Расчет пассивного кроссовера

Онлайн расчёт активных и пассивных фильтров.
Простые RC фильтры первого порядка.

А не фильтрануть ли нам широким махом входной сигнал на предмет подавления помехи относительно единичного уровня на требуемой частоте, в заданное число раз отличающейся от границы полосы пропускания?
А как насчёт расчёта активных полиномиальных фильтров второго порядка на звеньях Рауха, Сален-Ки и биквадратного звена?
А кривую изменения реактивного сопротивления ёмкости в зависимости от частоты – не изобразить ли?

“Хватит умничать, пальцем покажи!”, – предвижу я законное роптание посетителя, впавшего в соблазн от заголовка страницы.

И действительно. Здесь мне не тут! Базар надо фильтровать, а не безобразия нарушать!

Итак, приступим.
Для начала мы рассмотрим активные и пассивные ФНЧ, ФВЧ, ПФ без использования катушек индуктивности.

Определимся с терминологией.

– Фильтр нижних частот (ФНЧ) представляет собой устройство, которое пропускает сигналы низких частот и задерживает сигналы высоких частот.
– Фильтр верхних частот (ФВЧ) соответственно пропускает сигналы высоких частот и задерживает сигналы низких.
– Полосовой фильтр (ПФ) пропускает сигналы в некоторой полосе частот и подавляет сигналы и на низких частотах, и на высоких.
– Полоса пропускания определяется как диапазон частот, в котором АЧХ фильтра не выходит за пределы заданной неравномерности (обычно – 3дБ).
– Частотой среза фильтра называют частоту, ослабление сигнала на которой достигает -3дБ по логарифмической шкале, или 1/√2 ≈ 0.71 по линейной.
– Неравномерность АЧХ в полосе пропускания – размер флуктуации АЧХ от пика до пика в полосе пропускания.
– Крутизна частотной характеристики фильтра – скорость спада АЧХ в полосе подавления (дБ/октаву или дБ/декаду).

А начнём мы с простейших RC фильтров первого порядка. Слева фильтр нижних частот (ФНЧ), справа фильтр верхних частот (ФВЧ).

Крутизна спада АЧХ таких фильтров в полосе подавления – 6 дБ/октаву.
Частота среза рассчитывается по формуле: &nbsp

Теперь надо определиться – из каких соображений выбирать номиналы R и С.
Ёмкость посчитается нашей табличкой, а к выбору сопротивления резистора, для достижения заявленной крутизны, надо подойти со всей ответственностью. Номинал этого резистора должен быть на порядок больше выходного импеданса предыдущего каскада и на порядок меньше входного сопротивления последующего.

РИСУЕМ ТАБЛИЧКУ ДЛЯ ФИЛЬТРОВ ПЕРВОГО ПОРЯДКА

ТЕПЕРЬ ТО ЖЕ САМОЕ С ДРУГИМИ ВВОДНЫМИ

Для получения простейшего полосового фильтра первого порядка, нужно последовательно соединить ФНЧ и ФВЧ с Рис.1, не забывая, что значение сопротивления R второго фильтра должно быть на порядок (в 10 раз) выше сопротивления первого.

Важно понимать, что хорошей крутизны спада АЧХ от таких простейших фильтров добиться не удастся. Тут нам прямая дорога к активным фильтрам, или к фильтрам на LC цепях.

Именно активные фильтры мы и рассмотрим на следующей странице.

Расчет кроссовера для акустики своими силами

Расчет кроссовера для акустики75

Расчет кроссовера для акустики, как известно, очень важная операция. На свете не существует идеальных акустических систем, способных воспроизводить частотный диапазон полностью.
И тогда на помощь приходят отдельные участки спектра динамиков. К примеру, если надо воспроизводить НЧ, применяют сабвуфер, а чтобы воспроизвести ВЧ, устанавливают мидбасы.
Когда все эти динамики вместе взятые начинают играть, то может произойти путаница перед поступлением на тот или иной излучатель. По этой причине и необходим бывает активный или пассивный кроссовер для акустики.
В этой статье мы узнаем, для чего нужен расчет фильтра, рассмотрим пассивные кроссоверы, узнаем как они строятся на катушках индуктивности и конденсаторах.

Расчет кроссовера

Кроссоверы для акустики авто самодельные

Чтобы подключить 2-полосную(см.Акустическая двухполосная система и ее преимущества) или другую акустику с большим количеством полос к 1 каналу усилителя или ГУ, нужно некое отдельное устройство, разделяющее сигнал. При этом оно должно выделять для каждой полосы свои частоты. Именно такие устройства и называются фильтрами или кроссоверами.

Примечание. В комплекте с компонентной акустикой, как правило, уже идет пассивный кроссовер. Его готовил производитель и он рассчитан уже изначально.

Но что делать, если нужно разделить частоты по иной схеме (к примеру, если комплект акустики собран из отдельных компонентов)?
В этом случае речь идет о расчете кроссовера.Отметим сразу, что рассчитать кроссовер совершенно не сложно и даже можно самостоятельно изготовить его.

Кроссоверы для акустики на авто Пионер профессиональные

Ниже приводится инструкция о том, как рассчитать кроссовер:

  • Скачиваем специальную программу. Это может быть Crossover Elements Calculator на компьютер;

Специальная программа для расчета кроссовера Crossover Elements Calculator

  • Вводим сопротивления низкочастотного и высокочастотного динамиков. Сопротивление – это номинальное значение сопротивления акустики, выражаемое в Ом. Как правило, средним значением является 4 Ом;
  • Вводим частоту раздела кроссовера. Здесь полезно будет знать, что частоту надо вводить в Гц, но ни в коем случае не в кГц.

Примечание. Если кроссовер второго порядка, то надо еще ввести тип кроссовера.

  • Получить ожидаемый результат можно, нажав на кнопку расчета.

Кроме того, надо знать следующее:

  • Емкость конденсаторов, а вернее их значение вводится в Фарадах;
  • Индуктивность рассчитывается в Генри (mH).

Схема расчета фильтра выглядит примерно так:

Как рассчитать фильтр

Фильтры разного порядка

Чтобы ясно понимать схему расчета кроссовера(см.Самодельные кроссоверы для акустики и их предназначение), нужно понимать разницу между фильтрами разного порядка. Об этом и пойдет речь ниже.

Примечание. Существуют несколько порядков кроссовера. В данном случае порядок означает параметр кроссовера, который характеризует его способность ослаблять не нужные частотные сигналы.

Первый порядок

Схема 2-х полосного кроссовера этого порядка выглядит следующим образом:

2-полосный кроссовер 1-го порядка

По схеме видно, что ФНЧ или фильтр низких частот построен на катушке индуктивности, а фильтр высоких частот – на конденсаторе.

Примечание. Такой выбор компонентов не случаен, так как сопротивление катушки индуктивности повышается прямо пропорционально увеличению частоты. А вот что касается конденсатора, то здесь обратно пропорционально. Получается, что такая катушка отлично пропускает НЧ, а конденсатор отвечает за пропуск ВЧ. Все просто и оригинально.

Фильтр частот по схеме 1-го порядка

Следует также знать, что кроссоверы первого порядка, а вернее их номинал, зависит от выбранной частоты разделения и величины сопротивления колонки. Проектируя ФНЧ, надо в первую очередь обратить внимание на частоту среза НЧ и СЧ динамиков(см.Как выбрать динамики для автомагнитолы своими силами).
А вот проектируя ФВЧ, надо аналогичным образом поступить уже с ВЧ.

Пассивный кроссовер

Что такое в акустике кроссовер

Наиболее доступной на сегодня считается именно пассивная фильтрация, так как она сравнительно проста в реализации. С другой стороны, не все так просто.
Речь идет о следующих недостатках:

  • Согласовать параметры и значение фильтров с характеристиками излучателей колонок очень сложная штука;
  • В процессе эксплуатации может наблюдаться нестабильность параметров акустической системы. К примеру, если повысится сопротивление звуковой катушки при нагреве. В связи с этим значительно ухудшится достигнутое в процессе разработки согласование;
  • Фильтр, обладая внутренним сопротивлением, забирает некоторую часть выходной мощности усилителя. Одновременно с этим ухудшается демпфирование, а это сказывается на качестве звучания и четкости передачи нижнего регистра.

Что такое кроссовер в акустике

Как известно, на сегодняшний день самыми распространенными акустическими системами считаются 2-х компонентные варианты.
В них фильтр разделяет звуковой сигнал на два диапазона:

  • Первый диапазон предназначается исключительно для низких и средних частот. В данном случае используется кроссовер для нижних частот или ФНЧ;
  • Второй диапазон предназначен для ВЧ. Здесь уже используется другой фильтр ФВЧ.

Примечание. Вариантов реализации фильтра может быть несколько, но он все должно отвечать определенным канонам.

Ниже приводится список требований, которым обязательно должен соответствовать кроссовер:

  • Фильтр не должен оказывать влияния на частотный спектр и волну выходящего аудиосигнала;
  • Должен создавать для усилителя, независимую от частоты нагрузку активного характера;
  • Должен суметь обеспечивать вместе с акустическими системами формирование диаграммы направленности. Это должно быть реализовано так, чтобы до слушателя доходило максимум излучения.

Кроссовер АС очень важен

Из статьи мы узнали, как проводится расчет кроссовера акустических систем своими руками. В процессе работ будет полезно также изучить схемы, посмотреть видео обзор и фото – материалы.
Если научиться самостоятельно рассчитывать фильтр, платить за услуги специалистам не придется. Таким образом, цена операции сводится к минимуму, ведь надо только приложить немного терпения и уделить некоторое время изучению.

Кроссоверы для акустических систем в авто. Расчет настроек. Пассивный или активный, какой купить?

Зачем нужен фильтр частот?

Активный и пассивный кроссовер для акустики.

Расчет кроссовера для акустики.

В каких случаях кроссовер вам совершенно не понадобится.

Зачем нужен фильтр частот?

Кроссовер для акустики – это фильтр, ограничивающий работу динамика в определенных частотах. Для чего это нужно? – Поясняю: динамики подразделяются на несколько типов – низкочастотные – сабвуферы (20-250Гц), среднечастотные или мидбасы (100Гц-4кГц) и высокачастотные – твитеры (4кГц – 8кГц). Они собраны таким образом, чтобы качественно воспроизводить именно ту частоту, для которой они предназнчены. Но, без фильтра, динамик будет играть всё, что на него подаётся. От этого качество звучания станет ужасным. Представьте – сабвуфер, огромный динамик, тянет средней частоты звуки. А если это еще и на большой громкости? Приятного мало. Более того, таким макаром можно просто вывести из строя динамики. Особенно чувствительные высокочастотные твитеры, которые просто сгорят от воспроизведения звуков средних частот.

Активный и пассивный кроссовер для акустики.

Итак, в необходимости кроссовера или фильтра частот, мы уже убедились, теперь осталось решить, каким он должен быть, и какой кроссовер для акустики купить. Кроссоверы для акустики подразделяются на актиные и пассивные, прямо как сабвуферы, только по другому принципу. Пассивным кроссовером для акустики является устройство, не требующее дополнительного питания, так как питается от системы, тем самым образуя небольшой сдвиг по фазе. Устанавливается по схеме после усилителя, непосредственно перед динамиками, поэтому, пассивный фильтр должен быть достаточно качественным, чтобы выдерживать нагрузки, исходящие от уилителя! Легко и беззаботно подключается к системе, хорош для обработки сигнала твитеров и мидов, но, при этом, не позволяет провести тонкую настройку фильтрации. В частности, он не может создать достаточную крутизну среза (крутизна среза – сила фильтации частот. Любой фильтр, после указанного значения, обрезает частоты постепенно, позволяя динамику воспроизводить их, но с постепенно убывающей мощностью. Обычно, убывание мощности восроизведения частот, то есть крутизна среза, указывается в значениях дБ/окт (децибел на октаву). Чем круче сделать срез, тем тоньше можно настроить разделение частот между динамиками. Самого крутого среза позволяют добиться внешние процессоры фильтрации частот – но это уже другая история.). Пассивные фильтры, так как не имеют возможности настраивать крутизну среза, подразделяются на 4 типа, в каждом из которых крутизна среза уже предустановлена.

Активный кроссовер дороже пассивного – обусловлено это несколько иным принципом фильтрации, более сложной схемой, позволяющей, в итоге, приспособить на его корпус крутилки, отвечающие не только за значение частоты среза, но и за его крутизну. То есть, позволяют произвести более точную настройку фильтрации частот. Активные кроссоверы для акустики нуждаются в подключении к внешенму источнику питания. Так как активный кроссовер требует отдельного питания, в схеме он должен находиться перед усилителем. Вернее, усилителями, так как каждую отфильтрованную полосу от активного фильтра следует подключать к отдельному усилителю (например, отдельный усилитель для сабвуфера и отдельный для мид и твитера).

Расчет кроссовера для акустики.

Расчет (настройка) кроссовера для акустики для кажой акустической системы производится индивидуально, зависят параметры настройки фильтра и от количества компонентов системы, и от их характеристик и даже от производителя. Но, есть базовые правила расчета, опираясь на котрые вы сможете настроить звук в своей системе. Вот они:

При этом: HPF – отсечение нижних границ частот воспроизводимых компонентом; LPF – отсечение верхних границ частот воспроизводимых компонентом. Провалов в воспроизведении частот не будет, так как границы фильтрации при данной крутизне среза установлены оптимально. При изменении значения крутизны среза (допустим, на 18Дб/окт), значения фильтрации частот необходимо будет регулировать.

В каких случаях кроссовер вам совершенно не понадобится.

Фильтр необходим всегда, но от внешнего кроссовера можно отказаться, если в головном устройстве (магнитоле) уже имеется фильтр частот (чаще всего это активный). В моделях, хоть как-то нацеленных на использование хорошей акустики он всегда присутствует. В моделях магнитол, созданных специально для автозвука всегда стоит качественный фильтр, а то и процессор, для выставления частот, прекрасный многополосный эквалайзер и гибкие настройки крутизны среза. Так же фильтры частот находятся и в усилителе, но никогда не полагайтесь только на фильтр в усилителе, ибо даже в не самых дешевых моделях усилителей они часто бывают не очень высокого качества. Так же вам не нужен кроссовер, если в Вашем автомобиле установлена коаксиальная или широкополосная акустика.

Расчет пассивного кроссовера

Для подключения двух или более полосной акустики к одному каналу усилителя или головного устройства, необходимо некое устройство которое разделит сигнал, при этом выделив для каждой полосы свои частоты. Эти устройства называют фильтрами или – кроссоверами. Обычно в комплекте с компонентой акустикой уже идет пассивный кроссовер, рассчитанный производителем. Но как быть когда хочется по иному разделить частоты, или комплект собирается из отдельных компонентов? Кроссовер не сложно рассчитать и изготовить самостоятельно.

Рассчет кроссовера

  1. Убедитесь что Java разрешена в вашем браузере.
  2. Введите сопротивление НЧ и ВЧ динамика.
  3. Введите частоту раздела кроссовера.
  4. Для кроссовера второго порядка выберете тип кросовера.
  5. Нажмите на кнопку “рассчитать” для получения результата.
  • Сопротивление – номинальное сопротивление акустики (обычно 4 Ом).
  • Частоту вводите в Гц(не кГц).
  • Значение емкости конденсаторов в микро Фарадах (µF).
  • Значение индуктивностей в мили Генри (mH).
  • Для схемы Цобеля, индуктивность вводите в Генри (не mH).

Двухполосный кроссовер первого порядка (6db/на октаву).

  • Изменение фазы кроссовером первого порядка – 90 градусов.

Двухполосный кроссовер второго порядка (12db/на октаву)

  • Кроссоверы Линквитц-Райли согласовуют крутизну спада, чтобы характеристика после точки разделения была линейна.
  • Кроссоверы Батерворта имеют пик на частоте разделения.
  • Кроссоверы Бесселя имею частотную характеристику между Линквитц-Райли и Батерворта
  • Изменение фазы кроссовером второго порядка – 180 градусов. (Обратная полярность).

Двухполосный кроссовер третьего порядка (18db/на октаву)

  • Изменение фазы кроссовером второго порядка – 270 градусов (-90 градусов).

Двухполосный кроссовер четвертого порядка (24db/на октаву)

  • Изменение фазы кроссовером второго порядка – 360 градусов (нет изменения фазы).

Схема Цобеля (Стабилизация сопротивления)

  • Обычно для динамиков указывается значение сопротивление (часто это 4 Ом) в действительности сопротивление меняется в зависимости от частоты (динамик имеет индуктивность). Для компенсации не линейности динамика используется схема Цобеля.
  • Re – сопротивление динамика постоянному току (может быть измеренно омметром).
  • Le (или Lces) эквивалентная индуктивность динамика.

L-аттенюатор (приглушение динамика)

  • Для L-аттенюатора стоит использовать без индуктивные резисторы, что-бы избежать изменения фазы или частотной характеристики.

Расчет многослойной цилиндрической катушки.

Фильтры нижних и высших частот

Фильтр нижних частот (ФНЧ) – электрическая цепь, эффективно пропускающая частотный спектр сигнала ниже определённой частоты, называемой частотой среза, и подавляющая сигнал выше этой частоты.

Фильтр высших частот (ФВЧ) – электрическая цепь, эффективно пропускающая частотный спектр сигнала выше частоты среза, и подавляющая сигнал ниже этой частоты.

Рассмотрим в качестве фильтра простейшую цепь RC, принцип работы которой основан на зависимости реактивного сопротивления конденсатора от частоты сигнала.

Если к источнику переменного синусоидального напряжения U частотой f подключить последовательно резистор сопротивлением R и конденсатор ёмкостью C, падение напряжения на каждом из элементов можно вычислить исходя из коэффициента деления с импедансом Z.

Импеданс – комплексное (полное) сопротивление цепи для гармонического сигнала.
Z² = R² + X² ; Z = √(R² + X²) , где Х – реактивное сопротивление.

Тогда на выводах резистора напряжение UR будет составлять:

XC – реактивное сопротивление конденсатора, равное 1/2πfC

При равенстве R = XC на частоте f, выражение упростится сокращением R и примет вид:

Следовательно, на частоте f равенство активного и реактивного сопротивлений цепочки RC обеспечит одинаковую амплитуду переменного синусоидального напряжения на каждом из элементов в √2 раз меньше входного напряжения, что составляет приблизительно 0.7 от его значения.
В этом случае частота f определится исходя из сопротивления R и ёмкости С выражением:

Повышение частоты уменьшит реактивное сопротивление конденсатора и падение напряжение на нём, тогда напряжение на выводах резистора возрастёт. Соответственно, понижение частоты увеличит напряжение на конденсаторе и уменьшит на резисторе.

Зависимость амплитуды переменного напряжения от его частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

Если рассмотреть АЧХ напряжения на выводах конденсатора или резистора в RC цепи, можно наблюдать на частоте f = 1/(2π τ) спад уровня до значения 0.7, что соответствует -3db по логарифмической шкале.

Следовательно, цепь RC может быть использована как фильтр нижних частот (ФНЧ) – красная линия на рисунке, или фильтр высших частот (ФВЧ) – синяя линия.

Ниже представлены схемы включения RC-цепочек в качестве фильтров соответственно ФНЧ и ФВЧ.

Частоту f = 1/(2π τ) называют граничной частотой fгр или частотой среза fср фильтра.

Частоту среза фильтра можно посчитать с помощью онлайн калькулятора

Достаточно вписать значения и кликнуть мышкой в таблице.
При переключении множителей автоматически происходит пересчёт результата.

Похожие страницы с расчётами:

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Ссылка на основную публикацию