Меню

Кроссоверы для разделения частот

Кроссовер (Crossover) — фильтр с определенным диапазоном частот.

Что такое кроссовер и для чего он нужен? Как он работает и какие типы их бывают? Рассмотрим эти вопросы в данной статье.

Кроссовер (Crossover)

Это набор полосовых фильтров , каждый из которых пропускает свою определённую полосу частот. Используется минимум два кроссовера в различных частотных диапазонах, чтобы воспроизводить полностью звуковой сигнал. Разделение происходит с помощью сопряжённых парных фильтров низких/высоких частот. Крутизна среза фильтра может быть от 12 до 96 dB/октаву .

Для чего нужен кроссовер

Известный факт, что создать идеальный громкоговоритель, который прекрасно воспроизводил бы все частотные диапазоны (низкие, средние, высокие) практически невозможно. Поэтому для качественного воспроизведения звука необходимо хотя бы двухполосная система (динамики для низких и высоких частот). В более дорогих системах добавляется третий динамик, для средних частот. В каждый из динамиков нужно подавать тот частотный диапазон, для которого он предназначен. Вот за эту функцию и отвечает кроссовер.

Если бы их не было, то попадание в динамик частотного диапазона не соответствующего для него не только бы искажало звуковую картину, но и могло бы стать причиной выхода его из строя. Например, слишком высокая частота может повлиять на твиттер (высокочастотный динамик), что приведёт к его поломки из-за перегрева.

Устройство кроссовера

Как мы уже поняли кроссовер включает несколько частотных фильтров, которые работают по следующему принципу: например, имеется определённая частота разделения и один из фильтров (Low Pass) выделяет частоты ниже этого показателя, другой выше (High Pass).

На рисунке три частоты разделения: 140 Hz, 2kHz, 10 kHz.

Классификация

В основном в проектах при сведении пользуются цифровыми кроссоверами, встроенными в различные плагины по обработке звука. Они имеются в различных многополосных эффектах, в которых разные частотные диапазоны звука могут обрабатываться отдельно. Однако, помимо цифровых существует ещё несколько типов. Рассмотрим их.

Пассивные кроссоверы

Пассивные кроссоверы располагаются обычно между выходом усилителя и громкоговорителями. Естественно пассивным кроссоверам не требуется дополнительное питание.

Профессиональные кроссоверы требуют очень качественных и точных по параметрам компонентов, которые способны работать на больших токах и высоком напряжении. Поэтому производство таких фильтров довольно трудоёмкий процесс, что естественно отражается на их высокой стоимости.

Состоят пассивные кроссоверы обычно из конденсаторов из полипропиленовой и полиэстеровой металлизированная фольги, бывают бумажные электролитические конденсаторы. В катушках индуктивности применяются полые, напылённые металлические, ферритовые или слоистые кремниевые сердечники с эмалированным медным проводом. В некоторых используются плавкие предохранители или выключатели, чтобы защитить громкоговорители от случайных повреждений большими перегрузками.

В современных устройствах зачастую применяются цепи стабилизации, которые компенсируют изменение сопротивления с частотой, присущих практически всем громкоговорителям. Проблема непростая, так как часть изменений в сопротивлении (импедансе) происходит из-за изменений нагрузки полосы пропускания громкоговорителя.

Основные минусы пассивных кроссоверов следующие: пассивные цепи могут быть большими и влиять на падение мощности; имеется проблема взаимозаменяемости динамиков на другие (цепи сделаны под конкретные частоты и имеют определённое сопротивление); идеальное устройство такого типа довольно сложно в разработке.

Активные кроссоверы

Этот тип, а также следующий (цифровые кроссоверы), о которых мы поговорим далее, обрабатывают сигнал, поступающий с линейного выхода микшера, выхода устройства воспроизведения аудиосигнала или микрофонного усилителя. Далее сигналы, обработанные кроссовером поступают на входы отдельных усилителей, а уже потом на громкоговорители.

В активных кроссоверах содержаться активные электронные компоненты в фильтрах. Сегодня наиболее используемый активный элемент — операционные усилители, которые работают на уровнях, достаточных для входа усилителя мощности. Каждый из усилителей мощности работает для своей группы. То есть, 2-полосый активный кроссовер требует двух усилителей — по одному для НЧ и ВЧ динамиков (называется биампинг). Если нужно стереофоническое воспроизведение, количество усилителей (каналов усилителя) удваивается. Всё это означает, что цена таких устройств будет дороже, чем с пассивным кроссовером. Но для высоких результатов усиления полного частотного спектра эта система более предпочтительней.

BEHRINGER SUPER-X PRO CX2310

В чем же плюсы?
  • частотная характеристика, не зависит от динамических изменений в электрических характеристиках динамика.
  • зачастую, возможность легкость изменения или точной настройки каждого диапазона частот для конкретного динамика. Например, крутизной и типом фильтра (например, Бесселя, Баттерворта и т.д.)
  • изоляция каждого динамика от остального частотного спектра, что позволяет снизить интермодуляционные искажения и перегрузку.
  • усилитель мощности непосредственно связан с динамиками, обеспечивая тем самым максимальный контроль за демпфированием звуковой катушки динамика, уменьшая последствия динамических изменений в электрических характеристиках динамика, что улучшает характеристики переходных колебаний.
  • сокращение потребляемой мощности усилителя. При отсутствии энергии потерянной в пассивных компонентах, требования усилителя значительно уменьшаются (до половины в некоторых случаях), уменьшая затраты энергии и существенно увеличивая качество воспроизведения.

С помощью микропроцессора активные кроссоверы могут быть реализованы в цифровом виде. Цифровые кроссоверы стараются приблизить к аналоговым схемам — это IIR фильтры (Бесселя, Баттерворта, Линквица-Райли и т.д.), либо используют фильтры Конечной Импульсной Характеристики ( FIR — Finite impulse response).

Первые относительно нетребовательны к ресурсам центрального процессора и очень схожи с аналоговыми фильтрами. Они рекурсивные и те из них, которые не качественно спроектированы и не тщательно просчитаны, могут входить в предельные циклы, приводящие к нелинейным искажениям.

Вторые имеют более высокий порядок и соответственно более прожорливы к процессору. Кроме этого, чтобы достигнуть линейности фазовой характеристики, приходится увеличивать время задержки.

Читайте также:  Hyundai tucson панель управления 2008

Подобный тип производит фильтрацию за счёт диффузора динамика. Они особенно распространены в тех местах, где необходимо звуковое покрытие больших пространств (гипермаркеты, аэропорты, железнодорожные вокзалы и т. п.).

Здесь диффузор динамика сцеплен с катушкой через секцию в виде маленького легкого конуса. Эта секция подвижная и даёт гарантию, что полный первичный диффузор играет только на низких частотах. При этом сама маленькая секция отвечает на все частоты. Но из-за своего небольшого размера даёт полезную нагрузку только в области высоких частот. Вот так и происходит механическое разделение кроссовером.

Подобный вид кроссоверов очень сложен в проектировании, особенно если нужна высокая эффективность. Здесь важно всё: какие материалы и их вес, используемые для диффузора, конуса, катушки динамика. Это и определяет частоту и порядок фильтра кроссовера. Поэтому для достижения высоких результатов требуется огромная работа методом проб и ошибок.

Понравилась статья? Тогда делаем репосты. А чтобы подписаться на новости сайта нажмите сюда .

Источник

Доработка акустики: разделительный фильтр. Как выбрать частоты срезов?

Для начала пару слов о том, почему доработка разделительного фильтра имеет смысл.

В абсолютном большинстве бюджетных колонок производитель немного сэкономил на разделительном фильтре. Я разобрал пару десятков акустических систем, и почти всегда к этому элементу есть серьезные вопросы. Например, вот результаты ревизии фильтра от трехполосной колонки Pioneer

Доработав заводской кроссовер зачастую можно существенно улучшить качество звучания вашей акустической системы. Короче, тема актуальная.

В этой статье попробуем разобраться с частотами раздела. Как их выбрать и от чего отталкиваться?

У динамика есть своя собственная АЧХ, и диапазон его корректной работы весьма ограничен. Конечно это нужно учитывать и не заставлять динамик играть там, где он не может.

Низкочастотный динамик.

Его режем только сверху.

Убрать слишком низкие частоты иногда тоже бывает полезно, но это делается активными фильтрами. Некоторые усилители имеют функцию «сабсоник» — это оно и есть.

Где именно располагать срез и каким порядком — это зависит от АЧХ динамика.

Например, вот АЧХ динамика НОЭМА 35ГДН. Он без спада доигрывает практически до 6-7кГц, что дает нам возможность в широких пределах выбирать частоту среза.

А вот динамик Микролаб про 3, он уверенно доигрывает только до 3 кГц.

Запоминаем эти вводные и для принятия окончательного решения смотрим дальше:

Среднечастотный динамик.

Отдельный динамик на средние частоты используется в трехполосной акустике. Его нужно обрезать и со стороны низких и со стороны высоких частот. Однако, во многих заводских конструкциях это не реализовано.

Здесь нам нужно знать резонансную частоту динамика в оформлении. Срез СЧ динамика крайне желательно делать выше резонансной частоты. Дело в том, что на резонансной частоте довольно сильно меняется фаза. На этой частоте не удастся нормально согласовать СЧ и НЧ динамик из-за различного поведения фазы двух динамиков.

Теперь собираем все наши данные воедино. Зная, до какой частоты может «дотянуться» басовый динамик, зная на каких частотах играть среднечастотнику не желательно, принимаем решение, на какой частоте резать!

Как правило, края диапазонов динамикам даются не очень хорошо и не нужно пытаться выжать из них максимум. Вспоминаем график НОЭМЫ: с одной стороны, динамик уверенно доигрывает до 7кГц. Но, с другой стороны, если доверить среднечастотный диапазон другому динамику, который не нагружен низкими частотами и изначально более приспособлен для СЧ — у него это получится лучше! Звук может стать лучше, чище, с меньшим количеством искажений.

Высокочастотный динамик.

Аналогичным образом выбирается срез и между СЧ и ВЧ динамиком. Но если среднечастотник желательно резать чуть выше резонанса, пищалка на своем резонансе должна почти молчать! Срез нужно выбирать кратно выше частоты резонанса. Если резонанс ВЧ головки 1500Гц, меньше чем на 3000Гц вторым порядком ее резать крайне не желательно.

Пищалка, разгруженная от низких и средних частот может звучать гораздо чище, точнее и приятней.

И не стоит забывать, что ВЧ — самый нежный и слабенький динамик, который очень легко спалить. При правильно подобранном разделительном фильтре и исправном усилителе это сделать будет гораздо сложнее.

Обрезать высокочастотный динамик с верху не нужно, на ВЧ фильтр ставится только со стороны нижних частот.

Теперь, когда у вас есть эти данные вернитесь еще раз к статье о разборе кроссовера трехполоски . Многое станет более наглядным и понятным!

Осталось разобраться с порядками срезов, типом фильтров и еще много с чем. рано или поздно и до этого доберемся) Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые статьи!

Источник

Кроссовер, порядки фильтров — на пальцах.

Опции темы
Поиск по теме
Отображение

Кроссовер, порядки фильтров — на пальцах.

Кроссоверы— это устройства в звуковых системах, которые создают нужные рабочие частотные диапазоны для динамиков. Динамики сконструированы таким образом, чтобы работать в определенном частотном диапазоне. Они не приемлют частоты, не входящие в эти рамки. Если на высокочастотный динамик (твитер) подать низкую частоту, то звуковая картина испортится, а если сигнал еще и мощный, то твитер «сгорит». Высокочастотные динамики должны работать только с высокими частотами, а низкочастотные динамики должны получить от общего звукового сигнала только низкочастотный диапазон. Оставшаяся средняя полоса достается среднечастотным динамикам (мидвуферы). Следовательно, задача кроссоверов заключается в разделении звукового сигнала на нужные (оптимальные) частотные полосы для соответствующих типов динамиков.

Читайте также:  Kia sportage 2 рестайлинг дверь

Проще говоря, кроссовер — это пара электрических фильтров. Допустим, кроссовер имеет частоту среза равную 1000 Гц. Это означает, что один из его фильтров срезает все частоты ниже 1000 Гц и пропускает только частоты выше 1000 Гц. Такой фильтр называют high-pass фильтром. Другой фильтр, пропускающий частоты ниже 1000 Гц называется low-pass,. Графически работа этого кроссовера представлена на рисунке 3. Точка пересечения двух кривых есть частота среза кроссовера равная 1000 Гц. В трехполосных кроссоверах присутствует еще и среднечастотный фильтр (band-pass), который пропускает только средний диапазон частот (приблизительно от 600 Гц до 5000 Гц.) На рисунке изображена частотная характеристика трехполосного кроссовера.

Порядок чувствительности — это отношение интенсивности выходного сигнала (dB) кроссовера к частоте входного сигнала при условии, что интенсивность входного сигнала постоянна. Обычно чувствительность (крутизну среза) характеризуют как отношение dB/octave. В силу многих математических причин чувствительность кроссоверов всегда кратна 6 децибелам на октаву (6 dB/octave). Кроссовер первого порядка имеет чувствительность 6 dB/octave. Кроссовер второго порядка имеет чувствительность 12 dB/octave, третьего порядка — 18 dB/octave, и чувствительность кроссоверов четвертого порядка равна 24 dB на октаву.
Рассмотрим low-pass фильтр третьего порядка с частотой среза равной 100 Гц. Как уже говорилось выше, этот кроссовер пропустит только частоты ниже 100 Гц, а частоты выше 100 Гц срежет. Срезание частот будет происходить следующим образом: все частоты выше 100 Гц будут терять на выходе из фильтра свою интенсивность кратно 18 dB в зависимости от октавы, в которую они входят. То есть, частота в 200 Гц (первая октава выше частоты среза) потеряет свою интенсивность на 18 Дб, интенсивность частоты в 400 Гц (вторая октава) упадет 36 Гц, а третья октава (800 Гц) ослабеет на 54 Дб. И так далее, все последующие октавы будут ослабевать кратно 18 Дб. Менее чувствительный low-pass фильтр первого порядка с частотой среза в 100 Гц будет делать тоже самое, только ненужные октавы будут ослабевать не на 18 Дб, а на 6 Дб.
Как видим, фильтры, из которых состоят кроссоверы, не могут сразу срезать ненужные частоты, а делают это постепенно, с разной чувствительностью в зависимости от своего порядка.

Кроссоверы первого порядка — это простейший пассивный кроссовер, который состоит из одного конденсатора, и одной катушки индуктивности. Конденсатор работает как high-pass фильтр для защиты твитера от ненужных низких и средних частот. Катушка используется как low-pass фильтр. Чувствительность кроссоверов первого порядка низкая — всего 6 Дб на октаву. Положительная черта этих кроссоверов -отсутствие фазового сдвига между твитером и другим динамиком.

Кроссоверы второго порядка. Их также называют кроссоверами Баттерворта, по имени создателяматематической модели этих кроссоверов. Конструктивно они состоят из одного конденсатора и катушки на твитере и одного конденсатора и катушки на низкочастотном динамике. Они обладают более высокой чувствительностью, равной 12 Дб на октаву, но дают фазовый сдвиг в 180 градусов, что означает несинхронный ход мембран твитера и другого динамика. Для устранения этой проблемы небходимо поменять полярность подключения проводов на твитере.

Кроссоверы третьего порядка. У таких кроссоверов на твитере ставится одна катушка и два конденсатора, тогда как на динамике низкой частоты наоборот. Чувствительность таких кроссоверов равна 18 Дб на октаву, и они имеют хорошие фазовые характеристики при любой полярности. Негативная черта кроссоверов III-го порядка — неприемлемость использования временных задержек для устранения проблем, связанных с динамиками не излучающими на одной и той же вертикальной плоскости.

Кроссоверы четвертого порядка. Кроссоверы Баттерворта четвертого порядка имеют высокую чувствительность равную 24 дБ на октаву, что резко уменьшает взаимовлияние динамиков в области разделения частот. Сдвиг по фазе составляет 360 градусов, что фактически означает его отсутствие. Однако величина фазового сдвига в данном случае непостоянна и может привести к неустойчивой работе кроссовера. Эти кроссоверы практически не применяются на практике.
Оптимизировать конструкцию кроссовера четвертого порядка удалось Линквицу и Рили. Данный кроссовер состоит из двух последовательно соединенных кроссоверов Баттерворта второго порядка для твитера, и тоже самое для басового динамика. Чувствительность их также равна 24 дБ на октаву, однако уровень выходного сигнала на каждом фильтре меньше на 6 дБ, чем уровень выходного сигнала кроссовера. Кроссовер Линквица-Рили не имет фазовых сдвигов и позволяет проводить временную коррекцию для динамиков, не работающих в одной физической плоскости. Эти кроссоверы по сравнению с другими конструкциями дают самые лучшие акустические характеристики.

Конструирование пассивных кроссоверов

Как говорилось выше, пассивный кроссовер состоит из конденсаторов и катушек индуктивности. Для того, чтобы собрать пассивный кроссовер первого порядка необходимо иметь один конденсатор и одну катушку индуктивности. Конденсатор устанавливается последовательно на твитер (high-pass filter), а катушка последовательно на вуфер (low-pass filter). Номинальные значения индуктивности для катушки ((H — микрогенри) и емкости ((F — микрофарады) приводятся в таблице в зависимости от желаемой частоты среза кроссовера и сопротивления динамиков.
Кроссовер I порядка (6 dB/octave)

К примеру, подберем емкость и индуктивность для кроссовера с частотой среза 4000 Гц при сопротивлении динамиков 4 Ом. Из вышеприведенной таблицы находим, что емкость конденсатора первого порядка должна быть равной 10 мФ, а индуктивность катушки 0.2 мГ.
Для определения номинальных значений компонентов для кроссовера второго порядка (12 дБ/октава) необходимо значения из этой же таблицы для конденсатора умножить на коэффициент равный 0.7, а значение для катушки индуктивности умножить на коэффициент 1.414. Надо помнить, что для кроссовера второго порядка необходимо два конденсатора и две катушки индуктивности. Составим кроссовер второго порядка для частоты среза 4000 Гц. Для определения значений для обоих конденсаторов умножаем значение из таблицы 10 мФ на коэффициент 0.7 и получим 7мФ. Далее, значение индуктивности 0.2 мГ умножим на коэффицент 1.414 и получим значение индуктивности для каждой катушки 0.28 мГ. Один из этих конденсаторов устанавливается последовательно на твитер, а второй параллельно на вуфер. Одна катушка параллельно на твитер, а вторая последовательно на вуфер.

Читайте также:  Фаркоп audi q7 4m квадрат

Пассивные и активные кроссоверы

Отличие между эти двумя типами кроссоверов очень простое. Активный кроссовер требует подвода питания извне, а пассивный — нет. В силу этого активный кроссовер занимает место в звуковой системе до усилителя, обрабатывая звуковой сигнал с предусилителя головного устройства (допустим, автомагнитолы). Далее, после активного кроссовера устанавливаются два или три усилителя мощности. Один усилитель в этом случае не ставится, так как нет смысла разделенные активным кроссовером сигналы сводить в усилителе в единый сигнал. Разделенные сигналы надо усиливать по отдельности. Как видим, активные кроссоверы применяются в дорогих звуковых системах высокого качества.
Пассивные кроссоверы обрабатывают уже усиленный сигнал и устанавливаются перед динамиками. Возможности пассивных кроссоверов ограничены по сравнению с активными, однако их правильное применение может дать хорошие результаты при минимальных финансовых затратах. Пассивные кроссоверы хорошо себя зарекомендовали при требовании к порядку чувствительности менее 18 дБ на октаву. Выше этого предела хорошо работают только активные кроссоверы.

Пассивные кроссоверы в основном применяются для обработки сигнала твитеров и среднечастотных динамиков. Для низкочастотных динамиков эти кроссоверы применять можно, однако резко возрастает требование в качеству конденсаторов и катушек индуктивности, что приводит к их удорожанию и увеличению в размерах. Пассивные кроссоверы плохо переносят перегрузки. Пиковые интенсивности сигнала, поступающие от усилителя, могут менять частоту среза фильтров. Кроме того, перегруженный фильтр ослабляет звуковой сигнал (damping). Поэтому при выборе пассивных кроссоверов обращайте внимание на их способность выдерживать пиковые нагрузки, создаваемые усилителем.
Активные (или электронные) кроссоверы представляют из себя множество активных фильтров, которыми можно управлять и легко изменять частоту среза любого канала. Порядок чувствительности активных кроссоверов может быть любым, от 6 Дб до 72 Дб на октаву (и выше).В основном активные кроссоверы для автомобильных аудиосистем имеют чувствительность 24 Дб на октаву. При такой чувствительности обмен частотами между динамиками практически исключен. Звуковая картина получается очень качественной. Единственный недостаток активных кроссоверов, — это их дороговизна по сравнению с пассивными.

Теперь поговорим о фазовых сдвигах, которые могут возникать в звуковых системах, использующих кроссоверы. Фазовый сдвиг — это неизбежное явление, являющееся следствием конструктивных особенностей high-pass, low-pass и band-pass фильтров.
Фаза — это временная связь двух сигналов. Измеряется фаза в градусах от 0 до 360. Если два одинаковых динамика излучают звуковые волны в противоположной фазе (фазовый сдвиг 180 градусов), то происходит ослабление звука. Проблема устраняется изменением полярности на одном из динамиков .
Когда акустическая система состоит их разных динамиков, работающих в различных частотных диапазонах (твитер и мидвуфер), то устранение фазового сдвига не всегда решается простой сменой «+» на «-«. Длина волны от твитера короче, чем от мидвуфера. Поэтому фронт высокочастотной волны может достигнуть слушателя позже (или раньше) фронта среднечастотной (или низкочастотной) волны. Эта временная задержка является следствием фазового сдвига. Оптимизировать звуковую картину в данном случае можно путем физического выравнивания двух динамиков относительно друг друга в вертикальной плоскости до момента улучшения звуковой картины. К примеру, при частоте волны 1000 Гц временная задержка в одну милисекунду устраняется сдвигом динамиков друг относительно друга на 30 см.

Настройка активного кроссовера

Самое важное в настройке кроссовера — это правильный выбор частоты среза. Если мы имеем трехполосный активный кроссовер, то значит перед нами стоит задача в определении двух точек (частот) среза. Первая точка определяет частоту среза для сабвуфера (low-pass) и начало среднечастотного диапазона для мидвуфера (high-pass). Вторая точка определяет частоту окончания среднего диапазона (low-pass) и отправную частоту высокочастотного диапазона для твитера (high-pass). Самое главное, при установке частот среза кроссовера помнить о частотных характеристиках динамика и не в коем случае не нагружать динамик частотами, которые не входят в его рабочий диапазон.
К примеру, если сабвуфер немного гремит или издает гул (неприятный резонанс корпуса автомобиля) значит он перегружен нежелательными для него средними частотами (выше 100 Гц). Перенесите частоту среза (low-pass) на отметку 75 Гц и/или установите, если возможно, чувствительность на 18 Дб или 24 Дб на октаву. Напомним, что увеличение порядка чувствительности кроссовера (величина dB/octave) более качественно срезает ненужные частоты, не давая им просачиваться через фильтр. Порядок чувствительности high-pass фильтров для мидвуфера можно оставить на 12 Дб/октава (для «мягких» среднечастотных динамиков). Подобная настройка активного кроссовера называется асимметричной.

В этой таблице приведены начальные величины частот среза для различных типов динамиков при настройке активных кроссоверов.

Источник

Adblock
detector