Активные кроссоверы для АС основе фильтра Баттерворта 3-го порядка

Прочтя это в черновике, главный редактор сказал: «Ты что, это — Клондайк, давай копнём как-нибудь».«АЗ» №5/2009, с. 45

Главный редактор это я. А Клондайк, как вы уже прочли в подзаголовке — последовательные частотно-разделительные фильтры. Обещано было копнуть, решил сам и копнуть.

Но прежде чем копать, разметим участок. «Фильтры» — понятие широкое. Даже электрические, даже частотно-разделительные, даже пассивные, даже предназначенные для использования в акустических системах. Всё равно пока — шире страны моей родной. Мы поставим задачу предельно конкретно, на 6 соток. Требуется разделить широкополосный сигнал с выхода усилителя таким образом, чтобы обеспечить оптимальную работу двух излучателей, специализирующихся на воспроизведении нижних и верхних частот звукового диапазона (то же самое, но короче — двухполоска).

Случай этот, в наш век трёхполосных фронтов и процессорных «голов», далеко не условный и не академический. Всё чаще (и далеко не по веянию моды) опытные мастера склоняются к 2,5-полосной топологии фронтальной акустики. Басовики (где-нибудь там, внизу) отфильтровали «головой», процессором или усилителем, а с СЧ/ВЧ начинается (и правильно, что начинается) священнодействие, которое очень нередко приводит к отказу от активной фильтрации в этой, чрезвычайно ранимой части звукового спектра. И здесь предмет нашего сегодняшнего обсуждения — один из очень перспективных методов борьбы за бескомпромиссный звук. Теперь — по порядку…

Наведение порядка

Про пассивные фильтры писано немало, переписано ещё больше, все всё в общих чертах знают. Бывают первого порядка, второго и так далее. Какой выбрать? Здесь давно сложились кланы «остроконечников» и «тупоконечников», и те и те и правы, и не правы одновременно, всё — по акустическим обстоятельствам. «Остроконечники» говорят: «Давайте разделим полосы между НЧ и ВЧ-излучателями как можно радикальнее, чтобы каждый занимался только присущим ему делом». Подход совершенно логичный: чем решительнее (а значит — с большей крутизной характеристики, а значит — фильтром более высокого порядка) ограничена полоса сигнала, подведенного, скажем, к мидбасу (будем всюду его называть мидбасом, потому что это короче всего, хотя из сказанного выше и того, что станет ясно чуть ниже, вытекает, что это, скорее всего, будет среднечастотник), тем меньше вылезет пакости, связанной с зонным режимом работы диффузора, в частности, окажется подавлен верхний, «кевларовый», резонанс жёстких диффузоров. Чем круче проходит АЧХ фильтра ВЧ, питающего сигналом пищалку, тем меньше на неё попадёт составляющих сигнала с частотой, близкой к её собственному резонансу, где ВЧ-головка производит максимум искажений. А главное — полоса, где головки излучают совместно, и где результат такой совместной работы менее всего предсказуем, тем уже, чем выше крутизна применённых фильтров. В общем, должна установиться полная гармония капиталистического образца: каждый занят своим делом, не лезет в чужие, с коллегой из другого частотного отдела встречается только во время обеденного перерыва, настолько короткого, что конфликту некогда развиться.

«А фаза? — кричат обычно на этом месте «тупоконечники. — Они же фазу крутят!» Чаще всего внятные протестные действия этими двумя выкриками и ограничиваются, ответ на встречный вопрос «ну и что?», как правило, даётся уже на языке жестов, из которых можно понять лишь уже сказанное: крутят, гады, нельзя же так. Да, действительно, чем выше порядок фильтра, тем быстрее происходит изменение фазового сдвига на выходе фильтра вблизи частоты раздела. «Ну и что? — стоят на своём «остроконечники. — Мы затем и свели к минимуму область совместной работы головок, где имеет значение разность фаз их излучения. А за пределами «обеденного перерыва» вступает в силу понятие абсолютной фазы, которую житель Земли на слух не воспринимает». Отсюда: в стане «остроконечников» есть очень сильные политические фигуры. Например, уже однажды приводившийся мной в пример элитной акустики Phoenix Gold («АЗ» №9/2002, вона когда было дело), все верхние модели CDT Audio, позже — EOS Opera, да и Зигфрид Линквиц, половина имени которого стала половиной имени знаменитых фильтров Линквица — Райли, менее как о четвёртом порядке и слышать не желает.

Тут, правда, «тупоконечники» достают из-за пазухи здоровенный булыжник, спорить с которым трудно и больно. Доказано умными людьми: только фильтры первого порядка корректно передают прямоугольный импульс. И ради этого (а это, кто сейчас поднял брови, надеюсь, таких немного — очень важно) приверженцы мягкой фильтрации готовы терпеть тяготы и лишения, связанные с неудовлетворительной фильтрацией внеполосного излучения. И широкой полосы совместной работы головок в двухполосной (как мы договорились) системе. Но ещё более умные из числа просто умных добавляют: хорошие импульсные характеристики двухполосной акустики с фильтрами первого порядка реализуются только при условии временной корректности излучения. То есть когда центры излучений НЧ и ВЧ-головок как минимум находятся близко друг к другу, как оптимум — размещены так, чтобы расстояние от центров излучения до измученных некогерентностью ушей было одинаковым.

Для справедливости о тоже есть кого предъявить, наиболее знаменитые приверженцы полного или частичного использования фильтров первого порядка в автомобильной акустике — Dynaudio, Morel и Eton. Сидите, сидите, не надо церемоний…

Теперь у нас есть практический ответ обоим непримиримым кланам одновременно: когда полосные излучатели находятся далеко друг от друга, никаких преимуществ фильтры первого порядка не имеют, одни недостатки. А когда близко — имеют. А это как раз случай «наших», автомобильных, трёхполосных систем. Когда басовик — там, внизу, а СЧ/ВЧ — у стойки, прижавшись друг к другу. В этом случае хорошие (подчёркнуто) пассивные фильтры первого порядка могли бы (мечтательно) вдохнуть новую жизнь и в незаслуженно (из-за нежелания возиться) забытую концепцию точечного излучателя, на манер, скажем, Morel Integra или (в меньшей, но далеко не нулевой степени) некоторых 4-дюймовых коаксиалов, у которых излучатели бывают очень неплохие (по отдельности), а вместе — ужас или максимум — полуужас, потому что фильтры — никакие, иногда — буквально. Теперь давайте выяснять, а можно ли сделать хороший фильтр первого порядка. Для этого…

Чем отличается активный сабвуфер от пассивного

Чтобы лучше понять, чем отличается активный сабвуфер от пассивного, стоит начать со знакомства с устройством более простого изделия. Корпус, в который помещен динамик большого диаметра, частотные фильтры — это классическая конструкция. Именно так можно описать пассивный сабвуфер.

Вариантов исполнения такого типа оборудования несколько. Самая распространенная конструкция представляет собой герметичный корпус с динамиком. Это называется закрытый пассивный сабвуфер.

Другой тип устройства представляет собой корпус с трассой для циркуляции воздуха, называемой фазоинвертором. Такие сабы имеют стабильный показатель прироста громкости от подаваемой мощности, чем не могут похвастаться закрытые системы.

Есть один вариант конструкции, по которой пассивный сабвуфер может резко отличаться от активного. У последнего она применяется крайне редко. Система бандпасс представляет собой двухзоновый излучатель. Герметичный сегмент корпуса, в котором расположен динамик, соединяется с областью каналов для прохода воздуха.

В результате работы такого тандема саб очень хорошо звучит, особенно в больших помещениях. Он образует сочный, насыщенный бас благодаря интенсивным колебаниям воздуха.

Для работы пассивного саба обязательно требуется хороший внешний усилитель. Чем больше регулировок параметров сигнала он обеспечивает, тем лучшего качества звуковой картинки можно добиться.

Активный сабвуфер самодостаточен. Он представляет собой корпус, где расположен не только динамик, каждый дюйм которого обеспечивает качественный бас, но и собственный усилитель мощности. Такая схема удобна, компактна, и в целом оценивается пользователями как довольно практичная.

Приведите детей

Рис. 1. Схема параллельного кроссовера

Вряд ли они у вас совсем уж взрослые, так что подойдут. Известно из практики, что если работу какого-то устройства нельзя объяснить десятилетнему мальчику, оно, скорее всего, вообще не работает. Вот схема пассивного двухполосного фильтра первого порядка. Проще уже не бывает. Одна индуктивность, один конденсатор. Пришёл ваш сорванец? Теперь покажите ему рис. 1 и объясните правила игры: конденсатор С пропускает переменный ток тем лучше, чем выше частота. Индуктивность L тем лучше, чем частота ниже. Куда пойдёт ток с очень низкой частотой? Через индуктивность и на НЧ-головку. А на ВЧ — не пойдёт, она как бы заперта. Если частота будет повышаться, «кран», состоящий из индуктивности, будет постепенно закрываться, а второй, конденсатор — открываться, пока не окажется, что весь сигнал идёт на ВЧ-головку. Что нам и требовалось.

Рис. 2. Схема последовательного кроссовера

А теперь давайте эти же компоненты соединим по-другому (рис. 2). Вот пошёл от входа переменный ток низкой частоты. Как он может добраться до «земли» в низу схемы? Конденсатор на низкой частоте заперт, путь один — через НЧ-головку. Далее появляются два пути: через ВЧ-головку, у которой какое-никакое, а сопротивление, или же через индуктивность, у которой на низкой частоте сопротивления почти что никакого. На высоких частотах — всё наоборот, итог: через НЧ-головку идут низкие частоты, а высокие предпочитают более лёгкий обходной путь, через пищалку — высокие, потому что индуктивность не даёт им пройти мимо. Те же компоненты, но действуют они в другой манере. В первом кроссовере, параллельном, каждый из частотно-зависимых элементов вставал неодолимой преградой на пути «ненужных» частот, а два таких фильтра соединены параллельно и, вообще говоря, друг на друга никакого влияния не оказывают. Во втором, последовательном фильтре ёмкость и индуктивность шунтируют «лишние» частоты, а «нелишним» не оставляют иного пути, кроме как через предназначенную для них нагрузку. Интересно, давно это кому-то пришло в голову? И есть ли, собственно, разница?

Установка кроссовера

Ниже фото того, что у меня получилось.

фото моего нового кроссовера Radiotehnika S-400m

Немного опишу, если не всё понятно – где и что находится.

НЧ-фильтр

Большая «черная» катушка, в низу картинки, имеет большую индуктивность 2,4 mH, намотана на металлическом сердечнике. Там же, рядом, два параллельно подключенных электролита – 47 и 12 мкф, и последовательно с ними, гасящее сопротивление в 1 ом. Это НЧ фильтр.

СЧ-фильтр

Он имеет два дросселя. Одна катушка намотана на металопластиковую трубу и потом аккуратно снята и зафиксирована хомутами. Она имеет индуктивность 0,65 mH (зеленая изолента). Другая катушка, на пластиковом каркасе, настроена на 4 mH.

ВЧ-фильтр

ВЧ звено с дросселем большого диаметра. Он рассчитан на 0,3 mH. Там же набор конденсаторов. На картинке слева внизу.

Далее, фото установленного кроссовера в правой колонке.

Справа виден один валик, который “спрятался” за панелью с регуляторами уровня ВЧ и СЧ. Сверху видно “тубу” под СЧ динамик. Внизу – распорка и кусочек синтипона. Внешний вид самого кроссовера – меня устраивает, хотя, повторюсь ещё раз, монтаж можно было сделать и по красивее.

Между Тилем и «Видеотоном»

Ответ на первый вопрос: давно. Кому первому, мне установить не удалось, но были два смутных воспоминания. Первое: схему последовательного кроссовера я видел в древнем (уже тогда) радиолюбительском справочнике, дававшем мне материал для размышлений в период обучения в средней школе (это глубоко в прошлом веке). Второе: такую же я видел в инструкции по эксплуатации колонок Videoton (130 руб. за пару, это тогда было грабежом) и уже, кажется, в роли студента, подивился остроумию схемы. Славу же таким фильтрам принёс небезызвестный джентльмен по имени Рихард Смолл. На рубеже 60-х и 70-х годов (то есть существенно после справочника, примерно одновременно с «Видеотоном» и заведомо, между прочим, до серии публикаций, после которых появилось понятие «параметры Тиля — Смолла») он сделал доклад на сессии Audio Engineering Society о любопытных деталях поведения таких фильтров, чем оживил интерес к ним.

Рис. 3. АЧХ кроссоверов первого порядка

Вопрос второй получит такой ответ: есть, хотя заметна становится не сразу. Приведу два графика АЧХ (рис. 3), оба получены для фильтров, показанных на рис. 1 и 2, для наглядности здесь и далее будем считать, что частота раздела кроссовера 1 кГц. Я знаю, что таких не делают, повторю — для наглядности. Говорите, там один график? Нет, два, полностью наложившихся друг на друга. Разницы в АЧХ не будет никакой, если номиналы элементов фильтра выбраны одинаковыми, по формулам для параллельных фильтров первого порядка с характеристикой Баттерворта (а у таких фильтров она, хоть ты тресни, другой не будет). Формулы суду известны, но чтобы вам не бегать, а мне потом не ссылаться:

L = Rн/(2π Fo)

С = 1/(2π Fo Rн).

При сопротивлении нагрузки Rн, скажем, 8 Ом и частоте раздела, как договаривались, 1 кГц получаем номиналы 1,27 мГн и 20 мкФ. Обратите внимание: в этом, абсолютно идеальном случае суммарная АЧХ кроссовера (чёрная линия) строго горизонтальна для обоих фильтров. Идеал же, как известно, недостижим. Как будут себя вести такие кроссоверы на реальной нагрузке с импедансом, зависящим от частоты? Для целей этого эссе я составил эквиваленты НЧ и ВЧ-головок с довольно типичными, ожидаемыми в реальной жизни параметрами.

Рис. 4. Импеданс эквивалентов реальной нагрузки

На рис. 4 — кривые их импеданса. В чём типичность: гипотетический мидбас — головка с резонансной частотой около 70 Гц (что, в общем-то, сейчас неважно) и довольно высокой индуктивностью звуковой катушки. А вот это — важно и типично для диффузорных НЧ/СЧ-головок. Пищалку я условно взял с резонансной частотой 650 Гц, что удобно для наших опытов, это всего на 2/3 октавы ниже запланированной частоты раздела. Резонансный пик — как у пищалки без демпфирования феррожидкостью, это отягчающее обстоятельство для кроссовера, индуктивность — умеренная, на практике часто бывает ещё ниже.

Рис. 5. Параллельный кроссовер на реальной нагрузке

Как сработают наши фильтры-близнецы на такой нагрузке? Вот тут они и перестанут быть близнецами. На рис. 5 — АЧХ звеньев параллельного кроссовера и результат их суммирования, пунктиром показано, как должно было быть в идеале. В реале на АЧХ фильтра ВЧ вылез горб на частоте резонанса пищалки, он немедленно отразился на суммарной АЧХ, но это бы ещё ничего. Посмотрите, насколько упала эффективность ФНЧ оттого, что с ростом частоты импеданс его нагрузки (звуковой катушки мидбаса) растёт. Крутизна спада АЧХ, и так невеликая, ещё уменьшилась, а уже через октаву после частоты раздела фильтрация как таковая прекратилась. Суммарная АЧХ, как нетрудно заметить, слёзы да и только. Да, тут многие скажут: на то и придуманы цепи Цобеля, чтобы компенсировать индуктивность головки, при фильтрах низких порядков без Цобеля — кранты. Но ведь у нас пока одна индуктивность и одна ёмкость, попробуем что-нибудь сделать, оставаясь в рамках этого арсенала. Вот тот же набор АЧХ, но для последовательного фильтра (рис. 6).

Рис. 6. Последовательный кроссовер на реальной нагрузке

Посмотрите, совсем другой коленкор, почему, спрашивается? А потому: то, что было препятствием в работе параллельного фильтра, стало фактором повышения эффективности у последовательного. Мешала индуктивность НЧ-головки, а здесь, если вернуться к нашей аналогии с кранами, пропускающими (или задерживающими) различные частотные составляющие, когда с ростом частоты растёт сопротивление мидбаса, сигнал с ещё больше охотой идёт в обход, через ёмкость. Почему это не происходит в цепи пищалки, где эффект был бы обратным? Да потому, что в реальной жизни пищалок с большой индуктивностью нет.

А теперь — самое главное: как при замене резисторов эквивалентом реальных головок изменилась суммарная АЧХ? А никак. В этом — основное свойство последовательных фильтров, отсюда и название того, исторического, доклада Смолла: «Constant-Voltage Crossover Network Design». При любых обстоятельствах сумма напряжения на мидбасе и пищалке будет равна входному, то есть напряжению на выходе усилителя.

Давайте сделаем такой опыт: пусть по какой-то причине сопротивление нагрузки одного из звеньев кроссовера оказалось отличным от расчётного. Ну мало ли, другой динамик подоткнули или у этого из-за нагрева возросло сопротивление звуковой катушки. Для ясности снова вернёмся к идеальной, омической нагрузке, потом, если захотите, покажу то же самое на реальной.

Рис. 7. Параллельный кроссовер, переменная активная нагрузка

На рис. 7 — результаты опыта с параллельным фильтром. Звено ФВЧ о происходящем в соседнем, ФНЧ, вообще ничего не знает, потому у него АЧХ остаётся неизменной. А у ФНЧ меняется (кривые соответствуют изменению нагрузки от 6 до 12 Ом), при этом двигается частота раздела, а суммарная АЧХ уже далеко не столь совершенна, как в случае расчётной нагрузки.

Рис. 8. Последовательный кроссовер, переменная активная нагрузка

Делаем то же самое с последовательным фильтром (рис. 8). Здесь изменение сопротивления одной из двух нагрузок влияет на АЧХ в обоих звеньях фильтра, однако суммарная АЧХ стоит как вкопанная в силу уже упомянутого обстоятельства. Constant-Voltage, как и было сказано. Раз настаиваете, вот тот же опыт на эквивалентах реальных головок.

Рис. 9. Параллельный кроссовер, переменная реальная нагрузка

Рис. 9 — для параллельного кроссовера, фильтрация мидбаса не улучшилась, а при изменении омического сопротивления его звуковой катушки суммарная АЧХ меняется очень заметно.

Рис. 10. Последовательный кроссовер, переменная реальная нагрузка

Рис. 10 — случай последовательного кроссовера, остальные условия — те же. В известных (и не катастрофических) пределах меняются обе составляющие АЧХ, сумма, как и прежде — кремень. Как видите, уже два практических результата мы имеем. А если ещё копнуть?

Кроссоверы Radiotehnika S-400M

Разобрали колонки во второй части, посмотрели – из чего они сделаны и как устроены. Интересно было увидеть кроссовер – о нем и пойдет речь дальше.

Ниже несколько фото кроссоверов, которые удалось найти в интернете и мой вариант заводского кроссовера. Как оказалось, от партии к партии вносились “изменения”. Видимо что то с поставками конденсаторов было не совсем гладко. Иначе как объяснить, что они на всех фото – от разных производителей.

Фильтры построены по классической параллельной схеме, ещё их называют «лестничными», об этом чуть ниже.

фото из интернета. Первая версия компонентов заводского кроссовера Radiotehnika s-400m

Как видно, конденсаторов нужной емкости не удавалось найти и “лепили” то что нашлось. Даже похоже на конденсаторы советских времен. А может это они и есть?

фото из интернета. Вторая версия компонентов заводского кроссовера Radiotehnika s-400m

Тут та же история – разнобой. Ну и сам монтаж – не отличается дизайном от тех, советских колонок s-90.

фото моего кроссовера. Третья версия компонентов заводского кроссовера Radiotehnika S-400M

В этом кроссовере, что достался мне, тоже разнобой с конденсаторами. И всё тот-же монтаж на пластинах из советского гетинакса. Хотя в то время другие производители использовали ещё и фанеру, а почему бы и нет.

Современная Radiotehnika S-400M – не далеко ушла в перед по дизайну своих кроссоверов, в отличии от товарищей из поднебесной. У китайцев сейчас практически все кроссоверы собираются на фольгированном текстолите, дорожки и обычная пайка. Всё красиво. Это если учитывать тот момент, что не все производители вообще делают какие-либо кроссоверы по расчетам. Бывает так, что роль кроссовера выполняет полярный конденсатор на ВЧ динамике.

Не будем спорить – качество расчета кроссоверов у китайцев такое же – грустное, как и правильность расположения дросселей фильтров.

Странная ситуация! Почему-то, часто, после доработки только кроссоверов появляется звук, который можно было рассчитать и получить ещё на стадии проектирования АС. Но почему это происходит не на заводах, где сидят профессионалы, с соответствующей аппаратурой и рассчитывают все параметры фильтров такими, какие они должны быть? Вопрос-загадка.

Греческая письменность

Есть такая греческая буква, называется «зета», пишется вот так: ζ. Мощная буква, с её помощью можно сделать немыслимое: пользуясь всё тем же арсеналом частотно-зависимых элементов (одна индуктивность и одна ёмкость) строить кроссоверы с очень разными характеристиками. Для этого чудную букву мы вставим в уже приводившиеся формулы. Вот так:

L = ζ Rн/(2π Fo)

С = 1/ζ (2π Fo Rн).

Всё, что было раньше, предполагало, что ζ = 1. Именно в этом случае на резистивной нагрузке параллельный и последовательный кроссоверы оказываются близнецами. А если греческий символ будет равен чему-нибудь другому? На это параллельный и последовательный кроссоверы будут реагировать совершенно по-разному. Если, скажем, менять ζ в диапазоне от 0,5 до 2 и выбирать номиналы элементов согласно этим значениям, с параллельным кроссовером произойдёт то единственное, что может произойти. При ζ > 1 индуктивность будет больше расчётной, частота среза ФНЧ снизится, частота среза ФВЧ при уменьшенной (по формуле) ёмкости, наоборот, повысится.

Рис 11. Параллельный кроссовер при различных значениях ζ

Формы АЧХ фильтров (рис. 11) останутся неизменными, а на суммарной АЧХ появится вполне ожидаемая «яма». При ζ < 1 всё наоборот, кривые ФНЧ и ФВЧ сблизятся, на сумме — горб на частоте раздела.

Рис 12. Последовательный кроссовер при различных значениях ζ

Проделаем то же самое с последовательным кроссовером (рис. 12). Как вам такое? Частота раздела — не шелохнулась, она в последовательном кроссовере исчерпывающим образом определяется величиной произведения L и С по известной формуле колебательного контура:

Fo = 1/2 π(L C)1/2,

а оно при изменении останется неизменным. Зато будет меняться добротность контура, в результате форма АЧХ сигнала на ВЧ и НЧ-нагрузках будет существенно меняться. При ζ > 1 (большая индуктивность, маленькая ёмкость) контур выйдет сильно демпфированным, АЧХ звеньев — иметь крутизну даже меньше 6 дБ/окт., область совместной работы головок станет широкой. Однако, как вы уже могли догадаться, суммарная АЧХ — снова горизонтальная прямая. При ζ < 1 добротность контура возрастёт, при этом будет неуклонно возрастать крутизна спада АЧХ составляющих кроссовера. При ζ = 0,7 она достигнет 9 дБ/окт., а при ζ = 0,5 — всех 12 дБ/окт., фильтр первого порядка при этом становится сравним с фильтром второго. В качестве доказательства: на рис. 13 — АЧХ кроссовера второго порядка с фильтрами Баттерворта и АЧХ последовательного кроссовера на ту же частоту при ζ = 0,5.

Рис. 13. Сравнение с кроссовером 2-го порядка типа Баттерворта

Обратите внимание на горб высотой 3 дБ на суммарной АЧХ кроссовера второго порядка, таково его свойство: либо глубокий провал на частоте раздела (при синфазном подключении головок), либо невысокий горб — при противофазном.

Рис. 14. Сравнение с кроссовером 2-го порядка типа Линквица — Райли

Такого горба нет у фильтра типа Линквица — Райли (рис. 14), здесь сопоставимой крутизны спада до уровня -15 — 20 дБ удалось достичь даже при менее решительном значении ζ. И вновь, для проверки, заменим резисторы эквивалентом реальных головок (рис. 15).

Рис. 15. Сравнение с кроссовером 2-го порядка на реальной нагрузке

Столкновение с реальной жизнью тщательно (но теоретически) рассчитанному Баттерворту, как можно видеть, на пользу не пошло, а основанный на столь же теоретических расчётах и даже прощающий ошибки в определении, например, импеданса головок, последовательный фильтр сработал от «не хуже» до «лучше», в зависимости от того, на что смотреть.

За счёт чего даётся последовательному фильтру такая гибкость, где-то и чем-то придётся же расплачиваться? В принципе — да, но кое-что из расплаты — недорого, а другое может оказаться не расплатой, а премией, если применить к месту. Расплата первая: чем ниже ζ, то есть чем выше крутизна спада АЧХ фильтров, тем ниже падает импеданс на входе кроссовера вблизи частоты раздела, физические объяснение этому такое: при малых значениях ζ последовательный колебательный контур, образуемый двумя компонентами кроссовера, оказывается слабо демпфированным нагрузкой и начинает проявлять свойственный ему последовательный резонанс. Масштабы проблемы — на рис. 16, это — для идеальной, резистивной нагрузки.

Рис. 16. Зависимость входного сопротивления от ζ на активной нагрузке

Если при ζ = 1 импеданс на входе кроссовера не зависит от частоты и равен сопротивлению нагрузки НЧ и ВЧ-звена, то при предельно (на практике) низком значении ζ = 0,5 импеданс на частоте раздела снизится вдвое. При ζ > 1 — повысится, но этот случай нам меньше интересен. Случай реальной нагрузки — на рис. 17.

Рис. 17. Зависимость входного сопротивления от ζ на реальной нагрузке

Второе: знаменитое «А фаза?!.» В идеальном случае (резистивная нагрузка, ζ = 1), сдвиг фазы между выходами НЧ и ВЧ всюду равен 90 градусов, как и у параллельного фильтра, оттого им и фиолетово, в какой полярности подключены головки. При иных значениях ζ величина разности фаз сигналов НЧ и ВЧ будет меняться от частоты, на рис. 18 показано как, при крайних значениях греческой буквы.

Рис. 18. Разность фаз между выходами кроссовера при различных ζ

В умелых руках это не баг, а фича, здесь полярность включения начинает играть роль, а значит, появляется и дополнительный инструмент настройки (вспомним, если кто забыл, это про устройство, состоящее из двух деталей!). Кстати, кому этого мало, может добавить третью. Схема модифицированного кроссовера приведена на рис. 19.

Рис. 19. Схема модифицированного кроссовера

Здесь «поперечина», идущая к точке соединения конденсатора и катушки, заменена резистором RS. Почему «S» — узнаете. Выяснилось (не без некоторого удивления), что даже при небольших номиналах этого резистора, составляющих 5 — 15 % от сопротивления головок (в нашем случае 0,5 — 1,5 Ом), АЧХ звеньев фильтра заметно меняется, напоминая АЧХ так называемых «странных фильтров», нашедших применение в кроссоверах второго порядка (рис. 20).

Рис. 20. АЧХ кроссовера со «странным» резистором

Рис. 21. Зависимость фазового сдвига от значения RS

Суммарная АЧХ последовательного кроссовера от значения «странного резистора» RS, как обычно, не зависит, а вот фазовый сдвиг — зависит (рис. 21), значит — есть ещё одна степень свободы. Впрочем, кого ломает добавлять лишний элемент в элегантную простоту последовательного кроссовера, может попробовать что-нибудь отнять…

Сравнительные особенности

То есть, активный сабвуфер – это пассивный сабвуфер с усилителем мощности, который располагается внутри или снаружи корпуса. И если в случае активного сабвуфера о нас уже позаботился разработчик, то к пассивному сабвуферу усилитель придется покупать отдельно. При этом иногда в продаже встречаются и наборы, состоящие из пассивного сабвуфера, отдельного усилителя мощности, подобранного производителем, а также набора проводов для подключения.

И для активных и для пассивных сабвуферов (отдельный сабвуферный динамик также можно назвать пассивным сабвуфером, разве что он идет без корпуса) используются конструкции корпусов – закрытый ящик (полностью герметичный объем для динамика) и фазоинверторный ящик (в ящике предусмотрен отводной порт или щель). Также в пассивных сабвуферах часто используется конструкция ящика Bandpass (ящик разделен на два объема и предусмотрена более сложная конфигурация отводных портов), которая очень редко используется в активных сабвуферах. При этом у активных сабвуферов часто встречаются конструкции в компактном исполнении (достигается наименьший объем конструкции), которые, конечно же, не используются в пассивных сабвуферах.

Установка и пассивных и активных сабвуферов (не учитывая компактное исполнение) производится в багажник автомобиля, вне зависимости от кузова. Компактные активные сабвуферы, как правило, устанавливаются на спинку задних сидений или под сиденье автомобиля.

А теперь о самом главном – о преимуществах и недостатках активных и пассивных сабвуферов. Рассмотрим три основных аргумента, которые в большей степени интересуют автовладельцев – стоимость, компактность установки и возможный конечный результат.

Активный или пассивный / Сравнение стоимости оборудование и установки

Как правило, стоимость активных сабвуфер несколько выше, чем пассивных, что обусловлено наличием встроенного усилителя мощности. Но благодаря тому, что для пассивного сабвуфера необходимо приобретать отдельный усилитель мощности, а также устанавливать его, то стоимость оборудования и установки пассивного сабвуфера оказывается выше, чем у активного сабвуфера.

Активный или пассивный / Сравнение компактности установки

Производители стараются сделать корпус для активного сабвуфера как можно компактней, даже с учетом места под усилитель. Это уже не говоря об активных сабвуферах в компактном исполнении, которые вообще не занимают хоть сколько-нибудь существенный объем свободного места. То есть пассивные сабвуферы занимают больше свободного места (хотя и не всегда), тем более что некоторое место требуется и под установку усилителя мощности.

Активный или пассивный / Сравнение конечного результата

В большинстве своем, активный сабвуфер используется как доигровка к основной звуковой сцене. То есть он привносит некоторую низкочастотную составляющую, но какой-то ощутимой акцентуации на ней не происходит. При этом пассивная система позволяет добиться от звучания сабвуфера необходимых характеристик – качества, мощности, глубины баса. И хотя имеются весьма неплохие активные системы, но все они весьма дорогостоящи, что перечеркивает вышеперечисленные преимущества подобных сабвуферов.

Для чего нужен сабвуфер

«Саб» – конструкция, отвечающая за воспроизведение низкочастотных басов, имеющих большую мощность и высокое давление. Как правило, сабвуфер устанавливают тогда, когда уже установлен полный набор динамиков.

Сабвуфер отличается от обычного динамика некоторыми характеристиками. Кроме внешних различий, можно отметить диаметр диффузора, здесь он крупнее. Сабвуфер рассчитан на воспроизведение музыки в диапазоне 10–150 Гц.

Качественная аудиосистема может воспроизводить широкий диапазон частот, воспринимаемых человеком. Но добиться такого звучания использованием только динамиков невозможно. Поэтому сабвуфер устанавливают тогда, когда звучания штатных колонок становится недостаточно, хочется низкочастотных басов. Стоит понимать, что сабвуфер – дополнительная часть к установленной в автомобиле системе динамиков, и без них его установка бессмысленна.

Модели с одним динамиком

Колонки с одним динамиком являются очень распространенными. Чтобы собрать модель, придется в первую очередь заняться корпусом. С этой целью часто используется фанера. В конце работы ее придется обшить. Однако в первую очередь следует изготовить боковые стойки. Для этой цели придется воспользоваться лобзиком. Динамик для колонки можно подобрать небольшой мощности.
Внутренняя сторона фанеры в обязательном порядке прошивается виброизоляционной лентой. После закрепления динамика фиксируется уплотнитель. С этой целью используется клей. Далее останется лишь прикрепить диффузор. Некоторые для него изготавливают отдельную полку и фиксируют стогующими шурупами. Чтобы подсоединить динамик к штекеру, устанавливается клеммник. Как включить колонки? С этой целью используется кабель от клеммника, который должен вести к источнику питания.

Низкочастотные акустические системы

Конструктивные особенности профессиональных сабвуферов или какими параметрами руководствоваться при выборе сабвуфера

Из данной статьи вы можете узнать в каких комплектах звукового оборудования необходимо использовать сабвуферы, ознакомиться со существующими типами сабвуферов и преимуществами их применения. В каких звуковых комплектах необходимо использовать сабвуферы В звуковых комплектах, где важна убедительная передача низких частот и усиленное эмоциональное воздействие обязательно используются сабвуферы. Примером таких звуковых комплектов могут служить: звуковое оборудование для дискотек, звук для просмотра фильмов со спецэффектами и, конечно, концертное оборудование. Также мы рекомендуем для усиления эмоционального воздействия на посетителей использовать сабвуферы в комплектах звукового оборудования для торговых залов и ресторанов. Сабвуфер насыщает звучание низкими частотами, делая звучание более полноценным и комфортным.

Какие головные устройства выбирать?

по размеру установки: 1 DIN и 2 DIN — это международные стандарты размеров принятые производителями с 1984г. — 1 DIN — размер 178×50 мм; — 2 DIN — размер 178×100 мм. Также существует промежуточный формат 1,5 DIN с габаритами 178×75 мм. Данный стандарт не получил широкого распространения. Что касается глубины магнитол, то здесь производители ограничены только здравым смыслом. Однако в среднем глубина магнитол составляет 160 мм. Большинство авто-производителей предусматривают в своих автомобилях установку магнитолы одного формата, однако модели с гнездом для магнитолы 2DIN дают возможность поставить магнитолу 1DIN — для этого достаточно установить переходную рамку.
Не все производители перешли на стандарт DIN, и продолжают устанавливать на свои автомобили штатные магнитолы с непредусмотренными стандартом размерами. Поэтому при замене нестандартной штатной магнитолы на магнитолу 1DIN или 2DIN необходимо использовать переходную рамку.

Для автомагнитол 2 DIN можно выбрать как с простым секторальным дисплеем, так и мультимедийную с сенсорным дисплеем. Еще раз повторимся на качество звука будет влиять элементная база — детали из которых собрана магнитола. Скажем: 1Din — в качественном исполнении может звучать на порядок лучше китайской 2 DIN мультимедийной с навигацией, камерами, видео-регистратором и прочими «вкусностями».

Если вопрос стоит о качестве звука и камере заднего вида или нескольких камерах, навигации — тогда ваш выбор однозначно на мультимедийных станциях, которые многое что умеют помимо воспроизведения качественного звука. Кстати они могут быть и с размером 1 DIN ( экран при этом может «заезжать — выезжать» внутрь автомагнитолы).

Усилители —

Современную качественную автомобильную аудиосистему невозможно представить без усилителя и на это есть несколько причин. Он улучшает качество звучания музыки даже при негромком прослушивании, за счёт того, что уровень искажений у него намного меньше, чем у усилителя, встроенного в магнитолу. Без усилителя невозможно достичь естественного звучания в автомобиле. Автомобильные усилители оснащены большим количеством встроенных фильтров и регулировок, позволяющих точно настроить многополосную систему. Такие системы также требуют замены штатной аудио-проводки на более качественную, разработанную специально (с низким сопротивлением в определенном диапазоне передаваемых частот).

Как выбрать сабвуфер в машину: активный или пассивный?

Одно из основных делений сабвуферов на группы предполагает ориентацию на наличие или отсутствие усилителя. По этому критерию выделяют:

Большей популярностью пользуется активный сабвуфер. Он хорошо подходит для ритмичной и танцевальной музыки, оставляя за пользователем право свободно настраивать звучание. Именно этот тип сабов рекомендуется покупать новичкам и тем, кто не хочет тратить много времени на поиски отдельных компонентов.

Пассивные модели следует выбирать либо под уже имеющийся свободный усилитель, либо ценителям музыки, которые хотят получить максимально объемное и качественное звучание. Но следует учитывать – желаемого результата получится достичь, лишь грамотно собрав систему, а для этого может потребоваться помощь профессионалов.

Как сделать самостоятельно

Самостоятельно изготовить кроссовер сложно. Автовладельцы часто сталкиваются с тем, что даже в дорогой акустической системе двухполосного фронта отсутствует это устройство. Чтобы создать элемент в домашних условиях, потребуется:

• силиконовый герметик;
• удобный паяльник;
• термоусадочная трубка;
• хороший клей;
• фольгированный стеклотекстиль;
• прибор для измерения индуктивности;
• хлорное железо.

В некоторых случаях нужно подготовить провода, чтобы соединить все детали. Самодельное устройство изготавливают следующим образом:

• наматывают медную проволоку толщиной 1 мм на катушку индуктивности;
• берут для основы ферритовый сердечник, уменьшающий вес конструкции и ее габариты;
• измеряют индуктивность с помощью прибора;
• изготавливают плату из фольгированного стеклотекстиля, проделав в нем отверстия для провода и разных деталей;
• протравливают плату в хлорном железе;
• прикрепляют к плате конденсаторы и катушку индуктивности с помощью клея;
• соединяют акустические провода, используя паяльник с тонким жалом и соблюдая полярность во время подключения;
• обтягивают готовое изделие термоусадочной трубкой, края которой покрывают слоем герметика для повышения надежности.

Если соблюдать последовательность действий, то можно самостоятельно собрать кроссовер с минимальными затратами на покупку необходимых материалов и инструментов.

Что такое сабвуфер и чем он отличается от обычной колонки?

Сабвуфер – это специально разработанное устройство, которое решает одну простую задачу: воспроизведение низких частот. Человеческое ухо начинает воспринимать вибрации от 20 Гц. У особо чувствительных личностей этот показатель может быть ниже.

Проблема обычных колонок в том, что они технически не способны качественно воспроизводить низкие частоты. Несмотря на то, что указанные в документации параметры гласят, что рабочий диапазон составляет, например, 20-45000 Гц, на практике двухполосная акустика звучит несколько плоско. Происходит это по следующим причинам:

1. Ни одно устройство не способно показывать одинаковую эффективность на всем диапазоне возможных частот. По краям обязательно происходит провал АЧХ. Большинство современных устройств не способны качественно воспроизводить частоты до 400 Гц.
2. Диаметр динамиков двухполосных колонок недостаточен для резких бросков давления. Этот параметр и формирует сочный и густой бас.
3. При работе широкополосного динамика резко сужается частотный диапазон. Сигнал усредняется из-за инерции мембраны, недостаточно быстрой реакции катушки. В результате добиться сочных басов просто нереально.

Характеристики сабвуфера четко показывают, чем он отличается от динамика. Во-первых, у устройства принудительно обрезан рабочий частотный диапазон. У среднестатистической модели сабвуфера он находится в пределах 40-200 Гц. Во-вторых, изделие оснащается действительно большим звукоизлучателем. Диаметр мембраны может составлять 30-50 см для моделей для домашнего пользования и доходить до метра у сценичных сабвуферов.