Как разработать двухполосный акустический кроссовер для разделения частот. Какие компоненты нужны для создания кроссовера. Как рассчитать частоту раздела и номиналы элементов. Какие типы фильтров лучше использовать в кроссовере. На что обратить внимание при сборке кроссовера.
Что такое акустический кроссовер и зачем он нужен
Акустический кроссовер — это устройство, которое разделяет входной аудиосигнал на несколько частотных диапазонов для подачи на различные динамики акустической системы. Основные задачи кроссовера:
- Разделение частотных диапазонов между динамиками
- Защита высокочастотных динамиков от низких частот
- Оптимизация работы каждого динамика в своем диапазоне
- Выравнивание амплитудно-частотной характеристики системы
- Согласование фазовых характеристик динамиков
Двухполосный кроссовер разделяет сигнал на две полосы — низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ). Это позволяет использовать специализированные динамики для каждого диапазона и добиться более качественного звучания.
Основные типы акустических кроссоверов
Существует два основных типа акустических кроссоверов:
Пассивные кроссоверы
Состоят только из пассивных компонентов — конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов. Преимущества:
- Простота конструкции
- Не требуют питания
- Низкая стоимость
Недостатки:
- Вносят потери мощности
- Сложно получить крутые склоны АЧХ
- Зависимость от импеданса динамиков
Активные кроссоверы
Содержат активные компоненты — операционные усилители. Преимущества:
- Крутые склоны АЧХ
- Независимость от импеданса нагрузки
- Возможность регулировки уровней полос
- Низкие искажения
Недостатки:
- Требуют питания
- Более сложная схемотехника
- Выше стоимость
Выбор типа фильтров для кроссовера
При разработке двухполосного кроссовера необходимо выбрать тип и порядок фильтров. Основные варианты:
Фильтры Баттерворта
Обеспечивают максимально плоскую АЧХ в полосе пропускания. Недостаток — относительно пологие склоны в переходной области. Часто используются фильтры 2-го и 4-го порядка.
Фильтры Линквица-Райли
Имеют более крутые склоны по сравнению с Баттервортом. Обеспечивают постоянную мощность в переходной области. Обычно применяются фильтры 4-го порядка.
Фильтры Бесселя
Обладают наилучшими фазовыми характеристиками, но имеют пологие склоны АЧХ. Используются реже других типов.
Для большинства применений оптимальным выбором являются фильтры Линквица-Райли 4-го порядка. Они обеспечивают хороший компромисс между крутизной склонов и фазовыми характеристиками.
Расчет частоты раздела кроссовера
Частота раздела (среза) кроссовера выбирается исходя из параметров используемых динамиков. Необходимо учитывать следующие факторы:
- Диапазон рабочих частот НЧ и ВЧ динамиков
- Чувствительность динамиков
- Мощность динамиков
- Характер звучания динамиков на разных частотах
Типичные значения частот раздела для двухполосных систем:
- 1.5-2.5 кГц — для систем с 6.5″ НЧ динамиком
- 2-3 кГц — для систем с 5.25″ НЧ динамиком
- 2.5-4 кГц — для систем с 4″ НЧ динамиком
Оптимальную частоту раздела лучше подбирать экспериментально, измеряя АЧХ системы и оценивая звучание на слух.
Расчет номиналов компонентов кроссовера
Для расчета номиналов элементов кроссовера используются специальные формулы, зависящие от типа фильтра и его порядка. Рассмотрим пример расчета фильтра Линквица-Райли 4-го порядка:
Фильтр нижних частот (ФНЧ)
L1 = R / (2πf0)
C1 = 1 / (2πf0R)
L2 = L1/2
C2 = 2C1
Фильтр верхних частот (ФВЧ)
C1 = 1 / (2πf0R)
L1 = R / (2πf0)
C2 = C1/2
L2 = 2L1
Где:
- f0 — частота раздела
- R — сопротивление нагрузки (обычно 8 Ом)
Полученные значения необходимо округлить до ближайших стандартных номиналов компонентов.
Выбор компонентов для кроссовера
При выборе компонентов для кроссовера необходимо учитывать следующие факторы:
Конденсаторы
- Тип: пленочные или полипропиленовые
- Допуск: не более 5%
- Рабочее напряжение: минимум в 2 раза выше номинальной мощности усилителя
Катушки индуктивности
- Тип: воздушные или на ферритовых сердечниках
- Сопротивление постоянному току: не более 0.1 от сопротивления нагрузки
- Допуск: не более 5%
Резисторы
- Тип: металлопленочные
- Мощность: не менее 2 Вт
- Допуск: не более 1%
Использование качественных компонентов позволит получить кроссовер с минимальными искажениями и стабильными характеристиками.
Особенности конструкции и монтажа кроссовера
При конструировании и монтаже кроссовера необходимо учитывать следующие моменты:
- Использовать качественную печатную плату с толстыми дорожками
- Разделять входные и выходные цепи для минимизации наводок
- Применять экранирование чувствительных цепей
- Использовать короткие соединения между компонентами
- Обеспечить надежную фиксацию тяжелых элементов (катушек)
- Применять качественные разъемы для подключения кабелей
Правильный монтаж кроссовера позволит избежать паразитных связей между цепями и снизить уровень шумов и искажений.
Настройка и проверка работы кроссовера
После сборки кроссовера необходимо выполнить его настройку и проверку:
- Измерить АЧХ каждого канала кроссовера
- Проверить частоту раздела и крутизну склонов
- Измерить суммарную АЧХ системы
- Оценить фазовые характеристики на стыке полос
- Прослушать систему на различных типах музыкального материала
При необходимости выполнить подстройку частоты раздела и уровней каналов для получения оптимальных характеристик.
Заключение
Разработка и изготовление качественного двухполосного кроссовера требует понимания теории и практических навыков. Правильно спроектированный кроссовер позволяет раскрыть потенциал динамиков и получить сбалансированное звучание акустической системы. При создании кроссовера необходимо уделить внимание выбору схемы, расчету параметров, подбору качественных компонентов и аккуратному монтажу.
Конструкция двухполосной акустической системы (AC)
Вниманию предлагается описание малогабаритной двухполосной акустической системы, построенной на основе отечественных динамических головок МВ1324.8 производства ASA Lab (г. Калуга) и SEAS Н1189-06 (Норвегия).
Идея создания такой акустической системы и использование в качестве НЧ-СЧ звена динамиков ASA Lab появилась после прослушивания акустической системы , построенной с использованием НЧ-СЧ динамиков SEAS Н149.
Было решено создать подобную систему, отвечающую следующим немаловажным требованиям: качество звуковоспроизведения, не уступающее системам, созданным полностью на базе импортных динамиков, меньшие материальные затраты.
Технические характеристики
- Номинальная (максимальная) мощность, Вт…………….. 75(150)
- Номинальное электрическое сопротивление, Ом ……………… 4
- Диапазон воспроизводимых частот по уровню-3 дБ . .55…20000
- Неравномерность АЧХ, дБ .
………. ±2,5 - Частота разделения полос, кГц…… 3
- Порядок фильтра НЧ/ВЧ……………. 1/3
- Габариты (без подставок), мм…….. 194x454x324
- Масса, кг……………………………….. 20.
………. ±2,5Конструкция
В качестве НЧ-СЧ звена были выбраны динамические головки MB 1324.8 производства ASA Lab. Они имеют оптимальные электромеханические параметры, достаточно ровную АЧХ в необходимом диапазоне частот, вполне доступны по цене, а разброс параметров Тиля-Смолла между динамиками не превышает 5 %.
Внешнее магнитное поле магнитной системы НЧ-СЧ головок снижено с помощью компенсирующего магнита, по размеру аналогичного магниту самих динамиков, приклеенного с помощью эпоксидной смолы.
При таком компенсационном способе снижения внешнего магнитного поля достигается некоторое усиление магнитной индукции в рабочем зазоре при минимальном изменении электромеханических параметров.
Конструктивно акустическая система представляет собой фазоинвертор.
К конструктивным ее особенностям относятся двухслойный корпус, наклонные перфорированные перегородки внутри корпуса, небольшое смещение ВЧ головки относительно оси НЧ-СЧ, выведение трубы фазоинвертора на заднюю панель, фаски по всему периметру передней панели.
Следует подробно остановиться на каждой из конструктивных особенностей и пояснить их необходимость. Так, двухслойный корпус необходим для обеспечения прочности, жесткости, снижения вибраций.
При увеличении жесткости корпуса его собственные резонансы смещаются в более высокочастотный диапазон, что дает снижение амплитуды вибраций и увеличивает их затухание.
Перфорированные наклонные перегородки практически исключают стоячие волны в прямоугольном корпусе и тем самым устраняют переотражения на заднюю часть диффузоров.
Выведение трубы фазоинвертора на плоскость задней панели дает следующие преимущества: уменьшение габаритных размеров акустической системы, увеличение отдачи в нижней части диапазона за счет отражения от стены, отсутствие влияния фазоинвертора на работу головок.
За счет смещения ВЧ головки относительно оси НЧ—СЧ головок достигается более ровная АЧХ и ФЧХ. Снятие фасок по всему периметру передней панели способствует сглаживанию диаграммы направленности.
Рис. 1. Конструкция самодельной двухполосной акустической системы (AC).
Конструкция корпуса показана на чертежах рис. 1. Использование двухслойных стенок из материалов с различным декрементом затухания способствует лучшему подавлению вибраций в полосе звуковых частот.
В корпусе вклеены две перфорированные перегородки из фанеры, исключающие возникновение стоячих волн. По краям передней панели корпуса сняты фаски.
В отверстии для высокочастотной головки фрезеровано два паза для выводов звуковой катушки. На рис. 2 показана разметка отверстий на задней стенке корпуса.
Изготовление корпуса и его сборка по технологии аналогичны акустической системе, описываемой в статье [2]. Сборку и склейку верхней, нижней и боковых панелей, а также внутренних перегородок проводят до установки передней и задней панелей.
Последней устанавливают заднюю панель в сборе.
Рис. 2. Размеры панели.
Рис. 3. Конструкция подставок.
Конструкция подставок показана на рис. 3. Виброразвязка подставок осуществляется с помощью шипов. На нижней панели корпуса приклеены четыре самоклеющихся диска из фетра диаметром 20 мм и толщиной 3…4 мм.
Следует отдельно остановиться на некоторых деталях, которые не показаны на чертежах. В качестве звукопогло-тителя использован полугрубошерстный войлок толщиной 8 мм; его приклеивают в отсеках НЧ—СЧ на боковых стенках.
Внутри корпуса стенки покрыты слоем ПВА толщиной 1,5…2 мм для снижения вибраций, так как образуется еще один переходный слой между материалами разной плотности.
В качестве фазоинвертора был использован готовый конструктивный узел Visaton BR19.24 с длиной трубы 120 мм и сечением отверстия 20 см2 (частота настройки 63 Гц). При повторении рекомендуется вести точную настройку по характеристике модуля импеданса Z с помощью программы Speaker Workshop.
Для подключения двух акустических кабелей к каждой колонке (bi-wire) установлена специальная клеммная сборка (с четырьмя клеммами), при повторении возможно использование любых других клемм надлежащего качества.
Рис. 4. Принципиальная схема двухполосного фильтра для акустической системы.
Схема одного из громкоговорителей показана на рис. 4. При проектировании разделительных фильтров было использовано компьютерное моделирование различных вариантов фильтра, макетирование, измерение и прослушивание каждого из вариантов, в результате чего удалось получить оптимальный по АЧХ, ФЧХ, ИЧХ и звучанию вариант фильтра. Частота разделения полос — 3 кГц. ВЧ головка включена в противофазе.
Рис. 5. Внешний вид самодельной двухполосной акустической системы.
В фильтрах использованы отечественные конденсаторы К73-16 на напряжение 160 и 63 В (в цепи Цобеля), с допуском 5 %, в результате чего можно сделать конденсаторные сборки требуемой емкости: С1, С2 — отобранные из номинала 22 мкФ на 63 В (2 шт.
), C3—С5 — 1 мкФ (2 шт.), плюс 3,9 мкФ на 160 В, С6—C10 — 3,3 мкФ на 160 В (5 шт.).
Эти конденсаторы не уступают по качеству импортным аналогам, а в ряде случаев и превосходят их по объективным данным и субъективному прослушиванию.
Применение сборок (вместо одиночных) конденсаторов также способствует улучшению звучания акустической системы. Катушки индуктивности намотаны проводом ПЭВ-2 с двухслойной лаковой изоляцией: для L1 — диаметром 0,8 мм, для L2, L3 — диаметром 0,56 мм. Между слоями провода проложена фторопластовая лента (фум). Резисторы в фильтрах — С5-16В мощностью 8 Вт (безындукционные).
К достоинствам данной акустической системы можно отнести достаточно ровные АЧХ, ФЧХ и малую неравномерность в характеристике импеданса (минимум 3,36 Ом), что делает эти громкоговорители несложной нагрузкой для УМЗЧ. Здесь следует отметить, что АЧХ и ФЧХ не являются абсолютным показателем качества акустической системы.
Есть множество промышленных систем со сложными фильтрами и ровными АЧХ и ФЧХ, при этом их звучание нравится далеко не всем.
Из этого следует, что инструментальный метод обеспечения качества является лишь одним из методов в руках разработчика при построении высококачественных акустических систем.
Можно привести в пример изделия некоторых фирм, у которых АЧХ имеет неравномерности (провалы) до 4…6 дБ с учетом особенностей кривых равной громкости. При этом большое число потребителей отдадут предпочтение такой АС, нежели системам с более ровными АЧХ и ФЧХ, спроектированными с использованием лишь программных методов моделирования.
При повторении данной АС возможны некоторые замены. Трубу фазо-инвертора можно заме нить любой аналогичной и близкой по сечению отверстия (20 см2). ВЧ головка заменима более дешевой Visaton SC10 N/8, но при этом потребуется коррекция параметров фильтра.
Оптимальное расположение громкоговорителей (фото на рис. 5) представляется следующим образом: расстояние от стены — не менее 30 см, расстояние между громкоговорителями АС — 2…3 м, расстояние до слушателей — 2,5.
..3,5 м.
При сравнении данной системы с АС на головках SEAS Н149 она показала лучшую микродинамику в звучании, более высокое звуковое давление в нижней части диапазона и перегрузочную способность.
Такая АС обладает «быстрым», динамичным звучанием, подходит для прослушивания различных жанров музыки и воспроизводит их не хуже аналогичных промышленных моделей ценой 2000 долл. США и более. Немаловажным фактором является и цена на используемые динамические головки.
А. Седов, г. Москва. Радио-12-2009.
Разделительный фильтр для двухполосной акустической системы
Всем привет, продолжаю серию обзоров про самодельную акустику. Про динамики начало тут. Сегодня о том, как не надо делать разделительный фильтр.
Что такое разделительный фильтр (для любителей англицизмов «кроссовер»)?
Это устройство, пропускающее определенные частотные составляющие в сигнале и ослабляющее остальные. Фильтр может быть реализован в виде аналоговой схемы (пассивные и активные фильтры), а также реализован программно или в виде цифрового устройства (цифровые фильтры).
Если в акустической системе больше одного динамика, то что бы динамики играли согласовано по своим частотным диапазонам, необходим фильтр, который даст динамику играть в своей полосе частот, в своей «зоне комфорта».
Но есть главная особенность. Фильтр для акустической системы нельзя рассчитать, слишком много факторов будут влиять на конечную АЧХ акустики (параметры динамика, расположение их на корпусе, бафлстеп и пр.) Нужны измерения конкретных динамиков в конкретном корпусе. Конечно, это касается домашнего Hi Fi, а не low автозвука и поделок из отечественных динамиков в ящике для хранения картофеля.
Так как здесь все же сайт для
для обзоров товаров, заказанных в зарубежных интернет-магазинах
а не форум по звукотехнике, я расписывать все подробно не буду, но очень рекомендую ознакомится с этой статьей и данным разделом форума.
Теперь посмотрим на то, что предлагают китайцы тем, кто все таки решился пойти по простому пути и поставить готовый фильтр.
Так как проект у меня ультрабюджетный, я выбрал самое дно рынка, самый дешевый и простой разделительный фильтр для двух полос.
Плата фильтра продается по одной.
Размеры платы и подключения:
Тут есть система перемычек:
- Без перемычек — «нормальный» режим.
- С1 перемычка — усиление высоких частот (ВЧ).
- С2 перемычка — усиление низких частот (НЧ).
- Обе перемычки — усиление всего и вся))
Внешний вид платы:
Клеммы: вход с усилителя, выход для НЧ динамика и выход для ВЧ динамика.
Так на вскидку, тут фильтр второго порядка (катушка+конденсатор) на НЧ и фильтр первого порядка на ВЧ (конденсатор).
Аттенюатор из резисторов отсутствует, если у Вас отличается чувствительность (громкость) динамиков, то это Ваши проблемы.
Но давайте рассмотрим подробнее, перевернув плату топология становится на свои места:
Это все же фильтр первого порядка на НЧ с сабсоник фильтром.
Конденсатор тут стоит последовательно с катушкой. На ВЧ работают один либо пара конденсаторов.Вот, собственно, и разница между НЧ фильтром второго порядка и первый порядок + сабсоник:
Сабсоник может быть полезен как раз для мелких динамиков, что бы низкие частоты не шли на динамик, не способный их воспроизвести.
Посмотрим теперь номиналы элементов:
Электролит 220 мкФ 50 В, пленка 1,5 мкФ 100 В 2 шт.
Индуктивность катушки я не смог определить, она очень мала.
Вот ее параметры: Ферритовый каркас 6 мм в диаметре 20 мм длиной, намотана 17 витков проводом 1 мм.
Измеренные графики работы этого фильтра:
По два графика — это работа перемычек.
Что же мы видим? Да то, что фильтр-то, нифига не фильтрует.
По НЧ индуктивность совсем не работает (зеленая линия), не заваливает АЧХ к середине (басовик будет играть весь диапазон), второй график (желтый) работа сабсоника. По ВЧ — обычный фильтр первого порядка.
В принципе, все это плату можно заменить одним конденсатором 3,3 мкФ.
Результат (точнее отсутствие результата) вполне ожидаемо, фильтр по НЧ не работает, сэкономили на катушке. Но для моего проекта пойдет и этот)) Но, если задумаете делать много полосную систему, перечитайте еще раз эту статью.
Продолжение следует.
Спасибо за просмотр. Удачных покупок!
Two Way Active Audio Crossover Filter
Существуют различные типы громкоговорителей, такие как твитеры, среднечастотные динамики, сабвуферы и низкочастотные динамики, которые могут воспроизводить голос только в своих конкретных частотных диапазонах. В устройстве воспроизведения аудио все аудиосигналы разделяются на разные полосы и подаются на громкоговоритель соответствующего типа. На твитеры обычно подаются частоты выше 5 кГц, на среднечастотные динамики подаются частоты в диапазоне от 300 Гц до 5 кГц, на сабвуферы — от 300 Гц до 40 Гц, а на низкочастотные динамики — частоты ниже 40 Гц.
Весь спектр слышимого голоса простирается примерно от 20 Гц до 20 кГц, и не существует конструкции громкоговорителя, которая могла бы воспроизводить все эти частоты с одинаковым эффектом.
Низкочастотные динамики предназначены для воспроизведения дозвуковых звуков (ниже 20 Гц), а существуют музыкальные инструменты, которые могут воспроизводить частоты выше 18 кГц. Для воспроизведения всех этих звуков в разные типы громкоговорителей подается их собственная полоса частот, извлеченная из музыки.
Схемы фильтров, используемые на выходе аудиоустройства, которые отфильтровывает разные полосы частот и использует их для управления громкоговорителями разных типов, которые называются Audio Crossover Circuits . Трехполосные перекрестные цепи очень распространены на выходной стороне аудиоустройств, которые отфильтровывают полосы частот для твитеров, среднечастотных динамиков и сабвуферов. В этом учебном пособии обсуждается конструкция и реализация схемы двустороннего аудио кроссовера с использованием активных фильтров для качественной фильтрации.
Рис.
1: Схема фильтра двухполосного активного аудио кроссовера на макетной плате
Цепи двухполосного кроссовера аудио используются для раздельного управления среднечастотными динамиками и сабвуферами. На среднечастотные динамики подаются частоты в диапазоне от 300 Гц до 5 кГц, а на сабвуферы — от 300 Гц до 40 Гц. Так как музыкальный звук обычно имеет максимальную частоту от 5 до 8 кГц, для управления среднечастотными динамиками достаточно фильтра верхних частот с частотой среза около 300 Гц. Басовые ритмы песен появляются в диапазоне сабвуфера, и можно использовать полосовой фильтр, чтобы отделить эти частоты от всего аудиосигнала. Двухполосную кроссоверную схему можно рассматривать как комбинацию HPF (фильтр высоких частот) и BPF (полосовой фильтр), как показано на следующей блок-схеме;
Рис. 2: Блок -схема двухсторонней активной аудио -кроссоверной цепи
HPF и BPF могут быть реализованы только с использованием пассивных компонентов, таких как индукторы и конденсаторы, но активные цирки фильтра улучшить качество фильтров.
Опять же, для HPF используется фильтр на основе активной синтетической катушки индуктивности, чтобы избежать громоздкой катушки индуктивности в цепи. BPF разработан на основе фильтра MFB для качественной, но простой схемы.
Основная концепция схемы Synthetic Inductor заключается в использовании конденсатора и инвертировании его свойств, чтобы он вел себя как индуктор. Преимущества этой схемы по сравнению с реальными индукторами заключаются в очень низком внутреннем сопротивлении, легком изменении значения индуктивности в широких пределах, возможности проектирования высококачественных цепей фильтров и т. д. Принципиальная схема цепи синтетического индуктора приведена ниже;
Рис. 3: Принципиальная схема и эквивалентная схема синтетического индуктора
Здесь свойство конденсатора «C» в приведенной выше схеме было инвертировано с помощью схемы операционного усилителя с единичным коэффициентом усиления.
Значение индуктивности зависит также от номиналов резисторов R1, R2 и конденсатора С. Индуктивность цепи синтетического индуктора определяется следующим уравнением;
L = R1 * R2 * C
Фильтр высокой частоты может быть реализован с использованием последовательно соединенных конденсатора и синтетического индуктора, в котором один конец индуктора заземлен, вход подается со свободного конца конденсатор и отфильтрованный выход берутся из точки, где конденсатор и катушка индуктивности соединены последовательно. Принципиальная схема и эквивалентная схема фильтра верхних частот на основе синтетического индуктора приведены на следующей диаграмме;
Рис. 4. Принципиальная схема и эквивалентная схема фильтра верхних частот на основе синтетического индуктора
Схема содержит последовательно включенный конденсатор «Cf», который образует фильтр верхних частот со схемой синтетического индуктора. Если индуктивность синтетического индуктора равна, скажем, «L», то полоса пропускания фильтра высоких частот начинается с частоты, определяемой следующим уравнением;
Большинство звуковых частот, кроме низких частот, появляются выше средней частоты 700 Гц, поэтому фильтр верхних частот рассчитан на частоту среза 700 Гц.
Рис. 5: Принципиальная схема фильтра верхних частот, предназначенного для ограничения частоты
Фильтры MFB очень часто используются в цепях из-за того, что они обеспечивают разумную производительность при самой простой схеме. Они могут быть спроектированы так, чтобы получить узкую полосу пропускания и высокий коэффициент усиления. Они подходят для разработки полосовых фильтров, поскольку полоса пропускания, средняя частота могут быть легко отрегулированы или изменены. Эти схемы имеют усилитель с более чем одной обратной связью, отсюда и название. 9Принципиальная схема 0007 полосы пропускания MFB с использованием одного резистора и конденсаторной обратной связи приведена ниже;
Рис. 6: Принципиальная схема полосового пропускания MFB с обратной связью с одним резистором и конденсатором
Уравнения, связывающие значения компонентов с коэффициентом усиления, добротностью, шириной полосы и средней частотой, приведены ниже;
Поскольку этот фильтр будет использоваться для управления громкоговорителем, необходимо добавить буферную схему на выходе полосового фильтра MBF, который будет управлять громкоговорителем, не влияя на характеристики фильтра.
Буфер также можно легко сделать с помощью другого операционного усилителя. Был разработан полосовой фильтр MFB с Fm = 70, Q = 15, Am = 100, полная схема которого приведена ниже;
Рис. 7. Принципиальная схема полосового фильтра MBF с буферной цепью соедините вход обеих схем вместе и подайте звук на эту общую точку входа обеих схем. Полная принципиальная схема аудио кроссовера приведена ниже;
Рис. 8: Принципиальная схема двухполосного фильтра кроссовера с активным аудио
Аудиовход подается с ПК, и отфильтрованный звук в этом эксперименте демонстрируется на видео с использованием обычной гарнитуры, поскольку Динамики гарнитуры предназначены для качественного воспроизведения как высоких частот, так и низких частот.
Видео:
Рубрики: Схема
Аудиофильтры: проектирование двустороннего аудиокроссовера
В предыдущем уроке были рассмотрены основы аудиофильтров.
Как мы узнали, аудиофильтры могут быть пассивными или активными в зависимости от используемых компонентов и от того, требует ли он питания.
С точки зрения частотной характеристики фильтры также можно разделить на фильтры верхних и нижних частот, полосовые и всепроходные, а также режекторные, Т-образные, режекторные и эквалайзерные фильтры. Теперь мы готовы разработать аудиокроссовер.
Аудиокроссовер — это электронная схема, которая разделяет аудиосигнал на два или более частотных диапазона. Затем эти полосы частот отправляются на различные звуковые драйверы (такие как твитер, низкочастотный динамик или среднечастотные динамики). Однако один динамик не может обслуживать весь диапазон слышимых частот из-за ограничений его конструкции. Таким образом, для воспроизведения разных диапазонов частот требуются разные драйверы (динамики).
Например, твитеры обычно используются для высокочастотных аудиосигналов, тогда как низкочастотные динамики используются для низкочастотных сигналов.
Как следует из названия, драйверы среднего диапазона идеально подходят для сигналов среднего диапазона.
Для разделения аудиосигнала на разные частотные диапазоны в кроссовере используются отдельные аудиофильтры. Обычно они классифицируются как двухсторонний или трехсторонний кроссовер.
Двусторонний разделяет аудиосигнал на две полосы частот — полосу высоких частот для твитера и полосу низких частот для вуфера — и это наиболее распространенный кроссовер, используемый в стандартных аудиосистемах.
Трехполосный разделяет аудиосигнал на три полосы, что менее распространено, но более эффективно. Он разделяет аудиосигнал на разные частоты, чтобы лучше всего соответствовать высокочастотному динамику, низкочастотному динамику и среднечастотным динамикам.
В этом уроке мы создадим двусторонний кроссовер с использованием активных аудиофильтров. Кроссовер будет иметь фильтр верхних частот для подачи высокочастотных сигналов на один динамик и фильтр нижних частот для передачи низкочастотных сигналов на другой динамик.
Обе схемы будут использовать операционный усилитель (операционный усилитель).
Звук будет вводиться через смартфон и выводиться через два разных динамика. Частота среза для обоих фильтров составит 500 Гц.
Для проверки кроссовера проверим АЧХ аудиофильтров. Эта кривая будет построена путем построения уровней напряжения аудиосигнала в зависимости от частот. Функциональный генератор также будет использоваться в качестве источника входных данных для демонстрации синусоидальных волн на разных частотах.
Мы будем использовать некоторые общие термины, связанные с аудиоусилителями или аудиофильтрами, такие как усиление, эффект ограничения, частота среза, полоса пропускания и добротность. Мы рассмотрели некоторые из них в предыдущем уроке: Понимание фильтров .
Необходимые компоненты
Рисунок 1. Список компонентов, необходимых для двустороннего кроссовера
Блок-схема
Рисунок 2. Блок-схема двустороннего аудио кроссовера
Соединения цепей
В схеме кроссовера аудиосигнал разделяется между разными полосами частот.
Каждая полоса усиливается отдельно, а выход подается на соответствующий привод. Каждая полоса частот имеет отдельный регулятор для управления усилением аудиосигнала, как показано здесь:
Типичный двусторонний аудиокроссовер.
Эта схема кроссовера разработана путем соединения следующих компонентов…батареи В. Источник постоянного тока необходим для смещения операционных усилителей, используемых в обеих схемах фильтра. Батареи обеспечивают отрицательное и положительное напряжения питания усилителей.
Положительное и отрицательное напряжения питания подаются на усилители, используемые в обоих фильтрах, от одних и тех же батарей.
- Для обеспечения отрицательного напряжения питания операционных усилителей катод одной батареи подключается к отрицательному контакту питания усилителя, а анод этой батареи подключается к земле.
- Для обеспечения положительного напряжения питания операционного усилителя анод другой батареи подключается к положительному контакту питания усилителя, а катод этой батареи подключается к земле.
Батареи будут подключены к соответствующему операционному усилителю, как показано на этой принципиальной схеме:
Принципиальная схема двойного источника питания для активных фильтров верхних и нижних частот.
Источник звука – Аудиовход для этого проекта обеспечивается со смартфона. Для этого нам нужно подключить к телефону 3,5-мм аудиоразъем. В гнезде должно быть три провода: один на землю, один на левый канал и третий на правый канал. Провода, которые подключаются к каналам, используются для стереосистем.
В этой системе аудиосигнал обоих каналов передается с разницей фаз 180 градусов. Аудиосигналы со сдвигом по фазе объединяются для создания бесшумного аудиосигнала, который называется сбалансированной аудиосистемой.
Однако в нашей схеме только один из каналов используется в качестве источника звука. Заземляющий провод разъема подключается к общему заземлению. Таким образом, эта аудиосистема будет несбалансированной, а источник звука будет подключен как одиночный или монофонический канал.
Аудиоразъем 3,5 мм.
ФВЧ – В цепь включен активный ФВЧ первого порядка. Для этого фильтра аудиовход передается через неинвертирующий вывод операционного усилителя через RC-цепочку (это означает, что он использует резистор и конденсатор).
Звуковой сигнал проходит через конденсатор. Его импеданс обратно пропорционален частоте и емкости — поэтому чем ниже частота, тем выше импеданс и наоборот. Таким образом, высокочастотный элемент аудиосигнала будет иметь меньшее сопротивление и легко проходить через конденсатор на неинвертирующий вход усилителя. Низкочастотный элемент сигнала будет иметь больший уровень импеданса. Он шунтируется через резистор, который подключен к земле.
Полное сопротивление конденсатора можно определить с помощью следующего уравнения: диаграмме) на 100 нФ и резистор («R2») на 3,2 кОм. Используя эти значения для конденсатора и резистора, частоту среза фильтра можно рассчитать следующим образом: прибл.
)
Сеть RC образует пассивный фильтр верхних частот. Через эту сеть отфильтрованный аудиосигнал, который теперь несет только высокочастотные сигналы, передается на неинвертирующий вывод операционного усилителя.
Принципиальная схема операционного усилителя LM741 в активном фильтре верхних частот.
В этом проекте мы используем операционный усилитель LM741 IC. LM741 — это операционный усилитель общего назначения с низким входным сопротивлением (мегаомы) по сравнению с операционным усилителем на полевых транзисторах с высоким входным сопротивлением (в гигаомах).
Микросхема LM741
В идеале выходное сопротивление 741 должно быть равно нулю, но обычно оно составляет около 75 Ом. Максимальный ток питания ИМС 741 составляет около 2,8 мА, при напряжении питания до +/- 18В.
ИС имеет следующую конфигурацию выводов:
ИС имеет следующую схему выводов:
ИС имеет защиту от перегрузок на входе и выходе и не имеет фиксации при выходе за синфазный диапазон.
На ИС может быть обеспечено положительное или отрицательное напряжение питания до 22В и напряжение входного сигнала (амплитуда) до 15В. Как правило, должно быть обеспечено положительное или отрицательное напряжение не менее 10 В.
Схема внутреннего контура операционного усилителя LM741 IC.
LM741 может быть сконфигурирован как усилитель с разомкнутым или замкнутым контуром, а также как инвертирующий или неинвертирующий усилитель.
В этой схеме микросхема LM741 используется в качестве неинвертирующего усилителя. Входной сигнал от пассивного фильтра верхних частот подключается к неинвертирующему входному контакту микросхемы (вывод 3). Резистор на 22 кОм («R5» на принципиальной схеме) подключен между выводами 6 и 2 микросхемы, обеспечивая отрицательную обратную связь. Инвертирующий контакт (контакт 2) заземлен через резистор 2,2 кОм («R3»).
Усиление усилителя задается этими резисторами и может быть рассчитано следующим образом:
Коэффициент усиления = (R5/R3)
= 22/2,2 кОм
= 10
В результате высокочастотный элемент звукового сигнала усиливается в 10 раз по сравнению с входным звуковым сигналом.
Выход операционного усилителя подается с вывода 6 микросхемы, который подключен к одному из проводов динамика.
ФНЧ – В цепь включен активный ФНЧ первого порядка. Для этого фильтра аудиовход передается на неинвертирующий вывод операционного усилителя через RC-цепь. Звуковой сигнал проходит через резистор, который имеет частотно-независимую характеристику. Высокочастотные элементы звукового сигнала шунтируются через конденсатор на землю.
Импеданс конденсатора обратно пропорционален частоте и его емкости — чем ниже частота, тем выше импеданс и наоборот. Таким образом, высокочастотные элементы звукового сигнала испытывают меньший импеданс и легко шунтируются через конденсатор на землю. Низкочастотные элементы звукового сигнала испытывают больший импеданс и не могут пройти через конденсатор.
Полное сопротивление конденсатора можно определить с помощью следующего уравнения:
(Импеданс), Xc= 1/ (2π*f*C)
Фильтр нижних частот выполнен с использованием конденсатора (C2 на принципиальной схеме) 100 нФ и резистора (R1) 3,2 кОм.
Учитывая эти значения конденсатора и резистора, частоту среза фильтра можно рассчитать следующим образом:
FH= 1/(2πR2C1)
FH= 1/(2π*3,2k*100n)
FH= 500 Гц (прибл.)
Сеть RC образует пассивный фильтр нижних частот. Через сеть отфильтрованный аудиосигнал, который теперь содержит только низкочастотные элементы, передается на неинвертирующий вывод операционного усилителя.
Принципиальная схема операционного усилителя 741, используемого с активным фильтром нижних частот.
В этой схеме фильтра нижних частот микросхема LM741 используется в качестве неинвертирующего усилителя. Входной сигнал от фильтра подключается к неинвертирующему входному выводу микросхемы (вывод 3). Резистор на 22 кОм («R6» на принципиальной схеме) подключен между выводами 6 и 2 микросхемы, обеспечивая отрицательную обратную связь. Инвертирующий контакт (вывод 2) заземлен через резистор 2,2 кОм («R4»).
Коэффициент усиления усилителя задается этими резисторами и может быть рассчитан следующим образом:
Коэффициент усиления = (R6/R4)
= 22/2,2 кОм
= 10
Низкочастотный элемент звукового сигнала усиливается в 10 раз по сравнению с входным звуковым сигналом.
Выход операционного усилителя подается с вывода 6 микросхемы, который подключен к одному из проводов динамика.
Динамики – В схеме используются два динамика с номинальной мощностью 25 мВт и сопротивлением 8 Ом. Один провод от каждого динамика подключается к выходным контактам операционного усилителя, а другой подключается к общему заземлению.
Динамики восстанавливают звук из аудиосигнала. В идеале высокочастотные сигналы должны направляться на твитер, а низкочастотные — на вуфер. Однако для этого руководства в схеме используются основные динамики.
Безопасность превыше всего
При сборке этой схемы необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:
1. Используйте только динамики, эквивалентные выходной мощности усилителя или имеющие высокую мощность.
2. Избегайте ограничения выходного сигнала, так как это может повредить динамики.
3.
Всегда размещайте компоненты как можно ближе, чтобы уменьшить шум в цепи.
4. Макетная плата производит много шума и незакрепленных компонентов, поэтому рекомендуется сделать эту схему на печатной плате для получения чистого шума без искажений.
Прототип двустороннего аудиокроссовера.
Как работает схема
Один канал звука подается на вход схемы, и схемы фильтров верхних и нижних частот принимают этот аудиосигнал. Фильтр верхних частот выделяет высокочастотные звуковые сигналы (частоты выше 500 Гц) и посылает их на операционный усилитель, который усиливает сигнал в 10 раз.0003
Аналогично, фильтр нижних частот извлекает низкочастотные сигналы (частоты ниже 500 Гц) и посылает их на операционный усилитель, который усиливает сигнал в 10 раз. Выходной сигнал фильтров верхних и нижних частот направляется на разные динамики. Поскольку низкочастотные и высокочастотные элементы аудиосигнала разделяются и направляются на идеальные динамики, усиленный звук получается четким и чистым.
Макет активного фильтра высоких и низких частот.
Проверка цепи
Для проверки схемы фильтра в качестве источника входного сигнала используется функциональный генератор для генерации синусоидального сигнала постоянной амплитуды и переменной частоты. Поскольку звуковой сигнал, по сути, представляет собой синусоидальную волну, можно использовать генератор функций вместо использования микрофона или другого типа источника звука.
Обратите внимание, наушники при тестировании не использовались, так как динамики у них резистивные и индуктивные. На разных частотах меняется его индуктивность, что, в свою очередь, изменяет импеданс (сочетание R и L) динамика.
Итак, использование динамика в качестве нагрузки для получения его характеристик на выходе ОУ могло привести к ложным или нестандартным результатам. Вместо этого используется фиктивная нагрузка, которая является чисто резистивной. Поскольку сопротивление не зависит от частоты, его можно считать надежной нагрузкой, независимой от частоты входного аудиосигнала.
Амплитуда сигнала от функционального генератора установлена равной 23 мВ и к выходу подключена резистивная нагрузка 100 Ом (вместо динамиков). Частота среза для фильтров верхних и нижних частот должна составлять 500 Гц, а коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя должен быть равен 10.
В этом случае наблюдался прирост напряжения 11. Частотная характеристика фильтров верхних и нижних частот была следующей:
Выходные результаты двустороннего аудиокроссовера.
Затем эта таблица используется для построения частотной кривой для фильтров верхних и нижних частот.
Частотная характеристика фильтра нижних частот:
Частотная характеристика фильтра нижних частот.
АЧХ ФВЧ:
АЧХ ФВЧ.
Кривая частоты для фильтров верхних и нижних частот может быть построена более точно путем измерения уровня напряжения для большего числа частот.
Таким образом, в этом руководстве мы разработали двухполосный кроссовер с максимальной выходной мощностью 22 мВт и усилением сигнала 20 дБ.
