Кроссовер, порядки фильтров - на пальцах.

Сам когда-то искал, кроссы, порядок фильтров???)))

Кроссоверы- 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.
Вложение 109953Вложение 109954

Порядок чувствительности - это отношение интенсивности выходного сигнала (dB) кроссовера к частоте входного сигнала при условии, что интенсивность входного сигнала постоянна. Обычно чувствительность (крутизну среза) характеризуют как отношение dB/octave. В силу многих математических причин чувствительность кроссоверов всегда кратна 6 децибелам на октаву (6 dB/octave). Кроссовер первого порядка имеет чувствительность 6 dB/octave. Кроссовер второго порядка имеет чувствительность 12 dB/octave, третьего порядка - 18 dB/octave, и чувствительность кроссоверов четвертого порядка равна 24 dB на октаву.
Рассмотрим low-pass фильтр третьего порядка с частотой среза равной 100 Гц. Как уже говорилось выше, этот кроссовер пропустит только частоты ниже 100 Гц, а частоты выше 100 Гц срежет. Срезание частот будет происходить следующим образом: все частоты выше 100 Гц будут терять на выходе из фильтра свою интенсивность кратно 18 dB в зависимости от октавы, в которую они входят. То есть, частота в 200 Гц (первая октава выше частоты среза) потеряет свою интенсивность на 18 Дб, интенсивность частоты в 400 Гц (вторая октава) упадет 36 Гц, а третья октава (800 Гц) ослабеет на 54 Дб. И так далее, все последующие октавы будут ослабевать кратно 18 Дб. Менее чувствительный low-pass фильтр первого порядка с частотой среза в 100 Гц будет делать тоже самое, только ненужные октавы будут ослабевать не на 18 Дб, а на 6 Дб.
Как видим, фильтры, из которых состоят кроссоверы, не могут сразу срезать ненужные частоты, а делают это постепенно, с разной чувствительностью в зависимости от своего порядка.

Кроссоверы первого порядка - это простейший пассивный кроссовер, который состоит из одного конденсатора, и одной катушки индуктивности. Конденсатор работает как high-pass фильтр для защиты твитера от ненужных низких и средних частот. Катушка используется как low-pass фильтр. Чувствительность кроссоверов первого порядка низкая - всего 6 Дб на октаву. Положительная черта этих кроссоверов -отсутствие фазового сдвига между твитером и другим динамиком.
Вложение 109956Вложение 109959
Кроссоверы второго порядка. Их также называют кроссоверами Баттерворта, по имени создателяматематической модели этих кроссоверов. Конструктивно они состоят из одного конденсатора и катушки на твитере и одного конденсатора и катушки на низкочастотном динамике. Они обладают более высокой чувствительностью, равной 12 Дб на октаву, но дают фазовый сдвиг в 180 градусов, что означает несинхронный ход мембран твитера и другого динамика. Для устранения этой проблемы небходимо поменять полярность подключения проводов на твитере.
Вложение 109955Вложение 109958

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.

Вложение 109960Вложение 109957

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)
Вложение 109961
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.
Вложение 109962

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

В методичке Иванова от Pioneer упоминается, что при спаде -6 db фаза смещается на 90 градусов, а при спаде -18 db 270 градусов. Здесь написано по другому. Как правильно?

Цитата:

---

Сообщение от poputchik

В методичке Иванова от Pioneer упоминается, что при спаде -6 db фаза смещается на 90 градусов, а при спаде -18 db 270 градусов. Здесь написано по другому. Как правильно?

---

Не нашел про "здесь написано по другому",но арифметика простая : один элемент фильтра=один порядок=90 градусов сдвиг фазы.
Хотел бы добавить,что правильнее говорить не "чувствительность кроссовера" (гугль,видимо так перевёл) ,а крутизна спада.
Формул по расчету фильтров много и каждый разработчик имеет свои понятия в вопросе деления частот - кто то делает спад АЧХ к частоте раздела в - 6 дБ, кто то в ноль,кто то в + 3 дБ,Баттерворт в - 3 дБ.

Цитата:

---

Сообщение от alkond75

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.

---

Дело в том,что 4 Ома динамик имеет на частоте,несколько превышающей резонансную,при дальнейшем увеличении частоты подводимого сигнала импеданс возрастает,и уж на частоте 4кГц может значительно превышать 4 Ома.Мидбас-одно значение импеданса при 4-х кГц,среднечастотник-другое значение импеданса при4-х кГц...

Какие типы конденсаторов предпочтительнее применять: керамические, пленочные, электролитические? И как быть, есть тебе, к примеру, понадобилось подрезать твиттер на 5 кГц (8 мкФ), а в магазинах тебе предлагают только емкостью 4.7, 6.8, 10 мкФ?

Цитата:

---

Сообщение от 118cm

а в магазинах тебе предлагают только емкостью 4.7, 6.8, 10 мкФ?

---

Взять школьный учебник и из него выписать формулы для рассчёта результата при паралельном и последовательном соединении ёмкостей.
Хорошо иметь тестер для контроля ёмкостей,т.к. имеет место разброс.

Цитата:

---

Сообщение от 118cm

Какие типы конденсаторов предпочтительнее применять: керамические, пленочные, электролитические?

---

Керамика не бывает микрофарадных размеров,из пленочных - полипропилен само то (МКР),неполярные электролиты берут в шунт,когда нужен большой номинал,а места мало.

Вроде вопрос будет по теме. Мне говорят режь миды сверху на 2,5 вторым порядком, а ВЧ от 3-3,5 тоже вторым. Получается разрыв 500-1000 гц Как такое возможно? И в моей схеме необходимо будет подключить свистки в противофазу?
Постарайтесь объяснить доступным языком если не сложно.

Цитата:

---

Сообщение от =MOpgBA=

Мне говорят режь миды сверху на 2,5 вторым порядком, а ВЧ от 3-3,5 тоже вторым. Получается разрыв 500-1000 гц

---

Второй порядок - это 12 дб на октаву понижение громкости. Это не значит, что после 2.5 кгц будет пустота и перед 3-3.5 .

Спасибо. А это снижение можно подкоректировать эвалайзером немного задрав вверх эту область?

Цитата:

---

Сообщение от =MOpgBA=

А это снижение можно подкоректировать эвалайзером

---

на стыке и горб может получиться.

Если оно есть. Спад 12 дб на октаву . 2.5 кгц и 5 кгц это октава. До 3 кгц немного, думаю без замера на слух трудно определить. Замер АЧХ ( правдивый ) - ещё труднее. Значит гонять свип-тон или же тоны генератора частот 2 ,2.5 , 3 , 3.5 кгц и на слух определять есть ли провал. Думаю - нет )

3 или 3.5 тоже ведь не с этой цифры начинают звучать : плавно с 1 , 2 -х кгц уже слышно. Плюс ко всему отключать сч - слушать вч и наоборот. Также на частотах сомнения )

Прошу подсказать - не высоко ли срезать саб на 80 Гц? Интересует момент не музыкальности, а чисто эксплуатационный. Т.е. какой срез максимально продлит жизнь сабику - 63 или 80, или какой-либо другой? Спрашиваю, потому что читал, что для саба вредно воспроизведение "высоких" частот. Если производитель заявляет рабочий диапазон 34 - 200 Гц, то какие частоты для такого саба считать "высокими"?

Отсутствие локализации сабвуфера .
Отсутствие вокала .

Цитата:

---

Сообщение от coolikovs

Т.е. какой срез максимально продлит жизнь сабику - 63 или 80, или какой-либо другой?

---

Скорее низший диапазон - инфраниз . Ниже 16 гц . Укоротит жизнь.

Цитата:

---

Сообщение от coolikovs

Спрашиваю, потому что читал, что для саба вредно воспроизведение "высоких" частот.

---

Почему же там ,где читали, не нашли ответы на другие свои вопросы ?
Чем мотивировалось ?
Какие частоты для сабвуфера там считаются высокими ?

Цитата:

---

Сообщение от coolikovs

Если производитель заявляет рабочий диапазон 34 - 200 Гц, то какие частоты для такого саба считать "высокими"?

---

То же самое хотел бы узнать из источника, прочитанного вами.
Заодно проверить, умеете ли вы понимать прочитанное :).