Фильтр для высокочастотного динамика

Фильтр для высокочастотного динамика

Трёхполосные акустические системы, состоящие из трёх динамиков, являются самым удачным решением для высококачественного звуковоспроизведения. В них используются три типа звуковых головок. Они отличаются по размеру, конструктивным особенностям и полосе воспроизводимых частот. Для разделения всего частотного диапазона выдаваемого усилителем низкой частоты используются полосовые фильтры-кроссоверы. В них используются конденсаторы дроссели и, реже, резисторы.

Сделать своими руками фильтр для динамика НЧ очень просто.Основным элементом устройства является индуктивность или дроссель. Катушка включается последовательно с низкочастотным динамиком.

Фильтр для низкочастотного динамика

Фильтр нижних частот из дросселя и конденсатора большой ёмкости называется схемой Баттерворта второго порядка. Он обеспечивает спад частот выше частоты среза до 12 dBна октаву. Схема работает следующим образом. Индуктивность в LC контуре выполняет функцию переменного резистора. Его сопротивление прямо пропорционально частоте ивозрастает с увеличением диапазона. Поэтому высокие частоты практически не попадают на НЧ динамик. Такую же функцию выполняет и конденсатор. Его сопротивление обратно пропорционально частоте и он включается параллельно громкоговорителю.

Поскольку схема устройства должна хорошо пропускать низкие частоты и обрезать высокие, то конденсаторы такого устройства имеют большую ёмкость.Пассивный фильтр для динамика может быть выполнен по более сложной схеме. Если соединить две схемы Баттерворта последовательно, то получится устройство четвёртого порядка из двух индуктивностей и двух конденсаторов. Оно обеспечивает спад частотной характеристики низкочастотного громкоговорителя в 24 децибела на октаву.

Для того чтобы выровнять частотную характеристику и более точно согласовать схему Баттерворта и динамик, между катушкой индуктивности и конденсатором, включается резистор с небольшим сопротивлением. Для этой цели лучше использовать проволочные резисторы.

Фильтры для динамиков своими руками

Сделать фильтр для динамика совсем не сложно. Он состоит всего из двух элементов – конденсатора и катушки индуктивности. Рассчитать параметры радиоэлементов для пассивной схемы низкой частоты второго порядка проще всего на онлайн калькуляторе. Там можно задать желаемый уровень среза и сопротивление акустической головки. Программа выдаст требуемую ёмкость конденсатора и индуктивность катушки. Например, выбран уровень среза 150 Гц, а сопротивление динамика равно 4 Ом. Калькулятор выдаст следующие значения:

  • Ёмкость конденсатора – 187 мкф
  • Индуктивность катушки – 6,003 мГн

Требуемую ёмкость можно получить из параллельно соединённых конденсаторов К78-34, которые специально разработаны для работы в акустических системах. Кроме того есть обновлённая линейка конденсаторов аналогичного типа. Это KZKWhiteLine. В качестве недорогих аналогов, радиолюбители часто используют конденсаторы типа МБГО или МБГП.

Катушка индуктивности на 6 мГн наматывается на оправке диаметром 1 см и длиной 6 см. Поскольку катушка не имеет магнитного сердечника в качестве бобины можно использовать цилиндр из любого материала, на который для удобства намотки, нужно сделать щёчки. Для намотки используется медный провод типа ПЭЛ диаметром 1 мм. Длина проволоки 84 метра. Намотку нужно делать виток к витку.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ СТРАНИЦЫ:
СТАТЬЯ О ТОМ, КАК НУЖНО ПОДБИРАТЬ ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ПИЩАЛОК.

ПОИСК ПО САЙТУ

О БЕДНОЙ ПИЩАЛКЕ ЗАМОЛВИТЕ СЛОВО

Традиционно раздел полос СЧ и ВЧ (или мидбас-ВЧ) производят пассивными кроссоверами (разделительными фильтрами). Это особенно удобно при использовании готовых компонентных наборов. Однако, хотя характеристики кроссоверов и оптимизированы для данного комплекта, они не всегда удовлетворяют поставленной задаче.
Рост индуктивности звуковой катушки с частотой приводит к увеличению импеданса головки. Причем индуктивность эта у "среднестатистического" мидбаса составляет 0,3-0,5 мГн, и уже на частотах 2-3 кГц импеданс возрастает практически в два раза. Поэтому при расчете пассивных кроссоверов применяют два подхода: используют в расчетах реальное значение импеданса на частоте раздела или вводят цепи стабилизации импеданса (компенсаторы Цобеля). Об этом уже написано немало, поэтом не будем повторяться.
У пищалок стабилизирующие цепи обычно отсутствуют. При этом исходят из того, что рабочая полоса частот невелика (две-три октавы), а индуктивность незначительна (обычно менее 0,1 мГн). Вследствие этого рост импеданса невелик. В крайнем случае, увеличение импеданса компенсируют резистором сопротивлением 5-10 Ом, включенным параллельно пищалке.
Однако все не так просто, как кажется на первый взгляд, и даже такая скромная индуктивность приводит к любопытным последствиям. Проблема заключена в том, что пищалки работают совместно с фильтром ВЧ. Независимо от порядка в нем имеется емкость, включенная последовательно с пищалкой, и она образует с индуктивностью звуковой катушки колебательный контур. Частота резонанса контура оказывается в полосе рабочих частот пищалки, и на АЧХ возникает "горб", величина которого зависит от добротности этого контура. В результате неизбежна окраска звучания. В последнее время появилась немало моделей пищалок высокой чувствительности (92 дБ и выше), индуктивность которых достигает 0,25 мГн. Поэтому вопрос согласования пищалки с пассивным кроссовером приобретает особую остроту.
Для анализа использовалась среда моделирования Micro-Cap 6.0, но те же результаты можно получить и с помощью других программ (Electronic WorkBench, например). В качестве иллюстраций приведены только наиболее характерные случаи, остальные рекомендации даны в конце статьи в виде выводов. В расчетах использовалась упрощенная модель пищалки, учитывающая только ее индуктивность и активное сопротивление. Данное упрощение вполне допустимо, поскольку резонансный пик импеданса большинства современных пищалок невелик, а частота механического резонанса подвижной системы находится за пределами рабочей полосы частот. Учтем также, что АЧХ по звуковому давлению и АЧХ по электрическому напряжению – две большие разницы, как говорят в Одессе.
Взаимодействие пищалки с кроссовером особенно хорошо заметно у фильтров первого порядка, характерных для недорогих моделей (рисунок 1):


Рисунок 1

Видно, что даже при индуктивности 0,1 мГн имеется выраженный пик в области частот 7-10 кГц, придающий звучанию характерную "хрустальную" окраску". Увеличение индуктивности смещает резонансный пик в область более низких частот и увеличивает его добротность, что приводит к заметному "цыканью". Побочное следствие увеличение добротности, которое можно обратить на пользу – увеличение крутизны АЧХ. В области частоты раздела она близка к фильтрам 2 порядка, хотя на большом удалении возвращается к исходному для 1 порядка значению (6 дБ/октава).
Введение шунтирующего резистора позволяет "приручить" горб на АЧХ, так что на кроссовер можно возложить и некоторые функции эквалайзера. Если шунт сделать на основе переменного резистора (или набора резисторов с переключателем), то можно проводить даже оперативную регулировку АЧХ в пределах 6-10 дБ. (рисунок 2):

Читайте также:  Как самостоятельно почистить диван


Рисунок 2

Однако фильтры первого порядка обеспечивают слишком малое затухание за пределами рабочей полосы, поэтому пригодны только при небольшой подводимой мощности или достаточно высокой частоте раздела (7-10 кГц). Поэтому в большинстве серьезных конструкций используют фильтры более высоких порядков, от второго до четвертого.
Рассмотрим возможности воздействия на АЧХ для фильтров второго порядка, как самых распространенных. Для наглядности использована модель с большой индуктивностью. Те же результаты получаются и с традиционными пищалками, только параметры фильтров и степень воздействия на АЧХ будут другими. Для пищалок с малой индуктивностью шунт не обязателен.
Первый способ – изменение добротности фильтра при неизменной частоте раздела за счет соотношения емкости и индуктивности фильтра (рисунок 3):


Рисунок 3

Одновременное изменение емкости и индуктивности в кроссовере затруднено, поэтому данный метод для оперативной регулировки неудобен. Однако он незаменим в тех случаях, когда необходимая степень коррекции известна заранее, на этапе проектирования.

Второй способ – регулировка добротности при помощи шунта (аналогично рассмотренному ранее способу для фильтра первого порядка). Исходная добротность разделительного фильтра при этом выбирается высокой (рисунок 4):


Рисунок 4

Третий способ – введение резистора последовательно с пищалкой. Особенно удобен этот способ для пищалок индуктивностью свыше 100 мГн. В этом случае суммарный импеданс цепи "резистор-пищалка" в процессе регулирования изменяется незначительно, поэтому уровень сигнала практически не изменяется (рисунок 5):


Рисунок 5

Выводы
Стабилизирующие цепи не обязательны только для пищалок малой индуктивности (менее 0,05 мГн).
Для пищалок с индуктивностью звуковой катушки 0,05-0,1 мГн наиболее выгодны параллельные стабилизирующие цепи (шунты).
Для пищалок с индуктивностью звуковой катушки более 0,1 мГн можно использовать как параллельные, так и последовательные стабилизирующие цепи.
Изменение сопротивления стабилизирующей цепи позволяет воздействовать на АЧХ.
Для фильтров 1 порядка изменение параметров стабилизирующей цепи оказывает заметное влияние на частоту среза и параметры "горба". У фильтров 2 порядка частота среза определяется параметрами его элементов и зависит от индуктивности головки и параметров стабилизирующей цепи в меньшей степени.
Величина резонансного "горба", вызванного индуктивностью пищалки, находится в прямой зависимости от сопротивления шунта и в обратной зависимости от сопротивления последовательного резистора.
Величина резонансного "горба" в области частоты среза находится в прямой зависимости от добротности фильтра.
Добротность фильтра пропорциональна результирующему сопротивлению нагрузки (ВЧ головки с учетом сопротивления стабилизирующей цепи).
Фильтр повышенной добротности можно рассчитывать по стандартной методике, но на сниженное в 2-3 раза относительно номинального сопротивление нагрузки.

Предложенные способы регулирования АЧХ применимы и к фильтрам более высоких порядков, но, поскольку число "степеней свободы" там возрастает, дать конкретные рекомендации в этом случае затруднительно. Пример изменения АЧХ фильтра третьего порядка за счет шунтирующего резистора приведен на рисунке 6:

Видно, что АЧХ приобретает различный вид, что заметно влияет на тембр звучания. Кстати, лет 20 назад многие "домашние" трех-четырех полосные АС имели переключаемые АЧХ "normal/crystal/chirp" ("гладкий-хрустальный-чирикающий"). Это достигалось изменением уровня полос СЧ и ВЧ.
Переключаемые аттенюаторы используются в составе многих кроссоверов, причем по отношению к пищалке их можно рассматривать как комбинацию последовательных и параллельных стабилизирующих цепей. Воздействие их на результирующую АЧХ предсказать достаточно сложно, в этом случае удобнее прибегнуть к моделированию.


Рисунок 7

На рисунке 7 приведена схема и АЧХ фильтра третьего порядка, разработанного автором для пищалок Prology RX-20s и EX-20s. В конструкции использованы конденсаторы К73-17 (2,2 мкФ, 63 В) и самодельные катушки индуктивности. Для снижения активного сопротивления они намотаны на ферритовых кольцах. Тип сердечника неизвестен: наружный диаметр 15 мм, магнитная проницаемость порядка 1000-2000. Поэтому подгонка индуктивности велась по прибору Ф-4320. Каждая катушка содержит 13 витков изолированного провода диаметром 1 мм.
Качество звучания оказалось не в пример выше исходного, а регулирование АЧХ вполне соответствовало поставленной задаче. Однако следует отметить, что фильтр получился проблемным: входной импеданс имеет резко выраженный минимум, и возможно срабатывание защиты усилителя.

Тема сведения акустических систем довольно популярна среди радиолюбителей. Этому способствует не только желание созидать, благо динамиков нынче на любой бюджет, но также и неудовлетворительное качестве серийной акустики. Изготовление фильтров требует как правило большого опыта, отчасти эмпирического, так как строгий математический расчет в лице симуляций никак не отражает звучание, и тем более не может дать ответ как сводить. Примерная прикидка не всегда дает ожидаемые результаты.

Виной тому отсутствие внятной теории именно сведения, а не электрических фильтров, с ними все ясно, чего нельзя сказать про сведение, где все базируется на нюансах которые в литературе как правильно не описаны. Цель данной статьи поведать некоторые особенности проектирования фильтров на реальном примере. В этой статье, к величайшему сожалению, не будет полноценного расчета или инструкции как брать и делать, ибо каждый случай уникален и требует персонального рассмотрения, и в лучшем случае можно указать на что обратить внимание и задать вектор размышлений в целом.

Важные характеристики АС

Для начала разберёмся чем характеризуется акустическая система. Тут три характеристики: амплитудная, фазовая и импедансная.

  • АЧХ считается наиболее важной, так как больше определяет звучание, впрочем не в ней счастье, ровная АЧХ еще не гарантия хорошего звука.
  • ФЧХ сама о себе не слышна, может быть слышен резкий перегиб фазы в точке раздела.
  • ИЧХ вовсе на звучание не влияет, зато влияет на усилитель, но не на каждый, а лишь на тот у которого высокое внутреннее сопротивление, в частности ламповые.
Читайте также:  Самодельный верстак по дереву

Из-за кривого импеданса многие колонки могут не спеться с лампой, вся неровность импеданса вылезет в АЧХ. В каком-то случае это может пойти на пользу, но надеяться на это не стоит, хотя бы потому, что такая акустика будет крайне чувствительна к усилителю, станут слышны лампы, их режимы, а сравнение с каменным усилителем становится вообще не корректным.

Потому, если задаться цель построить акустику мало чувствительную к усилителю, необходимо обеспечить постоянство импеданса во всем диапазоне частот, а это накладывает определенные ограничения. В частности это обязывает применять фильтра настроеные на равную частоту среза и имеющие равную добротность.

Это правило позволяет для настройки фильтра контролировать только линейность импеданса, что исключает необходимость измерения АЧХ фильтров и в случаи отсутствия хорошего микрофона в измерении ачх динамиков, то есть можно обойтись минимальным набором приборов: генератором (возможно программным) и вольтметром.

Практическая работа

Плавно переходим от теории к практике. Достались мне винтажные колонки под названием Kompaktbox B 9251. И первое что было сделано – произведено прослушивание.

С холодным камнем звук был в среднем не плох, а если говорить конкретно, то местами хороший, а местами как попало. С теплой лампой играть вообще отказались. На основе этих наблюдений был сделан вывод о наличии глубоко зарытого потенциала. Вскрытие показало, что немецкие инженеры решили обойтись одним единственным конденсатором последовательно с ВЧ головкой. Измерение АЧХ дало страшную картину. На рисунке АЧХ одной колонки, кривая с глубокой дыркой на 6 кгц из-за плохого контакта разъема, на нее внимание не обращать. АЧХ отдельно ВЧ и НЧ приведены ниже.

Частота раздела

Тут самое время задуматься о частоте раздела. Обычно частота раздела выбирается на ровных горизонтальных участках, вдали от резонансов и завалов, стараясь обойти внезапные неравномерности как потенциальные источники искажений. А если вспомнить что существует фаза, о которой мало известно, а если известно, то векторно ачх на бумажке не сложишь, а из-за кривизны фаз даже на идеально ровной ачх что-то вылезет, что-то провалится в большей или меньшей степени. Также надо помнить что может дать сам динамик, особенно ВЧ, скажем не надо заставлять дюймовый купольник играть от двух, а тем более одного килогерца, даже если он способен их отыграть по АЧХ.

Не забывайте, что большой ход порождает интермодуляционные искажения, поэтому каждому размеру динамика соответствует свой диапазон частот. В свете вышесказанного понятие частоты раздела размазывается на область, куда стоить сводить, а конечную точку подбирать иначе, например на слух. Или вовсе не подбирать, но про это чуть позже.

Итак, смотрим какие уникальные динамики нам достались. Высокочастотник начинает валить с 1,3 кгц, значит ниже его пускать нельзя. С другой стороны низкочастотник пытается играть по самые 10 кгц, с переменным успехом. Однако здравый смысл подсказывает, что выше килогерца его пускать плохая затея. И что спрашивается делать, если рабочие диапазоны динамиков не пересекаются?

Тут есть два варианта: если спады имеют адекватную крутизну, то лучше всего сводить в ямку, особенно если ямка получается широкой. В случае же нашем, когда спады круты как обрывы, надо держатся подальше от самого крутого из них. Чаще всего это может случится с высокочастотником, им всегда тяжко работать у нижней границы диапазона, поэтому им целесообразнее облегчить жизнь возлагая воспроизведение нижней части диапазона на НЧ динамик, который отыграет хоть плохо, но не нагадит. Поэтому ограничиваем диапазон участком от 1,5 кгц до 2,2 кгц.

Порядок фильтра и его добротность

Следующий параметр, с которым надо определиться – это порядок фильтра и его добротность. В данной статье будут рассматриваться два порядка, первый и второй.

  • С первым все просто: есть катушка, есть конденсатор, считаем их параметры под требуемую частоту среза и при надобности корректируем значения до получения желаемой АЧХ, ФЧХ, ИЧХ.
  • Со вторым порядком по-хитрее, там уже две катушки и два конденсатора. От значений номиналов зависит такой параметр как добротность, он определяет крутизну спада АЧХ и в некоторой степени сдвиг фазы. Поскольку влияние фазового сдвига и крутизны умозрительно не прикинешь, остается просто выбрать в какую сторону думать. А думать тут в сторону низкой добротности, читай больше индуктивности в катушках, меньше емкости в конденсаторах.

Как выбрать порядок. Тут руководствуются уже знакомыми соображениями о том, на что способны излучатели, в особенности высокочастотник. Если большой ход ему противопоказан (как в нашем случае) то предпочтение отдаем второму порядку.

Для полноты картины следует упомянуть, что порядок также определяет степень совместной работы динамиков, но это уже информация для самостоятельного размышления.

Импедансная характеристика динамиков

Когда с примерными параметрами все более или менее ясно, самое время переходить к практике. Снимаем импедансную характеристику динамиков. С целью оценки сопротивления на графике имеется лесенка с шагом в один Ом. Скачек на 110 герцах это переключение с 10 Ом на 20.

Разумеется с такими горбами ни один фильтр нормально, и уж тем более расчетно работать не будет, особенно фильтр НЧ. Фильтру ВЧ этот подъем работать в общем то не мешает, однако как упоминалось ранее такой подъем на конце диапазона приведет к подъему высоких частот, в случае если усилитель имеет высокое сопротивление. Это можно использовать и во благо, оставив подъем небольшим.

Для выравнивания этих подъемов применяют так называемую цепочку Цобеля. Она состоит из последовательно включенных резистора и конденсатора. Проще всего ее подобрать методом научного тыка: берется реостат, горсть конденсаторов, и все это двигается пока не получится ровная линия.

Для примерного представления что от чего зависит привожу набор графиков для различных емкостей и сопротивлений. Ступенька начинается с 10 Ом.

Читайте также:  Краска с гранитной крошкой

Зная минимальное сопротивление НЧ звена, нужно привести к такому же и ВЧ звено. Тут много вариантов как соединить два резистора и цепочку Цобеля, и каждый кто решился на такой отважный шаг как сведение сам способен определить вид подключения и номиналы резисторов, поэтому описывать данную процедуру здесь излишне. Конкретно в данных колонках по результатам предварительного прослушивания решено было оставить родные резисторы на 2,2 ома и цепочку Цобеля параллельно ВЧ динамику.

Сведение фильтров

Теперь начинается финальный этап – сведение фильтров. Пора намотать катушки. или не намотать? Мотать всегда лень, нет провода, каркасов, конкретных значений индуктивности. В виду этих причин поискав в хламе нашлись пары катушек на 0,8 мкг и 3 мкг – на них и пришлось строить. В крайнем случаи всегда же можно домотать или отмотать лишнее.

По графику видно, что раздел попал в район 1,8 кгц, что вполне вписывается в задуманные границы. Подбором конденсаторов удалось добиться следующего импеданса. На частоте раздела имеется два бугорка, но их высота меньше полу ома – это не критично. Это не конечный его вид, в последствии был несколько увеличен резистор в цепочке Цобеля пищалки.

На приведенных выше картинках АЧХ как самого фильтра, так и АЧХ динамиков с его включением.

Фазировка динамиков

На этом сведение подходит в концу. Остается только определиться с фазировкой динамиков. Тут есть как минимум три способа: на слух, по форме АЧХ и по фазовому сдвигу на частоте раздела. Если у динамиков АЧХ и ФЧХ в меру линейная, и фильтр фазу на разделе сильно не накручивает, то при смене правильной фазы на неправильную на частоте раздела появится глубокий провал, пропустить его сложно. В таком случае стоит подгонять фазу по по ее сдвигу. Сделать это можно осциллографом подавая на горизонтальную развертку сигнал с усилителя, а на вертикальное отклонение с микрофона.

Подают на вход усилителя синус с частотой раздела и не меняя взаимного расположения микрофона и колонки переключают ВЧ и НЧ динамики. По одинаковости фигур Лиссажу делается вывод о равенстве фаз излучателей. Этот метод хорошо подходит для фильтров первого порядка. С кривизной наших динамиков этот метод себя не оправдывает, поэтому сравниваем АЧХ при разной фазировке.

Второй вариант заметно хуже. Однако и первый не предел мечтаний, но так как двигать индуктивности катушек не просто, а ковыряться дальше уже лень, то все было оставлено как есть.

Сборка фильтров

В завершение пару слов про сборку. В фильтре применяются сравнительно большие емкости, 20 мкф, 27 мкф, а места в корпусе и так не много, бумаги или пленки не набрать. Приходится ставить электролиты. И если в фильтре НЧ звучание от их применения пострадает не сильно, а в цобеле их можно и вовсе не услышать, то в фильтре ВЧ звучанием конденсаторов пренебрегать опасно. Именно по этой причини были применены бумажный МБГЧ и пленочный К73-16, а все электролиты зашунтированы бумажными МБГО на 4 мкФ.

Не стоит увлекаться параллеленьем сильно разных конденсаторов. Основной критерий здесь тангенс угла потерь. Если к примеру поставить в шунт к бумажному конденсатору аудиофильский полипропилен, то скорее всего вылезут верха и будут они кислотные. Вероятно тут можно составить аналогию с внутренним сопротивлением, сравнив с ним тангенс угла потерь: чем он меньше, тем больше через конденсатор пройдет сигнала, а поскольку емкость у такого высококачественного конденсатора меньше, то через него пройдет только высокочастотная часть сигнала, отсюда и имеем повышенные уровень верхов. Но это только аналогия, для лучшего понимания влияния шунтов на звук.

Про то как надо разносить катушки и какой толщины применять провода статей написано предостаточно, повторяться здесь не буду. Проще показать картинку (тут неправильно припаян цобель высокочастотника, он должен стоять после резистора).

Звучание системы

И конечно же надо сказать про звук. Стало лучше, сцена получилась очень недурственная. Кривизна АЧХ особо не слышна, даже наоборот, подъем на середине поддает детальности, верхов как ни странно хватает. Был замечен интересный эффект на басу. Как можно заметить по АЧХ на сотне герц большой подъем, а за ним завал, разумеется качающего баса нет, но есть мид бас. К примеру партия гитары кажется немного просаженным, а нижний бас, партия бас гитары, переходит как бы в слышимую область и читается очень четко, создается впечатление наличия того самого низкого баса.

Конечно ящики маловаты, и порой слышно подбубнивание, для устранения этого эффекта в каждую колонку было добавлено по 30 грамм натуральней шерсти. В целом данная акустика играет тепло и мягко даже без лампового усилителя, сохраняя в звуке строгость и точность камня, а вот с теплой лампой получается перебор мягкости. Все же им нужен усилитель по-строже – триод или двухтакт, но это тема для следующих экспериментов. Специально для сайта Радиосхемы – SecreTUseR.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector