Про аудіо кросовери
Кроссовери - це пристрої в звукових системах, які створюють потрібні робочі частотні діапазони для динаміків. Динаміки сконструйовані таким чином, щоб працювати у певному частотному діапазоні. Вони не приймають частоти, що не входять до цих рамок. Якщо високочастотний динамік (твітер) подати низьку частоту, то звукова картина зіпсується, і якщо сигнал ще й потужний, то твітер «згорить».
Високочастотні динаміки повинні працювати лише з високими частотами, а низькочастотні динаміки мають отримати від загального звукового сигналу лише низькочастотний діапазон. Середня смуга, що залишилася, дістається середньочастотним динамікам (мідвуфери). Отже, завдання кросоверів полягає у поділі звукового сигналу на потрібні (оптимальні) частотні смуги для відповідних типів динаміків.
Простіше кажучи, кросовер – це пара електричних фільтрів. Допустимо, кросовер має частоту зрізу рівну 1000 Гц. Це означає, що один із його фільтрів зрізає всі частоти нижче 1000 Гц і пропускає тільки частоти вище 1000 Гц. Такий фільтр називають high-pass фільтром. Інший фільтр, що пропускає частоти нижче 1000 Гц називається low-pass, . Графічно робота цього кросовера представлена малюнку 3. Точка перетину двох кривих є частота зрізу кросовера рівна 1000 Гц. У трисмугових кросоверах є ще й середньочастотний фільтр (band-pass), який пропускає лише середній діапазон частот (приблизно від 600 Гц до 5000 Гц.) На малюнку зображено частотну характеристику трисмугового кросовера.
Порядок чутливості - це відношення інтенсивності вихідного сигналу (dB) кросовера до частоти вхідного сигналу за умови, що інтенсивність вхідного сигналу стала. Зазвичайчутливість (крутість зрізу) характеризують як відношення dB/octave.
З багатьох математичних причин чутливість кросоверів завжди кратна 6 децибелам на октаву (6 dB/octave). Кросовер першого порядку має чутливість до 6 dB/octave. Кросовер другого порядку має чутливість 12 dB/octave, третього порядку - 18 dB/octave, і чутливість кросоверів четвертого порядку дорівнює 24 dB на октаву.
Розглянемо low-pass фільтр третього порядку з частотою зрізу 100 Гц. Як говорилося вище, цей кросовер пропустить лише частоти нижче 100 Гц, а частоти вище 100 Гц зріже.
Зрізання частот відбуватиметься так: всі частоти вище 100 Гц втрачатимуть на виході з фільтра свою інтенсивність кратно 18 dB залежно від октави, до якої вони входять. Тобто, частота 200 Гц (перша октава вище частоти зрізу) втратить свою інтенсивність на 18 Дб, інтенсивність частоти 400 Гц (друга октава) впаде на 36 Дб, а третя октава (800 Гц) послабшає на 54 Дб. І так далі всі наступні октави будуть слабшати кратно 18 Дб. Менш чутливий low-pass фільтр першого порядку з частотою зрізу в 100 Гц буде робити те саме, тільки непотрібні октави будуть слабшати не на 18 Дб, а на 6 Дб.
Як бачимо, фільтри, з яких складаються кросовери, не можуть відразу зрізати непотрібні частоти, а роблять це поступово з різною чутливістю залежно від свого порядку.
Кросовери першого порядку - це найпростіший пасивний кросовер, який складається з одного конденсатора, і однієї котушки індуктивності. Конденсатор працює як high-pass фільтр для захисту твітера від непотрібних низьких та середніх частот. Котушка використовується як low-pass фільтр. Чутливість кросоверів першого порядку низька - всього 6 Дбна октаву. Позитивна риса цих кросоверів -відсутність фазового зсуву між твітер та іншим динаміком.
Кросовери другого порядку також називають кросоверами Баттерворта, на ім'я творця математичної моделі цих кросоверів. Конструктивно вони складаються з одного конденсатора та котушки на твітері та одного конденсатора та котушки на низькочастотному динаміці. Вони мають більш високу чутливість, що дорівнює 12 Дб на октаву, але дають фазовий зсув в 180 градусів, що означає несинхронний хід мембран твітера та іншого динаміка. Для усунення цієї проблеми необхідно поміняти полярність підключення проводів на твітері.
Кросовери третього порядку — у таких кросоверів на твітрі ставиться одна котушка і два конденсатори, тоді як на динаміці низької частоти навпаки. Чутливість таких кросоверів дорівнює 18 Дб на октаву, і вони мають хороші фазові характеристики за будь-якої полярності. Негативна риса кросоверів ІІІ-го порядку - неприйнятність використання тимчасових затримок для усунення проблем, пов'язаних з динаміками, що не випромінюють на одній і тій же вертикальній площині.
Кросовери четвертого порядку — кросовери Баттерворта четвертого порядку мають високу чутливість рівну 24 дБ на октаву, що різко зменшує взаємовплив динаміків у ділянці поділу частот. Зрушення по фазі становить 360 градусів, що означає його відсутність. Однак величина фазового зсуву в даному випадку є непостійною і може призвести до нестійкої роботи кросовера. Ці кросовери практично не застосовуються на практиці.
Оптимізувати конструкцію кросовера четвертого порядку вдалося Лінквіцу та Рілі. Даний кросовер складається з двох послідовно з'єднаних кросоверів Баттерворта другого порядку для твітера,і те саме для басового динаміка. Чутливість їх також дорівнює 24 дБ на октаву, проте рівень вихідного сигналу на кожному фільтрі менший на 6 дБ, ніж рівень вихідного сигналу кросовера. Кросовер Лінквіца-Рілі не має фазових зрушень і дозволяє проводити тимчасову корекцію для динаміків, що не працюють в одній фізичній площині. Ці кросовери в порівнянні з іншими конструкціями дають найкращі акустичні характеристики.
Конструювання пасивних кросоверів
Як говорилося вище, пасивний кросовер складається з конденсаторів та котушок індуктивності. Для того, щоб зібрати пасивний кросовер першого порядку, необхідно мати один конденсатор і одну котушку індуктивності. Конденсатор встановлюється послідовно на твітер (high-pass filter), а котушка послідовно вуфер (low-pass filter). Номінальні значення індуктивності для котушки ((H - мікрогенрі) та ємності ((F - мікрофаради)) наводяться в таблиці залежно від бажаної частоти зрізу кросовера та опору динаміків.
Кросовер I порядку (6 dB/octave)
Наприклад, підберемо ємність та індуктивність для кросовера з частотою зрізу 4000 Гц при опорі динаміків 4 Ом. З наведеної таблиці знаходимо, що ємність конденсатора першого порядку повинна бути рівною 10 мФ, а індуктивність котушки 0.2 мГ.
Для визначення номінальних значень компонентів для кросовера другого порядку (12 дБ/октава) необхідно значення цієї ж таблиці для конденсатора помножити на коефіцієнт рівний 0.7, а значення для котушки індуктивності помножити на коефіцієнт 1.414. Треба пам'ятати, що для кросовера другого порядку необхідно два конденсатори та дві котушки індуктивності. Складемо кросовер другого порядку для частоти зрізу 4000 Гц. Для визначеннязначень для обох конденсаторів множимо значення таблиці 10 мФ на коефіцієнт 0.7 і отримаємо 7мФ. Далі значення індуктивності 0.2 мГ помножимо на коефіцієнт 1.414 і отримаємо значення індуктивності для кожної котушки 0.28 мГ. Один із цих конденсаторів встановлюється послідовно на твітер, а другий паралельно на вуфер. Одна котушка паралельно на твітер, друга послідовно на вуфер.
Пасивні та активні кросовери
Відмінність між цими двома типами кросоверів дуже проста. Активний кросовер вимагає підведення живлення ззовні, а пасивний – ні. Внаслідок цього активний кросовер займає місце в звуковій системі до підсилювача, обробляючи звуковий сигнал з підсилювача головного пристрою (припустимо, автомагнітоли).
Далі, після активного кросовера встановлюються два або три підсилювачі потужності. Один підсилювач у разі не ставиться, оскільки немає сенсу розділені активним кросовером сигнали зводити в підсилювачі в єдиний сигнал. Розділені сигнали треба посилювати окремо. Як бачимо, активні кросовери застосовуються у дорогих звукових системах високої якості.
Пасивні кросовери обробляють посилений сигнал і встановлюються перед динаміками. Можливості пасивних кросоверів обмежені порівняно з активними, проте їхнє правильне застосування може дати хороші результати при мінімальних фінансових витратах. Пасивні кросовери добре зарекомендували себе при вимогі до порядку чутливості менше 18 дБ на октаву. Вище цієї межі добре працюють лише активні кросовери.
Пасивні кросовери переважно застосовуються для обробки сигналу твітерів і середньочастотних динаміків. Для низькочастотних динаміків ці кросовери застосовувати можна, проте різко зростає вимога до якостіконденсаторів та котушок індуктивності, що призводить до їх подорожчання та збільшення у розмірах. Пасивні кросовери погано переносять навантаження. Пікові інтенсивності сигналу, які від підсилювача, можуть змінювати частоту зрізу фільтрів. З іншого боку, перевантажений фільтр послаблює звуковий сигнал (damping). Тому при виборі пасивних кросоверів звертайте увагу на їхню здатність витримувати пікові навантаження, створювані підсилювачем.
Активні (або електронні) кросовери являють собою безліч активних фільтрів, якими можна керувати і легко змінювати частоту зрізу будь-якого каналу. Порядок чутливості активних кросоверів може бути будь-яким, від 6 Дб до 72 Дб на октаву (і вище). В основному активні кросовери для автомобільних аудіосистем мають чутливість 24 Дб на октаву. За такої чутливості обмін частотами між динаміками практично виключено. Звукова картина виходить дуже якісною. Єдиний недолік активних кросоверів — це їхня дорожнеча порівняно з пасивними.
Фазове зрушення
Тепер поговоримо про фазові зрушення, які можуть виникати в звукових системах, що використовують кросовери. Фазове зрушення - це неминуче явище, що є наслідком конструктивних особливостей high-pass, low-pass і band-pass фільтрів.
Фаза - це тимчасовий зв'язок двох сигналів. Вимірюється фаза в градусах від 0 до 360. Якщо два однакових динаміка випромінюють звукові хвилі в протилежній фазі (фазовий зсув 180 градусів), відбувається ослаблення звуку. Проблема усувається зміною полярності одному з динаміків.
Коли акустична система складається з різних динаміків, що працюють у різних частотних діапазонах (твітер і мідвуфер), то усунення фазового зсуву не завжди вирішується простою зміною «+»на "-". Довжина хвилі від твітера коротша, ніж від мідвуфера. Тому фронт високочастотної хвилі може досягти слухача пізніше (або раніше) фронту середньочастотної (або низькочастотної) хвилі. Ця тимчасова затримка є наслідком фазового зсуву. Оптимізувати звукову картину в даному випадку можна шляхом фізичного вирівнювання двох динаміків щодо один одного у вертикальній площині до моменту покращення звукової картини. Наприклад, при частоті хвилі 1000 Гц тимчасова затримка одну мілісекунду усувається зрушенням динаміків друг щодо друга на 30 див.
Налаштування активного кросовера
Найважливіше в налаштуванні кросовера – це правильний вибір частоти зрізу. Якщо ми маємо трисмуговий активний кросовер, то перед нами стоїть завдання у визначенні двох точок (частот) зрізу. Перша точка визначає частоту зрізу для сабвуфера (low-pass) та початок середньочастотного діапазону для мідвуфера (high-pass). Друга точка визначає частоту закінчення середнього діапазону (low-pass) та відправну частоту високочастотного діапазону для твітера (high-pass).
Найголовніше, при встановленні частот зрізу кросовера пам'ятати про частотні характеристики динаміка і не в жодному разі не навантажувати динамік частотами, які не входять до його робочого діапазону.
Наприклад, якщо сабвуфер трохи гримить або видає гул (неприємний резонанс корпусу автомобіля), значить він перевантажений небажаними для нього середніми частотами (вище 100 Гц). Перенесіть частоту зрізу (low-pass) на позначку 75 Гц та/або встановіть, якщо можливо, чутливість на 18 Дб або 24 Дб на октаву. Нагадаємо, що збільшення порядку чутливості кросовера (величина dB/octave) якісніше зрізає непотрібні частоти, не даючи їм просочуватися через фільтр. Порядокчутливість high-pass фільтрів для мідвуфера можна залишити на 12 Дб/октава (для «м'яких» середньочастотних динаміків). Подібне налаштування активного кросовера називається асиметричним.