емкости в конденсаторах.

Как выбрать заказ. При этом руководствуются привычными соображениями о том, на что способны динамики, особенно твитеры. Если длинный ход для него противопоказан (как в нашем случае), мы предпочитаем второй порядок.

Для полноты картины следует упомянуть, что заказ также определяет степень сотрудничества водителей, но это уже информация для самостоятельного размышления.

Импедансная характеристика динамиков

Когда приблизительные параметры более или менее определены, пора переходить к практике. Составьте характеристику импеданса громкоговорителя. На графике есть лестница из одноомных ступенек, которая поможет вам оценить импеданс. Горб на частоте 110 герц — это переход от 10 Ом к 20 Ом.

Очевидно, что с такими горбами ни один фильтр не будет работать должным образом, не говоря уже о конструкции, особенно НЧ-фильтр. Фильтру ВЧ не будет мешать этот горб, но, как уже говорилось, этот горб в конце диапазона будет усиливать высокие частоты, если усилитель имеет высокий импеданс. Вы можете использовать это в своих интересах, оставив небольшой подъем.

Чтобы компенсировать этот подъем, используется так называемая цепь Цобеля. Он состоит из резистора и конденсатора, соединенных последовательно. Проще всего найти его научным методом: возьмите реостат, горсть конденсаторов и перемещайте все это по кругу, пока не получите прямую линию.

Чтобы дать вам представление о том, что от чего зависит, вот набор диаграмм для различных емкостей и сопротивлений. Шаг начинается с 10 Ом.

Зная минимальное сопротивление НЧ-динамика, необходимо довести сопротивление ВЧ-динамика до такого же значения. Существует множество вариантов того, как объединить два резистора и цепь Цобеля, и каждый, кто решился на такой смелый шаг, как смешивание, в состоянии определить комбинацию и номинал резисторов, поэтому описывать эту процедуру здесь нет необходимости. В частности, в рассматриваемых колонках, по результатам первоначального прослушивания, было решено оставить родные резисторы на 2,2 Ом и цепь Zobel параллельно твитеру.

Сведение фильтров

Теперь наступает заключительный этап — смешивание фильтров. Время наматывать катушки или не наматывать? Это всегда лень, никаких проводов, никаких рамок, никаких конкретных значений индуктивности. По всем этим причинам я искал халяву и нашел пару катушек 0.8 и 3 mcg и должен был строить на них. В крайнем случае, вы всегда можете перемотать или размотать ненужные катушки.

Глядя на график, можно увидеть, что поперечное сечение составляет около 1,8 кгц, таким образом, оно находится в запланированных пределах. Путем подбора конденсаторов был получен следующий импеданс. На частоте раздела есть две неровности, но они меньше половины ома — не критично. Это не окончательный вид, резистор в цепи трубы Цобеля был затем немного увеличен.

На фотографиях выше показана АЧХ как самого фильтра, так и АЧХ динамиков, оснащенных им.

Фазировка динамиков

На этом этапе смешивание завершается. Осталось только определиться с фазировкой колонок. Существует по крайней мере три способа сделать это: на слух, по форме АЧХ и по сдвигу фазы на частоте кроссовера. Если ваши колонки имеют достаточно линейные АЧХ и ФЧХ, а фильтр не фазирует секцию, то изменение фазы на правильную вызовет глубокий провал на частоте секции, который трудно не заметить. Если это так, стоит отрегулировать фазу в соответствии с ее смещением. Это можно сделать с помощью осциллографа, подав сигнал от усилителя на горизонтальную развертку, а смещение от микрофона — на вертикальную развертку.

Синусоидальный сигнал с частотным разделением подается на вход усилителя, и ВЧ- и НЧ-динамики переключаются без изменения взаимного расположения микрофона и динамика. По сходству фигур Лиссажу делается вывод, что фазы излучателей равны. Этот метод хорошо работает для фильтров первого порядка. При кривизне наших громкоговорителей этот метод не оправдан, поэтому мы сравниваем частотные характеристики при разных фазах.

Второй вариант заметно хуже. Впрочем, первый вариант тоже не предел наших мечтаний, но поскольку переставлять индуктивности катушек не так просто, а вносить дальнейшие изменения было лень, все оставили как есть.

Сборка фильтров

Наконец, несколько слов о сборке. В фильтре используется относительно большая емкость, 20 мкФ, 27 мкФ, но в корпусе мало места, не хватает бумаги или фольги. Необходимо употреблять электролиты. Если в фильтре НЧ их звучание не сильно пострадает, а в цобеле их можно вообще не услышать, то в фильтре ВЧ пренебрегать звучанием конденсаторов опасно. Поэтому были использованы бумага MBGF и пленка К73-16, а все электролитики были зашунтированы бумагой MBGO на 4 мкФ.

Не увлекайтесь запараллеливанием очень разных конденсаторов. Основным критерием здесь является тангенс угла потерь. Например, если вы поместите аудиофильский полипропилен в конденсатор с бумажным шунтом, высокие частоты, скорее всего, выйдут наружу и будут кислыми. Вероятно, можно провести аналогию с внутренним сопротивлением, сравнив с ним рассеиваемый коэффициент: чем он меньше, тем больше сигнала пройдет через конденсатор, но поскольку емкость такого высококачественного конденсатора мала, через него пройдет только часть высокочастотного сигнала, поэтому мы имеем повышенные пики. Но это лишь аналогия, для лучшего понимания влияния шунтов на звук.

О том, как располагать катушки и какой толщины использовать провода, уже много написано, поэтому я не буду повторяться. Просто попробуйте показать картинку (неправильно припаян ВЧ модуль, он должен быть после резистора).

Звучание системы

И, конечно, я должен сказать о звуке. Это было лучше, сцена получилась очень красивой. Кривизна АЧХ не особенно слышна, даже наоборот, подъем в середине дает детализацию, высоких, как ни странно, достаточно. Я заметил интересный эффект на басах. Как вы можете видеть, вы можете услышать большое усиление на сотых долях герца, а затем оно снижается, конечно, нет бурного баса, но есть средний бас. Гитарная партия, например, кажется немного провисшей, но низкий бас, партия бас-гитары попадает в зону слышимости и читается очень четко, создается впечатление низкого баса.

Конечно, ящики маленькие и иногда слышно пение, для устранения этого эффекта в каждый динамик было добавлено 30 грамм натуральной шерсти. В целом эта колонка играет тепло и мягко даже без лампового усилителя, сохраняя звуковую строгость и каменную точность, но с теплой лампой она становится слишком мягкой. Правда, им нужен более грубый усилитель — триодный или push-pull, но это тема для дальнейших экспериментов. Специально для сайта Radioscheme — SecreTUseR.

Оцените статью
Добавить комментарий