Непростой расчет кроссоверов акустических систем
Как любителями звука обычно проектируется многополосная акустическая система ? Очень просто . Под имеющийся в наличии НЧ ( НЧ / СЧ ) динамик разрабатывается необходимого объема бокс . Ширину передней панели определяет размер НЧ ( НЧ / СЧ ) динамика , остальные динамики располагаются , исходя из эстетических соображений . Кроссовер рассчитывается также « классическим » методом – на бумаге ( или с помощью небольших программ ) по формулам с давно известными коэффициентами для получения требуемой характеристики фильтра . Сложив все это вместе и получив какой – то результат , одни остаются им довольны , а другие начинают задаваться вопросом : почему результат не соответствует расчетам . Не обходится и без особо « продвинутых », начинающих заявлять , что все многополосные системы , мягко говоря , не стОят внимания . Действительно , каков вывод ! В прошлом я сам рассчитывал акустические оформления и кроссоверы по формулам . Расчет кроссоверов производился , опираясь на номинальное сопротивление (Z) динамиков , после чего следовала долгая процедура подгонки « на слух ». Получалось , но не ахти как . Удовлетворительно . Все дело в том , что я не учитывал целый ряд особенностей при расчете . Особенностей , которые отличают динамики от резисторов , а многополосную акустику от точечного излучателя . Сейчас мне проще , есть измерительный комплекс , с которым я научился хорошо работать , и есть CAD системы , которые позволяют промоделировать акустику , учитывая все ее тонкости . И вот при очередном знакомстве с изделием , рассчитанным по формулам и принесенном на измерения , я решил уделить повышенное внимание кроссоверу . Конструкция , как оказалось , была с несводимыми в принципе полосами , чего на первый взгляд не скажешь . Особенно , глядя на АЧХ простого и недорогого мидбаса :
Используемый кроссовер – классика . Первый порядок на мидбасе ( на изображении выше измерения проведены без кроссовера ) и первый порядок на твитер . Казалось бы , что может быть лучше , чем фильтр первого порядка ? Практически любой аудиофил скажет , что в двухполосной акустической системе сопряженные таким фильтром головки обеспечат линейную фазо частотную характеристику ( ФЧХ ) и хорошую , без колебаний и затягивания , переходную характеристику ( ПХ ). А широкий совместный диапазон излучения можно компенсировать разнесением частот раздела . К сожалению , все хорошо только в теории . На практике же первый порядок фильтра редко работает с приемлемым результатом . Я попробую внести ясность , почему так происходит . Реальных результатов измерений не привожу , только моделирование в LspCAD. Как показала практика , результаты моделирования в этой CAD системе с высокой точностью подтверждаются результатами реальных измерений .
На изображении ниже показана двухполосная система с использованием фильтров первого порядка с частотой раздела полос 2500 Гц . Кроссовер рассчитан , исходя из номинального сопротивления нагрузки для ФНЧ – 6 Ом , для ФВЧ – 4 Ома . Динамикам присвоено константное сопротивление 6 Ом (Midwoofer) и 4 Ома (Tweeter). Размер их излучающих поверхностей составляет 1 мм , а акустические центры расположены в одной точке (x = 0, y = 0, z = 0). В общем , идеальные условия работы , чего в реальной жизни не может быть . Передаточная характеристика такой системы показана на графике рядом . Остальные характеристики в данном случае также линейны .
На первый взгляд , кроссовер идеален . Но ведь и вся система здесь представлена идеальной . Исправим досадный недочет и немного приблизим ее к реальности . Добавим подходящий бокс и используем размеры излучающих поверхностей для мидвуфера – 110 мм , а для твитера – 25.4 мм . Расположение твитера будет референсной точкой с координатами x = 0, y = 0, z = 0. Мидвуфер же, расположен ниже твитера , его акустический центр смещен вниз на 130 мм и углублен на 25 мм (x = 0, y = -130, z = 25). Среди двухполосных систем с использованием 4.5 дюймового мидвуфера и 1 дюймового твитера это типичные значения расположения акустических центров .
На первом графике изображена АФЧХ системы , на втором – внеосевые АЧХ . Ожидали такого результата ? Так как акустические центры излучателей находятся на некотором расстоянии друг от друга , между ними для звуковых волн существует временная разница , следовательно можно говорить о различии их акустических фаз . Выровнять фазовую характеристику можно двумя методами : расположением акустических центров головок строго на оси ( коаксиальный излучатель ), либо фазовой коррекцией в кроссовере . Но поскольку речь идет о фильтрах первого порядка , по понятным причинам фазовая коррекция в кроссовере с ними невозможна . Поэтому идем другим путем .
Так как на изображении выше отчетливо виден сильный провал в области частоты раздела , напрашивается мысль о противоположном знаке акустических фаз излучателей в этой области . Пробуем противофазное включение , хотя это опять в разрез идет с теорией . На сей раз о синфазной работе головок при использовании фильтров первого порядка .
Теперь АЧХ находится в пределах неравномерности +/-3 дБ , хотя с ФЧХ наблюдаются явно проблемы . Зато что происходит с внеосевыми АЧХ ! А ведь это все еще « идеальные » динамики . Добавляем реальный импеданс .
С таким фильтром твитер без каких – либо преград работает в области частоты резонанса ( а она находится достаточно низко – 750 Гц ). Мидвуфер же практически без ослабления воспроизводит всю полосу частот . Смотрим , что будет , если добавить реальные АФЧХ головок .
Спрашивается : за что боролись ? Совместная работа головок обеспечивается в диапазоне 600 Гц – 8 кГц , ФЧХ имеет излом . Внеосевые АЧХ и диаграмма направленности обещают окраску звучания в широком диапазоне частот , узкую зону стереоэффекта и необходимость прослушивания такой системы строго на оси твитера . Сам твитер работает в области резонанса , а мидвуфер – за пределами поршневой зоны . Единственное , что осталось удовлетворительным – ПХ .
При широком частотном диапазоне совместной работы головок , часто пользуются разнесением частот раздела . Пробуем такой вариант . Для ФНЧ используется частота среза 1 кГц , для ФВЧ – 6 кГц .
Прежние недостатки еще больше усугубились . Теперь наблюдается большая неравномерность осевой АЧХ и худшие внеосевые АЧХ . Может , стоит попробовать высокую – 8…10 кГц – частоту раздела ? Так как мидвуфер по результатам измерений АЧХ работает до 8 кГц , можно подключить его без фильтра , а для твитера использовать фильтр первого порядка с частотой среза 10 кГц . Пробуем такой вариант .
Как видим , ослабление на частоте резонанса твитера недостаточно даже для такой высокой частоты раздела . А что происходит с внеосевыми АЧХ ? Мидвуфер работает без фильтра в широком диапазоне частот , твитер его только поддерживает вверху , а диаграмма направленности хуже , чем в любом другом случае . Мидвуфер , в силу законов физики , имеет сужение диаграммы направленности выше частоты , которая определяется размерами его излучающей поверхности . В идеальном случае , эта частота составляет c/d, где c – скорость звука в воздушной среде (345 м / с ), d – диаметр диафрагмы ( в метрах ). Для используемого в примерах мидвуфера диаметр диафрагмы составляет 110 мм , что ограничивает его использование на частотах выше 3 кГц .
Изменение внеосевых АЧХ и сужение диаграммы направленности проявляется и в комбинированных широкополосных динамиках . Для примера , ниже приведен результат измерения широкополосного динамика 4 А 28 при измерении на оси и с отклонением от оси на 45 градусов .
Как можно видеть , изменение АЧХ происходит , начиная с частоты 1500 Гц , что хорошо согласуется с вышеприведенной формулой (c/d = 1604 Гц ).
По указанной причине , расположение акустических центров излучателей в многополосной системе должно производиться так , чтобы расстояние между ними не превышало длины волны на частоте раздела .
Что можно сделать для устранения всех перечисленных недостатков при использовании тех же мидвуфера и твитера . Не сильно углубляясь в моделирование , при использовании фильтров третього порядка я получил следующую картину .
Проведя час – другой за моделированием , можно выровнять характеристики до погрешности в пару децибел , а диаграмму направленности сделать еще шире . Резонный вопрос : совпадут ли результаты моделирования с результатами реальных измерений . Предлагаю посмотреть на изображения ниже и самому ответить на этот вопрос .
Но для того , чтобы получить требуемые результаты , CAD системе необходимо « знать » о будущей АС все : размеры бокса , расположение динамиков , их АФЧХ и ИЧХ . Иначе вместо того , что можно было бы получить:
Автор: Сирвутис Алексей Ромасович ( Lexus )
Всем привет.Меня интересует вот что,изменится ли сопротивление в динамиках(в двух,трех или в нескольких) если их пустить
Всем привет.Меня интересует вот что,изменится ли сопротивление в динамиках(в двух,трех или в нескольких) если их пустить паралельно или последовательно через один кроссовер(фильтер).Например если соеденить 2 четырех омные динамики паралельно,сопротивление сразу упадет на 2 ома,а если соеденить последовательно,тогда сопротивление станет 8 ом.Через кроссовер будет тоже самое или все останется безизменно,сопротивление в динамиках останется 4 ом?Заранее вас благодарю
Здравствуй, Руфат.
Сопротивление изменится.
Более того, кроссовер рассчитан на совершенно конкретное сопротивление динамика или динамиков, которые к нему подключаются. Если это сопротивление не выполнено, например, кто-то подключил не динамик, а 2 динамика параллельно, характеристики кроссовера изменятся и он начнет фильтровать по-другому, звук изменится. Никитин К.к., проф.
Пассивный фильтр может только добавить сопротивление. В принципе сопроивленин можно измерить, но здесь есть тонкости и если их не знать можно грохнуть динамики.
Даже если суммарное сопротивление останется неизменным при встречно -параллельном включении головок, параметры кроссовера все равно придется корректировать , потому что в данном случае, изменние сопротивления по постоянному току не главное, а изменятся прежде всего импеданс и индуктивность нагрузки твоего фильтра!
Фильтр может состоять из емкостей, индуктивностей, активных сопротивлений, т. е. он вностит свою долю к нагрузке(динамикам) в твоем случае расчитай сопротивление фильтра (активное), и в зависимости от способа подключения динамиков, и сопротивление всей системы. НО ЭТО ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ, на самом деле это не играет особо значительной роли, самое главное, в даном случае важен модуль входного импеданса.
Точно сказать не смогу как изменится частота среза кроссовера (если // подключены динамики, то я считаю, что ты услышишь больше высоких частот в низкочастотном динамике, если последовательно, то Частота среза уменьшится, и эти динамики будут выдавать больше басов (на самом они не будут выдавать больше басов, просто человек так устроен, что будет казаться, что басов больше) ),
а вот сопротивление динамиков все так же как и в старые добрые времена будет изменяться