Каждый современный динамик довольно ограничен в своих возможностях, так как не способен воспроизвести весь спектр звуковых частот. Его эффективная работа определена определенным диапазоном воспроизводимых частот, причем ширина этого диапазона довольно небольшая. Ограничения по частоте связаны с резонансной частотой подвижной системы его конструкции (верхняя граница) и механическими свойствами диффузора, такими как масса и жесткость (нижняя граница). Звук, выходящий за пределы частотного диапазона динамика, искажается, либо существенно снижается звуковое давление. Напомним, что человеческое ухо воспринимает звуковые сигналы частотой 20 -20 000 Гц, это довольно широкий диапазон и он точно шире диапазона, который может выдавать любой динамик. Выход есть: использовать несколько динамиков! Гениально, правда? Осталось только разделить весь диапазон звукового сигнала на диапазоны для отдельных динамиков, входящих в акустическую систему. И в этом нам помогают кроссоверы звука.
Что такое кроссовер звука? Это встроенное или отдельное устройство, призванное разделять звук на частотные диапазоны для определенных типов динамиков. Это своего рода фильтр, который отсекает ненужные частоты, пропуская только определенный диапазон. Дело в том, что конструкция динамиков предполагает их работу на определенной частоте, иначе звуковая картина портится, либо динамики просто могут выйти из строя. Например, твитер рассчитан на воспроизведение высоких частот и подача сигнала низкой частоты, да и еще и высокой мощности может привести к тому, что динамик просто «сгорит». Поэтому следуем простому правилу: на высокочастотные динамики подаем высокие частоты, на низкочастотные -низкие, а на среднечастотные (мидвуферы) – средние. Всё просто, не так ли? Осталось только разделить входной сигнал по соответствующим частотным диапазонам. Этим и занимается кроссовер.
Кроссовер представляет собой пару электрических фильтров, обрезающих «лишние» частоты. Поэтому основной характеристикой фильтра является частота среза – это минимальная частота пропускаемого сигнала, частоты ниже будут фильтром срезаны. Например, частота среза двухполосного кроссовера 1000 Гц означает, что один фильтр кроссовера (high-pass фильтр) пропускает только частоты выше 1000 Гц, остальные срезает, другой фильтр (low-pass) наоборот, пропускает частоты ниже 1000 Гц, срезая высокие. Трехполосные кроссоверы имеют еще и среднечастотный фильтр (band-pass), пропускающий только средний диапазон частот.
На графике частоты среза кроссовера можно определить как точки пересечения двух или трех кривых.
Кроссовер – это…
Я не ожидал, что столько значений у этого слова – кроссовер. Вот некоторые понятия.
- Это организм или какая-то там молекула ДНК. Что-то связанное с наукой о ДНК…
- В спорте, это тренажёр для силового тренинга. Огромный силовой станок для занятия бодибилдингом.
- Это точка минимального сечения электронного пучка в электронном микроскопе. Ни когда об этом и не догадывался..
- Тип автомобиля – это точно всем известное понятие. Промежуточный вариант между простым легковым автомобилем и внедорожником.
- Кроссовер – это такая музыка, в которой происходит смешение нескольких разных стилей.
- Такое понятие есть и в компьютерных технологиях. Так называют провод для прямого соединения сетевых карт двух компьютеров.
- Разделительный фильтр звуковых частот (например, фильтр многополосной акустической системы). Вот это наш вариант!
Пролог, очень коротко.
Сидим дома, слушаем музыку, наслаждаемся. Потом, проходит немного времени, и очень часто, начинаем задумываться о технических моментах. Как получается звук из колонок? Как и чем он там с диска или флешки обрабатывается? Почему одни колонки играют красиво, а другие как пластиковая коробка? Что такое находится в колонках, кроме красивых динамиков – какие-то проводки на катушках, трубочки и всякая всячина непонятная, для чего они там?
По любому, владельцы акустики, не от музыкального центра, знают, что такое динамики, какие бывают. Так же, они понимают уже, какой динамик какую частоту играет и как он называется, к примеру – твитер, мидвуфер, мидбас.
А кроме динамиков, в акустике всегда установлен фильтр, который способен разделять весь частотный спектр на две или три части и направить нужную часть на соответствующий динамик. Это как раз – кроссовер.
Что такое акустические кроссоверы? Попробуем немного прояснить этот вопрос – что такое находится в наших домашних акустических системах (колонках), что такое – кроссовер?
Куда ставится
Учитывая того, что кроссовер не может быть установлен в любое место, следует отметить те места, которые подходят для установки динамиков и усилителей.
Требования к местам монтажа:
- Отсутствие каких-либо подтеканий или сырости;
- Свободный и комфортный доступ как для подключения, так и для настройки;
- Отличные показатели циркуляции воздушных потоков для обеспечения охлаждения;
- Отсутствие каких-либо неудобств или помех, которые так или иначе связаны с эксплуатацией транспортного средства;
- Хороший визуальный внешний вид.
Чаще всего это такие места, как:
- Спинки сидений (задних);
- Задняя полка (компрессор может быть расположен как снизу, так и сверху);
- Под сидениями (передними);
- Под полом багажника (в том случае, если конструкция транспортного средства это позволяет.
Разделительный фильтр – кроссовер
Начнем по порядку. Как подсказывает Вики, кроссовер, это по сути фильтр. Фильтр – устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и подавления нежелательных частот. Как то сформулировано не понятно. Попробуем иначе.
Кроссовер в акустических системах – это устройства, которые создают определённые границы диапазонов частот для динамиков. Практически все динамики сконструированы специально так, чтобы работать в определенном частотном диапазоне.
К примеру, низкочастоные динамики могут играть и от 10 до 2500 Гц, но качественного звука на частотах 1000-1500 можно и не получить. Для этого существуют другие динамики – среднечастотного диапазона. Они уже могут играть от 200 и до 8000 Гц, но на предельных частотах уже точно будут искажения. С самыми высокими частотами спокойно могут справиться высокочастоные динамики, у которых диапазон может быть от 2000 до 20000 Гц и выше.
Все динамики очень не любят играть “чужие” частоты. Это не относится к широкополосным динамикам, там другая ситуация.
Если на высокочастотный динамик (знающие его называют “твитер”) подать низкую частоту, то звуковая картина будет просто ужасна. И если он будет играть достаточно долго и ещё на большой мощности, то твитер просто “сгорит” (иначе – сломается и перестанет работать). Высокочастотные динамики должны работать только с высокими частотами.
В свою очередь, низкочастотные динамики должны отыгрывать только низкочастотный диапазон. Оставшаяся средняя полоса, будет корректно воспроизведена среднечастотными динамикам (их ещё называют – мидвуферы).
Здесь сделаем предварительный вывод.
Задача кроссоверов состоит в том, чтобы разделить звуковой сигнал на нужные частотные диапазоны для соответствующих типов динамиков. Вот и вся наука! Но в действительности, это ещё не всё.
Плюсы и минусы
Кроссоверы активного типа
Плюсы:
- Удобство в процессе эксплуатации;
- Переключатели выводятся непосредственно на корпус.
Минусы:
- Слишком дорогая стоимость;
- Потребность кроссоверов активного типа в усилителях для каналов;
- Наличие в работе искажений, которые возникают из-за работы элементов данных устройств.
Кроссоверы пассивного типа
Плюсы:
- Разделение сигналов на системы с несколькими полосами, причем для этого достаточно всего лишь два усилительных канала;
- Небольшая стоимость.
Минусы:
- Невозможность настройки без непосредственного вмешательства во всю схему обеспечения электричеством;
- Подбирают согласно используемым полосам системы акустики;
- Настройка, выбор и установка – это те процессы, которые требуют профессиональных знаний и опыта.
Как работает кроссовер?
Посмотрим на картинку (взята с просторов интернета – очень наглядно всё показано).
Схема, примерно, показывает работу трёх фильтров, которые настроены на срезы частот – 500 Гц и 4500 Гц. Такой кроссовер нужен для трехполосной акустики. Коротко попробуем описать, что тут изображено.
Первый фильтр – фильтр нижних частот (ФНЧ – Low Pass), настроен на частоту 500 Герц. Это означает, что фильтр пропускает частоты до 500Гц, а остальные просто срезает, не дает им попасть на низкочастотный динамик (назовем – красный коридор).
Второй фильтр – фильтр средних частот (ФСЧ – Band Pass), он срезает все частоты до 500 Гц и все после 4500 Гц. Иначе сказать, фильтр не позволяет частотам ниже 500 Гц попасть на СЧ динамик. Так же, фильтр не позволяет попасть на динамик и высоким частотам от 4500 Гц. (назовем – синий коридор).
Третий фильтр – фильтр высоких частот (ФВЧ – Hi Pass). Он пропускает на высокочастотный динамик только частоты, которые выше 4500 Гц. (зеленый коридор).
Особенности настройки
Чтобы в результате получить качественный автозвук, необходимо правильно подобрать частоту среза. При использовании активного трех полосного кроссовера следует определить две частоты среза. Первая точка будет обозначать грань между низкой и средней частотой, вторая – границу между средней и высокой. Владельцу автомобиля перед подключением кроссовера необходимо всегда помнить о том, что необходимо правильно подбирать частотные характеристики динамика.
Ни в коем случае не следует подавать на них частоты, на которых они попросту не смогут нормально работать. В противном случае это приведет не только к ухудшению качества звучания, но и к уменьшению срока эксплуатации.
Схема подключения пассивного кроссовера
Порядок фильтра
Это понятие – неотъемлемая часть кроссовера, но понять это не совсем просто. Что это означает? Чисто научным языком – это отношение интенсивности выходного сигнала (dB) кроссовера к частоте входного сигнала при условии, что интенсивность входного сигнала постоянна. Порядок фильтра или чувствительность на прямую зависит от крутизны среза. Обычно, чувствительность (крутизну среза) характеризуют как отношение (децибел/октава – dB/octave).
На картинке выше, в виде цветных линий, которые расположены не горизонтально, под неким, разным углом, показывается крутизна среза в отношении интенсивности (Дб) к частоте (Гц).
Чисто математически, чувствительность кроссоверов всегда кратна 6 децибелам на октаву (6 dB/octave).
В аудиосистемах применяются кроссоверы, которые подразделяются на четыре порядка фильтров.
- кроссовер первого порядка имеет чувствительность – 6 децибел на октаву;
- второго порядка – 12 децибел на октаву;
- третьего порядка – 18 децибел на октаву;
- четвертого порядка – 24 децибела на октаву.
Разберёмся с порядками фильтра
Рассмотрим фильтр низких частот (low-pass), как фильтр третьего порядка, с частотой среза равной 100 Гц.
Мы уже понимаем, что фильтр настроенный на частоту 100 Гц будет пропускать только частоты ниже 100 Гц, а все частоты выше 100 Гц – будет “вырезать” из звукового спектра. Иначе сказать, все частоты, выше 100 Гц будут гасится кратно 18 dB, в зависимости от октавы, в которую они входят, так как это фильтр третьего порядка.
Скажем, частота 200 Гц – это первая октава, выше частоты среза, будет заглушаться на 18 Дб. А интенсивность частоты 400 Гц – это вторая октава, уже упадет на 36 Дб. Третья же октава 800 Гц уже потеряет свою активность на 54 Дб. И так далее. Все последующие октавы будут ослабевать – кратно 18 Дб.
Фильтр низких частот (low-pass), как фильтр первого порядка с такой же частотой среза – 100 Гц, будет менее чувствительный. Он будет делать то же самое, что и фильтр третьего порядка (18 децибел на октаву), но октавы там будут ослабевать всего на 6 Дб.
Порядок фильтров в картинках
Если проще, то в картинках будет понятнее и нагляднее, как фильтры “срезают” частоты. Например, фильтр с частотой среза 2000 Гц.
Фильтр первого порядка понижает интенсивность каждой октавы на 6 Дб. Спады и подъемы получаются плавные. Они имеют большой охват частот и слева и справа от основной частоты среза. Динамики смогут отыгрывать не только “свой” диапазон, но и “чужой”, который будет с более низким уровнем интенсивности. Плюс этого фильтра – отсутствие фазового сдвига между твитером и другим динамиком. Что такое “фазовый сдвиг” – разберем в другой статье – вот здесь.
Фильтр второго порядка понижает интенсивность каждой октавы на 12 Дб. Спады и подъемы получаются значительно круче. Но динамики будут играть и “свои” и “чужие” частоты в уже более узком диапазоне частот. Но есть минус – фильтр даёт фазовый сдвиг в 180 градусов. Это означает, что будет наблюдаться асинхронный ход мембран твитера и другого динамика (в разные стороны). Что бы избежать этого, нужно поменять полярность подключения проводов на твитере.
Фильтр третьего порядка понижает интенсивность каждой октавы на 18 Дб. Срезы тут получаются очень крутыми. Такие срезы имеют хорошие фазовые характеристики при любой полярности динамиков. Но есть существенный минус. Появляются проблемы, связанные с динамиками, излучающими звук в разных вертикальных плоскостях. В этом случае не получится использовать временные задержки для устранения таких проблем.
Фильтр четвертого порядка – позволяет понизить каждую октаву на 24 Дб. Срезы получаются практически вертикальными. Это позволяет резко уменьшить взаимосвязь динамиков в области разделения частот. Фазовый сдвиг составляет 360 градусов. Это означает практически полное отсутствие сдвига. Но сам фазовый сдвиг здесь имеет непостоянную составляющую, что часто приводит к неустойчивой работе фильтра. Кроссовер четвертого порядка стараются не применять на практике. Но не всё так плохо.
Оптимизация фильтра четвертого порядка.
В 1978 году инженерам Зигрфридом Линквицем и Руссом Райли удалось оптимизировать конструкцию кроссовера четвертого порядка. В честь них и назвали электронный фильтр с бесконечной импульсной характеристикой – фильтр Линквица-Райли.
Этот кроссовер состоит из двух последовательно соединенных кроссоверов Баттерворта второго порядка для твитера, и тоже самое для басового динамика. Чувствительность их также равна 24 дБ на октаву, однако уровень выходного сигнала на каждом фильтре меньше на 6 дБ, чем уровень выходного сигнала кроссовера.
Фильтр Линквица-Райли не имеет фазовых сдвигов и позволяет проводить временную коррекцию для динамиков, не работающих в одной физической (вертикальной) плоскости. Эти кроссоверы по сравнению с другими конструкциями дают самые лучшие акустические характеристики.
Эпилог
Не просто разобраться в этих понятиях. Честно сказать, обычному любителю, который просто слушает музыку – это ни о чем особо не говорит. Конечно, практически любой меломан слышал, и наверняка знает, о наличии кроссоверов в его колонках. Но вникать в тонкости и нюансы будет далеко не каждый. Играет – и хорошо, и ладно!
Судя по информации, получаемой с сайтов, где люди изготавливают эти самые фильтры-кроссоверы, эта задача не из простых. Вроде-бы, нет ни чего сложного. Но каждый динамик имеет свои характеристики и “стандартный” кроссовер наверняка не подойдет к вашей акустике. Потому всё это занятие – изготовление кроссоверов, переходит в разряд инженерных разработок.
Расчет кроссоверов
Считаю, что расчет, подбор компонентов и сборка кроссоверов – это работа для профессионалов. Их не так уж и мало, но они не часто встречаются на улице, или по объявлению в интернете или газете. Их начинают разыскивать когда уже все варианты улучшения своего музыкального комплекса (специально подобранной звуковоспроизводящей аппаратуры) почти исчерпались.
У одних, просто, банально, закончились деньги, которые они могли тратить на улучшение и усовершенствование своей музыкальной аппаратуры, и они на этом остановились. Но идея их всё равно не оставляет – “улучшить!” Они начинают изучать, как можно без грандиозных вложений улучшить звук. И в конце-концов, приходят к мнению, что что-то не так с их колонками: “У друга почти такая же аппаратура – у него звучит, а у меня нет. В чем дело?”
Другие просто решили, что уже почти достигли совершенства. Дома установлена дорогая техника, усилитель весит под двадцать килограмм, проигрыватель винилов куплен не “за шапку сухарей”, пластинки не по 50 рублей, и акустика, вроде как, не самая простая. Но что-то им подсказывает, что они ещё могут что-то изменить и улучшить. Но как? Они начинают пробовать менять усилители, а потом и акустику. Но желаемого результата не получают.
Из практики..
Как показывает практика, акустика в заводском исполнении, с рассчитанными для этих колонок кроссоверами, звучит, но может звучать лучше. Конечно, достичь совершенства не получится. Предел совершенства у всех разный, как слух и восприятие звуков. Но получить изменения в звучании, своей же акустики, можно. Не всегда это является оправданным, из-за стоимости акустики.
Усовершенствовать старые S-90 можно и нужно. Уже столько опытов было поставлено по этому поводу! Затраты будут не такие уж и большие, а эффект можно получить очень значительный. Можно даже S-30 дорабатывать, и они будут радовать новым звуком. Имеет смысл заняться доработкой акустики от домашнего кинотеатра, которая стоит не дорого, но иногда может впечатлить своими звуковыми эффектами при просмотре фильма.
Но дорабатывать колонки, которые стоят четыре сотни тысяч рублей – имеет ли смысл? Разрабатывается дорогая акустика на фабрике очень тщательно и компоненты подбираются не из таблицы, а по факту измерений динамиков. Короче, в таких колонках кроссоверы, можно сказать, идеально подогнаны под объем колонок, под конкретные динамики. И потому, играть такие колонки, могут на все сто процентов. Но бывает не всегда так. Можно дорабатывать кроссоверы и в такой акустике.
Активные и пассивные
Еще одна классификация – это пассивные и активные. Главное отличие между этими двумя видами заключается в компонентах, из которых они состоят.
Активные состоят из таких компонентов, которым необходима постоянная работа питающих источников. Это, например, микроконтроллеры, усилители и другие элементы.
Что же касается пассивных, то они создаются из таких элементов, которые не нуждаются в питании, например, катушки, а также конденсаторы, резисторы.
Еще одно отличие заключается в том, что активные могут быть монтированы лишь перед усилителем, а у пассивных выбор больше – их можно монтировать и перед самим динамиком.
