Как рассчитать фильтр для акустики

Трёхполосные акустические системы, состоящие из трёх динамиков, являются самым удачным решением для высококачественного звуковоспроизведения. В них используются три типа звуковых головок. Они отличаются по размеру, конструктивным особенностям и полосе воспроизводимых частот. Для разделения всего частотного диапазона выдаваемого усилителем низкой частоты используются полосовые фильтры-кроссоверы. В них используются конденсаторы дроссели и, реже, резисторы.

Сделать своими руками фильтр для динамика НЧ очень просто.Основным элементом устройства является индуктивность или дроссель. Катушка включается последовательно с низкочастотным динамиком.

Фильтр для низкочастотного динамика

Фильтр нижних частот из дросселя и конденсатора большой ёмкости называется схемой Баттерворта второго порядка. Он обеспечивает спад частот выше частоты среза до 12 dBна октаву. Схема работает следующим образом. Индуктивность в LC контуре выполняет функцию переменного резистора. Его сопротивление прямо пропорционально частоте ивозрастает с увеличением диапазона. Поэтому высокие частоты практически не попадают на НЧ динамик. Такую же функцию выполняет и конденсатор. Его сопротивление обратно пропорционально частоте и он включается параллельно громкоговорителю.

Поскольку схема устройства должна хорошо пропускать низкие частоты и обрезать высокие, то конденсаторы такого устройства имеют большую ёмкость.Пассивный фильтр для динамика может быть выполнен по более сложной схеме. Если соединить две схемы Баттерворта последовательно, то получится устройство четвёртого порядка из двух индуктивностей и двух конденсаторов. Оно обеспечивает спад частотной характеристики низкочастотного громкоговорителя в 24 децибела на октаву.

Для того чтобы выровнять частотную характеристику и более точно согласовать схему Баттерворта и динамик, между катушкой индуктивности и конденсатором, включается резистор с небольшим сопротивлением. Для этой цели лучше использовать проволочные резисторы.

Фильтры для динамиков своими руками

Сделать фильтр для динамика совсем не сложно. Он состоит всего из двух элементов – конденсатора и катушки индуктивности. Рассчитать параметры радиоэлементов для пассивной схемы низкой частоты второго порядка проще всего на онлайн калькуляторе. Там можно задать желаемый уровень среза и сопротивление акустической головки. Программа выдаст требуемую ёмкость конденсатора и индуктивность катушки. Например, выбран уровень среза 150 Гц, а сопротивление динамика равно 4 Ом. Калькулятор выдаст следующие значения:

• Ёмкость конденсатора – 187 мкф
• Индуктивность катушки – 6,003 мГн

Требуемую ёмкость можно получить из параллельно соединённых конденсаторов К78-34, которые специально разработаны для работы в акустических системах. Кроме того есть обновлённая линейка конденсаторов аналогичного типа. Это KZKWhiteLine. В качестве недорогих аналогов, радиолюбители часто используют конденсаторы типа МБГО или МБГП.

Катушка индуктивности на 6 мГн наматывается на оправке диаметром 1 см и длиной 6 см. Поскольку катушка не имеет магнитного сердечника в качестве бобины можно использовать цилиндр из любого материала, на который для удобства намотки, нужно сделать щёчки. Для намотки используется медный провод типа ПЭЛ диаметром 1 мм. Длина проволоки 84 метра. Намотку нужно делать виток к витку.

С целью снижения интермодуляционных искажений при звуковоспроизведении громкоговорители Hi-Fi систем составляют из низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных динамических головок. Их подключают к выходам усилителей через разделительные фильтры, представляющие собой комбинации LC фильтров нижних и верхних частот.

Ниже приведена методика расчета трехполосного разделительного фильтра по наиболее распространенной схеме.

Частотная характеристика разделительного фильтра трехполосного громкоговорителя в общем виде показана на рис. 1. Здесь: N — относительный уровень напряжения на звуковых катушках головок: fн и fв — нижняя и верхняя граничные частоты воспроизводимой громкоговорителем полосы; fр1 и fр2 — частоты раздела.

В идеальном случае выходная мощность на частотах раздела должна распределяться поровну между двумя головками. Это условие выполняется, если на частоте раздела относительный уровень напряжения, поступающего на соответствующую головку, снижается на 3 дБ по сравнению с уровнем в средней части ее рабочей полосы частот.

Частоты раздела следует выбирать вне области наибольшей чувствительности уха (1. 3 кГц). При невыполнении этого условия, из-за разности фаз колебаний, излучаемых двумя головками на частоте раздела одновременно, может быть заметно «раздвоение» звука. Первая частота раздела обычно лежит в интервале частот 400. 800 Гц, а вторая — 4. 6 кГц. При этом низкочастотная головка будет воспроизводить частоты в диапазоне fн. fp1. среднечастотная — в диапазоне fp1. fр2 и высокочастотная — в диапазоне fр2. fв.

Один из распространенных вариантов электрической принципиальной схемы трехполосного громкоговорителя приведен на рис. 2. Здесь: B1 — низкочастотная динамическая головка, подключенная к выходу усилителя через фильтр нижних частот L1C1; В2 — среднечастотная головка, соединенная с выходом усилителя через полосовой фильтр, образованный фильтрами верхних частот C2L3 и нижних частот L2C3. На высокочастотную головку В3 сигнал подается через фильтры верхних частот C2L3 и C4L4.

Расчет емкостей конденсаторов и индуктивностей катушек производят исходя из номинального сопротивления головок громкоговорителя. Поскольку номинальные сопротивления головок и номинальные емкости конденсаторов образуют ряды дискретных значений, а частоты раздела могут варьироваться в широких пределах, то расчет удобно производить в такой последовательности. Задавшись номинальным сопротивлением головок, подбирают емкости конденсаторов из ряда номинальных емкостей (или суммарную емкость нескольких конденсаторов из этого ряда) такими, чтобы получившаяся частота раздела попадала в указанные выше частотные интервалы.

Емкости конденсаторов фильтров С1. С4 для различных сопротивлений головок и соответствующие значения частот раздела приведены в табл 2.

Легко видеть, что все значения емкостей могут быть либо непосредственно взяты из номинального ряда емкостей. либо получены параллельным соединением не более чем двух конденсаторов (см. табл. 1).

После того как емкости конденсаторов выбраны, определяют индуктивности катушек в миллигенри по формулам:

Поскольку полное сопротивление головки является частотнозависимой величиной, для расчета обычно принимают указанное в паспорте головки номинальное сопротивление Zг, оно соответствует минимальному значению полного сопротивления головки в диапазоне частот выше частоты основного резонанса до верхней граничной частоты рабочей полосы. При этом надо иметь в виду, что фактическое номинальное сопротивление различных образцов головок одного и того же типа может отличаться от паспортного значения на ±20%.

В некоторых случаях радиолюбителям приходится использовать в качестве высокочастотных головок имеющиеся динамические головки с номинальным сопротивлением, отличающимся от номинальных сопротивлений низкочастотной и высокочастотной головок. При этом согласование сопротивлений осуществляют, подключая высокочастотную головку В3 и конденсатор С4 к различным выводам катушки L4 (рис. 2), т. е. эта катушка фильтра играет одновременно роль согласующего автотрансформатора. Катушки можно намотать на круглых деревянных, пластмассовых или картонных каркасах с щечками из гетинакса. Нижнюю щечку следует сделать квадратной; так ее удобно крепить к основанию — гетинаксовой плате, на которой крепят конденсаторы и катушки. Плату крепят шурупами ко дну ящика громкоговорителя. Во избежание дополнительных нелинейных искажений катушки должны выполняться без сердечников из магнитных материалов.

Пример расчета фильтра.

В качестве низкочастотной головки громкоговорителя используется динамическая головка 6ГД-2, номинальное сопротивление которой Zг=8 Ом. в качестве среднечастотной — 4ГД-4 с таким же значением Zг и в качестве высокочастотной — ЗГД-15, для которой Zг=6,5 Ом. Согласно табл. 2 при Zг=8 Ом и емкости С1=С2=20 мкф fp1=700 Гц, а при емкости С3=С4=3 мкф fр2=4,8 кГц. В фильтре можно применить конденсаторы МБГО со стандартными емкостями (С3 и С4 составляют из двух конденсаторов).

По приведенным выше формулам находим: L1=L3=2,56 мГ; L2=L4=0,375 мГ (для автотрансформатора L4 — это значение индуктивности между выводами 1-3).

Коэффициент трансформации автотрансформатора

На рис. 3 показана зависимость уровня напряжения на звуковых катушках головок от частоты для трехполосной системы, соответствующей примеру расчета. Амплитудно-частотные характеристики низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной областей фильтра обозначены соответственно НЧ, СЧ и ВЧ. На частотах раздела затухание фильтра равно 3,5 дБ (при рекомендуемом затухании 3 дБ).

Отклонение объясняется отличием полных сопротивлений головок и емкостей конденсаторов от заданных (номинальных) значений и индуктивностей катушек от полученных расчетом. Крутизна спада кривых НЧ и СЧ составляет 9 дБ на октаву и кривой ВЧ — 11 дБ на октаву. Кривая ВЧ соответствует несогласованному включению громкоговорителя 1 ГД-3 (в точки 1-3). Как видно, в этом случае фильтр вносит дополнительные частотные искажения.

Примечание от авторов:

В приводимой методике расчета принято, что среднее звуковое давление при одной и той же подводимой электрической мощности для всех головок имеет примерно одинаковое значение. Вели же звуковое давление, создаваемое какой-либо головкой, заметно больше, то для выравнивания частотной характеристики громкоговорителя по звуковому давлению эту головку рекомендуется подключать к фильтру через делитель напряжения, входное сопротивление которого должно быть равно принятому при расчете номинальному сопротивлению головок.

РАДИО N 9, 1977 г., с.37-38 E. ФРОЛОВ, г. Москва

Расчет кроссовера для акустики75

Расчет кроссовера для акустики, как известно, очень важная операция. На свете не существует идеальных акустических систем, способных воспроизводить частотный диапазон полностью.
И тогда на помощь приходят отдельные участки спектра динамиков. К примеру, если надо воспроизводить НЧ, применяют сабвуфер, а чтобы воспроизвести ВЧ, устанавливают мидбасы.
Когда все эти динамики вместе взятые начинают играть, то может произойти путаница перед поступлением на тот или иной излучатель. По этой причине и необходим бывает активный или пассивный кроссовер для акустики.
В этой статье мы узнаем, для чего нужен расчет фильтра, рассмотрим пассивные кроссоверы, узнаем как они строятся на катушках индуктивности и конденсаторах.

Расчет кроссовера

Кроссоверы для акустики авто самодельные

Чтобы подключить 2-полосную(см.Акустическая двухполосная система и ее преимущества) или другую акустику с большим количеством полос к 1 каналу усилителя или ГУ, нужно некое отдельное устройство, разделяющее сигнал. При этом оно должно выделять для каждой полосы свои частоты. Именно такие устройства и называются фильтрами или кроссоверами.

Примечание. В комплекте с компонентной акустикой, как правило, уже идет пассивный кроссовер. Его готовил производитель и он рассчитан уже изначально.

Но что делать, если нужно разделить частоты по иной схеме (к примеру, если комплект акустики собран из отдельных компонентов)?
В этом случае речь идет о расчете кроссовера.Отметим сразу, что рассчитать кроссовер совершенно не сложно и даже можно самостоятельно изготовить его.

Кроссоверы для акустики на авто Пионер профессиональные

Ниже приводится инструкция о том, как рассчитать кроссовер:

• Скачиваем специальную программу. Это может быть Crossover Elements Calculator на компьютер;

Специальная программа для расчета кроссовера Crossover Elements Calculator

• Вводим сопротивления низкочастотного и высокочастотного динамиков. Сопротивление – это номинальное значение сопротивления акустики, выражаемое в Ом. Как правило, средним значением является 4 Ом;
• Вводим частоту раздела кроссовера. Здесь полезно будет знать, что частоту надо вводить в Гц, но ни в коем случае не в кГц.

Примечание. Если кроссовер второго порядка, то надо еще ввести тип кроссовера.

• Получить ожидаемый результат можно, нажав на кнопку расчета.

Кроме того, надо знать следующее:

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

Схема расчета фильтра выглядит примерно так:

Как рассчитать фильтр

Фильтры разного порядка

Чтобы ясно понимать схему расчета кроссовера(см.Самодельные кроссоверы для акустики и их предназначение), нужно понимать разницу между фильтрами разного порядка. Об этом и пойдет речь ниже.

Примечание. Существуют несколько порядков кроссовера. В данном случае порядок означает параметр кроссовера, который характеризует его способность ослаблять не нужные частотные сигналы.

Первый порядок

Схема 2-х полосного кроссовера этого порядка выглядит следующим образом:

2-полосный кроссовер 1-го порядка

По схеме видно, что ФНЧ или фильтр низких частот построен на катушке индуктивности, а фильтр высоких частот – на конденсаторе.

Примечание. Такой выбор компонентов не случаен, так как сопротивление катушки индуктивности повышается прямо пропорционально увеличению частоты. А вот что касается конденсатора, то здесь обратно пропорционально. Получается, что такая катушка отлично пропускает НЧ, а конденсатор отвечает за пропуск ВЧ. Все просто и оригинально.

Фильтр частот по схеме 1-го порядка

Следует также знать, что кроссоверы первого порядка, а вернее их номинал, зависит от выбранной частоты разделения и величины сопротивления колонки. Проектируя ФНЧ, надо в первую очередь обратить внимание на частоту среза НЧ и СЧ динамиков(см.Как выбрать динамики для автомагнитолы своими силами).
А вот проектируя ФВЧ, надо аналогичным образом поступить уже с ВЧ.

Пассивный кроссовер

Что такое в акустике кроссовер

Наиболее доступной на сегодня считается именно пассивная фильтрация, так как она сравнительно проста в реализации. С другой стороны, не все так просто.
Речь идет о следующих недостатках:

• Согласовать параметры и значение фильтров с характеристиками излучателей колонок очень сложная штука;
• В процессе эксплуатации может наблюдаться нестабильность параметров акустической системы. К примеру, если повысится сопротивление звуковой катушки при нагреве. В связи с этим значительно ухудшится достигнутое в процессе разработки согласование;
• Фильтр, обладая внутренним сопротивлением, забирает некоторую часть выходной мощности усилителя. Одновременно с этим ухудшается демпфирование, а это сказывается на качестве звучания и четкости передачи нижнего регистра.

Что такое кроссовер в акустике

Как известно, на сегодняшний день самыми распространенными акустическими системами считаются 2-х компонентные варианты.
В них фильтр разделяет звуковой сигнал на два диапазона:

• Первый диапазон предназначается исключительно для низких и средних частот. В данном случае используется кроссовер для нижних частот или ФНЧ;
• Второй диапазон предназначен для ВЧ. Здесь уже используется другой фильтр ФВЧ.

Примечание. Вариантов реализации фильтра может быть несколько, но он все должно отвечать определенным канонам.

Ниже приводится список требований, которым обязательно должен соответствовать кроссовер:

• Фильтр не должен оказывать влияния на частотный спектр и волну выходящего аудиосигнала;
• Должен создавать для усилителя, независимую от частоты нагрузку активного характера;
• Должен суметь обеспечивать вместе с акустическими системами формирование диаграммы направленности. Это должно быть реализовано так, чтобы до слушателя доходило максимум излучения.

Кроссовер АС очень важен

Из статьи мы узнали, как проводится расчет кроссовера акустических систем своими руками. В процессе работ будет полезно также изучить схемы, посмотреть видео обзор и фото – материалы.
Если научиться самостоятельно рассчитывать фильтр, платить за услуги специалистам не придется. Таким образом, цена операции сводится к минимуму, ведь надо только приложить немного терпения и уделить некоторое время изучению.

Расчет последовательного фильтра | ldsound.ru

Данная статья подготовлена по данным из книги «Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя» 1981 года выпуска. Был составлен простой расчет последовательных фильтров разных порядков. Сам, честно признаться, никогда им не пользовался, но расположение элементов всегда для меня есть подсказкой.

         Для начала рассмотри фильтры для 2-х полосной системы разных порядков. Но помните без должных акустических измерений (измерений микрофоном) у Вас мало что получится, да и посмотреть то, что получилось – не выйдет. Так что заранее запаситесь измерительным комплексом, благо в наши дни это не так уж и сложно.

Индуктивность: L[мГн]

Емкость: C [мкФ]

Сопротивление: R [Ом]

Частота разделения: f_гр [Гц]

Расчет последовательного фильтра для 2-х полосной акустической системы первого порядка, рис. 1:

C1=2,1∙(112000/(f_гр∙R))          L1=0,47∙(224∙R/f_гр)

Расчет последовательного фильтра для 2-х полосной акустической системы второго порядка, рис. 2:

C2=2,1∙(112000/(f_гр∙R))           L2=1,41∙(224∙R/f_гр)

C3=0,7∙(112000/(f_гр∙R))           L3=0,47∙(224∙R/f_гр)

Расчет последовательного фильтра для 2-х полосной акустической системы третьего порядка, рис. 3:

C4=2,1∙(112000/(f_гр∙R))          L4=1,41∙(224∙R/f_гр)

C5=1,41∙(112000/(f_гр∙R))          L5=0,47∙(224∙R/f_гр)

C6=0,7∙(112000/(f_гр∙R))          L6=0,707∙(224∙R/f_гр)

Теперь рассмотрим последовательный фильтр для 3-х полосной акустической системы второго порядка, рис. 4:

Для двух пар фильтров с последовательным соединением входов значение емкости и индуктивности вычисляется по формулам:

С1=(225∙10³/f_гр)∙R          L1=113∙R/f_гр

Частота раздела f_гр1 является частотой раздела между НЧ и СЧ динамиками, а частота f_гр2 – между СЧ и ВЧ соответственно.

Формулы для расчета рассчитывают фильтры для более низкой частоты разделения f_гр1и к выходу одного из них (фильтра низких частот) присоединяют низкочастотную головку громкоговорителя. Вторую пару фильтров L1’C1’ присоединяют к фильтру верхних частот первой ступени, пропускающему сигналы с частотами выше f_гр1. Эту пару фильтров рассчитывают по тем же формулам, что и первую, но для более высокой частоты разделения f_гр2. Таким образом пара фильтров L1’C1’ делит интервал частот, находящийся выше первой частоты f_гр1,на две полосы с частотой разделения между ними f_гр2.

Последовательное включение двух пар фильтров представляет интерес лишь в том смысле, что при этом значения емкостей и индуктивностей другие, соответственно конденсаторы и катушки будет легче купить и изготовить.

Существует еще несколько разновидностей 3-х полосных АС. Ода из них заключается в подключении дополнительной головки через последовательный резонансный контур. Эта головка может компенсировать провалы (не более чем на 8 – 10 дБ) в частотной характеристике 2-х полосной системы. Иногда небольшое увеличение звуковой отдачи в области средних частот, создаваемое дополнительной головкой, значительно улучшает качество звуковоспроизведения, лучше распознаются отдельные инструменты оркестра.

Статья специально подготовлена для сайта ldsound.ru

Автор: LDS

Моделирование и оптимизация фильтров для АС — Страница 3 — Акустика

— Виртуальная АЧХ, представленная на картинке, получена для «фильтров» 2-го порядка, с небольшой раздвижкой частот раздела, инвертированным включением СЧ полосы, и небольшой подгонкой СЧ и ВЧ по уровню с помощью «резистивных делителей»; «цепей Цобеля» — не применялось…

 

— Первым порядком — тоже пробовал, результат тоже весьма хорош (вот в жизни бы так)…

Андрей, привет!

Попробуйте еще вот такой фильтр: последовательный 1-го порядка на СЧ и параллельный второго порядка на ВЧ. Вторые 2 картинки для другого СЧ -динамика.

У последовательного разделение полос получается более крутое, чем у паралелльного без цепей Цобеля — ближе ко 2му порядку. Но при этом достигается меньшим числом деталей. Также уменьшаются локальные неравномерности.

Разумеется, сводить фильтр можно только после установки динамиков в корпус.

Последовательные фильтры в кроссовере АС

Аудиотехника

Главная  Радиолюбителю  Аудиотехника

Применение последовательных фильтров в кроссоверах АС — редкое техническое решение. В статье рассказано о некоторых нюансах, наблюдаемых при моделировании и измерениях характеристик АС с такими фильтрами, что позволит любителям-конструкторам более обоснованно использовать их в ряде случаев, например, применяя коаксиальные динамические головки.

О пассивных разделительных фильтрах (кроссоверах) акустических систем написано уже столько, что можно собрать приличную библиотеку. Не утихают баталии на интернет-форумах между приверженцами фильтров различных типов, поскольку улучшение одних характеристик почти неизбежно ведёт к ухудшению других. Причём чаще всего спорщики игнорируют факт влияния акустического оформления и собственных параметров головок на характеристики фильтра, рассматривая «идеальные» случаи.

Особый интерес для любителей высококачественного звучания представляют фильтры первого порядка, потому что такие фильтры корректно передают прямоугольный импульс (как сумму полос). И ради этого можно смириться с широкой зоной совместной работы динамических головок. Однако хорошие импульсные характеристики двухполосной АС с фильтрами первого порядка реализуются только при условии небольшой разницы в фазе совместного излучения и, кроме того, при максимально близком расположении центров излучения НЧ- и ВЧ-головок. Наиболее полно этому условию отвечают коаксиальные излучатели. Большинство головок такого типа используют в автомобильных АС с простейшими фильтрами.

Наиболее распространены параллельные фильтры различного порядка и типа (рис. 1). Их достоинство — независимость каждого фильтра (при сопротивлении источника сигнала, равном нулю), поэтому импеданс нагрузки, частоту среза и порядок фильтров можно выбирать почти произвольно. Обратная сторона этой гибкости — сложные фазовые соотношения сигналов смежных полос, увеличивающие неравномерность АЧХ в области частот разделения за счёт интерференции и отчасти влияющие на локализацию кажущегося источника звука (КИЗ). Схемы и методы расчёта таких фильтров подробно освещены в литературе, поэтому останавливаться на них не будем.

Рис. 1. Типы фильтров

В недорогих трёхполосных АС часто применяют каскадные фильтры, позволяющие сократить число деталей — других достоинств у них нет, сплошные недостатки. Иногда также используют комбинированные фильтры, которые нельзя однозначно отнести к тому или иному типу.

Однако существуют фильтры, незаслуженно игнорируемые и профессиональными разработчиками аппаратуры, и любителями. Речь идёт о последовательных фильтрах, происхождение которых теряется во тьме времён. Действие элементов последовательных фильтров обратно их действию в параллельных. В параллельном кроссовере каждый из частотно-зависимых элементов преграждает путь сигналам «ненужным» частот, в последовательном — наоборот, пускает их «в обход», а «нелишним» сигналам не оставляют иного пути, кроме как через предназначенную для них нагрузку.

Одно время интерес к последовательным фильтрам пробудил Ричард Смолл (тот самый, который вместе с Невиллом Тилем определил важные электромеханические параметры акустических излучателей). На рубеже 60-х и 70-х годов он сделал доклад об этих фильтрах на сессии Audio Engineering Society (Общества аудиоинженеров). Доклад назывался «Constant-Voltage Crossover Network Design». В нём показано, что в последовательном фильтре сумма напряжения на двух полосовых динамических головках будет всегда равна входному, т. е. напряжению на выходе усилителя; это — основное свойство последовательных фильтров. Кроме того, для таких фильтров первого порядка (и только для них!) ФЧХ всех звеньев взаимно дополняющие, что обеспечивает минимальные искажения АЧХ, уменьшает интерференцию и улучшает локализацию КИЗ. Последовательные фильтры более высокого порядка этого достоинства лишены (а других и не имеют), поэтому практически не применяются. Впрочем, при соответствующем выборе номиналов фильтра первого порядка можно увеличить крутизну спада АЧХ вблизи частоты среза до 9…12 дБ на октаву (рис. 2), но ценой снижения входного сопротивления на частоте разделения [1].

Рис. 2. Формулы и номиналы фильтров первого порядка

Ещё одно, практически не упоминаемое (но от этого не менее важное) достоинство последовательных фильтров — отсутствие влияния собственной индуктивности звуковых катушек (ЗК) на частоту разделения и суммарную АЧХ. Для иллюстрации этого явления рассмотрим сначала классические фильтры первого порядка (в моделях использованы среднестатистические параметры НЧ- и ВЧ-головок).

Для ФНЧ некомпенсированная индуктивность ЗК НЧ-головки включена последовательно с катушкой индуктивности фильтра, поэтому в результате получаем цепь, которая уже через октаву выше частоты среза превращается в индуктивный делитель напряжения (рис. 3). Приведённая в примере частота среза дана для наглядности, при её повышении фильтр практически прекращает работу, внося лишь небольшое затухание выше условной частоты среза. Таким образом, для полноценного ФНЧ первого порядка компенсатор Цобеля абсолютно необходим, но в промышленных конструкциях им нередко пренебрегают (экономия!).

Рис. 3. АЧХ

Справедливости ради следует отметить, что иногда такое решение применяют целенаправленно для коррекции АЧХ головки на средних частотах, а разделение полос получается за счёт естественного спада АЧХ головки — этот случай нетипичный (рис. 4) [2].

Рис. 4. АЧХ

Для ФВЧ реальность тоже не столь радужная, как при расчёте «по формулам». Ёмкость конденсатора фильтра образует с индуктивностью ЗК ВЧ-головки последовательный колебательный контур, демпфированный активным сопротивлением ЗК; в результате вблизи частоты среза возникает небольшой «горбик» (рис. 5). Обычно это не создаёт проблему, так как для выравнивания отдачи НЧ- и ВЧ-головок в цепи более чувствительной ВЧ-головки вводят делитель напряжения или последовательный резистор (чаще), и электрический резонанс надёжно демпфируется.

Рис. 5. АЧХ

Вообще говоря, влиянием последовательного сопротивления пренебрегать нельзя ни в одном случае. Для параллельных фильтров, например, весьма заметно влияние сопротивления проводов между усилителем и АС — при этом характеристики фильтров «плывут», меняется и характер звучания. Это одна (но далеко не единственная) из причин «мистического» влияния проводов на качество звучания. Влияние сопротивления проводов между фильтром и нагрузкой существенно противления проводов выражено слабее, но подробное рассмотрение этих вопросов уведёт нас в сторону и достойно отдельной статьи.

Рассмотрим теперь влияние параметров реальных головок на работу последовательных фильтров. Используем модели головок из уже рассмотренных примеров, а частоту разделения для наглядности примем 2 кГц.

Для начала смоделируем последовательный фильтр для динамических головок с сопротивлением ЗК 3,2 Ом (см. рис. 2). Номиналы элементов фильтра рассчитаем по приведённым ранее формулам — 25 мкФ и 0,25 мГн, АЧХ и ФЧХ показаны на рис. 6 и рис. 7 соответственно.

Рис. 6. АЧХ

Рис. 7. ФЧХ

Поскольку напряжение источника приложено к входу кроссовера, сами напряжения на элементах последовательной цепи (как мы увидим далее) могут изменяться весьма причудливым образом, но их сумма остаётся постоянной и автоматически учитывает все фазовые сдвиги. В случае идеальной (резистивной) нагрузки сдвиг фаз между выходами остаётся постоянным во всей полосе частот и равен 90 град.

Вернёмся к реальным головкам. Тот же фильтр демонстрирует совершенно непривычные АЧХ по полосам и идеальную прямую как результат их совместной работы (рис. 8). То, что было препятствием в работе параллельного фильтра, стало фактором повышения эффективности у последовательного. Когда с ростом частоты растёт индуктивное сопротивление НЧ-головки, сигнал с ещё большей охотой идёт в обход, через конденсатор. Индуктивность фильтра заметно выше индуктивности Зк ВЧ-головки, что также эффективно направляет высокочастотные составляющие спектра сигнала именно к ней. И там, и там крутизна спада АЧХ вблизи частоты разделения близка к 12 дБ на октаву — заметьте, при базовых номиналах элементов, без снижения входного сопротивления!

Рис. 8. АЧХ

ФЧХ с реальными головками уже не выглядит столь же привлекательно (рис. 9), однако и здесь фазовые сдвиги в основном сохраняются постоянными, кроме области разделения полос. Впрочем, «загогулину» на фазовой характеристике легко устранить включением компенсатора Цобеля, тогда и полосовая АЧХ станет более аккуратной (но и крутизна вернётся к 6 дБ на октаву). Однако, в отличие от параллельных фильтров, компенсатор здесь — всего лишь необязательная опция.

Рис. 9. ФЧХ

Остаётся последний штрих — импеданс нагрузки. Согласно канонам расчёта последовательных фильтров, динамические головки должны быть с одинаковым импедансом. Подразумевается, что и отдача у них тоже одинаковая — в противном случае согласующие цепи изменят импеданс. Однако эти ограничения — кажущиеся, если при расчётах для каждого элемента использовать своё значение импеданса: НЧ-головки — для конденсатора, ВЧ-головки — для индуктивности. Получившийся фильтр может иметь непривычные сочетания номиналов, но работать будет не хуже. В качестве примера — фильтр для коаксиальной головки SoundFen D-MAX 4″ (рис. 10). При сопротивлении основной головки 7 Ом высокочастотный изодинамический излучатель с плоской ЗК практически не проявляет индуктивности в полосе ЗЧ, его сопротивление постоянному току всего лишь 2,4 Ом.

Рис. 10. Фильтр для коаксиальной головки SoundFen D-MAX 4

Нетрудно заметить, что последовательный резистор, корректирующий отдачу ВЧ-звена, слабо влияет на АЧХ и не затрагивает частоту разделения (рис. 11).

Рис. 11. АЧХ

Подведём итоги. Последовательный фильтр не чувствителен к реальному импедансу нагрузки и может применяться в случае различного номинального сопротивления головок. В некоторых случаях он может соперничать по эффективности с классическими фильтрами второго порядка при вдвое меньшем числе деталей. Наконец, даже довольно широкая зона совместного действия головок не ухудшает локализацию КИЗ благодаря постоянному сдвигу фаз между полосами. Поэтому последовательный фильтр идеален для применения с коаксиальными головками, но будет не менее полезен и в случае классических двухполосных АС.

Литература

1. Елютин А. Последовательный кроссовер. — URL: http://www.автозвук.рф/az/ 2010/01 /082-krossover. htm (4.10.17).

2. Ким В. Компонентная акустика FOCAL PS 165V. — URL: http://www.автозвук.рф/ az/201 7/09/komponentnaya-akustika-focal-ps-165v1.htm (4.10.17).

Автор: А. Шихатов, г. Москва

Дата публикации: 02.01.2018

Мнения читателей

• victor / 05.02.2020 — 16:32
  Амфитоны 027 переделал на параллельный фильтр. Настройка только приглушить R высокочастотную и среднечастотную головки. Звук неожиданно радует, не думал что получится настроить фильтр. Параллельный практически очень очень тяжело настроить.
• Алексей / 13.12.2019 — 15:40
  Как раз наоборот. Колонки S90 сделаны на заводе по параллельной схеме. И звучат ужсно. Переделка фильтра на последовательный полностью меняют звучание колонки в лучшую сторону. Схема Nivago.
• Андрей / 01.04.2019 — 19:15
  Графики явно расходятся с расчетами, поэтому у людей, которые пытаются повторить последовательный фильтр, получается ужасное радио. В формулы надо вставлять 2Z. Тогда последовательный фильтр покажет все преимущества перед параллельным.
• Дмитрий / 13.12.2018 — 17:15
  Как раз все наоборот
• ErWik / 29.04.2018 — 19:01
  Последовательный фильтр не имеет шансов перед паралельным, особенно в 3 — полосной системе?

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу: