Разделительные фильтры трехполосных громкоговорителей

Трёхполосные акустические системы, состоящие из трёх динамиков, являются самым удачным решением для высококачественного звуковоспроизведения. В них используются три типа звуковых головок. Они отличаются по размеру, конструктивным особенностям и полосе воспроизводимых частот. Для разделения всего частотного диапазона выдаваемого усилителем низкой частоты используются полосовые фильтры-кроссоверы. В них используются конденсаторы дроссели и, реже, резисторы.

Сделать своими руками фильтр для динамика НЧ очень просто.Основным элементом устройства является индуктивность или дроссель. Катушка включается последовательно с низкочастотным динамиком.

Фильтр для низкочастотного динамика

Фильтр нижних частот из дросселя и конденсатора большой ёмкости называется схемой Баттерворта второго порядка. Он обеспечивает спад частот выше частоты среза до 12 dBна октаву. Схема работает следующим образом. Индуктивность в LC контуре выполняет функцию переменного резистора. Его сопротивление прямо пропорционально частоте ивозрастает с увеличением диапазона. Поэтому высокие частоты практически не попадают на НЧ динамик. Такую же функцию выполняет и конденсатор. Его сопротивление обратно пропорционально частоте и он включается параллельно громкоговорителю.

Поскольку схема устройства должна хорошо пропускать низкие частоты и обрезать высокие, то конденсаторы такого устройства имеют большую ёмкость.Пассивный фильтр для динамика может быть выполнен по более сложной схеме. Если соединить две схемы Баттерворта последовательно, то получится устройство четвёртого порядка из двух индуктивностей и двух конденсаторов. Оно обеспечивает спад частотной характеристики низкочастотного громкоговорителя в 24 децибела на октаву.

Для того чтобы выровнять частотную характеристику и более точно согласовать схему Баттерворта и динамик, между катушкой индуктивности и конденсатором, включается резистор с небольшим сопротивлением. Для этой цели лучше использовать проволочные резисторы.

СОДЕРЖАНИЕ

В многополосных АС головки, предназначенные воспроизводить разные части частотного диапазона, включаются через так называемые разделительные фильтры. Их назначение заключается в том, чтобы пропускать к каждой головке напряжение только нужных частот.

Эти фильтры различают по крутизне спада за пределами высшей или низшей граничной частоты. Обычно применяют фильтры с крутизной спада 6, 12 или 18 дБ на октаву.

По схеме их разделяют на фильтры для двухполосных и трехполосных АС.

Исходными данными для расчета являются частота раздела и сопротивление головки в рабочей полосе фильтра. На Рис. 89,а, б, в приведены схемы фильтров с крутизной спада соответственно 6, 12 и 18 дБ/октава. В верхней части каждого из рисунков приводится схема фильтра для двухполосной АС, а в нижней — для трехполосной.

[/td]

На каждом рисунке приведена также формула для определения элементов этих, фильтров.

Рис. 89. Схемы разделительных фильтров

Емкости индуктивности и сопротивления соответственно даны в фарадах, генри и Омах. Конденсаторы фильтров выбирают из номенклатуры выпускаемых промышленностью изделий.

Больше всего подходят для разделительных фильтров конденсаторы типа МБГО параметры которых приведены в приложении 6.

Что касается катушек индуктивности, то их изготавливают путем намотки без железного сердечника во избежание искажений, обусловленных перемагничиванием.

Практически оптимальная в смысле максимума отношения индуктивности катушки к ее активному сопротивлению конструкция получается, когда внутренний диаметр цилиндрической обмотки вдвое больше ее высоты L, а внешний диаметр в 4 раза больше h и в 2 раза больше внутреннего диаметра. При этих условиях значение h — (√L/R)/0,866 мм (L, мкГн, R, Ом), длина провода l = 187,3√Lh, число витков N — 19,88 √L/h, — диаметр провода (без изоляции) d=0,84●h/√N, масса провода m = (h3/21,4)●103 кг.

Фильтры для динамиков своими руками

Сделать фильтр для динамика совсем не сложно. Он состоит всего из двух элементов – конденсатора и катушки индуктивности. Рассчитать параметры радиоэлементов для пассивной схемы низкой частоты второго порядка проще всего на онлайн калькуляторе. Там можно задать желаемый уровень среза и сопротивление акустической головки. Программа выдаст требуемую ёмкость конденсатора и индуктивность катушки. Например, выбран уровень среза 150 Гц, а сопротивление динамика равно 4 Ом. Калькулятор выдаст следующие значения:

• Ёмкость конденсатора – 187 мкф
• Индуктивность катушки – 6,003 мГн

Требуемую ёмкость можно получить из параллельно соединённых конденсаторов К78-34, которые специально разработаны для работы в акустических системах. Кроме того есть обновлённая линейка конденсаторов аналогичного типа. Это KZKWhiteLine. В качестве недорогих аналогов, радиолюбители часто используют конденсаторы типа МБГО или МБГП.

Катушка индуктивности на 6 мГн наматывается на оправке диаметром 1 см и длиной 6 см. Поскольку катушка не имеет магнитного сердечника в качестве бобины можно использовать цилиндр из любого материала, на который для удобства намотки, нужно сделать щёчки. Для намотки используется медный провод типа ПЭЛ диаметром 1 мм. Длина проволоки 84 метра. Намотку нужно делать виток к витку.

Разделительные фильтры трехполосных громкоговорителей

С целью снижения интермодуляционных искажений при звуковоспроизведении громкоговорители Hi-Fi систем составляют из низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных динамических головок. Их подключают к выходам усилителей через разделительные фильтры, представляющие собой комбинации LC фильтров нижних и верхних частот.

Ниже приведена методика расчета трехполосного разделительного фильтра по наиболее распространенной схеме.

Частотная характеристика разделительного фильтра трехполосного громкоговорителя в общем виде показана на рис. 1. Здесь: N — относительный уровень напряжения на звуковых катушках головок: fн и fв — нижняя и верхняя граничные частоты воспроизводимой громкоговорителем полосы; fр1 и fр2 — частоты раздела.

В идеальном случае выходная мощность на частотах раздела должна распределяться поровну между двумя головками. Это условие выполняется, если на частоте раздела относительный уровень напряжения, поступающего на соответствующую головку, снижается на 3 дБ по сравнению с уровнем в средней части ее рабочей полосы частот.

Частоты раздела следует выбирать вне области наибольшей чувствительности уха (1… 3 кГц). При невыполнении этого условия, из-за разности фаз колебаний, излучаемых двумя головками на частоте раздела одновременно, может быть заметно «раздвоение» звука. Первая частота раздела обычно лежит в интервале частот 400… 800 Гц, а вторая — 4… 6 кГц. При этом низкочастотная головка будет воспроизводить частоты в диапазоне fн…fp1. среднечастотная — в диапазоне fp1… fр2 и высокочастотная — в диапазоне fр2…fв.

Один из распространенных вариантов электрической принципиальной схемы трехполосного громкоговорителя приведен на рис. 2. Здесь: B1 — низкочастотная динамическая головка, подключенная к выходу усилителя через фильтр нижних частот L1C1; В2 — среднечастотная головка, соединенная с выходом усилителя через полосовой фильтр, образованный фильтрами верхних частот C2L3 и нижних частот L2C3. На высокочастотную головку В3 сигнал подается через фильтры верхних частот C2L3 и C4L4.

Расчет емкостей конденсаторов и индуктивностей катушек производят исходя из номинального сопротивления головок громкоговорителя. Поскольку номинальные сопротивления головок и номинальные емкости конденсаторов образуют ряды дискретных значений, а частоты раздела могут варьироваться в широких пределах, то расчет удобно производить в такой последовательности. Задавшись номинальным сопротивлением головок, подбирают емкости конденсаторов из ряда номинальных емкостей (или суммарную емкость нескольких конденсаторов из этого ряда) такими, чтобы получившаяся частота раздела попадала в указанные выше частотные интервалы.

В разделительных фильтрах обычно используют металлобумажные конденсаторы типов МБГО, МБГП и МБМ с допускаемым отклонением от номинальной емкости не более ± 10%. Наиболее подходящие для использования в фильтрах типономиналы конденсаторов приведены в табл 1.

Емкости конденсаторов фильтров С1…С4 для различных сопротивлений головок и соответствующие значения частот раздела приведены в табл 2.

Легко видеть, что все значения емкостей могут быть либо непосредственно взяты из номинального ряда емкостей. либо получены параллельным соединением не более чем двух конденсаторов (см. табл. 1).

После того как емкости конденсаторов выбраны, определяют индуктивности катушек в миллигенри по формулам:

В обеих формулах: Zг-в омах; fp1, fр2 — в герцах.

Поскольку полное сопротивление головки является частотнозависимой величиной, для расчета обычно принимают указанное в паспорте головки номинальное сопротивление Zг, оно соответствует минимальному значению полного сопротивления головки в диапазоне частот выше частоты основного резонанса до верхней граничной частоты рабочей полосы. При этом надо иметь в виду, что фактическое номинальное сопротивление различных образцов головок одного и того же типа может отличаться от паспортного значения на ±20%.

В некоторых случаях радиолюбителям приходится использовать в качестве высокочастотных головок имеющиеся динамические головки с номинальным сопротивлением, отличающимся от номинальных сопротивлений низкочастотной и высокочастотной головок. При этом согласование сопротивлений осуществляют, подключая высокочастотную головку В3 и конденсатор С4 к различным выводам катушки L4 (рис. 2), т. е. эта катушка фильтра играет одновременно роль согласующего автотрансформатора. Катушки можно намотать на круглых деревянных, пластмассовых или картонных каркасах с щечками из гетинакса. Нижнюю щечку следует сделать квадратной; так ее удобно крепить к основанию — гетинаксовой плате, на которой крепят конденсаторы и катушки. Плату крепят шурупами ко дну ящика громкоговорителя. Во избежание дополнительных нелинейных искажений катушки должны выполняться без сердечников из магнитных материалов.

Пример расчета фильтра

В качестве низкочастотной головки громкоговорителя используется динамическая головка 6ГД-2, номинальное сопротивление которой Zг=8 Ом. в качестве среднечастотной — 4ГД-4 с таким же значением Zг и в качестве высокочастотной — ЗГД-15, для которой Zг=6,5 Ом. Согласно табл. 2 при Zг=8 Ом и емкости С1=С2=20 мкф fp1=700 Гц, а при емкости С3=С4=3 мкф fр2=4,8 кГц. В фильтре можно применить конденсаторы МБГО со стандартными емкостями (С3 и С4 составляют из двух конденсаторов).

По приведенным выше формулам находим: L1=L3=2,56 мГ; L2=L4=0,375 мГ (для автотрансформатора L4 — это значение индуктивности между выводами 1-3).

Коэффициент трансформации автотрансформатора

На рис. 3 показана зависимость уровня напряжения на звуковых катушках головок от частоты для трехполосной системы, соответствующей примеру расчета. Амплитудно-частотные характеристики низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной областей фильтра обозначены соответственно НЧ, СЧ и ВЧ. На частотах раздела затухание фильтра равно 3,5 дБ (при рекомендуемом затухании 3 дБ).

рис. 3

Отклонение объясняется отличием полных сопротивлений головок и емкостей конденсаторов от заданных (номинальных) значений и индуктивностей катушек от полученных расчетом. Крутизна спада кривых НЧ и СЧ составляет 9 дБ на октаву и кривой ВЧ — 11 дБ на октаву. Кривая ВЧ соответствует несогласованному включению громкоговорителя 1 ГД-3 (в точки 1-3). Как видно, в этом случае фильтр вносит дополнительные частотные искажения.

Примечание редакция. В приводимой методике расчета принято, что среднее звуковое давление при одной и той же подводимой электрической мощности для всех головок имеет примерно одинаковое значение. Вели же звуковое давление, создаваемое какой-либо головкой, заметно больше, то для выравнивания частотной характеристики громкоговорителя по звуковому давлению эту головку рекомендуется подключать к фильтру через делитель напряжения, входное сопротивление которого должно быть равно принятому при расчете номинальному сопротивлению головок.

(РАДИО N 9, 1977 г., с.37-38)

Пример

Определить данные катушки индуктивностью 3,37 мГн разделительного фильтра, нагруженного головкой сопротивлением 15 Ом.

Активное сопротивление рассчитываемой катушки выбираем равным 5% от сопротивления головки. Это соотношение можно считать вполне приемлемым. Тогда R = 0,05•15 = 0,75 Ом, откуда L/R = 3,37•103/0,75 = 4500. Высота обмотки h = √4500/0,866 = 24,5 мм, длина провода l = 187,3•√3,37•103/24,5 = 5,35•104=53,5 м, число витков N = 19,88•√3,37•103/24,5 = 233 витка, диаметр провода d = 0,84•24,5/√233 = 1,35 мм, масса провода m = (24,53/21,4)•103= 0,69 кг.

Естественно, полученные числа должны быть округлены, и в первую очередь диаметр провода, до ближайшего стандартизованного диаметра. Окончательно индуктивности подгоняют путем измерения на мостике, отматывая по нескольку витков обмотки, намотанной с некоторым превышением числа витков сравнительно с рассчитанным. Катушки можно наматывать на пластмассовые, деревянные или картонные каркасы.

Применяется и бескаркасная намотка (Рис. 90), для того чтобы катушка не развалилась, витки после намотки каждого слоя промазывают клеем БФ-4.

Рис. 90. Схема бескаркасной намотки катушки

Если есть возможность, то для полимеризации клея катушку запекают в термостате при температуре 140 — 160° С в течение 1 ч.

Если такой возможности нет, то катушка должна быть высушена при комнатной температуре в течение суток. Иногда провод, в качестве которого предпочитают марку ПЭЛ, бывает покрыт каким-либо маслом.

Тогда перед намоткой или в ее процессе провод нужно протереть ваткой, смоченной смесью из 50% спирта и 50% бензина или, в крайнем случае, чистым бензином. Собранный и смонтированный фильтр, т. е. его конденсаторы и катушки, размещают на полочке, укрепленной внутри корпуса АС. Разумеется, все электрические соединения должны быть хорошо пропаяны во избежание шорохов и тресков, могущих возникнуть из-за плохих контактов.