Проблема частотного поділу сигналів в акустичних системах хвилює розуми численних фахівців досить давно. Років приблизно шістдесят.
Перші розхвилювався з цього приводу інженери-акустики вже того,
а проблема живе і процвітає.
Сьогодні ми постараємося вельми і вельми коротко, але не поверхово, ознайомити читача з основними положеннями теорії і практики побудови многополосних АС, природно, з упором на вирішення питань автомобільної аудіотехніки.
Небагатьом щасливчикам відомо, яким добрим, м'яким, домашнім, натуральним звуком відрізнялися старі, найкраще - довоєнні, німецькі гучномовці з легкими паперовими дифузорами великого розміру. Однак прагнення максимально наблизити звучання до реальності, а саме, досягти рівномірності АЧХ в більш широкій смузі, створити великі рівні гучності і в той же час по можливості зменшити габарити АС, призвело до поступового відходу від традицій і принципів, закладених під час срібного століття електроакустики, і відправитися в погоню за Золотим Тельцем об'єктивних технічних показників. Які ж об'єктивні недоліки односмугових систем змусили розробників шукати щастя на ниві частотного поділу? Якщо коротко (обіцяли!), То основних причин трохи:
Перша. Дифузор будь головки здатний до поршнеобразному руху, тобто до руху як єдине ціле тільки в певному частотному діапазоні. Як тільки частота досягає певної величини - на поверхні дифузора з'являються пружні хвилі, здатні організувати интерференционную картину. Поршнеобразное рух, на факті якого засновані всі розрахунки параметрів головки, припиняється. Для більшості низькочастотних головок така частота лежить в районі декількох сотень герц. Широкосмугові і середньочастотні голівки можуть зберегти характер коливань дифузора до частот в одиниці кілогерц, деякі з них, з композитними і керамічними дифузорами - до 5-8 кГц. На більш високих частотах впевнено працюють лише купольні випромінювачі: середньочастотні обслуговують діапазон від сотень герц до 10 кГц, і на всій його довжині купольний дифузор головок намагається рухатися поршнеобразно. У легких тканинних, композитних або металевих куполів
ВЧ-головок в звуковому діапазоні частот розглянутих проблем не виникає.
Об'єктивно описані процеси проявляються у виникненні, починаючи з деякої частоти, порізаності АЧХ, в зростанні нелінійних спотворень, інтермодуляції, фазових порушеннях. Головне суб'єктивно оцінювана наслідок - втрата натуральності звучання акустичних інструментів, поява в звуці жорсткості, іноді призвуків. Слід зауважити, що старі добрі головки довоєнних приймачів хворіли описаної хворобою по повній програмі, - навіть легкі паперові дифузори були здатні їй чинити опір. Однак кропітка праця цілих поколінь експериментаторів, що варили секретні паперові маси, не пропав даром - характер паразитних коливань старих дифузорів був таким, що наслідки їх з точки зору слуху (вибачте за каламбур) виявлялися мінімальними.
Друга. Зовсім проста. Індуктивність не скасували навіть підсумки світової війни. Наприклад, якщо індуктивність звукової котушки низькочастотної головки 1 мГн (зовсім небагато), то на 1 кГц реактивна складова імпедансу вже дорівнює 6,28 Ом, а на 10 кГц-62,8 Ом. На цьому опорі і впаде вся напруга сигналу, природно, не викликавши необхідного нам руху дифузора.
Третя. Всі чекають від динамічної головки виробництва сферичної звукової хвилі. Тоді характеристика спрямованості створюваного випромінювання буде кругової, та переміщується в просторі слухач не відчує дискомфорту. У машині він не змінює свого положення (хіба що при ДТП), але тут на характеристики спрямованості покладаються ще більш відповідальні завдання, адже компонувальні можливості в салоні далеко не безмежні. Сферичну хвилю породжує точковий випромінювач. Інакше: розміри дифузора повинні бути помітно менше довжини хвилі. Як тільки ця умова перестає виконуватися, характеристика спрямованості головки звужується, що здатне породити масу проблем.
Четверта. На низьких частотах, особливо поблизу резонансної частоти, дифузор головки рухається з досить великою швидкістю, що становить одиниці відсотків від швидкості звуку. Отже, при одночасному відтворенні і високих, і низьких частот буде спостерігатися доплеровская модуляція коливань високих частот низькими, так як частина часу ці частоти будуть випромінюватися рухаються з великою швидкістю дифузором на слухача, а частина часу - від слухача. Наслідки доплеровской модуляції проявляються в украй неприємною на слух втрати чистоти тону, у слухача пропадає задоволення від класичних фрагментів, заснованих на строгих законах музичної гармонії.
Мал. 1. Найпростіші ФНЧ (а) і ФВЧ (б) другого порядку. Зазвичай при розрахунку фільтрів АС вважається, що харчування фільтра здійснено від генератора напруги, а навантаженням служить омічний опір головки. Більш складні випадки обумовлюються особливо.
Мал. 2. До поняття всепропускающего розділення каналів. Акустичне підсумовування сигналів НЧ, СЧ і ВЧ-головок здатне створити в точці спостереження плоску АЧХ, природно, при дотриманні деяких умов. Відзначимо, що смуговий фільтр, що живить СЧ-головку, може бути виконаний як на смугових елементах (див. Рис.), Так і представляти каскадно включені ФВЧ і ФНЧ.
Мал. 3. Головка тільки в першому наближенні представляє активний опір. Спроба досягти хороших характеристик при роботі з реальними головками вимагає врахування їх реактивності. На даному малюнку представлені основні реактивні параметри головки поблизу резонансної частоти і найпростіша компенсуючий ланцюг.
Іншими словами - як не сильна ностальгія по хорошому звучанню паперових раритетів, відмінно грати може лише багатосмугова система. Ця істина стала очевидною для розробників понад півстоліття тому, і з тих пір розділові фільтри почали пробивати собі дорогу на ринок.
Ми не будемо розглядати всі етапи розвитку фільтрів як повноцінного компонента аудиотракта. Зауважимо лише, що вони пройшли складний шлях, на початку якого виконували лише енергетичні частотно-розділяють функції, а зараз від фільтрів вимагають комплексного вирішення питань енергоразделенія, формування характеристики спрямованості АС в цілому, компенсації реактивності головки з урахуванням впливу акустичного оформлення і т.п.
Треба сказати, що технічне завдання розробники вирішили: АС формують чудову АЧХ при оптимальних ФЧХ, характеристиках спрямованості при використанні абсолютно реальних головок. Всі математичні проблеми, пов'язані з розрахунками, взяли на себе комп'ютери. Програмами для розрахунку в аматорських умовах кишить Інтернет. Але сказати, що АС почали від цього грати краще, ніж добре, ми не можемо. Проблема стара як світ: прагнути треба не до ідеальної АЧХ і ФЧХ, а до хорошого звуку, і на шляху цього прагнення на повний зріст постають набагато складніші, ніж важкий розрахунок, проблеми.
Тим не менш, не поділитися з читачем елементарними основами побудови розділових фільтрів було б невірно. У будь-якого прагнення до якості повинна бути відправна точка. Наша точка знаходиться там, де досягаються прийнятні об'єктивно оцінюються параметри АС, а в їх формуванні чи не головну роль відіграють розділові фільтри.
Підсумовування АЧХ двох фільтрів Баттерворта другого порядку (ФНЧ і ФВЧ)
Розділовий фільтр Баттерфорда другого порядку: підсумовування сигналів ФВЧ і ФНЧ на частоті розділу дають викид 3 дБ в разі включення головок в протифазі і повал до нуля (не вказано) при включенні в фазі.
Підсумовування АЧХ двох фільтрів Баттерворта третього порядку
Розділовий фільтр Баттерфорда третього порядку. Площина сумарною АЧХ забезпечується не тільки приватними АЧХ, а й зрушенням фаз, рівним на частоті розділу 270 °.
Підсумовування АЧХ двох фільтрів другого порядку з характеристикою Лінквіца-Райлі
Розділовий фільтр Лінквіца-Райлі другого порядку: і ФНЧ, і ФВЧ мають згасання на частоті зрізу 6 дБ, що забезпечує плоску сумарну АЧХ.
Про фільтрах взагалі і про фільтри в АС зокрема
Фільтр - лінійна електричний ланцюг, що володіє властивістю вибіркового пропускання сигналів різних частот. Лінійна - в тому сенсі, що подача на неї синусоїдального сигналу не призводить до спотворення його форми. Зрозуміло, що фільтри нижніх частот (ФНЧ) краще пропускають нижні частоти, фільтри верхніх частот (ФВЧ) - верхні. Смугові фільтри пропускають сигнали, що лежать вище певної нижньої, але нижчу від визначеної верхньої частоти. Це - основи. Фільтр характеризується АЧХ і ФЧХ. Для найпростіших фільтрів вони пов'язані перетворенням Гільберта, простіше кажучи, знаючи АЧХ, можна розрахувати і ФЧХ, і навпаки.
Процеси в фільтрах легко описуються лінійними диференціальними рівняннями або їх системами, причому з науки саме порядок системи рівнянь і приймається за порядок фільтра. А на практиці, коли не до рівнянь (тим більше диференціальних), порядок, як правило, дорівнює числу индуктивностей і ємностей, з яких зроблений фільтр, разом узятих.
Поза смуги пропускання фільтр вносить загасання, причому далеко від частоти зрізу це затухання визначається простою залежністю і дорівнює 6N децибел на октаву, де N - порядок фільтра. Поясню на прикладі. Розглянемо ФНЧ п'ятого порядку з частотою зрізу 1 кГц. Для двох частот F1 і F2, якщо вони досить далеко відстоять від частоти зрізу і, скажімо, відрізняються в два рази (на одну октаву), то загасання, що вносяться фільтром на цих частотах, будуть відрізнятися в 6х5х1 = 30 дБ. Ось і весь розрахунок.
Недалеко від частоти зрізу характер поведінки АЧХ залежить не тільки від порядку, але і від типу фільтра. Тип фільтра - більш складне поняття, ніж порядок. Як фільтр, так і відповідне диференціальне рівняння, характеризується полиномом, так і званим - характеристичним. Його коефіцієнти залежать від номіналів електричних компонентів фільтра. Поліноми бувають різні - Бесселя, Баттерворта, Чебишева, Золотарьова-Кауера і ін. На ім'я досліджували їх ще задовго до появи фільтрів, і вже тим більше автомобільного аудіо, математиків.
Фільтри Бесселя відрізняються мінімальної крутизною поблизу зрізу. Тобто, формально, відфільтровують «зайві» частоти досить ліниво. Зате ФЧХ таких фільтрів найбільш гладка, і характеристика групового часу запізнювання (ГВЗ) від частоти має мінімальний перепад, що свідчить про можливість мінімального спотворення форми несинусоїдальних процесів.
Фільтр Баттерворта краще, але і ФЧХ з ГВЗ має гірше. І так далі: чим краще фільтруємо, тим гірше звучимо. Одна біда - фільтрувати все ж доводиться!
Тепер про фільтри в акустиці. Головна їхня відмінність від просто фільтрів полягає в тому, що перед ними стоїть завдання не частотної фільтрації, а частотного поділу. Іншими словами, вуха слухача повинні досягти складові всіх частот, але, скажімо, складові з частотами нижче Fразд. повинні відтворюватися НЧ-головкою, вище - ВЧ-головкою (двухполосная система). АЧХ такої системи в ідеалі повинна бути плоскою, в тому числі і в зоні частотного поділу. У зв'язку з цим такі розділові фільтри отримали назву всепропускающіх.
Виявляється, що зробити всепропускающій фільтр з ФНЧ і ФВЧ навіть з урахуванням їх повної розв'язки (підсумовування адже акустичне, а не електричне) непросто. Так, якщо застосовувати фільтри Баттерворта парних порядків, то АЧХ отримає викид в 3 дБ на частоті розділу, дуже навіть помітний на слух. Суть цього явища може бути відстежено на одному з графіків, наведених в статті. Тому застосовують або фільтри Лінквіца-Райлі (схожі на баттервортовскіе, але з дещо іншими номіналами), або взагалі відмовляються від фільтрів парних порядків і застосовують фільтри 3-го порядку.
Ще один шлях, що веде до отримання плоскої АЧХ, полягає в рознесенні частот зрізу ФВЧ і ФНЧ. Наприклад, частота зрізу ФНЧ вибирається 900 Гц, а ФВЧ - 1111 Гц. Однак зауважимо: плоска АЧХ - засіб, а не самоціль.
Ідеальною ФЧХ будь-якого фільтра, в тому числі і розділового, можна було б вважати нульову (відсутність тимчасової затримки) або лінійно наростаючу (постійна затримка на всіх частотах). Серед тих фільтрів, які застосовуються в якості розділових, тільки фільтр 1-го порядку має ідеальну ФЧХ. Як підсумок - форма сигналу, що пройшов АС з розділовими фільтрами 1-го порядку, має більше шансів залишитися неспотвореної, ніж, скажімо, з фільтрами 3-го порядку. Однак зрозуміло, що вирішення головного завдання - фільтрації і частотного поділу - з фільтрами настільки малого порядку важко.
ГВЗ - теж частотна характеристика, що представляє похідну ФЧХ по частоті як функцію знову ж частоти. Різкі коливання ГВЗ свідчать про можливість різних затримок складових реального сигналу, що мають різні частоти: сигнал спотворить свою форму, як кажуть акустики, «розсиплеться». Барабан буде вже не барабан, піццикато - НЕ піццикато.
Порядок і тип фільтрів і що від них залежить
АЧХ фільтрів різного порядку (типу Баттерворта)
Чим вище порядок, тим рішучіше фільтрація частот поза смуги пропускання і тим більше фазові спотворення, що вносяться фільтром.
АЧХ фільтрів четвертого порядку різного типу з однієї і тієї ж частотою зрізу 1 кГц.
Самий «ледачий» з точки зору поділу частот фільтр Бесселя забезпечує саму гладку ФЧХ. А «радикальний» фільтр Чебишева - самі бачите.