ldsound.ru »Непростий розрахунок кросоверів акустичних систем
Як любителями звуку зазвичай проектується багатосмугова акустична система. Дуже просто. Під наявний НЧ (НЧ / СЧ) динамік розробляється необхідного обсягу бокс. Ширину передньої панелі визначає розмір НЧ (НЧ / СЧ) динаміка. інші динаміки розташовуються. виходячи з естетичних міркувань. Кросовер розраховується також «класичним» методом - на папері (або за допомогою невеликих програм) за формулами з давно відомими коефіцієнтами для отримання необхідної характеристики фільтра. Склавши все це разом і отримавши який - то результат. одні залишаються ним задоволені. а інші починають задаватися питанням. чому результат не відповідає розрахункам. Не обходиться і без особливо «просунутих», початківців заявляти. що все багатосмугові системи. м'яко кажучи. не варті уваги. Дійсно. який висновок. У минулому я сам розраховував акустичні оформлення і кросовери за формулами. Розрахунок кросоверів проводився. спираючись на номінальний опір (Z) динаміків. після чого слідувала довга процедура підгонки «на слух». Виходило. але поганенько. Задовільно. Вся справа в тому. що я не брав до уваги цілий ряд особливостей при розрахунку. Особливостей. які відрізняють динаміки від резисторів. а багатосмужну акустику від точкового випромінювача. Зараз мені простіше. є вимірювальний комплекс. з яким я навчився добре працювати. і є CAD системи. які дозволяють промоделювати акустику. враховуючи всі її тонкощі. І ось при черговому знайомстві з виробом. розрахованим за формулами і принесеному на вимірювання. я вирішив приділити підвищену увагу кросоверу. Конструкція. як виявилося. була з несвідомих в принципі смугами. чого на перший погляд не скажеш. Особливо. дивлячись на АЧХ простого і недорогого мидбаса.
Використовуваний кросовер - класика. Перший порядок на мідбас (на зображенні вище вимірювання проведені без кросовера) і перший порядок на твітер. Здавалося б. що може бути краще. ніж фільтр першого порядку. Практично будь-який аудіофіла скаже. що в двосмугової акустичної системи пов'язані таким фільтром головки забезпечать лінійну фазо частотну характеристику (ФЧХ) і хорошу. без коливань і затягування. перехідну характеристику (ПХ). А широкий спільний діапазон випромінювання можна компенсувати рознесенням частот розділу. На жаль. все добре тільки в теорії. На практиці ж перший порядок фільтра рідко працює з прийнятним результатом. Я спробую внести ясність. чому так відбувається. Реальних результатів вимірювань не наводжу. тільки моделювання в LspCAD. Як показала практика. результати моделювання в цій CAD системі з високою точністю підтверджуються результатами реальних вимірів.
На зображенні нижче показано двухполосная система з використанням фільтрів першого порядку з частотою розділу смуг 2500 Гц. Кросовер розрахований. виходячи з номінального опору навантаження для ФНЧ - 6 Ом. для ФВЧ - 4 Ома. Динаміків присвоєно константне опір 6 Ом (Midwoofer) і 4 Ома (Tweeter). Розмір їх випромінюючих поверхонь становить 1 мм. а акустичні центри розташовані в одній точці (x = 0, y = 0, z = 0). В загальному. ідеальні умови роботи. чого в реальному житті не може бути. Передатна характеристика такої системи показана на графіку поруч. Інші характеристики в даному випадку також лінійні.
На перший погляд. кросовер ідеальний. Але ж і вся система тут представлена ідеальною. Виправимо прикрий недолік і трохи наблизимо її до реальності. Додамо відповідний бокс і використовуємо розміри випромінюючих поверхонь для мідвуфера - 110 мм. а для твітера - 25.4 мм. Розташування твітера буде референсной крапкою з координатами x = 0, y = 0, z = 0. мідвуфера ж, розташований нижче твітера. його акустичний центр зміщений вниз на 130 мм і заглиблений на 25 мм (x = 0, y = -130, z = 25). Серед двосмугових систем з використанням 4.5 дюймового мідвуфера і 1 дюймового твітера це типові значення розташування акустичних центрів.
На першому графіку зображена АФЧХ системи. на другому - внеосевой АЧХ. Очікували такого результату. Так як акустичні центри випромінювачів перебувають на деякій відстані один від одного. між ними для звукових хвиль існує тимчасова різниця. отже можна говорити про відмінності їх акустичних фаз. Вирівняти фазову характеристику можна двома методами. розташуванням акустичних центрів головок строго на осі (коаксіальний випромінювач), або фазовою корекцією в кросовері. Але оскільки мова йде про фільтри першого порядку. зі зрозумілих причин фазова корекція в кросовері з ними неможлива. Тому йдемо іншим шляхом.
Так як на зображенні вище чітко видно сильний провал в області частоти розділу. напрошується думка про протилежне знаку акустичних фаз випромінювачів в цій області. Пробуємо протифазне включення. хоча це знову в розріз йде з теорією. Цього разу про синфазній роботі головок при використанні фільтрів першого порядку.
Тепер АЧХ знаходиться в межах нерівномірності +/- 3 дБ. хоча з ФЧХ спостерігаються явно проблеми. Зате що відбувається з позаосьовим АЧХ. А адже це все ще «ідеальні» динаміки. Додаємо реальний імпеданс.
З таким фільтром твітер без будь - яких перешкод працює в області частоти резонансу (а вона знаходиться досить низько - 750 Гц). Мідвуфера ж практично без ослаблення відтворює всю смугу частот. Дивимося. що буде. якщо додати реальні АФЧХ головок.
Питається. за що боролися. Спільна робота головок забезпечується в діапазоні 600 Гц - 8 кГц. ФЧХ має злам. Внеосевой АЧХ і діаграма спрямованості обіцяють забарвлення звучання в широкому діапазоні частот. вузьку зону стереоефекту і необхідність прослуховування такої системи строго на осі твітера. Сам твітер працює в області резонансу. а мідвуфера - за межами поршневий зони. Єдине. що залишилося задовільним - ПХ.
При широкому частотному діапазоні спільної роботи головок. часто користуються рознесенням частот розділу. Пробуємо такий варіант. Для ФНЧ використовується частота зрізу 1 кГц. для ФВЧ - 6 кГц.
Колишні недоліки ще більше посилилися. Тепер спостерігається значна нерівномірність осьової АЧХ і гірші внеосевой АЧХ. Може. варто спробувати високу - 8 ... 10 кГц - частоту розділу. Так як мідвуфера за результатами вимірювань АЧХ працює до 8 кГц. можна підключити його без фільтра. а для твітера використовувати фільтр першого порядку з частотою зрізу 10 кГц. Пробуємо такий варіант.
Як бачимо. ослаблення на частоті резонансу твітера недостатньо навіть для такої високої частоти розділу. А що відбувається з позаосьовим АЧХ. Мідвуфера працює без фільтра в широкому діапазоні частот. твітер його тільки підтримує вгорі. а діаграма спрямованості гірше. ніж в будь-якому іншому випадку. Мідвуфера. в силу законів фізики. має звуження діаграми спрямованості вище частоти. яка визначається розмірами його поверхні, що випромінює. В ідеальному випадку. ця частота становить c / d, де c - швидкість звуку в повітряному середовищі (345 м / с), d - діаметр діафрагми (в метрах). Для використовуваного в прикладах мідвуфера діаметр діафрагми складає 110 мм. що обмежує його використання на частотах вище 3 кГц.
Зміна внеосевой АЧХ і звуження діаграми спрямованості проявляється і в комбінованих широкосмугових динаміках. Для прикладу. нижче наведено результат вимірювання широкосмугового динаміка 4 А 28 при вимірюванні на осі і з відхиленням від осі на 45 градусів.
Як можна бачити. зміна АЧХ відбувається. починаючи з частоти 1500 Гц. що добре узгоджується з вищенаведеної формулою (c / d = 1604 Гц).
Із зазначеної причини. розташування акустичних центрів випромінювачів в многополосной системі повинно проводитися так. щоб відстань між ними не перевищувала довжини хвилі на частоті розділу.
Що можна зробити для усунення всіх перерахованих недоліків при використанні тих же мідвуфера і твітера. Не сильно заглиблюючись в моделювання. при використанні фільтрів третього порядку я отримав наступну картину.
Провівши годину - інший за моделюванням. можна вирівняти характеристики до похибки в пару децибел. а діаграму спрямованості зробити ще ширше. Резонне питання. співпадуть результати моделювання з результатами реальних вимірів. Пропоную подивитися на зображення нижче і самому відповісти на це питання.
Але для того. щоб отримати необхідні результати. CAD системі необхідно «знати» про майбутню АС все. розміри боксу. розташування динаміків. їх АФЧХ і ІЧХ. Інакше замість того. що можна було б отримати:
отримаємо те. що буде:
