В прошлом номере “C&M” мы начали обсуждать подробности из жизни кроссоверов.
Удалось показать, что разделительные фильтры 1-го порядка обладают немаловажными достоинствами:
· они простые – в каждой полосе используется только один реактивный элемент;
· нагружают усилитель мощности не зависящим от частоты сопротивлением;
· обладают равномерной АЧХ, то есть при наличии идеальных динамиков обеспечивают звуковое давление, не зависящее от частоты.
Есть у них и недостатки. Во-первых, в окрестности частоты разделения при неодинаковом расстоянии от слушателя до НЧ/СЧ- и ВЧ-головок наблюдается искажение диаграммы направленности излучения: ее максимум оказывается направленным вверх, а не вдоль оси излучения. Во-вторых, из-за малого порядка разделительного фильтра его избирательность невысока, и полоса частот, в которой заметную мощность излучают оба динамика, мешая друг другу, получается достаточно широкой. Хотя некоторые производители и используют кроссоверы 1-го порядка, в большинстве высококлассных АС они все же отдают предпочтение фильтрам более высоких порядков.
В теории цепей известны разнообразные типы фильтров: Баттерворта, Чебышева, Золотарева-Кауэра и др. Каждый их них отличается особенностями своих частотных и временных характеристик. Если во главу угла поставить требование высокого качества звука, то приходится выбирать такие типы фильтров, которые обеспечивают при хорошей избирательности наиболее равномерную АЧХ. И здесь остаются только два варианта: фильтры Баттерворта и фильтры Линквица-Райли. Поговорим о них подробнее.
Основным свойством фильтров Баттерворта является гладкость их АЧХ. Это означает, что переход от полосы пропускания к полосе задерживания происходит плавно.
Фильтры Баттерворта могут иметь разные порядки. Чем выше порядок фильтра, тем больше требуется использовать в нем реактивных элементов и тем лучшей избирательностью он обладает. Скорость, с которой падает уровень сигнала при переходе от полосы пропускания к полосе задерживания, называют крутизной спада АЧХ. Она измеряется в децибелах на октаву (дБ/окт.). Чтобы представить, как она зависит от порядка фильтра, на рис.1 показаны амплитудно-частотные характеристики фильтров нижних частот Баттерворта разных порядков: от 1-го до 4-го. Все фильтры, АЧХ которых показаны на рисунке, имеют одну и ту же частоту среза – 1700 Гц. Это проявляется в том, что спад звукового давления на 3 дБ (на рис.1 этот уровень обозначен горизонтальной штриховой линией синего цвета) у всех фильтров происходит именно на этой частоте. Чем выше порядок фильтра, тем быстрее спадает уровень звукового давления при переходе от полосы пропускания (диапазон ниже 1700 Гц) к полосе задерживания (более высокие частоты). | 
| | Зная порядок фильтра, вычислить скорость спада его АЧХ в дБ/окт. можно по простой формуле 6xn, где n – порядок фильтра. Результаты расчета для фильтров с порядками от 1-го до 4-го приведены в табл. 1. Там же указана скорость спада в раз/окт., показывающая, во сколько раз уменьшается сигнал при увеличении частоты на октаву. | 
Таблица 1.
| Как выглядит АЧХ фильтров верхних частот, можно представить, зная, что она получается, если все точки АЧХ ФНЧ, показанной на рис.1, зеркально отразить относительно вертикальной линии, пересекающей ось частот в точке 1700 Гц.
Чтобы определить АЧХ суммарного звукового давления идеальных НЧ/СЧ- и ВЧ-головок, работающих с кроссоверами разных порядков, приходится учитывать не только значение спада АЧХ, но и фазовые сдвиги выходных сигналов. Сформулируем несложное правило, которое позволит понять особенности применения фильтров высоких порядков. Разность фаз звуковых волн ВЧ- и НЧ/СЧ-динамиков на частоте разделения связана с порядком кроссовера следующим соотношением:
∆φ=90°·n
Результаты расчетов по этой формуле для кроссоверов разных порядков приведены в табл. 2. | 
Таблица 2.
| | Интересный вывод можно сделать, обратив внимание на значение разности фаз для фильтра 2-го порядка. Оказывается, на частоте разделения НЧ/СЧ- и ВЧ-динамики будут работать в противофазе, так как фазовый сдвиг составит 180°. Это означает, что направления движения их диффузоров будут противоположны. В то время как один из них будет двигаться в направлении слушателя, создавая сгущение воздуха, второй переместится в противоположную сторону, создавая разрежение. Из-за этого на АЧХ суммарного звукового давления возникнет провал. Чтобы получить более-менее равномерную АЧХ, приходится включать динамики в противофазе, как это показано на рис. 2 при помощи знаков “+” и “-“. Противофазное включение достигается простой «переполюсовкой» одного из динамиков. Обратите внимание также на схемы фильтров: в каждом из них используется по два реактивных элемента, поскольку это фильтры 2-го порядка. | 
| В соответствии с приведенной выше формулой разность сигналов на выходах кроссовера 4-го порядка составит 360°, то есть они снова окажутся синфазными, и изменения полярности включения одного из динамиков не понадобится. Кроссовер 6-го порядка с его разностью фаз 540° (360°+180°) в этом отношении будет похож на разделительный фильтр 2-го порядка: для получения максимально горизонтальной АЧХ в нем также придется изменять полярность подключения одного из динамиков.
Суммарная АЧХ звукового давления показана на рис.3 как для синфазного (красная линия), так и для противофазного включения (синяя линия). Мы видим, что при синфазном включении из-за фазовых сдвигов кроссовера на АЧХ появляется провал. При противофазном включении динамиков суммарная АЧХ, наоборот, имеет подъем. | 
| Давайте выясним, откуда он берется. На частоте разделения фазовый сдвиг кроссовера 180° и противофазное включение головок дают в сумме нулевую разность фаз. В связи с этим происходит суммирование одинаковых фаз волн звукового давления. Сумма получается ровно вдвое больше слагаемых. На частоте разделения, то есть на краю полосы пропускания, звуковое давление падает на 3 дБ по сравнению со значениями в середине полосы пропускания. Это означает уменьшение в 0,707 раза. Если просуммировать две синфазных звуковых волны, то их сумма окажется в 1,414 раза больше давления на частотах в середине полос пропускания, что соответствует подъему в 3 дБ. Человеческий слух отчетливо услышит такую неравномерность АЧХ, так как она очень велика – соответствует 2-кратному изменению акустической мощности.
Ну и наконец, чтобы получить завершенное представление об особенностях АС с фильтром Баттерворта 2-го порядка, рассмотрим ее диаграмму направленности излучения в вертикальной плоскости. Она показана на рис.4. Это зависимость суммарного нормированного звукового давления от угла в вертикальной плоскости между направлением на слушателя и осью излучения АС. Чем меньше направленность излучения, тем ближе кривая к окружности. Такую диаграмму дает очень близкое расположение НЧ/СЧ- и ВЧ-динамиков друг к другу – на расстоянии 4 см (рис. 4а). Практически это соответствует коаксиальной конструкции. Обратите внимание, что диаграмма – это красная линия – проходит намного выше уровня 1, что и соответствует подъему на 3 дБ вблизи частоты разделения АЧХ, показанной на рис.3. | 
| Как и следовало ожидать, увеличение расстояния между динамиками приводит к увеличению направленности на частоте разделения. При некоторых углах появляются глубокие провалы, что непременно приводит к зависимости тембра звучания от положения слушателя.
Интересную информацию можно получить, сравнив представленную диаграмму с аналогичными графиками для АС с кроссовером 1-го порядка (они приведены на рис.6 в первой части статьи). Сопоставив рисунки, можно сделать вывод о более благоприятных особенностях диаграммы направленности АС с кроссовером 2-го порядка. При очень близком расположении динамиков она практически идеальна – направленность почти отсутствует. При разнесении динамиков направленность появляется, но центральный лепесток ориентирован по оси излучения АС, а не отклонен вверх или вниз, как это наблюдалось для кроссоверов 1-го порядка.
Без доказательства сформулируем следующую закономерность. Обнаруженные нами особенности диаграммы направленности АС с кроссовером 1-го порядка справедливы для случаев с использованием фильтров любого нечетного порядка (3-го, 5-го). Аналогично характерные свойства диаграммы направленности АС с кроссовером 2-го порядка проявляются и при использовании фильтров любого четного порядка (4-го, 6-го). Если не верите на слово, проверьте самостоятельно. Как – автор может рассказать любому интересующемуся персонально.
Итак, разделение полос у кроссовера 2-го порядка улучшилось, основной лепесток диаграммы направленности перестал отклоняться от оси излучения. Все было бы хорошо, но вот подъем на частоте разделения огорчает. Естественно, инженеры-звукотехники начала искать решение. И в конце концов нашли его. О том, что это за решение, будет рассказано в следующей статье цикла.
Источник: журнал "Car&Music", №4/2005. Текст: Владимир Харитонов |
|
