Расчёт разделительных фильтров
Динамики в акустических системах должны быть подключены таким образом, чтобы на каждый из них поступало напряжение только тех частот, которые он должен воспроизводить. Это достигается тем, что в звуковой тракт включается электрический фильтр, который обеспечивает подавление сигнала нежелательных частот. Применение фильтра в АС обусловлено необходимостью выполнения 2-х основных задач:
- ограничение полосы воспроизводимых частот, для устранения избыточного звукового давления;
- ограничение полосы частот, которая способна вызвать повреждение динамика (например, проникновение НЧ сигнала на ВЧ динамик);
Фильтры бывают пассивные и активные. Пассивные фильтры включаются между усилителем и акустической системой и монтируются внутри последней. Пассивные фильтры имеют фиксированные характеристики и не имеют возможностей регулировки параметров в процессе эксплуатации системы.
Активные фильтры (активные кроссоверы) включаются между источником сигнала и усилителем. К достоинствам активных фильтров можно отнести более гибкие возможности регулировки параметров. Среди недостатков – необходимость использования отдельного канала усиления для каждой отфильтрованной полосы частот.
В реальных звуковых комплексах часто комбинируют эти два типа фильтров.
Расчёт пассивного фильтра
Фильтр АС представляет собой совокупность электрических цепей предназначенных для ограничения определённых частот, поступающих на динамики.
Фильтры встречаются следующих типов (см. рис.1):
- Фильтр высоких частот (ФВЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика снизу;
- Фильтр низких частот (ФНЧ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху;
- Полосовой фильтр (ПФ) – ограничивает частотный диапазон динамика сверху и снизу;
- Комбинированный тип – представляет собой сочетание вышеуказанных типов.
Фильтр характеризуется частотой раздела и величиной порядка (1-го порядка, 2-го порядка и т.д.) Порядок фильтра определяет крутизну спада АЧХ в полосе заграждения, и определяется количеством реактивных элементов в электронной схеме. Каждый реактивный элемент, добавленный в схему, увеличивает порядок фильтра на единицу и, соответственно, крутизну спада характеристики на 6дБ/окт. Реактивные элементы фильтра представляют собой индуктивности (катушки) и емкости (конденсаторы), соединённые по определённой схеме. Номиналы реактивных элементов определяют частоту среза фильтра.
Для подавления избыточной чувствительности динамика в схему добавляется аттенюатор (делитель напряжения). Данная мера применяется для приведения чувствительностей динамиков в АС к единому уровню. Чувствительность НЧ динамика обычно может составлять 95-100дБ, в то время как типовое значение чувствительности ВЧ динамика может достигать 110дБ. Очевидно, что необходимо понизить чувствительность ВЧ динамика до уровня чувствительности НЧ. Если номинальные сопротивления НЧ и ВЧ динамиков равны, то необходимое подавление будет равно разности чувствительностей ВЧ и НЧ динамиков. Расчёт несколько осложняется, если номинальные сопротивления динамиков не равны, т.к. в этом случае следует пересчитать чувствительность ВЧ динамика для номинального сопротивления, равного номинальному сопротивлению НЧ. Принцип пересчёта будет рассмотрен ниже.
Расчёт фильтра для 2-х полосной акустической системы
Обратим внимание, что расчёты способны дать приближённый результат, который можно использовать в качестве исходного варианта для изготовления макета фильтра. Как правило, изготовленный на основании расчётов фильтр, требует доработки на реальной АС, которая заключается в более оптимальном подборе электрических компонентов. Окончательная оценка фильтра формируется на основании измерений АЧХ и в результате прослушивания АС на разных фонограммах.
Рассмотрим распространённый вариант фильтра, реализованный во многих 2-х полосных полнодиапазонных АС.
Электрическая схема акустической системы с таким фильтром представлена на рис.2.
Особенностью схемы является то, что НЧ динамик в такой АС работает «в широкую полосу», а диапазон воспроизведения ВЧ динамика ограничен со стороны низких частот с помощью ФВЧ 3-го порядка, что обеспечивает спад характеристики в полосе заграждения 18 дБ/окт. Резисторы R1 и R2 представляют собой делитель напряжения, обеспечивающий подавление избыточной чувствительности ВЧ динамика. Номинал R2 выбирается равным или в 2 – 3 раза больше номинального сопротивления ВЧ динамика (Zвч). Данная схема проста в реализации, имеет малый вес и габариты, низкую стоимость компонентов. Необходимо отметить, что данная схема может быть реализована, только при условии, что неравномерность АЧХ НЧ динамика не превышает допустимого значения во всём его рабочем диапазоне.
Обычно конструирование фильтра начинается с анализа АЧХ динамиков и выбора оптимальной частоты раздела. Расчёт фильтра сводится к определению номиналов элементов электрической схемы фильтра.
Расчёт фильтра включает следующие этапы:
1.Определение величины подавления избыточной чувствительности ВЧ (ослабление):
2.Расчёт номиналов элементов делителя:
3.Расчёт номиналов реактивных элементов:
4.Расчёт мощности, рассеиваемой на элементах:
Мощность используемых резисторов может быть меньше рассчитанных значений в 2-3 раза, т.к. паспортная мощность резисторов указывается для синусоидального сигнала.
Для удобства расчёта фильтров по описанному алгоритму на нашем сайте имеется специальный калькулятор. Используя его, вам не составит труда рассчитать фильтр для вашей АС. При расчёте используются исходные данные и выражения, которые рассматривались выше.
Номинальное сопротивление НЧ звена, Ом
Чувствительность НЧ звена, дБ
Мощность AES НЧ звена, Вт
Номинальное сопротивление ВЧ звена, Ом
Чувствительность ВЧ звена, дБ
Сопротивление R2, Ом
Ослабление фильтра, дБ
Сопротивление R1, Ом
Мощность, рассеиваемая на ВЧ, Вт
Мощность, рассеиваемая на сопротивлении R1, Вт *
Мощность, рассеиваемая на сопротивлении R2, Вт *
* Мощность используемых резисторов может быть меньше рассчитанных значений в 2-3 раза, т.к. паспортная мощность резисторов указывается для синусоидального сигнала.
Частота среза, Гц
Сопротивление ВЧ головки на постоянном токе, Ом
С1, мкФ
С2, мкФ
L, мГн
Для изготовления фильтров применяются конденсаторы, катушки индуктивности, мощные резисторы, печатные платы, клеммные колодки. В ассортименте товаров фирмы Актон всегда имеется необходимый запас компонентов, которые могут потребоваться при изготовлении фильтров для АС.