×

Предупреждение

JUser: :_load: Не удалось загрузить пользователя с ID: 922
Тема пассивных разделительных фильтров не очень популярна в последнее время. Кроссовером не комплектуется ни одна из моделей эстрадной акустики, а именно этот тип акустики сейчас популярен. Поэтому мейнстримом стало поканальное усиление - это такая организация акустической системы, в которой каждый из полосовых динамиков - пищалка, середина и басовик - подключается к отдельному каналу усилителя. Достоинства этого метода в том, что можно быстро перенастроить систему под конкретный набор динамиков, особенно если в системе есть головное устройство с процессором.
Система получается гибкой и легко реализуемой. Настройки осуществляются "на лету", легко вносить изменения  и отслеживать эффект прямо на слух. При конструировании пассивного фильтра такая гибкость не доступна, нужно собирать макет, слушать, вносить изменения, последовательно приближаясь к нужному результату. Но у процессорных систем есть и серьезные недостатки. Набор регулировок любой процессорной головы фиксированный и сильно ограниченный как по набору, так и пор качеству. Это не позволяет в полной мере реализовать потенциал динамиков и "запилить" хороший и  качественный звук на большой громкости. Почему? Чтобы ответить на этот вопрос, предлагаю рассмотреть пошагово процесс подбора 2-полосного разделительного фильтра, с объяснением, что делает каждая конкретная цепь. 
 
Рассмотрим конкретный пример. Один из наших постоянных клиентов попросил подобрать пассивный фильтр под его фронт - две пары мидов Oris GR-654 и одна пара рупорных пищалок P.Audio PHT-413. Пищалка очень хорошая, действительно профессионального уровня. У нее очень высокая чувствительность, достаточная, чтобы обеспечить пару громких середин. Было решено соединить серединки последовательно, так будет легче согласовать рупор с мидами. Суммарная сопротивление системы будет 8 Ом. В будущем это позволит удвоить набор динамиков, использую все тот же усилитель.
Расчет кроссоверов начинается с определения электрических параметров динамических головок. Основная функция кроссовера - согласование динамиков между собой и акустической системы в целом с усилителем. В простейшем виде расчет производится по сопротивлениям динамиков, но эта величина не является постоянной, а меняется довольно значительно в рабочем диапазоне частот. Поэтому более точный результат получится если измерить зависимость изменения сопротивления динамика от частоты сигнала для каждой полосы, а затем использовать специальную программу для моделирования разделительных фильтров. 
На рисунка 1 и 2 представлены зависимости полного сопротивления от частоты сигнала для Oris GR-654 и P.Audio PHT-413. Коротко эта зависимость называется Z-характеристика.
Имеем две Z-характеристики. Фактически это электронные отпечатки динамиков. Именно так их "видит" усилитель, если они подключены к нему без фильтров и согласующих цепей, "голышом", как при поканальном подключении.
 
 
 

Что видно по Z-характеристикам? Прежде всего, очевидно, что динамическая головка, рупорная пищалка или середина, не равномерная нагрузка. Сопротивление пищалки в рабочем диапазоне меняется практически вдвое. Полное сопротивление среднечастотника и того более. Усилитель при поканальном усилении работает на неравномерную нагрузку, а это приводит к искажениям исходного сигнала. Природа увеличения сопротивления звуковой катушки проста и известна из школьного курса физики. Катушка имеет определенную индуктивность. При подаче на нее сигнала переменной полярности наводится противо-ЭДС, что и воспринимается источником как увеличение сопротивления. Это индуктивная составляющая сопротивления, которая зависит от частоты подаваемого сигнала и потихоньку вносит определенные искажения в звучание усилителя. Но они не очень большие и, главное, имеют плавный характер, поэтому не доставляют дискомфорта, просто окрашивая звук. Но есть еще один момент, про который почему-то не часто упоминают. Звуковая катушка динамика находится в зазоре магнитной системы, то есть в сильном магнитном поле и она движется, производя звук. Формально, динамическая головка - это электрическая машина. И, как почти все электрические машины, она обратимая. Звуковая катушка, движущаяся в магнитном поле, сама становится генератором сигнала. При работе, любой динамик генерирует помехи, которые так же являются индуктивной составляющей сопротивления, а вблизи частоты собственного резонанса динамика эти помехи многократно превосходят все остальные составляющие. На рисунках 1 и 2 хорошо видны резонансные горбы на z-характеристиках. На частотах собственного резонанса динамики генерируют очень большое противо-ЭДС - очень большие искажения. На слух искажения, вносимые работающим динамиком, совсем другие. Это грязь, которая "летит" вам в уши. Причем на малой громкости, когда амплитуда колебаний не велика, этой грязи почти нет, она не заметна. Но с повышением уровня громкости, когда амплитуда колебаний увеличивается на порядки "генератор грязи в динамике" расходится на всю катушку и звук становится грязным. Вы никогда не замечали, настроили систему, звучит нормально. Сделали громче - звук поливает металлом, слов не разобрать, хотя усилитель еще не "кончился" еще можно навалить, клипа нет. Обычно это списывают на характер звука эстрадных динамиков, мол "эстрада так звучит". Это не так. Сделать красиво звучащую систему сложно, а сделать громкую и приятную - еще сложнее.
Для того чтобы "вычистить всю грязь", в пассивном разделительном фильтре предусмотрен компенсатор. Это не большая цепь, состоящая из резистора и конденсатора, соединенных последовательно, включенная параллельно динамику. Вместе с индуктивностью звуковой катушки они образуют контур, в котором рассеиваются индуктивные токи, связанные с работой динамической головки, то есть вся грязища рассеивается в этом контуре на резисторе. Сопротивление динамика становится практически постоянным во всем рабочем диапазоне. Усилитель работает на равномерную нагрузку, что так же улучшает звук. Номинал резистора и конденсатора рассчитываются по индуктивности динамика. Можно рассчитать вручную, но лучше доверить это программе для моделирования кроссоверов. Компенсаторы применяются со всеми типами динамических головок, и с пищалками, и с серединами, с басовиками, и даже с сабвуферами. При поканальном усилении тоже полезно применять компенсаторы, которые по сути согласуют усилитель с нагрузкой, значительно улучшая звук на большой громкости.

 

Далее следует выбор порядка фильтра и частоты раздела между полосами. Выбор частоты раздела зависит от конкретных динамиков. Для пары рупор P.Audio PHT-413 и двух пар Oris GR-654 оптимальной частотой раздела является 6 КГц. Для большинства рупорных динамиков это оптимальная частота раздела. Процессорная голова позволяет выбирать только фиксированные значения частоты среза. Причем набор частот довольно бедный и о выборе оптимальной частоты раздела речь не идет.
Порядок фильтра зависит от многих факторов. Главный из них - это насколько близко находится основной механический резонанс к рабочему диапазону. Если частота резонанса находится минимум на одну октаву ниже чем частота среза (частота среза в 2 раза больше частоты основного резонанса), то можно применять фильтр первого порядка. Резонанс середин немного больше 100 Гц, поэтому он не влияет на частоту раздела кроссовера. Резонанс пищалки 1600 Гц. Для рупорной пищалки это  очень хорошая величина. Обычно рупор имеет резонанс 3200 Гц, встречаются выше, например 5600 Гц у пищалки Oris GR-T34. Такая низкая частота позволяет применять фильтр первого порядка при частоте раздела 6000 Гц. Порядок разделительного фильтра лучше выбирать как можно меньше. Считается что наоборот, чем больше порядок - тем лучше. Люди воспринимают это на интуитивном уровне. Порядок больше - значит лучше. На самом деле наоборот. Порядок фильтра должен быть как можно ниже. Чем выше порядок фильтра, тем больше искажения, которые вносит сам фильтр. Это относится как к пассивным фильтрам, так и к электронным фильтрам - процессорам. Если порядок высокий - полосовые динамики будут локализоваться. То есть вы будете слышать отдельно пищалки и отдельно середины. Слитного звучания не получится. Если порядок фильтра низкий, в идеале первый, то зона перекрытия, в которой динамики звучат вместе, будет достаточно большой, и звук не будет привязан к динамикам. Вы будете слушать не пищалки с серединами, а музыку, не привязанную к динамикам.
Современные процессоры позволяют реализовать порядок фильтра от первого до четвертого. В Pioneer MVH-580BT порядок фильтра сабвуферного канала может быть шестого порядка. Но это скорее исключение. Если конструировать пассивный разделительный фильтр, то порядок фильтра для пищалки и середины может быть любым. Абсолютно. При желании хоть десятого, хоть двадцатого порядка. Но, повторюсь, чем ниже, тем лучше.

Когда частота раздела и порядок фильтра определены, можно рассчитать номиналы элементов разделительного фильтра. Расчет лучше доверить специальным программам для моделирования разделительного фильтра. Так результат будет намного точнее.

 

 
После предварительного расчета можно собрать фильтр и оценить результат. Для нашего набора результат получается нормальным. Но верхов немного многовато. Чувствительность пищалок велика, перекрывает пару середин. В этом нет ничего страшного. Пищалки легко погасить, практически без потерь. Вводится аттенюатор - цепь, снижающая отдачу пищалок (смотрите рис 3) Вот если бы громкость пищалок была не достаточной, бороться с этим было бы гораздо сложнее. При поканальном усилении можно использовать динамики с любым соотношением чувствительностей. Относительная громкость по полосам легко регулируется либо с головы, либо регулировкой громкости на усилителе. Если середины звучат громче - ничего страшного, можно сделать пищалки погромче или середины потише. При пассивном разделении чувствительность пищалки должна быть обязательно больше чувствительности середин. Иначе может не получится.
Аттенюатор является по сути резистивным делителем. У него есть так же дополнительная функция - он дополнительно стабилизирует сопротивление нагрузки, сглаживая "шероховатости" вызванные небольшими локальными резонансами (см. рис 1). Расчет аттенюатора лучше так же доверить программе для моделирования кроссоверов.

После ввода аттенюатора звучание системы становится ровным. Локализации динамиков нет. Тональный баланс в норме. Единственное что остается не приятным - на большой громкости система немного срывается на визг и теряется четкость звучания. Причина в резонансе пищалки. Не смотря на то что его частота находится достаточно низко относительно частоты раздела кросса, часть призвуков прорывается и становится заметной на высокой громкости. Аудиофилы в таких случаях говорят, что звук "ЦЭ", четкий резкий, превращается в "ТЧШ". Если бы применялся фильтр большего порядка, этого эффекта скорее всего бы не было. Но тогда не получилось бы добиться слитного звучания СЧ и ВЧ звеньев. Чтобы полностью избавиться от неприятного призвука вводится полосовой фильтр, настроенный на частоту собственного резонанса пищалки (смотрите рис 3) Он представляет из себя последовательно соединенный конденсатор и катушку. Полоса пропускания фильтра достаточно узкая с центральной частотой 1600 Гц. 
После внедрения полосового фильтра резонанс пищалки гасится наглухо и не проявляется совсем, даже если выбрать частоту раздела кроссовера намного ниже заданной.
 
 
На рис 4 Z-характеристика системы из двух динамиков Oris GR-654 и рупорной пищалки P.Audio PHT-413
Почти все неприятные явления скомпенсированы, кроме одного. Остался основной механический резонанс динамика Oris GR-654. Теоретически его можно погасить, но это потребует больших потерь. Гасить его не требуется, достаточно будет включить HPF-фильтр на усилителе и настроить его примерно на 120-150 Гц. Обратите внимание, частота собственного резонанса динамиков Oris GR-654 после длительного прослушивания на большой громкости опустилась ниже 100 Гц. Это хороший результат, Динамики практически мидбасы. 
Полное сопротивление системы не совсем постоянно, но меняется плавно и в небольшом диапазоне. Снижение полного сопротивления системы на вблизи частоты раздела кроссовера связано с большим перекрытием диапазонов ВЧ и СЧ. Вреда это не приносит никакого, но зато вся система звучит как одно целое, звук совершенно не привязан к динамикам.

Напоследок хотелось бы отметить одну интересную особенность эстрадных систем с пассивным разделительным фильтром. Ни один из клиентов ни разу не спалил динамики. Даже если навалить громкость на всю катушку, на грани перегруза усилителя количество искажений (того самого "клипа") на порядки ниже. Динамики даже не воняют. Контролировать появление клипа усилителя на слух очень легко. Слушать можно очень долго, перегрева катушки не будет, Желания выключить не возникает, даже потише сделать не хочется. Утомляемости от громкого звука совершенно нет.