webdonsk.ruФильтр для колонок своими руками схема
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 07.09.2024
Онлайн калькулятор акустических фильтров 1. 6-го порядков: нижних частот (ФНЧ) для
низкочастотных динамиков, фильтров верхних частот (ФВЧ) – для высокочастотных,
а также полосовых фильтров (ПФ) – для среднечастотных.
Расчёт согласующей цепи Цобеля и Г- образного аттенюатора для громкоговорителя.
В настоящее время практически все качественные акустические системы являются многополосными, т. е. состоящими из нескольких громкоговорителей, каждый из которых работает в своём, отведённом ему диапазоне частот. Для распределения энергии звукового сигнала между динамиками используют электрические разделительные фильтры (КРОССОВЕРЫ), в данном рассматриваемом случае - пассивные LC-фильтры, которые включаются между выходным разъёмом усилителя, обладающего близким к нулю выходным сопротивлением, и динамической головкой АС.
Надо отметить, что данные разделительные фильтры являются одним из важнейших компонентов акустических систем, определяя весомую часть необходимых электроакустических характеристик, а также качества и естественности звучания тракта.
Сколько полос иметь? На каких частотах делить звуковой частотный диапазон? Какого типа и какого порядка использовать разделительные фильтры в кроссоверах, а также - какими эти фильтры будут обладать характеристиками - вот вопросы, которые устойчиво стоят на повестке дня и требуют аккуратного и подробного обсуждения.
Краткая сравнительная характеристика разделительных фильтров акустических систем
Главным достоинством фильтров первого порядка является возможность одновременного достижения идеальной (плоской) АЧХ и идеальной (нулевой) ФЧХ. Недостаток фильтров первого порядка – слабые фильтрующие свойства
Любой фильтр второго, шестого, десятого и т.д. порядка обладает недостатком: при отсутствии переполюсовки динамиков АЧХ имеет провал, при переполюсовке возможны проблемы с импульсным откликом
Фильтры третьего порядка обеспечивают достаточно высокую степень разделения при все ещё приемлемых ФЧХ и ГВЗ. Наиболее перспективны в большинстве устройств. Переполюсовка одной из головок приводит к иным последствиям, чем у фильтров 2-го порядка: АЧХ не меняется, характер ГВЗ улучшается, звук – дело вкуса
Фильтры четвертого порядка применяются только в специальных случаях, когда по каким-то причинам требуется очень жесткое частотное разделение. ФЧХ и импульсные характеристики на грани допустимого. В отличие от фильтров второго порядка – не требуют переполюсовки
Используются чрезвычайно редко, например, при необходимости очень резкого ограничения полосы частот, подаваемых на низкочастотный динамик или сабвуфер. Переполюсовка просто вредна
Рис.1 Схемы односторонне нагруженных LC фильтров верхних и нижних частот
Для фильтров нижних частот - значения величин элементов, соответствующих: порядку фильтра, сопротивлению нагрузки Rн и частоте среза (разделения) Fср, рассчитываются по следующим формулам:
Li= ai*Rн/(2pFср) ; Ci= ai/(2pFср*Rн) , где ai - это справочные нормированные значения (коэффициенты) для каждого элемента ФНЧ, называемые значениями элементов фильтра-прототипа.
Для фильтров верхних частот - каждая индуктивность из схемы ФНЧ заменяется ёмкостью, ёмкость - индуктивностью, которые, исходя из тех же самых коэффициентов, рассчитываются по формулам:
Ci= 1/(2pFср*ai*Rн) ; Li= Rн/(2pFср*ai) .
Оставим все многочисленные таблицы со значениями нормированных коэффициентов фильтров-прототипов для справочной литературы, а сами сразу перейдём к онлайн расчёту номиналов элементов кроссоверов.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ ФНЧ и ФВЧ LC- ФИЛЬТРОВ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Для полосовых фильтров: каждый элемент-индуктивность из НЧ фильтра-прототипа заменяется на последовательный LC контур (Рис.2), элементы которого рассчитываются по следующим формулам:
Li= ai*Rн/[2p(Fв - Fн)] , где Fн и Fв – нижняя и верхняя частоты среза полосового фильтра, а
Ci= 1/(4p 2 *Fн*Fв*Li) .
Каждый элемент-ёмкость из фильтра-прототипа нижних частот заменяется на параллельный LC контур, элементы которого рассчитываются по формулам:
Ci= ai/[2p*Rн*(Fв - Fн)] ;
Li= 1/(4p 2 *Fн*Fв*Ci) .
Рис.2 Схемы односторонне нагруженных LC полосовых фильтров
Разместим калькулятор расчёта элементов и для полосовых фильтров акустических систем.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛОСОВЫХ LC- ФИЛЬТРОВ ДЛЯ АКУСТИКИ
При расчёте разделительных фильтров принимается допущение, что нагрузка (сопротивление динамика) - это величина чисто активная. Однако, учитывая то, что реальные громкоговорители обладают комплексным характером входного сопротивления, то для корректной работы фильтров могут потребоваться согласующие цепи, компенсирующие этот комплексный характер.
При проектировании кроссоверов - частоты среза фильтров всегда следует выбирать значительно выше резонансных частот громкоговорителей. Тогда для компенсации комплексного характера входного сопротивления громкоговорителя будет достаточно включения упрощённой согласующей цепи, называемой цепью Цобеля и представляющей собой простую цепочку из последовательно включённых сопротивления Rк и ёмкости Cк (Рис.3а).
Рэй Олден, автор одной из самых популярных книг по акустике, советует использовать следующие соотношения: Rк = 1,25*Rе ; Ск = Lе/Rе 2 , где Re и Le - это паспортные сопротивление и индуктивность динамика.
Рис.3 Согласующая цепь Цобеля и Г-образный аттенюатор для громкоговорителя
Также для уменьшения неравномерности суммарной АЧХ многополосной АС зачастую необходимо ослабить уровень каких-либо составляющих, как правило - среднечастотных либо высокочастотных. Это можно сделать с помощью Г-образных пассивных аттенюаторов, обеспечивающих заданный уровень ослабления N (дБ) (Рис.3б). Если задаться целью произвести ослабление без коррекции активного сопротивления громкоговорителя, то формулы для вычисления номиналов резисторов имеют следующий вид:
R1 ? Re*(10 0,05N - 1)/10 0,05N ; R2 ? Re/(10 0,05N - 1) .
Сдобрим пройденный материал калькуляторами.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЦЕПИ ЦОБЕЛЯ ДЛЯ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ АТТЕНЮАТОРА ДЛЯ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
Следует отметить, что некоторые производители акустики игнорируют согласующие цепи, считая, что компенсация комплексной характеристики портит звучание системы на реальном музыкальном материале. В таких случаях неравномерность АЧХ тракта приходится устранять при помощи измерительной аппаратуры, кропотливо подбирая каждый из элементов звеньев фильтра.
В принципе - то же самое можно сделать и на симуляторе, подставив в качестве нагрузки фильтра эквивалентную электрическую схему громкоговорителя. Естественным образом - эта схема должна учитывать акустическое оформление динамика. А как создать такую схему - мы с вами подробно обсудили на странице ссылка на страницу.
Первоначально подозрение пало на сам усилитель так, как в ходе реинкарнации его пришлось практически переделать. Начал проверять предварительный усилитель, темброблок, УМЗЧ, удостоверился в отсутствии просадки питающего напряжения при увеличении мощности. Менял каналы местами, менял проходные керамические конденсаторы на пленочные, подавал сигнал с генератора звуковой частоты, смотрел осциллографом сигнал на выходе. Все оказалось в порядке, но исследование постепенно навело на мысль о некорректной работе аккустической системы. Усилитель, как и 20 лет назад в первой своей жизни, нагружен на югославские колонки фирмы Ei модель HZK 12031 мощностью 120/100 Ватт сопротивлением 4 Ома.
Глобальная сеть упорно молчит по поводу характеристик оных, а документация на них не сохранилась. Удалось лишь выяснить, что объем составляет 55 литров, а чувствительность 91 дБ/Вт/м2. Однако шильдик на передней декоративной панели свидетельствует, что это не просто так, а Hi-Fi.
Нужно отметить, что низкочастотный динамик имеет резиновый подвес, а динамики с таким подвесом всегда ценились выше динамиков с поролоновым подвесом из-за своей долговечности. Решился произвести вскрытие.
Схема АС
Внутри лежала картонка со схемой фильтра.
И вот тут был слегка удивлен. Конденсаторы в акустических фильтрах оказались электролитическими.
Заметьте, конденсатор С1 емкостью 22 мкф набран из двух конденсаторов емкостью 47 мкф, что в результате дает 23,5 мкф. Причем включены они таким образом, что образуют неполярный электролитический конденсатор. Спорить с конструкторами не стал. Обратила на себя внимание дата выпуска конденсаторов – начало 80-х годов прошлого века).
На тыльной стороне низкочастотного динамика вот такая наклейка:
Однако выводы относительно конденсаторов пока делать не стал, и приступил к вскрытию второй колонки. Тут снова сюрприз. Второй фильтр собран несколько иначе. Здесь установлен один конденсатор на 22 мкФ.
Учитывая 35-ти летний возраст электролитов напрашивался вывод о их замене, но таки решил проверить их емкость: при номинале 4,7 мкф прибор показал 6,5 мкф, при 10 мкф – 11,5 мкф, на 22 мкф – 26,5 мкф, 33 мкф – 40 мкф. Это данные по электролитам из фильтра колонки, которая у меня нареканий не вызывала.
В фильтре колонки с подозрениями на некорректную работу показания были такими: 4,7 – 5,2 мкф, 10 – 12,5 мкф, 33 – 45 мкф. Отдельно пришлось проверять составной конденсатор – тут их емкости, против заявленных 47 мкф, оказались на уровне 56 мкф, что дает 28 мкф в итоге.
В целом с точки зрения номинала все они оказались вполне еще ничего. Однако под рукой нет измерителя ESR, да и токи утечки измерить нечем. В итоге решил поменять все электролиты, походу уйдя от составления неполярного конденсатора.
Обратило на себя внимание медное покрытие гетинакса платы (это точно не текстолит) – на ощупь чувствовалась солидная его толщина.
На плате для конденсатора С1 зарезервировано два посадочных места для параллельного включения двух электролитов. Видимо у конструкторов были какие-то соображения на этот счет. Заводом устанавливались конденсаторы с рабочим напряжением 35 вольт, для перестраховки увеличил до 50, а для С2 до 160 (был под рукой).
Собрав колонки, подключил их к усилителю. С первых же секунд стало ясно, что все мои мытарства до замены конденсаторов были напрасными, и только их замена смогла оживить звук, придав ему прозрачность, мягкость басов и четкость высоких частот. Особую благодарность (обеспокоенность) выражают соседи по батарее, проникшись глубиной замысла Du Hast в исполнении Рамстящих)).
До этого даже были внутренние намеки на разочарование усилителем Солнцева. Звучать 20 лет назад, когда импортной хорошей аппаратуры было слишком мало, и звучать сейчас это две большие разницы. Однако простая замена конденсаторов в фильтрах акустических систем полностью развеяла мои сомнения.
Нет, нет, не пугайтесь! Если вы доучились до 9-ого класса, это для вас будет семечки.
В этой главе мы узнаем (а точнее вспомним) много нового об электричестве, а потом в двух словах я вам расскажу, как делать фильтры. Так что можете сразу перейти к самому интересному и не париться.
Для тех, кто все же не боится париться я, для начала расскажу для чего же нужны эти самые пресловутые фильтры. Как вы уже поняли, эти фильтры фильтруют. На самом деле все эти фильтры являются фильтрами низких частот (электрический сигнал с частотой звука – это сигнал низкой частоты, а высокой – это уже радиочастоты), но для упрощения разделим их на низкочастотные фильтры (ФНЧ) и высокочастотные фильтры (ФВЧ). ФВЧ отсекают (как серпом), т.е. просто не пропускают низкочастотную составляющую сигнала, а ФНЧ – высокочастотную.
Электрический сигнал с частотой звука представляет из себя приблизительно вот что:
Рисунок 0 Что мы здесь видим? Мы видим диаграмму. Эта фиолетовая (или лиловая, или сиреневая, а для дальтоников - серенькая) линия показывает, как в течение времени изменяется напряжение в проводах, подключенных к колонке. Состоит эта диаграммка из вытянутых (низкочастотных) и сжатых (высокочастотных) гармошечек. Если к этому участку фонограммы применить ФНЧ, то выйдет такая фигня:
Рисунок 1 Т.е. в фонограмме пропадут сжатые гармошки.
А если применить ФВЧ, то выйдет вот что:
Рисунок 2 Теперь пропали вытянутые гармошки. Вам понятно? Мне нет.… Ну да, ладно. Проблемы шерифа, как говорится, индейцев не касаются.
Что ж такое эти пресловутые фильтры?
ФНЧ представляет собой просто катушку, намотанную толстым проводом (диаметром порядка 0,6-1,2 мм) на пластиковый, деревянный, картонный или другой немагнитный каркас. Чем больше витков в катушке и чем больше диаметр провода, тем больше индуктивность, а, следовательно, тем ниже частота среза (тем уже пропускаемая полоса частот) фильтра. Принцип действия заключается в свойстве катушки с увеличением частоты увеличивать свое сопротивление.
Вот так динамик будет играть одни басы:
Рисунок 3
А как же быть со средними частотами? – спросите вы меня. А я вам отвечу так. Нормальные люди применяют два фильтра (ФНЧ и ФВЧ) таким образом, что остается только средние частоты, а остальное отрезается. Но я к нормальным людям конечно не отношусь (мне влудень мотать катушку для СЧ), поэтому я оставляю среднечку высокие частоты и подключаю только кондер (микрофарад так на 25-40).
Итак, ФНЧ представляет собой катушку. Я рекомендую намотать 240 витков провода диаметром 1 мм (ПЭВ-2, покрытый лаком) на каркасе высотой 24 мм и диаметром 25 мм. Частота среза в этом случае будет порядка 350 Гц. От каждых 60 витков советую сделать отводы в виде петелек для дальнейшего настраивания на свой вкус звука колонки, а также для взятия СЧ (одна катушка для лопуха и среденечка). Наматывать можно вразвалку, как получится, только витки нужно делать как можно туже.
ФВЧ представляет собой кондер. Я рекомендую для ВЧ конденсатор емкостью в 1 мкФ и на 400 В. Для СЧ – 40 мкФ и 160 В.
Электрический фильтр — прибор, позволяющий выделять необходимые компоненты спектра и подавлять ненужные. Бывают они верхних (ФВЧ) и нижних (ФНЧ) частот.
Основные определения
Амплитудно-частотная (АЧХ) — указывает изменение амплитуды сигнала, в зависимости от его частоты. На одной она может быть равна на входе и выходе. При другой будет уменьшать амплитуду входного сигнала.
Частота среза — частота, при которой исходящие колебания падают до 0.7 от входящих.
Крутизна частотной характеристики — при перемене АЧХ на выходе указывает резкость изменения исходящего сигнала. При этом лучше, когда это уменьшение происходит быстрее.
Фильтры представляют собой электрические цепи. В состав может входить один или несколько элементов, которые имеют разное сопротивление. Существуют различные схемы и устройство фильтров низких частот.
Для звукового сигнала изменение сопротивления этих фильтров зависит от его частоты и называется реактивным. Им наделены катушки индуктивности и конденсаторы, благодаря чему из них производят фильтры различных частот.
Читайте также: