Некоторые сведения о кроссоверах
Практически любой акустический комплект, сложнее обычного стереофонического (2.0), требует наличия хотя бы сабвуфера . То есть, какого-то разделения частот: в любых широкополосных колонках воспроизведение басов в достаточном объёме ограничено. Вообще, каждый громкоговоритель должен получать только предназначенные именно ему частоты. Искажений избежать невозможно, но возможно их минимизировать. Кроме того, в акустической системе громкоговорители всех частот должны иметь близкую чувствительность . В противном случае звук громкоговорителя с наибольшей чувствительностью начнёт доминировать. Для оптимального разделения диапазона звука между специализированными динамиками и их выравнивания служат кроссоверы (они же переходные или разделительные фильтры ).
Разделение частот необходимо не только для повышения качества звука, но и для предотвращения физического повреждения динамических головок. Низкочастотную составляющую сигнала выделяет фильтр низкой частоты ( ФНЧ ), высокочастотную – фильтр высоких частот ( ФВЧ ). В трёхполосной акустической системе для получения средних частот используется полосовой фильтр , ограничивающий частоту и сверху, и снизу.
Фильтр – электрическая схема, состоящая из элементов с нелинейной амплитудно-частотной характеристикой, то есть сопротивление которых зависит от частоты. В кроссоверах, как правило, используются LC -фильтры , содержащие индуктивности и ёмкости . Для выравнивания чувствительности в схему вводятся балластные сопротивления .
Параметры частотных фильтров:
- Частота среза – частота, на которой происходит спад амплитуды сигнала до значения 0.7 от входящего значения
- Крутизна частотной характеристики – параметр фильтра, показывающий скорость спада амплитуды при изменении частоты сигнала. Измеряется в дБ/октаву. Под октавой, в данном случае, подразумевается удвоение или ополовинивание частоты. Идеальный случай – максимальная крутизна падения амплитудно-частотной характеристики (вертикальный спад)
- Порядок фильтра – означает количество реактивных элементов, участвующих в фильтрации (конденсаторов, как фильтров высокой частоты; дросселей, как фильтров низкой частоты). Порядок фильтра характеризует крутизну спада. Для фильтра 1-ого порядка крутизна составит 6 дБ/октава, 2-ого порядка – 12 дБ/октава, 3-его – 18 дБ/октава и т.д. Возрастание порядка фильтра означает резкое возрастание крутизны, однако, усложняет кроссовер и увеличивает его стоимость. Но самое главное – чрезвычайно усложняет настройку для конкретных условий эксплуатации.
Надо заметить, что существенное влияние на корректность работы фильтра оказывает сопротивление, в данном случае громкоговорителя, выходному сигналу фильтра. Для адекватной работы кроссовера желательно сопротивление всех его элементов на пару порядков ниже сопротивления нагрузки. Правильнее будет даже сказать «импеданса» – полного сопротивления активных и реактивных элементов, зависящих от частоты сигнала.
Фильтры первого порядка часто применяют в мощных акустических системах. Подключаются последовательно с динамиками. При этом не только улучшается качество звука за счёт снижения искажений, которые неизбежно возникнут при подаче, например, средних частот на твитер : энергия «лишних» частот, которые не может данный громкоговоритель преобразовать в звуковые, будет преобразована в нагрев, что угрожает физически этому самому громкоговорителю. С другой стороны, скачок сигнала может повредить механически диффузор. Подача же полного напряжения на все, соединённые параллельно, динамики может привести и к повреждению уже и усилителя.
Кроссоверы первого порядка просты как конструктивно, так и в настройке. Содержат конденсатор для защиты твитера от средних и низких частот и индуктивность для выделения последних. Не являясь колебательной системой, вполне обеспечивают приемлемые искажения сигнала в переходной зоне частот. За это приходится расплачиваться широкой зоной совместимости громкоговорителей разных частот, что почти неизбежно приводит к провалам амплитудно-частотной характеристики. Это не всегда приемлемо.
Кроссоверы второго порядка содержат конденсатор, подключаемый последовательно твитеру, и индуктивность – параллельно; для низких частот – индуктивность, подключаемая последовательно динамику, и конденсатор – параллельно. Обладают большей крутизной среза (12 дБ на октаву), однако, дают фазовый сдвиг на 180̊, поэтому для синхронной работы меняют полярность твитера.
Кроссоверы третьего порядка содержат два конденсатора и индуктивность для твитера, две индуктивности и конденсатор для низких частот. Имеют крутизну среза 18 дБ на октаву и обладают хорошими фазовыми характеристиками при любой полярности.
Кроссоверы четвёртого порядка , как правило, содержат по два последовательно соединённых кроссовера второго порядка на каждую полосу частот. Крутизна среза – 24 дБ на октаву, что почти исключает взаимное влияние громкоговорителей в области разделения частот. Не имеет фазовых сдвигов и позволяет временную коррекцию для динамиков, не работающих в одной физической плоскости.
Пассивные кроссоверы устанавливаются в схеме после усилителя, то есть обрабатывают достаточно мощный сигнал. Именно поэтому при выборе кроссовера следует обращать внимание на его способность выдерживать пиковые нагрузки. Вообще, при больших нагрузках в пассивных кроссоверах могут меняться частоты среза, значительно ослабляется звуковой сигнал. Лучше всего пассивные кроссоверы работают на высоких и средних частотах с фильтрами крутизной среза до 18 дБ на октаву.
Активный кроссовер требует питания извне и располагается в схеме звукового комплекта до усилителя. Естественно, после активного кроссовера понадобится отдельный усилитель на каждую выделенную полосу. При воспроизведении стереофонического сигнала число усилителей удвоится. Активный кроссовер содержит электронные компоненты для усиления сигнала. Для этого обычно используются операционные усилители , обеспечивающие уровень сигнала, достаточный для входа усилителя. Порядок фильтров может быть любым. Достоинства активных кроссоверов:
- Частотная характеристика не зависит от импеданса громкоговорителя
- Возможность точной настройки каждого диапазона частот для каждого конкретного громкоговорителя
- Качественное разделение частот для каждого динамика снижает искажения у границ перехода
- Улучшенные переходные характеристики динамика из-за его прямой связи с усилителем
- Разгрузка усилителя за счёт отсутствия пассивных компонентов в цепи усиленного сигнала.
Основной недостаток активного кроссовера – стоимость. Причём стоимость не только самого кроссовера, но и дополнительных усилителей, которые понадобятся. Использование в конструкции активных компонентов привносит в систему дополнительный шум.
Цифровой кроссовер . Активный цифровой кроссовер может использовать процессор цифровой обработки сигналов ( DSP ) или другой микропроцессор. Для работы с аналоговым сигналом на входе должен быть аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), на выходе – соответственно, цифро-аналоговый (ЦАП). Цифровые IIR -фильтры имеют много общего с аналоговыми: обработка сигнала в них практически моделирует аналоговую схему и не требует большого «ума» от процессора. FIR -фильтры, как правило, имеют более высокий порядок и более требовательны к процессору. Зато могут поддерживать линейную характеристику и почти идеальный её спад. Вообще, цифровые фильтры, по сравнению с аналоговыми, обладают громадными возможностями. Безусловно, они имеют свои недостатки, но, видимо, полному отказу в их пользу от аналоговых мешает только цена.
Наиболее используемы двух- и трёхполосные активные кроссоверы. Двухполосник может обеспечить, например, фильтрацию частот на низкие (для сабвуфера) и высокие-средние до усилителя. С дальнейшим разделением последних с успехом может справиться пассивный кроссовер на выходе усилителя.
Трёхполосные активные кроссоверы могут обеспечить схемы: фронт/тыл/сабвуфер, двухполосное усиление/сабвуфер, трёхполосное усиление.
Даже для качественных звуковых комплектов широкого применения обычно бывает достаточно фильтров второго порядка, скорее стоит постараться с акустикой самого помещения: в неблагоприятных условиях всякие искажения только усиливаются. В профессиональной аппаратуре считаются нормой кроссоверы четвёртого порядка.
Для домашнего использования обычно бывает достаточно пассивных кроссоверов. Даже небольшое временное рассогласование вполне можно компенсировать соответствующей расстановкой динамиков. Активные кроссоверы мало того, что дороги, ещё и требуют дополнительных усилителей. Про почти совершенные (при правильном использовании) цифровые – и говорить нечего…