ФИЛЬТР ДЛЯ АКУСТИКИ

Расчет фильтров трехполосных громкоговорителей

29 Мая 2006 Фролов

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.

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.

{mospagebreak}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: 

В обеих формулах: Zг-в омах; fp1, fр2 – в герцах.

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.

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

Источник: https://baseacoustica.ru/raschet/16-raschet-filtrov-akusticheskih-sistem/12-raschet-filtrov-trehpolosnyh-gromkogovoritelej.html

Фильтр для акустики

Тема сведения акустических систем довольно популярна среди радиолюбителей. Этому способствует не только желание созидать, благо динамиков нынче на любой бюджет, но также и  неудовлетворительное качестве серийной акустики.

Изготовление фильтров требует как правило большого опыта, отчасти эмпирического, так как строгий математический расчет в лице симуляций никак не отражает звучание, и тем более не может дать ответ как сводить.

Примерная прикидка не всегда дает ожидаемые результаты.

Виной тому отсутствие внятной теории именно сведения, а не электрических фильтров, с ними все ясно, чего нельзя сказать про сведение, где все базируется на нюансах которые в литературе как правильно не описаны.

Цель данной статьи поведать некоторые особенности проектирования фильтров на реальном примере.

В этой статье, к величайшему сожалению, не будет полноценного расчета или инструкции как брать и делать, ибо каждый случай уникален и требует персонального рассмотрения, и в лучшем случае можно указать на что обратить внимание и задать вектор размышлений в целом.

Важные характеристики АС

Для начала разберёмся чем характеризуется акустическая система. Тут три характеристики: амплитудная, фазовая и импедансная.

• АЧХ считается наиболее важной, так как больше определяет звучание, впрочем не в ней счастье, ровная АЧХ еще не гарантия хорошего звука.
• ФЧХ сама о себе не слышна, может быть слышен резкий перегиб фазы в точке раздела.
• ИЧХ вовсе на звучание не влияет, зато влияет на усилитель, но не на каждый, а лишь на тот у которого высокое внутреннее сопротивление, в частности ламповые.

Из-за кривого импеданса многие колонки могут не спеться с лампой, вся неровность импеданса вылезет в АЧХ. В каком-то случае это может пойти на пользу, но надеяться на это не стоит, хотя бы потому, что такая акустика будет крайне чувствительна к усилителю, станут слышны лампы, их режимы, а сравнение с каменным усилителем становится вообще не корректным.

Потому, если задаться цель построить акустику мало чувствительную к усилителю, необходимо обеспечить постоянство импеданса во всем диапазоне частот, а это накладывает определенные ограничения. В частности это обязывает применять фильтра настроеные на равную частоту среза и имеющие равную добротность.

Это правило позволяет для настройки фильтра контролировать только линейность импеданса, что исключает необходимость измерения АЧХ фильтров и в случаи отсутствия хорошего микрофона в измерении ачх динамиков, то есть можно обойтись минимальным набором приборов: генератором (возможно программным) и вольтметром.

Практическая работа

Плавно переходим от теории к практике. Достались мне винтажные колонки под названием Kompaktbox B 9251. И первое что было сделано – произведено прослушивание.

С холодным камнем звук был в среднем не плох, а если говорить конкретно, то местами хороший, а местами как попало. С теплой лампой играть вообще отказались. На основе этих наблюдений был сделан вывод о наличии глубоко зарытого потенциала.

Вскрытие показало, что немецкие инженеры решили обойтись одним единственным конденсатором последовательно с ВЧ головкой. Измерение АЧХ дало страшную картину. На рисунке АЧХ одной колонки, кривая с глубокой дыркой на 6 кгц из-за плохого контакта разъема, на нее внимание не обращать.

АЧХ отдельно ВЧ и НЧ приведены ниже.

Частота раздела

Тут самое время задуматься о частоте раздела. Обычно частота раздела выбирается на ровных горизонтальных участках, вдали от резонансов и завалов, стараясь обойти внезапные неравномерности как потенциальные источники искажений…

А если вспомнить что существует фаза, о которой мало известно, а если известно, то векторно ачх на бумажке не сложишь, а из-за кривизны фаз даже на идеально ровной ачх что-то вылезет, что-то провалится в большей или меньшей степени.

Также надо помнить что может дать сам динамик, особенно ВЧ, скажем не надо заставлять дюймовый купольник играть от двух, а тем более одного килогерца, даже если он способен их отыграть по АЧХ.

Не забывайте, что большой ход порождает интермодуляционные искажения, поэтому каждому размеру динамика соответствует свой диапазон частот. В свете вышесказанного понятие частоты раздела размазывается на область, куда стоить сводить, а конечную точку подбирать иначе, например на слух. Или вовсе не подбирать, но про это чуть позже.

Тут есть два варианта: если спады имеют адекватную крутизну, то лучше всего сводить в ямку, особенно если ямка получается широкой. В случае же нашем, когда спады круты как обрывы, надо держатся подальше от самого крутого из них.

Чаще всего это может случится с высокочастотником, им всегда тяжко работать у нижней границы диапазона, поэтому им целесообразнее облегчить жизнь возлагая воспроизведение нижней части диапазона на НЧ динамик, который отыграет хоть плохо, но не нагадит.

Поэтому ограничиваем диапазон участком от 1,5 кгц до 2,2 кгц.

Порядок фильтра и его добротность

Следующий параметр, с которым надо определиться – это порядок фильтра и его добротность. В данной статье будут рассматриваться два порядка, первый и второй.

• С первым все просто: есть катушка, есть конденсатор, считаем их параметры под требуемую частоту среза и при надобности корректируем значения до получения желаемой АЧХ, ФЧХ, ИЧХ.
• Со вторым порядком по-хитрее, там уже две катушки и два конденсатора. От значений номиналов зависит такой параметр как добротность, он определяет крутизну спада АЧХ и в некоторой степени сдвиг фазы. Поскольку влияние фазового сдвига и крутизны  умозрительно не прикинешь, остается просто выбрать в какую сторону думать. А думать тут в сторону низкой добротности, читай больше индуктивности в катушках, меньше емкости в конденсаторах.

Как выбрать порядок. Тут руководствуются уже знакомыми соображениями о том, на что способны излучатели, в особенности высокочастотник. Если большой ход ему противопоказан (как в нашем случае) то предпочтение отдаем второму порядку.

Для полноты картины следует упомянуть, что порядок также определяет степень совместной работы динамиков, но это уже информация для самостоятельного размышления.

Импедансная характеристика динамиков

Когда с примерными параметрами все более или менее ясно, самое время переходить к практике. Снимаем импедансную характеристику динамиков. С целью оценки сопротивления на графике имеется лесенка с шагом в один Ом. Скачек на 110 герцах это переключение с 10 Ом на 20.

Разумеется с такими горбами ни один фильтр нормально, и уж тем более расчетно работать не будет, особенно фильтр НЧ. Фильтру ВЧ этот подъем работать в общем то не мешает, однако как упоминалось ранее такой подъем на конце диапазона приведет к подъему высоких частот, в случае если усилитель имеет высокое сопротивление. Это можно использовать и во благо, оставив подъем небольшим.

Для выравнивания этих подъемов применяют так называемую цепочку Цобеля. Она состоит из последовательно включенных резистора и конденсатора. Проще всего ее подобрать методом научного тыка: берется реостат, горсть конденсаторов, и все это двигается пока не получится ровная линия.

Для примерного представления что от чего зависит привожу набор графиков для различных емкостей и сопротивлений. Ступенька начинается с 10 Ом.

Зная минимальное сопротивление НЧ звена, нужно привести к такому же и ВЧ звено.

Тут много вариантов как соединить два резистора и цепочку Цобеля, и каждый кто решился на такой отважный шаг как сведение сам способен определить вид подключения и номиналы резисторов, поэтому описывать данную процедуру здесь излишне.

Конкретно в данных колонках по результатам предварительного прослушивания решено было оставить родные резисторы на 2,2 ома и цепочку Цобеля параллельно ВЧ динамику.

Сведение фильтров

Теперь начинается финальный этап – сведение фильтров. Пора намотать катушки… или не намотать? Мотать всегда лень, нет провода, каркасов, конкретных значений индуктивности. В виду этих причин поискав в хламе нашлись пары катушек на 0,8 мкг и 3 мкг – на них и пришлось строить. В крайнем случаи всегда же можно домотать или отмотать лишнее.

По графику видно, что раздел попал в район 1,8 кгц, что вполне вписывается в задуманные границы. Подбором конденсаторов удалось добиться следующего импеданса. На частоте раздела имеется два бугорка, но их высота меньше полу ома – это не критично. Это не конечный его вид, в последствии был несколько увеличен резистор в цепочке Цобеля пищалки.

На приведенных выше картинках АЧХ как самого фильтра, так и АЧХ динамиков с его включением.

Фазировка динамиков

На этом сведение подходит в концу. Остается только определиться с фазировкой динамиков. Тут есть как минимум три способа: на слух, по форме АЧХ и по фазовому сдвигу на частоте раздела.

Если у динамиков АЧХ и ФЧХ в меру линейная, и фильтр фазу на разделе сильно не накручивает, то при смене правильной фазы на неправильную на частоте раздела появится глубокий провал, пропустить его сложно. В таком случае стоит подгонять фазу по по ее сдвигу.

Сделать это можно осциллографом подавая на горизонтальную развертку сигнал с усилителя, а на вертикальное отклонение с микрофона.

Второй вариант заметно хуже. Однако и первый не предел мечтаний, но так как двигать индуктивности катушек не просто, а ковыряться дальше уже лень, то все было оставлено как есть.

Сборка фильтров

В завершение пару слов про сборку. В фильтре применяются сравнительно большие емкости, 20 мкф, 27 мкф, а места в корпусе и так не много, бумаги или пленки не набрать. Приходится ставить электролиты.

И если в фильтре НЧ звучание от их применения пострадает не сильно, а в цобеле их можно и вовсе не услышать, то в фильтре ВЧ звучанием конденсаторов пренебрегать опасно.

Именно по этой причини были применены бумажный МБГЧ и пленочный К73-16, а все электролиты зашунтированы бумажными МБГО на 4 мкФ.

Не стоит увлекаться параллеленьем сильно разных конденсаторов. Основной критерий здесь тангенс угла потерь. Если к примеру поставить в шунт к бумажному конденсатору аудиофильский полипропилен, то скорее всего вылезут верха и будут они кислотные.

Вероятно тут можно составить аналогию с внутренним сопротивлением, сравнив с ним тангенс угла потерь: чем он меньше, тем больше через конденсатор пройдет сигнала, а поскольку емкость у такого высококачественного конденсатора меньше, то через него пройдет только высокочастотная часть сигнала, отсюда и имеем повышенные уровень верхов. Но это только аналогия, для лучшего понимания влияния шунтов на звук.

Про то как надо разносить катушки и какой толщины применять провода статей написано предостаточно, повторяться здесь не буду. Проще показать картинку (тут неправильно припаян цобель высокочастотника, он должен стоять после резистора).

Звучание системы

И конечно же надо сказать про звук. Стало лучше, сцена получилась очень недурственная. Кривизна АЧХ особо не слышна, даже наоборот, подъем на середине поддает детальности, верхов как ни странно хватает. Был замечен интересный эффект на басу.

Как можно заметить по АЧХ на сотне герц большой подъем, а за ним завал, разумеется качающего баса нет, но есть мид бас.

К примеру партия гитары кажется немного просаженным, а нижний бас, партия бас гитары, переходит как бы в слышимую область и читается очень четко, создается впечатление наличия того самого низкого баса.

Конечно ящики маловаты, и порой слышно подбубнивание, для устранения этого эффекта в каждую колонку было добавлено по 30 грамм натуральней шерсти.

В целом данная акустика играет тепло и мягко даже без лампового усилителя, сохраняя в звуке строгость и точность камня, а вот с теплой лампой получается перебор мягкости.

Все же им нужен усилитель по-строже – триод или двухтакт, но это тема для следующих экспериментов. Специально для сайта Радиосхемы – SecreTUseR.

   Форум по аудио

   Обсудить статью Фильтр для акустики

Источник: https://radioskot.ru/publ/unch/filtr_dlja_akustiki/6-1-0-1326

Апгрейд фильтров колонок переделка акустики

Глубина переделки может различаться и состоять из замены элементов кроссоверов на более качественные, не трогая саму схему фильтров, или модернизировать и ее тоже.

В кроссоверы можно установить, как «играющие» отечественные детали, так и зарубежные аудиофильские, специально предназначенные для апгрейда колонок.

Возможна так же установка зарубежных винтажных конденсаторов и резисторов 30- и авторских константановых резисторов из материала 20-40 годов прошлого века. С таким апгрейдом несколько сложнее т.к. нужные номиналы довоенных элементов для акустики сейчас найти проблематично.   

История с B&W Silver Signature

Собственно, этой идее без малого 20 лет и началась она с того, что я купил в 1996 году пару полочных колонок топ класса B&W Silver Signature. Как я с ними не «изгалялся», но низких частот они не выдавали от слова – вообще.

Попытки исправить ситуацию традиционными способами как, то – засыпание подставок для АС дробью, виброразвязка конусами и вонзание шипов в пол, мраморные плиты, крутые кабели, перебор ламповых и транзисторных усилителей, и т.д.

не помогало ничего…

Колонки Silver Signature на то время стоили около 5 тыс. долларов, и хоть были совершенно новыми, продать их кому-то было не реально… Получить за пахнущую лаком акустику треть цены я не хотел и от безвыходности ситуации, решил найти способ довести ее «до ума».

Хоть они и не были «серебряными» и по габаритам были раз в пять больше «родных», но звучание Silver Signature изменилось до неузнаваемости. После апгрейда я расхотел их продавать и с удовольствием слушал около трех лет. Затем с двойным комплектом фильтров они благополучно «уехали» в город Санкт-Петербург.

После B&W у меня появилась другая – однополосная акустика, но это уже отдельная история (Подробное описание переделки колонок B&W Silver Signature можно найти на странице).

Серийный выпуск и серийный апгрейд

После Silver Signature Юрий Грибанов стал моим компаньоном и ведущим инженером в фирме, которая занималась серийным выпуском ламповых усилителей и аудиофильских колонок.

Этим благодарным делом мы занимались около 5 лет, делая кроссоверы своих колонок по образу и подобию тех самых Silver Signature (Выпущено и продано их было за 5 лет около 500 пар). Интернета тогда не было, и вопросами фиксации аудиофильских «достижений» для будущего я как-то не заморачивался.

По этой причине у меня не осталось фотографий тех самых АС, вернее фото колонок есть, но только снаружи, а самого вкусного т.е. – фильтров нет.

Параллельно с выпуском собственных АС за те пять лет было переделана куча промышленной акустики, практически всегда с неизменным – хорошим (в плане звука) результатом. По крайней мере, ни одного недовольного переделкой колонок человека я не запомнил.

Хоть все переделываемые АС и были разными, но принцип апгрейда всегда сохранялся. В них заменялись ВСЕ компоненты фильтров и ВСЯ внутренняя проводка. Как оказалось – кроссовер и проводка внутри, это и есть «ахиллесова пята» 99,9 % выпускаемых промышленностью акустических систем не зависимо от их класса и стоимости. Эта проблема сохраняется и поныне.

99 % произведенных в 2017 году колонок, как и акустика возрастом 10-30 лет назад имеет «слабые» фильтры, сделанные по капиталистическому принципу «Произвести за доллар, а продать за 100…». И стоимость акустики на сей факт абсолютно не влияет… Кроссоверы и проводка между ними и динамиками «ужасны» как в колонках за 200 долларов, так и за 10-20 тысяч.

Серийные кроссоверы & новые кроссоверы

Подтверждаются мои слова элементарно. Достаточно вбить в поиск Гуггла интересующие Вас колонки и найти фотографии, на которых они изображены в разобранном виде и виден их кроссовер.

За редким исключением большинство фильтров собрано на печатных платах или фанерных дощечках (На фанерных дощечках кстати, все намного «культурнее»).

Там, где кроссоверы собраны на печатных платах, можно увидеть то – из чего они сделаны:

Электролиты – не электролиты. Почти повсеместно в них применяются электролитические конденсаторы (Электролиты в сильноточных цепях, это – ВАХ…). В фильтрах колонок обычно ставят конденсаторы емкостью от 1 до 100 мкФ на рабочее напряжение от 30 до 100 вольт.

Качественная пленочная и тем более – бумажная емкость такого номинала стоит ровно в 10 раз дороже электролита и занимает в 10 раз больше места. Основная причина установки электролитических конденсаторов – экономия…

Вторая причина – увеличенные габариты, менее очевидна и ее нужно учитывать только в колонках небольшого размера. Из-за новых элементов внутренний объем небольшой акустики уменьшается, что оказывает влияние на ее АЧХ в низкочастотной области.

Несмотря на это, электролиты в акустике, что большой, что маленькой нужно заменять на конденсаторы с бумажным либо пленочным диэлектриком – однозначно (ИМХО).

Пленка – бумага. Наряду с электролитическими 99 % всех колонок комплектуется конденсаторами с пленочным диэлектриком. Ни в одних современных АС бумажных и металлобумажных конденсаторов (особенно большого номинала) я не встречал.

В старых «бумага» и маталлобумажные емкости конечно есть, это в тех, которые признаны эталоном звука для своих лет: Acoustic Research AR-3a 1969 года или Klipsch Heresy 1967 года, например… Но тогда бумажные конденсаторы ставили не только и не столько из-за звука, а из-за того, что еще не был освоен массовый выпуск пленочных конденсаторов.

Откройте любой профильный форум и посмотрите – практически все аудиофилы любят в конденсаторах бумагу и фольгу или металлизированную бумагу и ругают «пленку» (я сейчас не упоминаю варианты Hi-End электролитов Black Gate и пленочных конденсаторов от знаковых фирм типа Audio Note и Jensen, стоимостью десятки и сотни долларов за единицу).

Пленка + бумага. Из опыта лучшие результаты по звуку показывают всевозможные сочетания бумажных, металлобумажных, пленочных и слюдяных конденсаторов. В каждом месте кроссовера все индивидуально, конкретное соотношение емкостей и тип диэлектрика «бутерброда» подбирается на слух… Могу вас заверить, что в серийных колонках, даже очень дорогих такую процедуру никто не делает.

Резисторы. Почти во всех кроссоверах можно наблюдать белые прямоугольнички керамических резисторов. Это проволочные «экземпляры» непонятного происхождения, как правило, китайского производства и очень дешевые.

Удалять их нужно безжалостно! Проверка на звук проста: берем керамический резистор, смотрим его номинал и покупаем такой же, только советский военный с5-16 и по очереди включаем их последовательно с колонкой. Слушаем…

В особых случаях мотаем самодельные резисторы из довоенного манганина или константана на деревянных каркасах, по звуку это – высший пилотаж (почитайте форумы).

Катушки – это отдельная история… Львиная доля катушек кроссоверов намотана тонким проводом на ферромагнитных сердечниках. Низкочастотные катушки большой индуктивности мотаются на сердечниках из железа, а высокочастотные – из феррита. Причина та же, что и с электролитами и только одна – экономия.

По сравнению с «воздушными», катушки на ферромагнитных сердечниках имеют высокую индуктивность, а значит для их изготовления требуется гораздо меньше дорогого медного провода. Меньше провода – меньше сопротивление и это плюс. Но любой ферромагнитный сердечник в отличие от воздуха имеет нелинейность и так называемую петлю гистерезиса. Т.е.

при переходе из отрицательной полуволны сигнала в положительную в намагничивании появляется «ступенька», а при больших значениях индукции (большом уровне сигнала) сердечник входит в насыщение.

Чтобы не вдаваться в теорию скажу, что катушки на железных и ферритовых сердечниках вносят весьма заметные на слух искажения как на малых уровнях громкости, так и на больших.

Для получения низкого сопротивления катушки без сердечника, сечение провода приходится брать в 3-5 раз больше, чем для катушки с сердечником. Соответственно и витков для сохранения прежней индуктивности тоже требуется в несколько раз больше.

В итоге, намотанная на голом каркасе катушка имеет габариты и весит примерно в 10 раз больше той, что на сердечнике. Стоит она соответственно, тоже – в 10 раз больше.

В связи с вышеизложенным, катушки без сердечников в колонках встречаются чрезвычайно редко, особенно низкочастотные (включенные последовательно с басовым динамиком).

Печатная плата кроссовера. Как выразился один из великих «радиотехника – это наука о контактах». Перефразируя его можно сказать, что чем меньше в электрической цепи всевозможных материалов, паек и переходов, тем для звука – лучше. Печатная плата помогает унифицировать фильтры, облегчить монтаж и устранить ошибки при серийном выпуске.

И вот этот толстенный и дорогой акустический кабель через разъем в колонке попадает на лепесток печатной платы фильтра и переходит в какую-нибудь дорожку из медной фольги шириной от силы 5-10 мм. А стандартная толщина фольги на печатной плате 35 микрон… Теперь умножьте 35 микрон на 5-10 мм и получите сечение 0,175 – 0,35 кв.мм.

в которую упирается ваш «дорогой» кабель сечением 4-10 кв.мм. И так несколько раз т.к. дорожек на плате кроссовера с лепестками и пайками – много.  

Возникает законный вопрос, если внутри колонки все «ТАК», то стоит ли вообще заморачиваться с дорогими и «толстыми» акустическими кабелями? Конечно – стОит, если внутри колонки все привести в порядок… В идеальном варианте переводим кроссовер с печатной платы на навесной монтаж, который вообще-то считается у аудиофилов наиболее качественным и самым звучащим.

Внутренняя проводка.

Здесь все просто – вывинчиваем из колонки НЧ динамик или заднюю крышку с терминалами и наблюдаем как «дорогой» акустический кабель переходит в жиденькие проводки «с базара».

Тут обычно дополнительных аргументов в необходимости замены внутриколоночной проводки не требуется, т.к. все предельно наглядно и понятно любому, даже далекому от радиотехники человеку.

Этапы апгрейда кроссоверов

1. Снятие реальной АЧХ колонок со штатными фильтрами;
2. Разборка одной колонки, снятие схемы и номиналов фильтра (с отпайкой элементов);
3. Подбор «нормальных» резисторов и конденсаторов с номиналами идентичными штатным;
4. Изготовление эксклюзивных резисторов из довоенного константана и манганина;
5. Составление «бутербродов» требуемого номинала из конденсаторов с разным диэлектриком;
6. Намотка катушек без сердечника с индуктивностью идентичной индуктивности штатных;
7. Проектирование и изготовление плат – шасси для новых кроссоверов;
8. Установка элементов и на платы – шасси и электрический монтаж кроссоверов;
9. Повторная разборка колонок, удаление штатных фильтров и установка новых;
10. Вывод элементов регулировки для точной подстройки новых кроссоверов на слух;
11. Проверка и подстройка звучания колонок с новыми фильтрами;
12. Снятие реальной АЧХ колонок с новыми кроссоверами.
13. Распитие коньяка.

Стоимость работы

• Пара колонок среднего класса (стоимостью 500 – 1000 долл) = 250 долл;
• Пара колонок высокого класса (стоимостью 1000 – 5000 долл) = 500 долл;
• Пара колонок топ класса (стоимостью 5000 – Много… долл) = Договорная;
• Эксклюзивные элементы (константановые резисторы ручной работы, конденсаторы топ класса или винтажные Siemens, Telefunken) = Договорная.

Сроки

• Прослушивание колонок со штатными фильтрами, снятие АЧХ, разборка АС, снятие схемы и номиналов фильтра, сборка АС – 1 рабочий день на дому у заказчика;
• Изготовление новых кроссоверов – 10 рабочих дней;
• Повторная разборка АС, замена кроссоверов на новые, замена внутренней проводки – 1 рабочий день на дому у заказчика;
• Проверка и подстройка звучания колонок с новыми фильтрами, снятие реальной АЧХ колонок с новыми кроссоверами – 1 рабочий день на дому у заказчика.

Как вариант, все операции по замене кроссоверов можно сделать в лаборатории, для чего колонки нужно будет привезти и увезти. Сроки работ в этом случае: 5-10 рабочих дней в зависимости от уровня акустики.

Ссылки по теме

Источник: http://aovox.com/creativework/601

Расчёт разделительных фильтров

Динамики в акустических системах должны быть подключены таким образом, чтобы на каждый из них поступало напряжение только тех частот, которые он должен воспроизводить. Это достигается тем, что в звуковой тракт включается  электрический фильтр, который обеспечивает подавление сигнала нежелательных частот. Применение фильтра в АС обусловлено необходимостью выполнения 2-х основных задач:

• ограничение полосы воспроизводимых частот, для устранения избыточного звукового давления;
• ограничение полосы  частот, которая способна вызвать повреждение динамика (например, проникновение НЧ сигнала на ВЧ динамик);

Фильтры бывают пассивные и активные. Пассивные фильтры включаются между усилителем и акустической системой и монтируются внутри последней. Пассивные фильтры имеют фиксированные характеристики и не имеют возможностей регулировки параметров в процессе эксплуатации системы.

Активные фильтры (активные кроссоверы) включаются между источником сигнала и усилителем. К достоинствам активных фильтров можно отнести более гибкие возможности регулировки параметров. Среди недостатков – необходимость использования отдельного канала усиления для каждой отфильтрованной полосы частот.

В реальных звуковых комплексах часто комбинируют эти два типа фильтров.

Расчёт пассивного фильтра

Фильтр АС представляет собой совокупность электрических цепей предназначенных для ограничения определённых частот, поступающих на динамики.

Фильтры встречаются следующих типов (см. рис.1):

• Фильтр высоких частот (ФВЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика снизу;
• Фильтр низких частот (ФНЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху;
• Полосовой фильтр (ПФ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху и снизу;
• Комбинированный тип – представляет собой сочетание вышеуказанных типов.

Фильтр характеризуется частотой раздела и величиной порядка (1-го порядка, 2-го порядка и т.д.) Порядок фильтра определяет крутизну спада  АЧХ в полосе заграждения, и определяется количеством реактивных элементов в электронной схеме.

Каждый реактивный элемент, добавленный в схему,  увеличивает порядок фильтра на единицу и, соответственно, крутизну спада характеристики на 6дБ/окт.  Реактивные элементы фильтра представляют собой индуктивности (катушки) и  емкости (конденсаторы), соединённые по определённой схеме.

Номиналы реактивных элементов определяют частоту среза фильтра.

Для подавления избыточной чувствительности динамика в схему добавляется аттенюатор (делитель напряжения). Данная мера применяется для приведения чувствительностей динамиков в АС к единому уровню.

Если номинальные сопротивления НЧ и ВЧ динамиков равны, то необходимое подавление будет равно разности  чувствительностей ВЧ и НЧ динамиков. Расчёт несколько осложняется, если номинальные сопротивления динамиков не равны, т.к.

в этом случае следует пересчитать чувствительность ВЧ динамика для номинального сопротивления, равного номинальному сопротивлению НЧ. Принцип пересчёта будет рассмотрен ниже.

Расчёт фильтра для 2-х полосной акустической системы

Обратим внимание, что расчёты способны дать приближённый результат, который можно использовать в качестве исходного варианта для изготовления макета фильтра.

Как правило, изготовленный на основании расчётов  фильтр, требует доработки на реальной АС, которая заключается в более оптимальном подборе электрических компонентов.

Окончательная оценка фильтра формируется на основании измерений АЧХ и в результате прослушивания АС на разных фонограммах.

Рассмотрим распространённый вариант  фильтра, реализованный во многих 2-х полосных полнодиапазонных АС.

Электрическая схема акустической системы с таким фильтром представлена на рис.2.

Особенностью схемы является то, что НЧ динамик в такой АС работает «в широкую полосу», а диапазон воспроизведения ВЧ динамика ограничен со стороны низких частот с помощью ФВЧ 3-го порядка, что обеспечивает спад характеристики в полосе заграждения 18 дБ/окт.

Резисторы R1 и R2 представляют собой делитель напряжения, обеспечивающий подавление избыточной чувствительности ВЧ динамика. Номинал R2 выбирается равным или в 2 – 3 раза больше номинального сопротивления ВЧ динамика (Zвч). Данная схема проста в реализации, имеет малый вес и габариты, низкую стоимость компонентов.

Необходимо отметить, что данная схема может быть реализована, только при условии, что  неравномерность АЧХ НЧ динамика не превышает допустимого значения во всём его рабочем диапазоне.

Расчёт фильтра включает следующие этапы:

1.Определение величины подавления избыточной чувствительности ВЧ (ослабление):

2.Расчёт номиналов элементов делителя:

3.Расчёт номиналов реактивных элементов:

4.Расчёт мощности, рассеиваемой на элементах:

Мощность используемых резисторов может быть меньше рассчитанных значений в 2-3 раза, т.к. паспортная мощность резисторов указывается для синусоидального сигнала.

Для удобства расчёта фильтров по описанному алгоритму на нашем сайте имеется специальный калькулятор. Используя его, вам не составит труда рассчитать фильтр для вашей АС. При расчёте используются исходные данные и выражения, которые рассматривались выше. 

Расчёт делителя фильтра 2-х полосной АС (Понижение чувствительности ВЧ звена)

НЧ звено

Номинальное сопротивление НЧ звена, Ом 8 Z_low 2 4 16 32

Чувствительность НЧ звена, дБ

Мощность AES НЧ звена, Вт

ВЧ звено

Номинальное сопротивление ВЧ звена, Ом 8 2 4 16 32

Чувствительность ВЧ звена, дБ

Фильтр

Сопротивление R2, Ом

Ослабление фильтра, дБ

Сопротивление R1, Ом

Мощность, рассеиваемая на ВЧ, Вт

Мощность, рассеиваемая на сопротивлении R1, Вт *

Мощность, рассеиваемая на сопротивлении R2, Вт *

* Мощность используемых резисторов может быть меньше рассчитанных значений в 2-3 раза, т.к. паспортная мощность резисторов указывается для синусоидального сигнала.

Для изготовления фильтров применяются конденсаторы, катушки индуктивности, мощные резисторы, печатные платы, клеммные колодки. В ассортименте товаров фирмы Актон всегда имеется необходимый запас компонентов, которые могут потребоваться при изготовлении фильтров для АС.

copyright 2016 © ООО “Актон”, akton-lab.ru

Источник: http://akton-lab.ru/article/crossover.html

Расчет кроссовера для акустики: делаем своими руками

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.

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.

Источник: https://avtozvuk-info.ru/rashodnyj-material/krossover/raschet-krossovera-dlya-akustiki-300