Зачем нужны разделительные фильтры в АС
В теории идеальный источник звука — точечный, а уже максимально приближенный к нему широкополосный имеет целый ряд недостатков, среди коих первое место занимают его внушительные размеры. К сожалению, практически невозможно создать широкополосный громкоговоритель, способный воспроизвести достаточно широкую полосу частот при ровной АЧХ, удовлетворяющий хотя бы устаревшему стандарту Hi-Fi Din 45500. Кроме того, причин поручить воспроизведение различных диапазонов специализированным излучателям более чем достаточно, перечислим лишь некоторые из них:
- С повышением рабочей частоты излучатель внушительных размеров становиться более направленным и всегда имеет большую неравномерность АЧХ в области высоких частот ~4 кГц как на оси излучателя, так и под углом.
- Широкополосный излучатель модулирует более высокочастотное излучение низкочастотным (т.е. вызывает интермодуляционные искажения).
- Чем больше физические размеры излучателя и одновременно больше соотношение массы подвижной системы к мощности его мотора (Mms/BL), тем хуже его импульсные характеристики.
Казалось бы, не бывает правила без исключений, но в данном случае даже исключения — такие нетрадиционные излучатели как электростатические или, к примеру, плазменные — имеют свои недостатки.
На настройку разделительного фильтра (кроссовер) тратится львиная доля времени при проектировании и изготовлении АС. После предварительных расчетов, многочисленных экспериментов и последующих корректировок конечный результат настройки выглядит таким образом:
- Создать максимально ровную АЧХ, ровный тональный баланс. Как в самих поддиапазонах излучателей, так и в области стыковки каждого из них друг с другом, несмотря на большую неравномерность АЧХ излучателей.
- Максимально сузить зону совместного излучения НЧ- / СЧ- / ВЧ-излучателей. В области совместной работы разность фаз головок близка к нулю и головки имеют схожую диаграмму направленности. Это необходимо, чтобы при отклонении от оси акустической системы на частоте раздела не возникало провалов на АЧХ и не искажался тональный баланс.
- Излучатели должны работать в оптимальном режиме, то есть среднечастотный излучатель не перегружается низкочастотными составляющими, а твиттер среднечастотными.
- Обеспечить разгрузку ВЧ-излучателей от воспроизведения частот, на которых твитер излучает звуковые колебания со значительными искажениями и может сгореть или просто выйти из строя при подведении даже обычной эксплуатационной мощности. Следует заметить, что ВЧ-излучатель должен работать на частотах в два раза превышающих частоту его собственного резонанса. Ну а в самих фильтрах следовало бы понижать звуковое давление на частоте резонанса излучателя на 20 дБ, но обычно понижают только на 12 дБ.
- Добиться такой частоты стыковки ВЧ- и СЧ-излучателей, при которой они будут иметь одинаковые угловые характеристики по горизонтали в пределах +/-30 градусов.
- Во избежание частоты стыковки поддиапазонов в 2,5 кГц и расположения зоны совместного излучения в диапазоне от 2–3,5 кГц, добиться максимально низкой частоты раздела.
- Импеданс АС по возможности постоянный, чтобы усилителю было комфортно работать.
- Порядок фильтра, крутизна и область раздела подобраны таким образом, что слух не локализует область раздела полос.
Согласно вышеперечисленному, далеко не полному, списку принципов конструирования разделительных фильтров выбираются порядки ФВЧ и ФНЧ. Если АЧХ и другие характеристики динамиков позволяют, следует применять фильтры максимально низких порядков. Но на самом же деле, в целях экономии (бюджетная акустика) для ВЧ-излучателя чаще всего используют фильтры первого порядка, а СЧ-излучатель и вовсе остаётся без фильтра, и лишь иногда при подборе специально сконструированных СЧ- и ВЧ-излучателей некоторым производителям, даже при использовании фильтров первого порядка, удаётся достичь хорошего качества звука.
Следовательно, если вы хотите уменьшить зону совместного излучения громкоговорителей друг с другом (к примеру, твитера и вуфера), ликвидировать и надежно защитить ВЧ-излучатель при работе на максимально низких частотах, устанавливайте хорошее программное обеспечение (Visaton, linearX и т.д.) и проектируйте фильтры по конкретным замерам, чтобы их порядки соответствовали используемым излучателям.
Разделительные фильтры в колонках
В многополосной акустике для воспроизведения различных частотных диапазонов используются отдельные динамики. Но как получается такое распределение сигнала? За него отвечает специальная схема — разделительный фильтр (кроссовер), который можно считать мозгом такой Hi-Fi акустики.
Двухполосная акустика Triangle Borea BR03 не может обойтись без разделительного фильтра
«Кроссовер – это устройство в акустической системе, создающее нужные рабочие частотные диапазоны для корректной работы динамиков».
Другими словами, кроссовер определяет то, какие частоты (диапазон частот) будет воспроизводить каждый динамик колонки. Но это еще не все. Разделительный фильтр фактически является посредником между усилителем и динамиками. Если в колонке не будет кроссовера, ее ВЧ-динамик, подключенный напрямую к усилителю, скорее всего просто сгорит. В любом случае колонка, в которой все динамики получают от усилителя одинаковый сигнал, будет звучать с большими искажениями.
Правила разделения частот
Правильное проектирование кроссовера в колонках требует не только инженерного таланта, но и бюджета, который войдет в общую стоимость будущей модели. Давайте кратко определим некоторую базовую терминологию, которая будет полезной в понимании работы кроссовера. Например, в двухполосной (оснащенной басовиком и твитером) акустике должен применяться кроссовер, состоящий из двух фильтров. Это фильтр высоких частот, который пропускает сигнал в этом диапазоне, но задерживает низкие частоты. И фильтр низких частот, который пропускает басы и задерживает ВЧ.
Высокочастотный динамик Triangle
Итак, вернемся к нашему твитеру, который просто физически не может воспроизводить низкие частоты. Чтобы этот динамик работал правильно, сигнал на него подают через ВЧ-фильтр. А для басовика, напротив, потребуется низкочастотный фильтр. В результате оба динамика зазвучат только на «своих» частотах, для воспроизведения которых и были разработаны.
Крутизна среза фильтра
У фильтра есть еще одна важная характеристика — крутизна среза. Здесь все немного сложнее. Она показывает, во сколько раз фильтр ослабляет сигнал и измеряется в дБ/октава. Степень крутизны среза фильтра определяет его порядок. Так, фильтр 1-го порядка имеет крутизну среза 6 дБ/октаву и ослабляет сигнал в 4 раза. Самый высокий (из применяемых в кроссоверах) показатель крутизны среза в 24 дБ/октаву имеет фильтр четвертого порядка. Фильтр с такой крутизной характеристики ослабит сигнал вне своей частоты пропускания в 256 раз. Чем выше порядок фильтра, тем сложнее он в реализации и тем больше электронных компонентов требуется для его создания. Некоторые изготовители устанавливают в свои колонки простые фильтры второго порядка, утверждая, что так лучше для звука: проще схема, а значит, меньше искажений. Более того, некоторая акустика вообще не имеет фильтра для НЧ-динамика. Увы, но на практике это может стать причиной плохого звучания колонок.
Низкочастотный динамик Triangle Antal 40th Anniversary
Простые или сложные фильтры?
Если в колонке НЧ-динамик не имеет фильтра, значит, он будет работать во всем частотном диапазоне. В некоторых случаях диапазон рабочих частот басовика может быть ограничен «сверху» за счет его конструкции. Однако это требует точной настройки параметров динамика (то есть, фактически, изготовления его на заказ), что теоретически конечно выполнимо, но довольно затратно. В случае же с обычным серийным басовым динамиком результатом отсутствия в кроссовере НЧ-фильтра станет появление призвуков на высоких частотах. И их заметность будет расти по мере увеличения общей громкости звука. Это особенно заметно у динамиков с жесткими диффузорами, которые могут начать «звучать» на высоких частотах даже при наличии НЧ-фильтра низкого порядка.
Простой разделительный фильтр низкой стоимости
Фильтры первого порядка плохо справляются с низкими частотами, из-за чего могут возникнуть проблемы в работе твитера. При их использовании нагрузка на ВЧ-динамик может возрасти. И если включить музыку слишком громко, твитер просто сгорит. Кроме того, с таким кроссовером звучание колонки на высокой громкости может стать менее детализированным и прозрачным. Можно сказать, что простой кроссовер почти всегда даст больше искажений в звуке, чем правильно рассчитанный сложный. Разумеется, если для изготовления обеих разделительных фильтров использовать компоненты низкого качества — простая схема, содержащая меньшее количество компонентов, вполне может иметь преимущество. Но только в этом случае.
Высококлассный разделительный фильтр Triangle
В принципе, качество разделительного фильтра в колонке можно определить просто по его внешнему виду. Жаль, что многие из нас лишены этой возможности. Если кроссовер маленький и состоит из небольшого количества деталей — скорее всего, на нем просто сэкономили при изготовлении акустики. Разумеется, речь не идет о моделях класса High End, конструкция которых может быть весьма экзотической.
Разделительный фильтр для двухполосной акустической системы
Что такое разделительный фильтр (для любителей англицизмов «кроссовер»)?
Это устройство, пропускающее определенные частотные составляющие в сигнале и ослабляющее остальные. Фильтр может быть реализован в виде аналоговой схемы (пассивные и активные фильтры), а также реализован программно или в виде цифрового устройства (цифровые фильтры).
Если в акустической системе больше одного динамика, то что бы динамики играли согласовано по своим частотным диапазонам, необходим фильтр, который даст динамику играть в своей полосе частот, в своей «зоне комфорта».
Но есть главная особенность. Фильтр для акустической системы нельзя рассчитать, слишком много факторов будут влиять на конечную АЧХ акустики (параметры динамика, расположение их на корпусе, бафлстеп и пр.) Нужны измерения конкретных динамиков в конкретном корпусе. Конечно, это касается домашнего Hi Fi, а не low автозвука и поделок из отечественных динамиков в ящике для хранения картофеля.
Так как здесь все же сайт для
а не форум по звукотехнике, я расписывать все подробно не буду, но очень рекомендую ознакомится с этой статьей и данным разделом форума.
Теперь посмотрим на то, что предлагают китайцы тем, кто все таки решился пойти по простому пути и поставить готовый фильтр.
Так как проект у меня ультрабюджетный, я выбрал самое дно рынка, самый дешевый и простой разделительный фильтр для двух полос.
Плата фильтра продается по одной.
Размеры платы и подключения: 
Тут есть система перемычек:
- Без перемычек — «нормальный» режим.
- С1 перемычка — усиление высоких частот (ВЧ).
- С2 перемычка — усиление низких частот (НЧ).
- Обе перемычки — усиление всего и вся))
Внешний вид платы: 
Клеммы: вход с усилителя, выход для НЧ динамика и выход для ВЧ динамика.
Так на вскидку, тут фильтр второго порядка (катушка+конденсатор) на НЧ и фильтр первого порядка на ВЧ (конденсатор).
Аттенюатор из резисторов отсутствует, если у Вас отличается чувствительность (громкость) динамиков, то это Ваши проблемы.
Примерно такую передаточную характеристику мы ждем от такого фильтра: 
Но давайте рассмотрим подробнее, перевернув плату топология становится на свои места: 
Это все же фильтр первого порядка на НЧ с сабсоник фильтром. Конденсатор тут стоит последовательно с катушкой. На ВЧ работают один либо пара конденсаторов.
Вот, собственно, и разница между НЧ фильтром второго порядка и первый порядок + сабсоник: 
Сабсоник может быть полезен как раз для мелких динамиков, что бы низкие частоты не шли на динамик, не способный их воспроизвести.
Посмотрим теперь номиналы элементов: 
Электролит 220 мкФ 50 В, пленка 1,5 мкФ 100 В 2 шт.
Индуктивность катушки я не смог определить, она очень мала.
Вот ее параметры: Ферритовый каркас 6 мм в диаметре 20 мм длиной, намотана 17 витков проводом 1 мм.
Измеренные графики работы этого фильтра:
По два графика — это работа перемычек.
Что же мы видим? Да то, что фильтр-то, нифига не фильтрует.
По НЧ индуктивность совсем не работает (зеленая линия), не заваливает АЧХ к середине (басовик будет играть весь диапазон), второй график (желтый) работа сабсоника. По ВЧ — обычный фильтр первого порядка. В принципе, все это плату можно заменить одним конденсатором 3,3 мкФ.
Результат (точнее отсутствие результата) вполне ожидаемо, фильтр по НЧ не работает, сэкономили на катушке. Но для моего проекта пойдет и этот)) Но, если задумаете делать много полосную систему, перечитайте еще раз эту статью.
Спасибо за просмотр. Удачных покупок!