Разделительные фильтры с плоской АЧХ обладают рядом преимуществ перед фильтрами других типов, и являются наиболее употребляемыми в настоящее время в АС класса HI-FI. Поэтому в методике расчета будет рассмотрен только этот тип фильтров. Суть расчета состоит в том, что сначала разделительные фильтры рассчитываются из условия активной нагрузки и источника напряжения с бесконечно малым выходным сопротивлением (что справедливо для современных усилителей звуковой частоты). Затем принимаются меры, направленные на снижение влияния амплитудно-частотных и фазочастотных искажений громкоговорителей и комплексного характера их входного сопротивления на характеристики фильтров.

Расчет разделительных фильтров начинается с определения их порядка и нахождения параметров элементов лестничного фильтра прототипа нижних частот.

Фильтром-прототипом называется лестничный фильтр нижних частот, значения элементов которого нормированы относительно единичной частоты среза и единичной активной нагрузки. Рассчитав элементы фильтра нижних частот определенного порядка при реальной частоте и реальном значении сопротивления нагрузки, можно путем применения преобразования частоты определить схему и рассчитать значения элементов фильтра верхних частот и полосового фильтра соответствующего порядка. Нормированные значения элементов фильтра-прототипа, работающего от источника напряжения, определяются путем разложения в цепную дробь его выходной проводимости. Нормированные значения элементов фильтров-прототипов для расчета разделительных фильтров «всепропускающего типа с плоской АЧХ» 1…6-го порядка сведены в таблицу:

На рис.1 представлена схема фильтра-прототипа шестого порядка. Схемы фильтров прототипов меньших порядков образуются путем отбрасывания соответствующих элементов – α (начиная с больших) – например, фильтр-прототип 1-го порядка состоит из одной индуктивности α 1 и нагрузки R н .

Рис. 1. Схема односторонне нагруженного фильтра-прототипа нижних частот 6-го порядка

Значение реальных параметров элементов, соответствующих выбранному порядку разделительных фильтров, сопротивлению нагрузки R н (Ом) и частоте среза (разделения) f d (Гц) рассчитываются следующим образом:

а) для фильтра нижних частот:

каждый элемент α -индуктивность фильтра-прототипа переводится в реальную индуктивность (Гн), рассчитываемую по формуле:

L=αR н / 2πf d

каждый элемент α -емкость фильтра-прототипа переводится в реальную емкость (Ф), рассчитываемую по формуле:

C=α/ 2πf d R н

б) для фильтра верхних частот:

каждый элемент α -индуктивность фильтра-прототипа заменяется реальной емкостью рассчитываемой по формуле:

C= 1/ 2πf d αR н

каждый элемент α -емкость фильтра-прототипа заменяется реальной индуктивностью, рассчитываемой по формуле:

L=R н / 2πf d α

в) для полосового фильтра:

каждый элемент α -индуктивность заменяется на последовательный контур, состоящий из реальных L и C -элементов, рассчитываемых по формулам

L=αR н / 2π (f d 2 -f d 1 )

где f d 2 и f d 1 – соответственно нижняя и верхняя частоты среза полосового фильтра,

С= 1/ 4π 2 f 0 2 L

где f 0 =√ f d 1 f d 2 – средняя частота полосового фильтра.

Каждый элемент α -емкость заменяется на параллельный контур, состоящий из реальных L и C -элементов, рассчитываемых по формулам:

С=α/ 2π(f d 2 -f d 1 )R н ,

L= 1/ 4π 2 f 0 2 C

Пример. Требуется рассчитать значения элементов раздельных фильтров для трехполосной АС.

Выбираем разделительные фильтры второго порядка. Пусть выбранные значения частот разделения составляют: между низкочастотным и среднечастотным каналом f d 1 =500 Гц, между среднечастотными и высокочастотными f d 2 =5000 Гц. Сопротивление громкоговорителей на постоянном токе: низкочастотного и среднечастотного – 8 Ом, высокочастотного – 16 Ом.

Рис. 2. Пример расчета разделительных фильтров трехполосной АС а) АЧХ громкоговорителей без фильтров; б) АЧХ громкоговорителей с фильтрами, цепями согласования и коррекции; в) суммарная АЧХ АС на рабочей оси и при смещении микрофона на угол ±10° в вертикальной плоскости

Амплитудно-частотные характеристики громкоговорителей, измеренные в заглушенной камере на рабочей оси АС на расстоянии 1 м, изображены на рис.2, а) (низкочастотный громкоговоритель 100ГД-1 , среднечастотный 30ГД-8 , высокочастотный 10ГД-43 ).

Рассчитаем фильтр нижних частот:

Значение нормированных параметров элементов определим из таблицы: α 1 =2,0, α 2 =0,5.

Из рис.1 определяем схему фильтра-прототипа нижних частот: фильтр состоит из индуктивности α 1 , емкости α 2 и нагрузки R н .

Значения реальных элементов фильтров нижних частот находим по выражениям и :

L 1 НЧ =αR н / 2πf d 1 =2,0·8,0/(2·3,14·500)=5,1 мГн,

C 1 НЧ =α/ 2πf d 1 R н =0,5/(2·3,14·500·8,0)=20 мкФ.

Значения элементов полосового фильтра (для среднечастотного громкоговорителя) определяем в соответствии с выражениями …:

L 1 СЧ =α 1 R н / 2π (f d 2 -f d 1 )=2,0·8,0/2·3,14(5000-500)=0,566 мГн (сторона ВЧ)

С 1 СЧ = 1/ 4π 2 f 0 2 L 1 СЧ =1/4·3,14 2 ·5000·500·5,66·10 -4 =18 мкФ (сторона НЧ)

С 2 СЧ =α 2 / 2π(f d 2 -f d 1 )R н =0,5/2·3,14(5000-500)·8,0=2,2 мкФ (сторона ВЧ)

L 2 СЧ = 1/ 4π 2 f 0 2 C 2 СЧ =1/4·3,14 2 ·5000·500·2,2·10 -6 =4,6 мГн (сторона НЧ)

Значения элементов фильтра верхних частот определяем в соответствии с выражениями и :

C 1 ВЧ = 1/ 2πf d 2 α 1 R н =1/(2·3,14·5000·2,0·16)=1,00 мкФ,

L 2 ВЧ =R н / 2πf d 2 α 2 =16/(2·3,14·5000·2,0)=0,25 мГн.

Для согласования фильтров с входным комплексным сопротивлением громкоговорителей может применяться специальная согласующая цепь. При отсутствии этой цепи входное сопротивление громкоговорителя оказывает влияние на АЧХ и ФЧХ разделительных фильтров. Параметры элементов согласующей цепи, включаемой параллельно громкоговорителю, находятся из условия:

Y c (s )+ Y ГР (s )=1/ R E ,

где Y c (s ) – проводимость согласующей цепи, Y ГР (s ) – входная проводимость громкоговорителя, R E – электрическое сопротивление громкоговорителя на постоянном токе.

Схема согласующей цепи изображена на рис.3. Цепь является дуальной по отношению к эквивалентной электрической схеме громкоговорителя. Значения элементов цепи определяем следующим образом:

R K 1 = R E ,

C K 1 = L VC / R E 2

R K = R E 2 /R ES =Q ES R E /Q MS ,

C K =L CES / R E 2 =1/Q ES R E 2 π f s ,

L K =C MES R E 2 =Q ES R E /2 π f s ,

где L VC – индуктивность звуковой катушки, f s , C MES , L CES , R ES – электромеханические параметры громкоговорителя.

Для компенсации входного сопротивления низкочастотного громкоговорителя применяют упрощенную цепь, состоящую из последовательно включенных сопротивления R K1 и емкости C K1 . Это объясняется тем, что механический резонанс громкоговорителя не оказывает влияния на характеристики фильтра нижних частот и компенсируется только индуктивный характер входного сопротивления громкоговорителя. Целесообразность подключения полной согласующей цепи к высокочастотным и среднечастотным громкоговорителям оправдана в том случае, если резонансная частота громкоговорителя находится вблизи частоты среза фильтра верхних частот или нижней частоты среза полосового фильтра. В том случае, если частоты среза фильтров значительно выше резонансных частот громкоговорителей, включение упрощенной цепи является достаточным.

Рис.3 . Схема согласующей цепи для компенсации комплексного характера входного сопротивления громкоговорителя

Влияние входного комплексного сопротивления громкоговорителей можно рассмотреть на примере разделительных фильтров второго порядка верхних и нижних частот (рис.4).

Рис. 4. Электрическая эквивалентная схема громкоговорителя с разделительными фильтрами 2-го порядка: а – с фильтром нижних частот; б – с фильтром верхних частот; (1 – фильтр; 2 – громкоговоритель)

Параметры НЧ громкоговорителя выбраны таким образом, что его АЧХ соответствует аппроксимации по Баттерворту, т.е. полная добротность Q ts =0,707. Частота среза фильтра нижних частот выбрана в 10 раз больше резонансной частоты громкоговорителя f d =10f s . Индуктивность звуковой катушки выбрана из условия: Q VC =0,1, где Q VC – добротность звуковой катушки, определяемая как:

Q VC =L VC 2π f s / R E ,

где f s – резонансная частота громкоговорителя, R E – сопротивление звуковой катушки на постоянном токе, L VC – индуктивность звуковой катушки.

Значение Q VC =0,1 соответствует среднестатистическому значению индуктивности звуковой катушки мощных низкочастотных громкоговорителей. Вследствие этого можно считать, что индуктивность звуковой катушки L VC и активное сопротивление R E включены параллельно емкости фильтра C 1 и образуют в области частоты среза фильтра широкий максимум АЧХ входного сопротивления, за которым следует острый провал (рис.5,а). Соответствующие изменения АЧХ фильтра по напряжению заключаются в небольшом подъеме АЧХ на частоте f ≈ 2 f s (вследствие индуктивности звуковой катушки) и плавном провале, за которым следует резкий пик АЧХ из-за резонанса цепи, образуемой индуктивностью звуковой катушки и емкостью разделительного фильтра. Соответствующие изменения АЧХ и Z BX после включения согласующей цепи из последовательно включенного резистора и конденсатора показаны на рис.5,а (кривые 2, 4, 6). Включение согласующей цепи приближает характер входного сопротивления громкоговорителя к активному и АЧХ разделительного фильтра по напряжению к желаемому. Однако вследствие влияния индуктивности звуковой катушки АЧХ по звуковому давлению отличается от желаемой (кривая 4), поэтому даже после согласующей цепи иногда требуется небольшая подстройка элементов фильтров и цепи согласования.

Рис. 5 АЧХ и входное сопротивление разделительных фильтров 2-го порядка, нагруженных на громкоговоритель: а) фильтр нижних частот; б) фильтр верхних частот;

1. АЧХ по напряжению на выходе фильтра без согласующей цепи;
2. АЧХ по напряжению на выходе фильтра с согласующей цепью;
3. АЧХ по звуковому давлению без согласующей цепи;
4. АЧХ по звуковому давлению с согласующей цепью;
5. входное сопротивление фильтра с громкоговорителем без согласующей цепи;
6. входное сопротивление фильтра с громкоговорителем с согласующей цепью.

В случае фильтра верхних частот влияние комплексного характера входного сопротивления громкоговорителя на входное сопротивление и АЧХ фильтра носит иной характер. Если частота среза фильтра верхних частот находится вблизи частоты резонанса громкоговорителя f s (случай, иногда встречающийся в фильтрах для среднечастотных громкоговорителей, но практически невозможный для высокочастотных громкоговорителей), входное сопротивление фильтра верхних частот с громкоговорителем без согласующей цепи может иметь глубокий провал вследствие того, что на частоте резонанса громкоговорителя f s его входное сопротивление значительно возрастает и имеет чисто активный характер. Фильтр оказывается как бы на холостом ходу, из-за резкого возрастания сопротивления нагрузки и его входное сопротивление определяется последовательно включенными элементами C 1 , L 1 . Чаще встречается ситуация, когда частота среза фильтра верхних частот f d значительно выше частоты резонанса громкоговорителя f s . На рис.5,б дан пример влияния входного сопротивления громкоговорителя и его компенсации на АЧХ фильтра верхних частот по напряжению и звуковому давлению. Частота среза фильтра выбрана значительно выше частоты резонанса громкоговорителя f d ≈8 f s , параметры громкоговорителя Q TS =1,5 , Q MS =10, Q VC =0,08. Подъем АЧХ по звуковому давлению и напряжению в высокочастотной области, сопровождаемый провалом входного сопротивления, объясняется влиянием индуктивности звуковой катушки L VC . На более высоких частотах АЧХ падает, а входное сопротивление растет за счет возрастания индуктивного сопротивления звуковой катушки.

Кривые 2, 4, 6 на рис.5,б показывают влияние согласующей RC -цепи.

Выходное сопротивление разделительного фильтра верхних частот, растущее с понижением частоты, оказывает влияние на электрическую добротность громкоговорителя, увеличивая ее, и соответственно увеличивает полную добротность и форму АЧХ по звуковому давлению. Иными словами, имеет место эффект «раздемпфирования» громкоговорителя. Для набежания этого необходимо выбирать крутизну спада АЧХ фильтра и частоту среза фильтра верхних частот f d >> f s так, чтобы на частоте резонанса f s ослабление сигнала было не менее 20 дБ.

При расчете разделительных фильтров в примере, рассмотренном выше, принималось, что характер нагрузки – активный, поэтому рассчитаем согласующие цепи, компенсирующие комплексный характер входного сопротивления громкоговорителя.

Частота разделения низкочастотного и среднечастотного каналов f d 1 выбрана примерно на две октавы выше резонансной частоты среднечастотного громкоговорителя, а частота разделения среднечастотного и высокочастотного каналов f d 2 – на две октавы выше резонансной частоты высокочастотного громкоговорителя. Кроме того, можно принять, что индуктивность звуковой катушки высокочастотного громкоговорителя пренебрежимо мала в рабочем диапазоне частот и ей можно пренебречь (это справедливо для большинства высокочастотных громкоговорителей). В этом случае можно ограничиться применением упрощенной согласующей цепи для низкочастотного и среднечастотного громкоговорителей.

Пример . Измеренные (или определенные из кривой АЧХ входного сопротивления) индуктивности звуковых катушек: низкочастотного громкоговорителя L VC =3·10 -3 Г =3 мГн , среднечастотного громкоговорителя L VC =0,5·10 -3 Г=0,5 мГн . Тогда значение элементов компенсирующих цепей рассчитывают по формулам и :

для НЧ: R K 1 – R π =8 Ом; С К1 =L VC /R 2 E =3 ·10 -3 /64=47 мкФ

для СЧ: R’ K 1 = R E -8 Ом; С’ К1 =L VC /R 2 E =0,5 ·10 -3 /64=8,0 мкФ.

На АЧХ среднечастотного громкоговорителя имеется пик, увеличивающий неравномерность суммарной АЧХ АС (рис.2,а); в этом случае целесообразно включить амплитудный корректор. Режектирующее звено (рис.6) применяется для коррекции пиков АЧХ громкоговорителей или всей АС. Это звено имеет чисто активное входное сопротивление, равное сопротивлению нагрузки R H и поэтому может быть включено между фильтром и громкоговорителем с скомпенсированным входным сопротивлением. В случае включения режектирующего звена на входе АС схема может быть упрощена, так как отпадает необходимость в элементах C q , L q , R q , обеспечивающих активный характер входного сопротивления звена. Значения элементов рассчитываются по формулам:

R K ≈ R H (10 -0,05 N -1),

L K = R K ∆ f /2π f 0 2 ,

C K =1/L K 4π 2 f 0 2 ,

C q = L K / R H 2 ,

L q = C K R H 2 ,

R q = R H (1+ R H / R K ),

где R H – сопротивление громкоговорителя (скомпенсированное) или входное сопротивление АС (Ом) в области резонансной частоты режектирующего звена;

∆ f – полоса частот корректируемого пика АЧХ (отсчитывается по уровню – 3 дБ), Гц;

f 0 – резонансная частота режектора, Гц;

N – величина пика АЧХ, дБ.

Рис. 6. Режектирующее звено: а) принципиальная схема; б) АЧХ

Применим режектирующее звено, включенное между фильтром и среднечастотным громкоговорителем с согласующей цепью.

Из АЧХ среднечастотного громкоговорителя определяем ∆ f =1850 Гц, f 0 =4000 Гц, N =6 дБ. Сопротивление среднечастотного громкоговорителя с согласующей цепью R H =8 Ом.

Значения элементов режектирующего звена следующее:

R K ≈ R H (10 -0,05 N -1)=8(10 -0,05·6 -1)=7,96 Ом,

L K = R K ∆ f /2π f 0 2 =7,96·1850/2π (4000) 2 =0,147 мГн,

C K =1/L K 4π 2 f 0 2 =1/1,47·10 -4 (2π 4000) 2 =11мкФ,

C q = L K / R H 2 =1,47·10 -4 /64=2,3 мкФ,

L q = C K R H 2 =10,8·10 -6 ·64=0,7 мГн,

R q = R H (1+ R H / R K )=8(1+8/7,96)≈16,0 Ом.

В рассматриваемом примере АЧХ высокочастотного и среднечастотного громкоговорителя имеют средние уровни примерно на 6 дБ и соответственно 3 дБ выше, чем АЧХ низкочастотного громкоговорителя (запись звукового давления осуществлялась при подаче на все громкоговорители синусоидального напряжения одинаковой величины). В этом случае для уменьшения неравномерности суммарной АЧХ АС необходимо ослабить уровень среднечастотных и высокочастотных составляющих. Это можно сделать либо с помощью корректирующего высокочастотного звена первого порядка (рис.7), элементы которого рассчитываются по формулам:

R K ≈ R H (10 -0,05 N -1),

L K = R K /2π f d √(10 0,1 N -2), N ≥3 дБ,

Либо с помощью Г-образных пассивных аттенюаторов, обеспечивающих заданный уровень ослабления N (дБ) и заданное входное сопротивление R BX (рис.8). Значение элементов аттенюатора рассчитываем по формулам:

R 1 ≈ R BX (1-10 -0,05 N ),

R 2 ≈ R H R BX 10 -0,05 N /(R H – R BX 10 -0,05 N ).

Рис. 7. Звено 1-го порядка, корректирующее высокие частоты: а) принципиальная схема; б) АЧХ

Рис. 8. Пассивный Г-образный аттенюатор

Рассчитаем для примера значения элементов аттенюатора для ослабления на 6 дБ сигнала высокочастотного громкоговорителя. Пусть входное сопротивление громкоговорителя с включенным аттенюатором равняется входному сопротивлению громкоговорителя, т.е. 16 Ом, тогда:

R 1 ≈16(1-10 -0,05·6)≈8,0 Ом, R 2 ≈16·10 -0,05·6 /(1-10 -0,05·6)≈16,0 Ом.

Аналогично рассчитаем значения элементов аттенюатора для среднечастотного громкоговорителя: R 1 =4,7 Ом, R 2 =39 Ом. Аттенюаторы включаются сразу после громкоговорителей с согласующими цепями.

Полная схема разделительных фильтров изображена на рис.9, АЧХ АС с рассчитанными фильтрами – на рис.2,в.

Как было сказано выше, фильтры четных порядков допускают только один вариант полярности включения громкоговорителей, в частности, фильтры второго порядка требуют включения в противофазе. Для рассматриваемого примера низкочастотный и высокочастотный громкоговоритель должны иметь идентичную полярность включения, а среднечастотный – обратную. Требования к полярности включения громкоговорителей рассматривались выше на модели АС с идеальными громкоговорителями. Поэтому при включении реальных громкоговорителей, имеющих собственную ФЧХ≠0, (в случае выбора частот разделения вблизи граничных частот рабочего диапазона громкоговорителей или при большой неравномерности АЧХ громкоговорителей) условие согласования реальных ФЧХ каналов может не соблюдаться. Поэтому для контроля реальной ФЧХ по звуковому давлению громкоговорителей с фильтрами необходимо пользоваться фазометром с линией задержки или определять условие согласования косвенно по характеру суммарной АЧХ АС в полосах разделения каналов. Правильной полярностью включения громкоговорителей можно считать ту, которая соответствует меньшей неравномерности суммарной АЧХ в полосе разделения каналов. Точное согласование ФЧХ разделяемых каналов при удовлетворении всем остальным требованиям (плоская АЧХ и т.д.) осуществляется численными методами синтеза оптимальных разделительных фильтров-корректоров на компьютере.

Рис.9. Принципиальная электрическая схема АС с рассчитанными разделительными фильтрами (емкости в микрофарадах, индуктивности – в миллигенри, сопротивления – в омах).

В разработке пассивных разделительных фильтров важную роль играет их конструкция, а также выбор типа конкретных элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов, в частности, большое влияние на характеристики АС с фильтрами оказывает взаимное размещение катушек индуктивности, при их неудачном расположении вследствие взаимной связи возможны наводки сигнала между близко расположенными катушками. По этой причине их рекомендуется располагать взаимно перпендикулярно, только такое расположение позволяет свести к минимуму их влияние друг на друга. Катушки индуктивности являются одним из важнейших компонентов пассивных разделительных фильтров. В настоящее время многие зарубежные фирмы применяют катушки индуктивности на сердечниках из магнитных материалов, обеспечивающих большой динамический диапазон, низкий уровень нелинейных искажений и малые габариты катушек. Однако конструирование катушек с магнитными сердечниками связано с применением специальных материалов, поэтому до настоящего времени многие разработчики применяют катушки с воздушными сердечниками, основные недостатки которых – большие габариты при условии малых потерь (особенно в фильтре низкочастотного канала), а также большой расход меди; достоинства – пренебрежимо малые нелинейные искажения.

Конфигурация катушки индуктивности с воздушным сердечником, изображенная на рис.10, является оптимальной, так как она обеспечивает максимальное отношение L /R , т.е. катушка с заданной индуктивностью L , намотанная проводом выбранного диаметра, имеет при данной конфигурации намотки наименьшее сопротивление R или наибольшую добротность по сравнению с любой другой. Отношение L /R , имеющее размерность времени, связано с размерами катушки соотношением :

L /R =161,7alc /(6a +9l +10c );

L – в микрогенри, R – в омах, a , l , c – в миллиметрах.

Рис.10. Катушка индуктивности с воздушным сердечником оптимальной конфигурации: а) в разрезе; б) внешний вид.

Расчетные соотношения для данной конфигурации катушки: a =1,5с , l =c ; конструктивный параметр катушки c =√(L /R 8,66) , число витков N =19,88√(L / c ), диаметр провода в миллиметрах, d =0,841c /√ N , масса провода (материал – медь) в граммах, q = c 3 /21, длина провода в миллиметрах, B=187,3√ Lc . В том случае, если катушка индуктивности рассчитывается, исходя из провода данного диаметра, основные расчетные соотношения выглядят следующим образом:

конструктивный параметр c = 5 √(d 4 19,88 2 L /0,841 4)=3,8 5 √(d 4 L ) , сопротивление провода R =L /c 2 8,66 .

Найдем, для примера параметры катушки индуктивности рассчитанного ранее фильтра нижних частот. Индуктивность катушки составляет L 1НЧ =5,1 мГ . Сопротивление R катушки на постоянном токе определим из допустимого затухания сигнала, вносимого реальной катушкой на низких частотах. Пусть ослабление сигнала за счет потерь R в катушке составляет N ≤1дБ . Поскольку сопротивление низкочастотного громкоговорителя на постоянном токе составляет R E =8 Ом, то допустимое сопротивление катушки, определяемое из выражения R ≤R E (10 0,05N -1), составляет R ≤0,980 Ом ; тогда конструктивный параметр катушки c =√5100/0,98·8,66=24,5 мм ; количество витков N =19,8√(5100/24,5)=287 витков ; диаметр провода d =0,841·24,5/√287=1,2 мм ; масса провода q =24,5 3 /21,4≈697 г ; длина провода B =187,3√(85,1·24,5)≈46 м.

Другим важным элементом пассивных разделительных фильтров являются конденсаторы. Обычно в фильтрах используют бумажные или пленочные конденсаторы. Из бумажных наиболее употребляемые отечественные конденсаторы МБГО. Достоинством этих типов конденсаторов являются малые потери, высокая температурная стабильность, недостатком – большие габариты, снижение допустимого максимального напряжения на высоких частотах. В настоящее время в фильтрах ряда зарубежных АС используют электролитические неполярные конденсаторы с малыми внутренними потерями, объединяющие достоинства рассмотренных конденсаторов и свободные от их недостатков.

По материалам из книги: «Высококачественные акустические системы и излучатели»

(Алдошина И.А., Войшвилло А.Г.)

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.

{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. 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

Это устройства в звуковых системах, которые создают нужные рабочие частотные диапазоны для динамиков. Динамики сконструированы таким образом, чтобы работать в определенном частотном диапазоне. Они не приемлют частоты, не входящие в эти рамки. Если на высокочастотный динамик (твитер) подать низкую частоту, то звуковая картина испортится, а если сигнал еще и мощный, то твитер "сгорит". Высокочастотные динамики должны работать только с высокими частотами, а низкочастотные динамики должны получить от общего звукового сигнала только низкочастотный диапазон. Оставшаяся средняя полоса достается среднечастотным динамикам (мидвуферы). Следовательно, задача кроссоверов заключается в разделении звукового сигнала на нужные (оптимальные) частотные полосы для соответствующих типов динамиков.

Проще говоря, кроссовер - это пара электрических фильтров . Допустим, кроссовер имеет частоту среза равную 1000 Гц. Это означает, что один из его фильтров срезает все частоты ниже 1000 Гц и пропускает только частоты выше 1000 Гц. Такой фильтр называют high-pass фильтром. Другой фильтр, пропускающий частоты ниже 1000 Гц называется low-pass,. Графически работа этого кроссовера представлена на рисунке 3. Точка пересечения двух кривых есть частота среза кроссовера равная 1000 Гц. В трехполосных кроссоверах присутствует еще и среднечастотный фильтр (band-pass), который пропускает только средний диапазон частот (приблизительно от 600 Гц до 5000 Гц.) На рисунке изображена частотная характеристика трехполосного кроссовера.

Кроссоверы третьего порядка. У таких кроссоверов на твитере ставится одна катушка и два конденсатора, тогда как на динамике низкой частоты наоборот. Чувствительность таких кроссоверов равна 18 Дб на октаву, и они имеют хорошие фазовые характеристики при любой полярности. Негативная черта кроссоверов III-го порядка - неприемлемость использования временных задержек для устранения проблем, связанных с динамиками не излучающими на одной и той же вертикальной плоскости.

Кроссоверы четвертого порядка. Кроссоверы Баттерворта четвертого порядка имеют высокую чувствительность равную 24 дБ на октаву, что резко уменьшает взаимовлияние динамиков в области разделения частот. Сдвиг по фазе составляет 360 градусов, что фактически означает его отсутствие. Однако величина фазового сдвига в данном случае непостоянна и может привести к неустойчивой работе кроссовера. Эти кроссоверы практически не применяются на практике.
Оптимизировать конструкцию кроссовера четвертого порядка удалось Линквицу и Рили. Данный кроссовер состоит из двух последовательно соединенных кроссоверов Баттерворта второго порядка для твитера, и тоже самое для басового динамика. Чувствительность их также равна 24 дБ на октаву, однако уровень выходного сигнала на каждом фильтре меньше на 6 дБ, чем уровень выходного сигнала кроссовера. Кроссовер Линквица-Рили не имет фазовых сдвигов и позволяет проводить временную коррекцию для динамиков, не работающих в одной физической плоскости. Эти кроссоверы по сравнению с другими конструкциями дают самые лучшие акустические характеристики.

Конструирование пассивных кроссоверов

Как говорилось выше, пассивный кроссовер состоит из конденсаторов и катушек индуктивности. Для того, чтобы собрать пассивный кроссовер первого порядка необходимо иметь один конденсатор и одну катушку индуктивности. Конденсатор устанавливается последовательно на твитер (high-pass filter), а катушка последовательно на вуфер (low-pass filter). Номинальные значения индуктивности для катушки ((H - микрогенри) и емкости ((F - микрофарады) приводятся в таблице в зависимости от желаемой частоты среза кроссовера и сопротивления динамиков.
Кроссовер I порядка (6 dB/octave)

К примеру, подберем емкость и индуктивность для кроссовера с частотой среза 4000 Гц при сопротивлении динамиков 4 Ом. Из вышеприведенной таблицы находим, что емкость конденсатора первого порядка должна быть равной 10 мФ, а индуктивность катушки 0.2 мГ.
Для определения номинальных значений компонентов для кроссовера второго порядка (12 дБ/октава) необходимо значения из этой же таблицы для конденсатора умножить на коэффициент равный 0.7, а значение для катушки индуктивности умножить на коэффициент 1.414. Надо помнить, что для кроссовера второго порядка необходимо два конденсатора и две катушки индуктивности. Составим кроссовер второго порядка для частоты среза 4000 Гц. Для определения значений для обоих конденсаторов умножаем значение из таблицы 10 мФ на коэффициент 0.7 и получим 7мФ. Далее, значение индуктивности 0.2 мГ умножим на коэффицент 1.414 и получим значение индуктивности для каждой катушки 0.28 мГ. Один из этих конденсаторов устанавливается последовательно на твитер, а второй параллельно на вуфер. Одна катушка параллельно на твитер, а вторая последовательно на вуфер.

Пассивные и активные кроссоверы

Отличие между эти двумя типами кроссоверов очень простое. Активный кроссовер требует подвода питания извне, а пассивный - нет. В силу этого активный кроссовер занимает место в звуковой системе до усилителя, обрабатывая звуковой сигнал с предусилителя головного устройства (допустим, автомагнитолы ). Далее, после активного кроссовера устанавливаются два или три усилителя мощности. Один усилитель в этом случае не ставится, так как нет смысла разделенные активным кроссовером сигналы сводить в усилителе в единый сигнал. Разделенные сигналы надо усиливать по отдельности. Как видим, активные кроссоверы применяются в дорогих звуковых системах высокого качества.
Пассивные кроссоверы обрабатывают уже усиленный сигнал и устанавливаются перед динамиками. Возможности пассивных кроссоверов ограничены по сравнению с активными, однако их правильное применение может дать хорошие результаты при минимальных финансовых затратах. Пассивные кроссоверы хорошо себя зарекомендовали при требовании к порядку чувствительности менее 18 дБ на октаву. Выше этого предела хорошо работают только активные кроссоверы.

Пассивные кроссоверы в основном применяются для обработки сигнала твитеров и среднечастотных динамиков . Для низкочастотных динамиков эти кроссоверы применять можно, однако резко возрастает требование в качеству конденсаторов и катушек индуктивности, что приводит к их удорожанию и увеличению в размерах. Пассивные кроссоверы плохо переносят перегрузки. Пиковые интенсивности сигнала, поступающие от усилителя, могут менять частоту среза фильтров. Кроме того, перегруженный фильтр ослабляет звуковой сигнал (damping). Поэтому при выборе пассивных кроссоверов обращайте внимание на их способность выдерживать пиковые нагрузки, создаваемые усилителем.
Активные (или электронные) кроссоверы представляют из себя множество активных фильтров, которыми можно управлять и легко изменять частоту среза любого канала. Порядок чувствительности активных кроссоверов может быть любым, от 6 Дб до 72 Дб на октаву (и выше).В основном активные кроссоверы для автомобильных аудиосистем имеют чувствительность 24 Дб на октаву. При такой чувствительности обмен частотами между динамиками практически исключен. Звуковая картина получается очень качественной. Единственный недостаток активных кроссоверов, - это их дороговизна по сравнению с пассивными.

Фазовый сдвиг

Теперь поговорим о фазовых сдвигах, которые могут возникать в звуковых системах, использующих кроссоверы. Фазовый сдвиг - это неизбежное явление, являющееся следствием конструктивных особенностей high-pass, low-pass и band-pass фильтров.
Фаза - это временная связь двух сигналов. Измеряется фаза в градусах от 0 до 360. Если два одинаковых динамика излучают звуковые волны в противоположной фазе (фазовый сдвиг 180 градусов), то происходит ослабление звука. Проблема устраняется изменением полярности на одном из динамиков.
Когда акустическая система состоит их разных динамиков, работающих в различных частотных диапазонах (твитер и мидвуфер), то устранение фазового сдвига не всегда решается простой сменой "+" на "-". Длина волны от твитера короче, чем от мидвуфера. Поэтому фронт высокочастотной волны может достигнуть слушателя позже (или раньше) фронта среднечастотной (или низкочастотной) волны. Эта временная задержка является следствием фазового сдвига. Оптимизировать звуковую картину в данном случае можно путем физического выравнивания двух динамиков относительно друг друга в вертикальной плоскости до момента улучшения звуковой картины. К примеру, при частоте волны 1000 Гц временная задержка в одну милисекунду устраняется сдвигом динамиков друг относительно друга на 30 см.

Настройка активного кроссовера

Самое важное в настройке кроссовера - это правильный выбор частоты среза. Если мы имеем трехполосный активный кроссовер, то значит перед нами стоит задача в определении двух точек (частот) среза. Первая точка определяет частоту среза для сабвуфера (low-pass) и начало среднечастотного диапазона для мидвуфера (high-pass). Вторая точка определяет частоту окончания среднего диапазона (low-pass) и отправную частоту высокочастотного диапазона для твитера (high-pass). Самое главное, при установке частот среза кроссовера помнить о частотных характеристиках динамика и не в коем случае не нагружать динамик частотами, которые не входят в его рабочий диапазон.
К примеру, если сабвуфер немного гремит или издает гул (неприятный резонанс корпуса автомобиля) значит он перегружен нежелательными для него средними частотами (выше 100 Гц). Перенесите частоту среза (low-pass) на отметку 75 Гц и/или установите, если возможно, чувствительность на 18 Дб или 24 Дб на октаву. Напомним, что увеличение порядка чувствительности кроссовера (величина dB/octave) более качественно срезает ненужные частоты, не давая им просачиваться через фильтр. Порядок чувствительности high-pass фильтров для мидвуфера можно оставить на 12 Дб/октава (для "мягких" среднечастотных динамиков). Подобная настройка активного кроссовера называется асимметричной.

В этой таблице приведены начальные величины частот среза для различных типов динамиков при настройке активных кроссоверов.

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

Чтобы подключить 2-полосную(см.) 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.

Ниже приводится инструкция о том, как рассчитать кроссовер:

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

• 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:

Фильтры разного порядка

Чтобы ясно понимать схему расчета кроссовера(см.), 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:

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.

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.).
А вот проектируя ФВЧ, надо аналогичным образом поступить уже с ВЧ.

Пассивный 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 . 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.

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.

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.

Страница 4 из 4

О работе громкоговорителя в области средних и высоких частот

Сглаживание АЧХ громкоговорителя по звуковому давлению в области низких частот - не единственная задача, которую приходится решать радиолюбителю при попытке улучшить параметры своей АС. Дело в том, что ни одна из созданных до настоящего времени динамических головок не в состоянии перекрыть весь звуковой диапазон, и поэтому все АС класса Hi-Fi выполняются по двух или трехполосным схемам, предполагающим наличие в них разделительных фильтров. Как правило, это пассивные фильтры первого (реже второго) порядка, влияние которых на характеристики громкоговорителей так же велико, как и самих динамических головок. Однако, судя по публикациям журнала “Радио”, это обстоятельство большинством читателей и авторов во внимание не принимается.

Проиллюстрируем сказанное примером, взятым из работы . На рис. 13 приведены АЧХ установленных в громкоговорителе 25АС-309 головок 25ГД-26, 15ГД-11 и 3ГД-31, включенных через заводской разделительный фильтр. Сплошной линией показана АЧХ НЧ и ВЧ головок (при отключенной среднечастотной), штриховой - АЧХ одной СЧ головки. На последней характеристике обращает на себя внимание подъем АЧХ вблизи частоты 100 Гц, достигающий 10 дБ. Этот подъем заметно увеличивает “бубнение” АС, что и побудило авторов переделать громкоговоритель.

Каковы причины возникновения этого нежелательного подъема АЧХ? Очевидно, что общая добротность СЧ головки достаточно велика и скорее всего больше 1.

Однако вместо того, чтобы сгладить характеристику если не отрицательным, то хотя бы нулевым выходным сопротивлением УМЗЧ, разработчики АС последовательно с головкой включили резистор сопротивлением 5,1 Ом, что и привело к увеличению подъема АЧХ не менее чем на 6 дБ. Отказаться от применения этого резистора нельзя, поскольку отдача СЧ головки 15ГД-11А (при одинаковой подводимой мощности) примерно вдвое выше, чем у 25ГД-26. Установленный в АС разделительный фильтр первого порядка, хотя и настроен на относительно высокую частоту (1600 Гц), не в состоянии достаточным образом ослабить сигнал СЧ головки на низких частотах. К тому же частота раздела находится в области максимальной чувствительности слуха к искажениям, что не могло не сказаться на качестве звучания.

Анализ характеристики ВЧ головки (сплошная кривая на рис. 13 в области от 5...20 кГц) показывает, что в сравнений с НЧ головкой ее отдача также слишком высока. В связи с этим последовательно с ней также пришлось включить резистор сопротивлением 5,1 Ом. Однако этого оказалось недостаточно и подъем АЧХ ВЧ головки на частотах 10...15 кГц остался неоправданно большим.

Указанные недостатки присущи как многим (если не большинству) серийно выпускаемым в стране АС [б], так и большинству трехполосных АС, изготовленных радиолюбителями (правда, о последнем можно говорить лишь предположительно, так как практически никто из радиолюбителей не обладает возможностью подобно авторам снять АЧХ своей АС в звуковой камере). Способы борьбы с этими недостатками, предлагаемые авторами , хотя и дают положительные результаты для конкретной АС, однако вряд ли могут быть рекомендованы на все случаи жизни, поскольку номиналы элементов фильтров сильно зависят от типов применяемых громкоговорителей и их акустического оформления. Настоящий пример демонстрирует, как пренебрежение хотя бы одним из звеньев звуковоспроизводящего комплекса делает качество звучания заметно хуже потенциально достижимого.

Из всего многообразия литературы, посвященной громкоговорителям, пожалуй, лишь в работе разделительным фильтрам уделено должное внимание. Поэтому прежде, чем обсуждать дальнейшие пути улучшения параметров громкоговорителей, нужно хотя бы вкратце познакомиться с современными воззрениями на роль разделительных фильтров в АС, типами применяемых фильтров, их достоинствами и недостатками.

Особенности работы фильтров в АС

Исследования 40-50-х годов показали, что при проектировании многополосных АС недостаточно учитывать только АЧХ фильтров и не принимай, во внимание их фазочастотные характеристики (ФЧХ). Предположим, что в имеющейся в нашем распоряжении двухполосной АС применены идеально согласованные по АЧХ фильтры. Иными словами, в области частоты раздела сумма амплитуд сигналов на выходах фильтров (при неизменной амплитуде на входах) постоянна и равна амплитуде сигнала на выходе любого из них в пределах его полосы пропускания. Если пренебречь неравномерностью АЧХ такой АС, обусловленной интерференцией звуковых волн в закрытом объеме, то, казалось бы, она должна быть горизонтальной в" области частоты раздела, без подъемов и провалов.

Однако получить такую АЧХ не удается. Причина - в различии ФЧХ НЧ и ВЧ фильтров. Если на одной из частот в области частоты раздела амплитуды сигналов на выходах НЧ и ВЧ фильтров примерно равны, но один из них задерживает сигнал на 90°, а на выходе другого он присутствует с опережением по фазе на такую же величину, то сигналы, воспроизводимые ВЧ и НЧ головками одновременно, будут не суммироваться, а вычитаться, в результате чего на АЧХ возникнет глубокий провал на упомянутой частоте. По этой причине далеко не все фильтры могут быть применены в высококачественных АС.

В настоящее время разработчиками большинства западных фирм, равно как и разработчиками лучших отечественных АС, используются всего несколько типов фильтров, получивших названия фильтров “постоянного входного сопротивления”, “всепропускающего типа” и “постоянного напряжения”.

Фильтры “постоянного входного сопротивления”, по существу, представляют собой фильтры Баттерворта соответствующего порядка. При равенстве и активном характере сопротивлений нагрузки НЧ и В Ч каналов их входное сопротивление постоянно. Фильтры четных порядков на частоте раздела создают на суммарной АЧХ АС по звуковому давлению подъем, достигающий 3 дБ, в связи с чем они не используются разработчиками высококачественных АС. Суммарная АЧХ АС, использующих фильтры нечетных порядков, не зависит от частоты, но эти фильтры имеют частотно-зависимый фазовый сдвиг как в ВЧ, так и в НЧ каналах. ФЧХ НЧ и ВЧ каналов фильтров Баттерворта нечетного порядка идентичны, но характеризуются фазовым сдвигом ВЧ сигнала относительно НЧ,

равным n * π/2, где n = 1, 3, 5,... Диаграмма направленности АС, использующей фильтры Баттерворта нечетного порядка, несимметрична в области частоты раздела вследствие упомянутого фазового сдвига.

Отметим факт, неизвестный большинству радиолюбителей и разработчиков АС: в фильтрах Баттерворта 3-го, 7-го и т. д. порядков противофазное включение головок разделяемых каналов предпочтительнее с точки зрения снижения фазовых искажений и несимметричности диаграммы направленности, в фильтрах Баттерворта 1-го, 5-го и т. д. порядков предпочтительнее синфазное включение.

Отличительная особенность фильтров “всепропускающего типа” - независимость их суммарной АЧХ от частоты для фильтров нечетных и четных порядков. Для фильтров четных порядков разность ФЧХ ВЧ и НЧ каналов равна n * (π/2), где n = 1, 2, 3,..., для нечетных - n * (π/2), где n = 1, 3, 5,... Упомянутыми свойствами обладают фильтры Баттерворта нечетных порядков, описанные выше. Таким образом, фильтры Баттерворта нечетных порядков одновременно принадлежат и к классу фильтров “постоянного входного сопротивления”, и к классу фильтров “всепропускающего типа”.

Но фильтры “всепропускающего типа” четных порядков уже не являются фильтрами Баттерворта, хотя и описываются передаточной функцией, представляющей собой возведенную в квадрат передаточную функцию фильтра Баттерворта вдвое более низкого порядка [З]. Фильтры “всепропускающего типа” четного порядка имеют симметричную диаграмму направленности в области частоты раздела (относительно оси, проходящей через центры динамических головок разделяемых полос). Для них тоже существуют свои правила фазировки динамических головок: для фильтров четных порядков, имеющих степень, равную 4 m, где m==l, 2, 3,... обязательно синфазное включение головок в разделяемых полосах. Если порядок равен 2(2m+1), где т==0, 1, 2,..., то допустимо только противофазное включение головок.

Третий класс фильтров - “постоянного напряжения” - используется реже первых двух и труден для расчета и реализации даже подготовленными радиолюбителями. Желающим познакомиться с этими фильтрами поближе, равно как и тем, кто хочет получить более полную информацию об описанных выше фильтрах, можно рекомендовать работу [З]. Мы же вернемся к вопросу о том, как с помощью схемотехнических доработок УМЗЧ можно повысить качество звучания АС.

О выборе фильтров для АС

Трудности, испытываемые разработчиками АС при выборе пары ВЧ-НЧ фильтров, имеющих плоскую суммарную АЧХ и удовлетворительную ФЧХ, в значительной мере обусловлены тем, что они должны удовлетворять еще одному требованию - включаться между УМЗЧ и динамическими головками, т. е. быть пассивными. Последнее условие ограничивает возможности разработчиков, поскольку исключает из рассмотрения так называемые фильтры дополнительной функции (ФДФ), в которых в один из каналов, например в низкочастотный, сигнал подается с выхода ФВЧ, а в другой (высокочастотный) поступает разность между входным сигналом и сигналом низкочастотного канала. В таком фильтре достаточно высоки требования к устройству, выделяющему разностный сигнал, в связи с чем его выполняют, как правило, на ОУ. Однако в этом случае для усиления разностного сигнала потребуется дополнительный УМЗЧ, поскольку сигнал с выхода ОУ широкого применения нельзя подавать непосредственно на динамическую головку сопротивлением несколько Ом. В результате усилитель превращается в многополосный, т. е. количество независимых УМЗЧ в стереофоническом комплексе вырастает с 2 до 4-6.

Такой вариант, как правило, неприемлем для фирм-разработчиков и изготовителей звуковоспроизводящей аппаратуры, поскольку стоимость дополнительных затрат в единице продукции не снижается с ростом выпуска. Иными словами, до тех пор, пока существует надежда найти пару ВЧ-НЧ фильтров с хорошо согласованными характеристиками, производители (из экономических соображений) будут придерживаться традиционной схемы построения такой аппаратуры: широкополосный высококачественный УМЗЧ - пассивные разделительные фильтры - динамические головки.

Для радиолюбителей подобный путь далеко не столь оптимален. Дело в том, что из-за отсутствия соответствующей измерительной аппаратуры подавляющее большинство радиолюбителей не имеет возможности достоверно судить о причинах низкого качества звучания своей АС и подобно целенаправленно выбрать пути их устранения, поскольку единственным способом оценки результатов доработки АС является для них оценка улучшения качества звучания, “на слух”.

В этом случае гарантированное достижение положительного результата возможно либо при повторении конструкций, предложенных высококвалифицированными специалистами, имеющими возможность объективной приборной оценки своей работы , , либо при выборе таких технических решений, которые дают результаты, близкие к расчетным.

По мнению автора статьи, к таким решениям, в первую очередь, относится замена однополосного УМЗЧ на многополосный, в котором для разделения полос используются активные фильтры и ФДФ. О преимуществах такого УМЗЧ многое сказано в , . Добавим к этому лишь следующее.

При намотке катушек фильтров для высококачественной АС, будь то фильтры “всепропускающего типа”, “постоянного напряжения” или “постоянного входного сопротивления”, радиолюбитель должен стремиться к тому, чтобы не только индуктивность, но и активное сопротивление катушки было равно расчетному. В противном случае изменяется добротность катушки, а следовательно, и тип фильтра. При применении активных фильтров эта проблема решается легко, поскольку добротность фильтра устанавливается, как правило, одним подстроечным резистором.

Установка пассивных фильтров предполагает использование в них элементов с разбросом номиналов 2...3 %. При выходе за границы этих допусков меняются частоты настройки каждого из фильтров пары ВЧ-НЧ и тип фильтров. АЧХ и ФЧХ АС при этом отклоняются от расчетных, что опять-таки снижает качество АС. Применение ФДФ снимает эту проблему, так как АЧХ и ФЧХ пары таких фильтров согласуются автоматически, причем для любого типа фильтров.

Применение пассивных фильтров и динамических головок с различающимися активными сопротивлениями и развиваемыми уровнями звукового давления требует использования балластных резисторов для согласования этих головок в АС. Как показано выше, это может привести к появлению на АЧХ АС подъема, обусловленного резонансом СЧ головки, подавить который не удастся даже отрицательным выходным сопротивлением УМЗЧ. Все эти проблемы автоматически решаются при использовании многополосного УМЗЧ с подстройкой усиления в каждой из полос и непосредственным подключением динамической головки к выходу УМЗЧ соответствующей полосы.

Как уже отмечалось, наибольшие искажения диаграммы направленности АС отмечаются вблизи частоты раздела, когда сигнал излучается одновременно двумя разнесенными в пространстве динамическими головками. Использование активных фильтров 3-го и 4-го порядков в многополосном УМЗЧ позволяет в несколько раз сузить эти области в сравнении с АС, использующими пассивные разделительные фильтры первого (реже второго) порядка.

Кроме того, сами динамические головки вносят свои фазовые сдвиги в излучаемые ими сигналы. Компенсация этих сдвигов при использовании пассивных фильтров в любительских условиях практически невозможна, так как требует большого количества сложных измерений и машинных расчетов. Использование многополосных УМЗЧ облегчает решение и этой задачи, поскольку в данном случае требуется корректировать систему усилитель - реактивный элемент на выходе, что сделать гораздо легче. Если к перечисленным преимуществам добавить легкость расчета правильно сконструированных активных фильтров высокого порядка и лучшее соответствие расчету реальных активных фильтров высого порядка (вследствии малого влияния одного звена на другого), становится очевидным, что для радиолюбителя, решившего создать действительно высококачевственную АС, но не имеющего в своем распоряжении аппаратуры для количественного анализа всех причин снижения качества ее звучания, оптимальным является использование многополосного УМЗЧ с активными фильтрами высокого порядка и ФДФ.

Многополосный УМЗЧ с распределительными фильтрами

На рис. 14 приведена схема устройства фильтрации и формирования отрицательного выходного сопротивления для трехполосного УМЗЧ, разработанного в соответствии с рекомендациями, приведенными в настоящей статье. Устройство подключается к выходу предварительного усилителя, после регуляторов громкости и тембра. Если выходное сопротивление предшествующего каскада достаточно велико, более 1 кОм, то к входу устройства необходимо подключить эмиттерный повторитель или (что лучше с точки зрения минимизации нелинейных искажений) умощняющий каскад на ОУ К574УД1 .

(крупнее)

Устройство состоит из трех фильтров Баттерворта 3-го порядка на транзисторах VT1 - VT3, двух ФДФ, на ОУ DA1, DA2, узла формирования отрицательного выходного сопротивления на ОУ DA4 и смесителя НЧ полосы на ОУ DA3. Сигнал ВЧ канала формируется фильтром дополнительной функции на дифференциальном усилителе DA1. На инвертирующий вход усилителя поступает весь входной сигнал, а на неинвертирующий - сигнал с выхода настроенного на частоту 6,5 кГц ФНЧ на транзисторе VT1. Выбранный порядок выделения полос оптимален с точки зрения снижения интермодуляционных искажений - гармоники высших порядков, возникающие в СЧ и НЧ каналах УМЗЧ, не могут попасть на УМЗЧ ВЧ канала. С этой же целью в качестве ОУ желательно использовать широкополосные ОУ (например, К574УД1 или К544УД2) с цепями коррекции для единичного усиления.

СЧ и НЧ составляющие входного сигнала, выделенные фильтром на VT1, поступают на инвертирующий вход дифференциального усилителя на ОУ DA2. На его неинвертирующий вход поступает сигнал с выхода ФНЧ на транзисторе VT2. Этот ФНЧ настроен на частоту 650 Гц, поэтому СЧ канал воспроизводит сигналы в полосе 650 Гц...6,5 кГц. НЧ составляющие входного сигнала, выделенные фильтром на транзисторе VT2, поступают на ФВЧ на транзисторе VT3, настроенный на частоту 30 Гц. Назначение ФВЧ - отсечь инфранизкие составляющие входного сигнала, перегружающие НЧ головку. С выхода ФВЧ сигнал поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя на ОУ DAS. На его неинвертирующий вход поступает сигнал с узла формирования сигналов ПОСТ и ООСН, выполненного на ОУ DA4. Фазировка каскада на ОУ DAS приведена для случая неинвертирующего УМЗЧ НЧ канала. При использовании инвертирующего УМЗЧ сигнал с выхода каскада на транзисторе VT3 необходимо подать на неинвертирующий вход ОУ DA3, а сигнал с выхода ОУ DA4 - на инвертирующий.

В качестве канальных УМЗЧ (А1 - A3) можно использовать усилители, описанные в , , или им аналогичные. При их выборе необходимо только помнить, что номинальная мощность УМЗЧ НЧ канала должна быть не меньше номинальных мощностей УМЗЧ ВЧ и СЧ каналов. Мощность УМЗЧ канала ВЧ может быть в 1,5...2 раза ниже мощности УМЗЧ канала СЧ. Желательно также, чтобы сумма максимальных мощностей УМЗЧ НЧ и СЧ каналов была бы в 3 3 = 9 раз выше той мощности, при которой предполагается эксплуатировать комплекс. Последнее определяется тем, что пик-фактор реального музыкального и речевого сигналов равен 3, т. е. максимальное значение выходного напряжения практически в любой фонограмме втрое выше среднего значения и для его неискаженного воспроизведения нужен трехкратный запас по амплитуде выходного сигнала, что эквивалентно девятикратному запасу по мощности.

В качестве ОУ DA2 - DA4 допустимо использовать любые ОУ широкого применения (с соответствующими цепями коррекции, если это необходимо). Транзисторы VT1 - VT3 могут быть любыми кремниевыми с максимально допустимым напряжением между коллектором и базой не менее 20 В и коэффициентом усиления по току не менее 200. Элементы фильтров и резисторы дифференциальных усилителей (за исключением подстроечных) желательно использовать с отклонением их сопротивлений и емкостей от номинальных значений не более 5 %. При настройке какого-либо фильтра на другую частоту необходимо уменьшить емкости соответствующего фильтра во столько раз, во сколько требуется увеличить частоту настройки (и наоборот).

Устройство, собранное без ошибок из исправных деталей, не требует налаживания. При подаче питания напряжения на эмиттерах его транзисторов должны находиться в пределах 0,6...0,7 В, а напряжения на выходах ОУ DA1 - DA3 (SA1 в нижнем по схеме положении) -1...+1В. Аналогичное напряжение должно установиться на выходе ОУ DA4 при замыкании накоротко резисторов R34 и R36. Фильтры не требуют какой-либо специальной настройки. Каналы ПОСТ и ООСН подстраивают аналогично описанным ранее. Движки подстроечных резисторов R29 и R30 устанавливают в такое положение, при котором уровень звукового давления, развиваемого АС на частотах 100, 300, 500 Гц (НЧ канал), 1, 2, 4 кГц (СЧ канал, резистор R30) и 10, 15,. 18 кГц (ВЧ канал, резистор R29), был примерно одинаковым. Уровень звукового давления измеряют с помощью микрофона с усилителем и вольтметром переменного напряжения на выходе при подводимой к УМЗЧ мощности не более 2...3 Вт на расстоянии 1...2 м от АС. Измерения необходимо сделать минимум на трех (лучше на пяти - семи) частотах в пределах каждой из полос из-за неравномерности АЧХ по звуковому давлению вследствие интерференции звуковых волн в закрытом объеме АС, форма которой отлична от сферической.

Необходимо также отметить, что использование резисторов R29 и R30 в качестве регуляторов тембра, как это предполагалось ранее рядом авторов, недопустимо. Это обусловлено высокой крутизной характеристики разделительных фильтров. Разбаланс уровней звукового давления в различных каналах при такой крутизне фильтров искажает звучание в значительно большей степени, чем акустические недостатки помещения.

Радиолюбитель, стремящийся создать высококачественную АС, должен принимать во внимание еще два момента. Во-первых, существенно сгладить АЧХ АС по звуковому давлению в области СЧ и ВЧ можно, закрыв СЧ и ВЧ головки защитными колпаками, форма которых должна быть как можно ближе к сферической . Во-вторых, для снижения фазовых искажений плоскости установки ВЧ, СЧ и НЧ головок в АС в общем случае должны быть различны. Наиболее полную с практической точки зрения информацию по этому вопросу можно найти в .

Измерение низкочастотных динамических головок и их акустического оформления

Наиболее удобным для радиолюбителей является метод определения параметров динамических головок из частотной характеристики модуля полного электрического сопротивления головки. На рис. 15 приведена типичная зависимость модуля полного сопротивления | Z \ от частоты в свободном воздухе. Аналогичная форма зависимости наблюдается при установке динамической головки в закрытом ящике. Определив эти зависимости, можно получить Qa, Qe, V AS /V и f S , необходимые для расчета громкоговорителя.

Схема измерений приведена на рис. 16. Сопротивление токозадающего резистора R должно быть примерно в 150...200 раз больше сопротивления динамической головки ВА по постоянному току. При этом УМЗЧ превращается в генератор тока через динамическую головку и падение напряжения на ней, измеряемое с помощью вольтметра В, прямо пропорционально сопротивлению головки. Значение частоты отсчитывают по шкале генератора Г или более точно по шкале частотомера Ч.

Вначале необходимо произвести измерение параметров головки в свободном воздухе. Головку требуется поместить, по возможности, далеко от отражающих поверхностей, например, закрепить на жесткой штанге. Жесткость штанги должна быть такой, чтобы ее собственная резонансная частота была значительно выше fs. Построив кривую, аналогичную изображенной на рис. 15, определяют fs", f 1 , f 2 , Re, Res, Rs, K 1,2 = 0,71Rs. Q"a и Q"e, характеризующие головку в открытом воздухе, определяют из соотношений:

(апострофы в обозначении f", Qa " Qe" обозначают, что эти величины не учитывают измерений в присоединенной массе воздуха, возникающих при работе головки в акустическом оформлении).

Резонанс будет при этом наблюдаться на частоте f"" 3 по ф-лам (1) и (2) могут быть найдены величины Qa" и Qe". Точные значения параметров fs, Qa, Qe и V AS /V могут быть найдены из соотношений:

f S = f S " SQR.((f S "Qe") / (f S "Qe)), (3)

Qa = (Qa" f S)"/fs, (4)

Qe = (Qe" f S)"/fs, (5)

V AS /V = (f S ""/f S)2 - 1, (6)

Необходимо отметить, что при низкой собственной резонансной частоте головки потери в ящике могут исказить зависимость |Z| от частоты и на ней появится еще один максимум, который легко принять за основной. Поэтому при снятии кривой необходимо быть уверенным в том, что найденный максимум - основной.

Для этого необходимо измерить зависимости | Z | от f в диапазоне от 20 до 100 Гц, и если будет обнаружено несколько резонансных “горбов”, выбрать тот, у которого амплитуда максимальна.

Следует отметить, что крутизна зависимости | Z | от f в максимуме очень мала, поэтому точно, измерить частоту fs очень трудно. Для повышения точности измерений можно рекомендовать сделать не менее 5-7 измерений fs и в качестве базового результата взять среднее арифметическое приведенных измерений. После этого необходимо сравнить полученное значение fs с fs* = SQR(f 1 f 2), и если они различаются не более чем на 1... 1,5 Гц, то измерения fs на этом можно считать законченными. Если fs и fs* различаются более чем на 1...1,5 Гц, то измерения необходимо провести снова.

Более детальное описание техники измерений с численными примерами читатели могут найти в .

ЛИТЕРАТУРА

1. Максимов С. Еще раз об улучшении звучания 25АС-109.- Радио, 1991, № 1, с. 46.
2. Алдошина И, Войшвилло А. Высококачественные акустические системы и излучатели.- М.: Радио и связь, 1985.
3. Салтыков О., Сырицо А. Звуковоспроизводящий комплекс.- Радио, 1979, № 7, с. 28-31; № 8, с. 34-38.
4. Виноградова Э. Конструирование громкоговорителей со сглаженными частотными характеристиками М* Энегия- 1978
5. Адаменко Б., Демидов О. Усачева Е. Громкоговорители для бытовой радиоаппаратуры.- Радио. 1979, № 1. с. 35.
6. Шоров В. Улучшение звучания громкоговорителя 25АС-309.-Радио, 1985. № 4, с. 30.
7. А. Сырицо. Усилитель мощности на интегральных ОУ.- Радио, 1984, № 8, с. 35.
8. Лексины В. и В. Однополосный или многополосный?- Радио, 1981, № 4, с. 35.
9. Чантурия А. Трехполосный усилитель.- Радио, 1981, № 5-6, с. 39.
10. Солнцев Ю. Высококачественный предварительный усилитель.-Радио, 1985, № 4, с. 32.
11. Гумеля Е. Простой высококачественный УМЗЧ.- Радио, 1989, № 1, с. 44.
12. Дольник А. Особенности работы головки громкоговорителя в акустическом оформлении.- ВРЛ, 1977, вып. 56, с. 34.
13. Жбанов В. О фазовых характеристиках громкоговорителей.-Радио, 1989. № 10, с. 58.