Последовательные фильтры в кроссовере АС

Последовательные фильтры в кроссовере АС

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

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

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

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

Рис. 1. Типы фильтров

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

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

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

Рис. 2. Формулы и номиналы фильтров первого порядка

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

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

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

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

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

Читайте также:  Общее техническое обслуживание Foton Ollin с 2002 года

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Автор: А. Шихатов, г. Москва

Мнения читателей
  • amin.akov. / 22.09.2020 — 09:58

Нет у последовательного фильтра никаких преимуществ перед параллельным. Простой пример: собираем СЧ и ВЧ фильтры с частотой раздела 4,5кГц. Соединяем их перемычкой. Делаем из двух параллельных фильтров один, ещё более параллельный. Называем его последовательный. Что мы видим? Частота среза ВЧ фильтра становится равной 6кГц (-3dB), а СЧ — 8(!). И что с этим делать? Увеличивать и ёмкость и индуктивность? Из чего это вытекает? А блага где? К тому же — любой динамик — система крайне нелинейная. Подавать звук на основной динамик — СЧ через такую нелинейную систему, как динамик ВЧ, и наоборот — зачем? И это слышно. Даже настроив «последовательный» фильтр — увеличив и L и C примерно в полтора раза и добившись прежней частоты среза, ставим две АС рядом и переключаем — направо, налево. Классический параллельный (СЧ — L + Зобель, ВЧ — С) звучит получше. ВЧ для всех фильтров первого порядка нужно по глубине настраивать.

Амфитоны 027 переделал на параллельный фильтр. Настройка только приглушить R высокочастотную и среднечастотную головки. Звук неожиданно радует, не думал что получится настроить фильтр. Параллельный практически очень очень тяжело настроить.

Как раз наоборот. Колонки S90 сделаны на заводе по параллельной схеме. И звучат ужсно. Переделка фильтра на последовательный полностью меняют звучание колонки в лучшую сторону. Схема Nivago.

Графики явно расходятся с расчетами, поэтому у людей, которые пытаются повторить последовательный фильтр, получается ужасное радио. В формулы надо вставлять 2Z. Тогда последовательный фильтр покажет все преимущества перед параллельным.

Читайте также:  Замена воздушного фильтра поло новый

Как раз все наоборот

Последовательный фильтр не имеет шансов перед паралельным, особенно в 3 — полосной системе?

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

Источник



Последовательные фильтры в АС.

В пассивных фильтрах акустических систем (АС) чаще всего применяют фильтры параллельного типа.

Но в то же время возможно использование фильтров последовательного типа.

В журнале Радио № 12 2017 года А.Шихатов описал особенности применения последовательных фильтров в кроссоверах АС. Но наиболее полно фильтры АС последовательного типа раскрыты в книге С.Гапоненко «Акустические системы своими руками» , изданной в 2013 году.
Автор подробно описывает последовательный фильтр первого порядка и отмечает несколько основных «плюсов» и «минусов» в их использовании.

1 преимущество

2 преимущество

3 преимущество

Недостатки

Я хочу немного рассказать о личном опыте в использовании последовательных фильтров первого порядка на примере модернизации советской акустической системы 15АС-404.

Первоначально в этой двухполосной АС низкочастотный динамик был просто подключен параллельно выхода усилителя, а высокочастотный — через фильтр второго порядка с частотой раздела 4000 герц.

Параллельный фильтр

Звучание этой бюджетной АС было «тусклое» и плохое.

Я решил использовать последовательный фильтр первого порядка. По результатам расчета я получил вот такую схему.

Последовательный фильтр 1 порядка

Дополнительно я сменил провода внутри АС на акустический кабель , установил простой терминал и добавил синтепон вместо валика из ваты. Загерметизировал все щели.

AS back

AS in

Субъективно, «на слух», качество звучания заметно улучшилось.

В дальнейшем я планирую, после сборки микрофонного усилителя и получения опыта в использовании специализированных программ, измерить АЧХ модернизированной АС.\

Источник

Расчет последовательного фильтра

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

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

Индуктивность: L[мГн]

Емкость: C [мкФ]

Сопротивление: R [Ом]

Частота разделения: fгр [Гц]

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

С1=(225∙10 3 /fгр)∙R L1=113∙R/fгр

Частота раздела fгр1 является частотой раздела между НЧ и СЧ динамиками, а частота fгр2 – между СЧ и ВЧ соответственно.

Формулы для расчета рассчитывают фильтры для более низкой частоты разделения fгр1и к выходу одного из них (фильтра низких частот) присоединяют низкочастотную головку громкоговорителя. Вторую пару фильтров L1’C1’ присоединяют к фильтру верхних частот первой ступени, пропускающему сигналы с частотами выше fгр1. Эту пару фильтров рассчитывают по тем же формулам, что и первую, но для более высокой частоты разделения fгр2. Таким образом пара фильтров L1’C1’ делит интервал частот, находящийся выше первой частоты fгр1,на две полосы с частотой разделения между ними fгр2.

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

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

Источник

Тема: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Не так давно делал проект на данных динамиках, правда без НЧ.
Частоты раздела фильтров получились следующие:
НЧ — 350 Гц, (хотя НЧ в проекте и не было, но был проведён успешный эксперимент с использованием в качестве НЧ Beyma 8BR40/N)
СЧ — от 350 до 3200 — 3500 Гц,
ВЧ — от 3500 Гц и выше.

СЧ лучше выше 3.5 кГц не пускать поскольку его АЧХ имеет большой пик в районе 5-6 кГц.
В качестве фильтра высоких частот для СЧ нужно будет поставить не полярный конденсатор номиналом 68 мкФ на 100 В.
Для ВЧ лучше использовать фильтр не второго порядка, а третьего.

Для НЧ нужен фильтр низких частот 2-го порядка. Для согласования фазы у НЧ нужно будет сделать "переполюсовку".
Ориентировочные номиналы деталей в фильтре будут следующие: индуктивность номиналом 2.5 мГн и конденсатор номиналом 110 мкФ, так же возможно резистор параллельно НЧ номиналом 10-20 Ом.

Читайте также:  Кофемашина Krups Quattro Force EA82F010

То что получилось в итоге можно посмотреть ниже:

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Сообщение от NIKOLS
Сообщение от vedddd
Сообщение от vedddd

Ну дак я ж буду не доходя до горба резать. Горб с 4500 начинается только, а я с 4000 буду резать.

Сообщение от vedddd
Сообщение от vedddd
Сообщение от vedddd
Сообщение от Виталик

А разве это имеет значение?
Я же широкополосную АС собирать затеваю, а не ширик какой в двери юзать. Ясен пень что не вокал слушаю
Да много чего слушаю. Чаще электронщину. Люблю ритмичные вещи, басы люблю. Чтобы ВЧ тоже звонкие были. Из этих соображений и пищик выбран.
Могу например и что нибудь из индастриала послухать. А Раммштайн без басов — как рыба без пива В общем люблю басы, люблю ВЧ и все ритмичное.

———- Сообщение добавлено 21:26 ———- Предыдущее сообщение было 19:16 ———-

Чет я попутал. Я почему то думал что оба 250мм басовика у Асалаба 150Вт.
А оказалось что у того что на схеме номиналка 250Вт. Это мне явный перебор. НЧ будет тогда B2502.8. Он 150Вт, как мне и надо было.

———- Сообщение добавлено 21:33 ———- Предыдущее сообщение было 21:26 ———-

Или не попутал. Нашел косяк.
Блин, че за дырявая контора этот Асалаб?!
В описании к динамику 150Вт, а в даташите 250Вт

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

По поводу переполюсовки НЧ, рекомендую проверить всё самостоятельно.
Для этого достаточно снять АЧХ всей системы когда НЧ включен в одной и в другой полярности.
Так же можете посмотреть следующие проекты, если не верите.
http://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=65620
http://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=57132

Резистор номиналом 10-20 Ом может понадобится для выравнивания импеданса в области резонанса на самом низу,
но это нужно проверять. Возможно вместо резистора лучше будет поставить последовательную RLC или RC цепочку.

В качестве НЧ можете вместо B2502.8 взять 150ГДН45-8 в корпусе объёмом 35-40 литров.
http://noema.ru/catalog/64/234

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Сообщение от vedddd

Честно говоря, первый раз вижу чтобы НЧ переворачивали.

Сообщение от vedddd

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Сообщение от Иван555

Это вы зря. НЧ у НОЭМЫ особенно в последнее время очень неплохие.
И серьёзные проекты на них делают, правда не слишком это афишируют.
Например возьмите этот проект http://www.musatoff.com/RU/Musatoff_AS-3.htm, где стоит 300ГДН39 правда доработанный.

В качестве НЧ можете взять 200ГДН37-8 (исполнение 1), очень достойный динамик.
Правда для него нужен будет корпус объёмом 55-60 литров.
По качеству звука в диапазоне от 60 до 800 Гц он будет на уровень выше, чем любой другой динамик от АСАлаб для того же диапазона частот.

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Сообщение от Oldy

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Сообщение от Oldy

В смысле, рассказов пострадавших?

Сообщение от Oldy

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Re: Какой из данных вариантов фильтров трехполосной АС предпочтительнее?

Здесь на форуме есть такой неписанный закон. авторский. Последовательные фильтры — это строгое табу. Никто Вам ничего хорошего и дельного про них не скажет. Почему так? Лучше не разбираться, табу и всё!

По фильтру Галахова — делал такую штуку несколько раз в разных проектах. Что могу сказать про него:
1. Действительно получается ровненькая линеечка, СЧ в мостовом включении не требует подгонки и точного сведения как в классических параллельных фильтрах.
2. Важно дать СЧ дину достаточно широкую полосу, чтобы перехлёст не был с ВЧ и НЧ, но и не слишком широкую, чтобы ВЧ и НЧ работали нормально.
3. Замечен эффект "звука из наушников", это когда звук идёт из одной точки.
4. С одной стороны — это идеальный источник звука, с другой стороны — это тухлый и зажатый звук.
5. Чувствительность колонки этот фильтр гасит на 3 дБ.
6. Зажатость звука зависит от полосы, выделенной СЧ динамику, чем меньше полоса — тем более динамичный звук. Оптимально давать полосу СЧ 700-800 — 3500 Гц.
7. Галахов его делал для Орбиты Ы-90, на других динамиках требуется пересчёт.
8. Я его применил на акустике Ямаха, добавил дин СЧ Визатон (с полосой 800-3500), акустика запела, особенно с лампой.
9. Применил на проекте с динами Сис 1288, 1217 и Морель 308 — не пошел, из-за того что широкая полоса на Сис 1217 пришлась (хотел сохранить голосовой диапазон на одном дине, не разбазаривая вокал между Сч и НЧ). Общий саунд получился тухлым, зажатым, наушникообразным. Плюнул и снял.
10. Сказки про чудесный фильтр Галахова иногда сбываются, но не всегда, очень критичен к полосе СЧ и сильно гасит общую чуйку колонки.

Это опыт не профи, но дилетанта, но это собственный опыт, который в отличии от профи был, обкатан без всяких измерений и симуляций, на пальцах и на коленках слепленный, но рабочий.

Источник