Кроссовер

Материал из МагВики::Справочник по автозвуку и электронике

Кроссо́вер (англ. crossover или х-over, буквально: 1) скрещение, пересечение; 2) разделитель спектра сигнала).

Кроссовер в электронике — разделительный фильтр (как правило — звуковых частот, например, фильтр многополосой акустической системы). Кроссовер - класс специальных фильтров, созданных специально для использования в различном звуковом оборудовании, например, Hi-Fi. Обычно, используемые в аудиосистемах динамические головки (динамики, громкоговорители), не способны воспроизводить весь спектр звуковых частот без искажений. Таким образом, кроссовер позволяет разделить частотный спектр на отдельные диапазоны частот (полосы), которые далее могут быть отыграны соответствующим динамиком, рассчитанным на этот диапазон (полосу), без искажений.

Другое применение кроссоверов - многополосая обработка сигнала, где каждая группа может обрабатываться отдельно с помощью динамических, эффектных и психоакустических процессоров (compression, limiting, de-essing, distortion, bass enhancement, exciting, noise reductions, echo, delaying, etc.)

Классификация кроссоверов

Классификация, основанная на числе секций фильтра.

В спецификации громкоговорителя, можно увидеть его спектр, классифицированный как N-полоса, где N - положительное целое число, больше чем 1 и указывающее число секций (полос) фильтра.

2-полосый кроссовер, как правило, состоит из Фильтра Низких Частот (ФНЧ, Low-Pass Filter (LPF)) и Фильтра Высоких Частот (ФВЧ, High-Pass Filter, HPF).

3-полосый кроссовер построен как комбинация ФНЧ, Полосового Фильтра (Band-Pass Filter, BPF) и ФВЧ. Секция Полосового фильтра, в свою очередь, комбинация ФНЧ и ФВЧ.

4 и более полосые кроссоверы, не очень распространены в построении акустических систем, ввиду своей сложности и зачастую не оправданного улучшения работы акустических систем и сложности настройки подобной системы. Тем не менее, таковые существуют и работают в немногочисленных аудио системах.

Так же, в секции ФНЧ может присутствовать дополнительный фильтр самого низкого спектра, защищающий громкоговоритель от повреждений в самом низу частотного диапазона. Такой фильтр может иметь внутри себя полосовой фильтр, комбинацию ФНЧ и ФВЧ. Как правило, такой фильтр носит название - Инфразвуковой Фильтр (Subsonic Filter). Подобным фильтром может быть оснащён верхний диапазон частот, что бы предотвратить повреждение ВЧ динамика. Но такие фильтры практически не применяются.

Классификация, основанная на компонентах

Кроссоверы могут быть классифицированы по типам используемых компонентов.

Пассивные кроссоверы

Пассивный кроссовер сделан полностью на пассивных компонентах, устроенных в топологии Cauer, для достижения параметров фильтра Баттерворта (Butterworth) Пассивные фильтры используют как не реактивные компоненты, например, резисторы, так и реактивные компоненты, такие как конденсаторы и катушки индуктивности. Высокоэффективные пассивные кроссоверы, как правило, требуют высококачественных и точных по параметрам компонентов, способных работать на больших токах и высоком напряжении, вследствии чего, такие фильтры могут быть трудны в производстве и высоки по стоимости.

В пассивных кроссоверах широко используются: конденсаторы из полипропиленовой и полиэстеровая металлизированная фольги, бумажные электролитические конденсаторы. У катушек индуктивности могут быть полые, напылённые металлические, ферритовые или слоистые кремниевые сердечники с эмалированным медным проводом. Некоторые пассивные сети включают такие устройства, как плавкие предохранители, устройства PTC (PTC - Положительный Температурный Коэффициент - тепловая защита), предохранители или выключатели, чтобы защитить громкоговорители от случайного повреждения большими перегрузками.

Современные пассивные кроссоверы все более включают в себя цепи стабилизации (например, цепи Цобеля), которые компенсируют изменение сопротивления с частотой, присущих практически всем громкоговорителям. Проблема сложна, поскольку часть изменений в сопротивлении (импедансе) происходит из-за изменений нагрузки полосы пропускания громкоговорителя.

Минусы:

• Пассивные цепи могут быть большими и вызвать падение мощности.
• Цепи сделаны не только под конкретные частоты, но имеют конкретные сопротивления. Это препятствует взаимозаменяемости динамиков из других систем.
• Идеальный кроссовер по фильтрам, компенсации сопротивления и выравнивающим цепям, может быть очень сложным в разработке, так как компоненты взаимодействуют друг с другом по сложнейшей схеме.

Строительство качественных пассивных кроссоверов - это та область, в которой тщательное компьютерное моделирование может быть очень полезным.

Активные кроссоверы

Активный кроссовер содержит активные электронные компоненты (т.е. с усилением сигнала) в своих фильтрах. В последние годы, самый используемый активный элемент в активном кроссовере - операционные усилители, которые работают на уровнях, достаточных для входа усилителя мощности, в отличии от пассивных кроссоверов, которые работают на выходе усилителя мощности, на высоких токах и напряжениях. С другой стороны, все схемы с предусилителями вносят шумы и такие шумы имеют более пагубное влияние на качество воспроизведения.

Активный кроссовер всегда требует использования усилителей мощности на каждом выходе группы. Таким образом, 2-полосый активный кроссовер требует двух усилителей - по одному для НЧ и ВЧ динамиков. В случае стереофонического воспроизведения, количество усилителей (каналов усилителя) удваивается. Это означает, что система с использованием активного кроссовера будет стоить дороже, чем система с пассивным кроссовером, но для обеспечения высоких результатов усиления полного частотного спектра, такая система будет более приемлемая, что в конечном итоге существенно снижает стоимость.

Стоимость и сложность активных кроссоверов оборачиваются следующей выгодой:

• частотная характеристика, независит от динамических изменений в электрических характеристиках динамика.
• как правило, возможность легкость изменения или точной настройки каждого диапазона частот для конкретного динамика. Например, крутизной и типом фильтра (например, Бесселя, Баттерворта и т.д.).
• изоляция каждого динамика от остального частотного спектра, что позволяет снизить интермодуляционные искажения и перегрузку.
• усилитель мощности непосредственно связан с динамиками, обеспечивая тем самым максимальный контроль за демпфированием звуковой катушки динамика, уменьшая последствия динамический изменений в электрических характеристиках динамика, что улучшает характеристики переходных колебаний.
• сокращение потребляемой мощности усилителя. При отсутствии энергии потерянной в пассивных компонентах, требования усилителя значительно уменьшаются (до половины в некоторых случаях), уменьшая затраты энергии и существенно увеличивая качество воспроизведения.

Цифровые кроссоверы

Активные кроссоверы могут быть реализованы в цифровом исполнении с использованием процессора цифровой обработки сигналов (DSP) или другого микропроцессора. Любое исполнение цифрового кроссовера, приближено к традиционным аналоговым схемам, известным как IIR фильтры (Бесселя, Баттерворта, Линквица-Райли и т.д.), либо использующим фильтры Конечной Импульсной Характеристики (FIR - Finite impulse response). IIR фильтры имеют много общего с аналоговыми фильтрами и относительно нетребовательны к ресурсам центрального процессора. С другой стороны, FIR фильтры имеют, как правило, более высокий порядок и поэтому требуют больше ресурсов для достижения аналогичных характеристик. Они могут быть разработаны так, что имеют линейную фазовую характеристику, которая, как полагают многие, желательны в воспроизведения звука.

Врочем, у обеих типов фильтров есть свои недостатки. У FIR фильтров, для того, чтобы достигнуть линейности фазовой характеристики, приходится увеличивать время задержки. У IIR фильтров, которые являются по своей природе рекурсивными, недостаток состоит в том, что если они не достаточно тщательно спроектированы и просчитаны, то могут входить в предельные циклы, приводящие к нелинейным искажениям.

Механические кроссоверы

Этот тип кроссоверов использует свойства материалов диффузора динамика, для достижения необходимой фильтрации. Такие кроссоверы обычно находятся в динамиках полного частотного диапазона, разработанных для покрытия больших звуковых пространств (например, гипермаркеты, аэро и железнодорожные вокзалы и т.д.). Один из подобных построен путём сцепления диффузора динамика с катушкой через совместную секцию в виде маленького легкого конуса, названного Whizzer. Эта подвижная секция гарантирует, что первичный полный диффузор играет только на низких частотах. Whizzer напрямую связан со звуковой катушкой и отвечает на все частоты, но в силу своего небольшого размера даёт полезную нагрузку в области высоких частот. Эта комбинация приводит к тому, что на основном диффузоре, высокие частоты срезаны, и обрабатываются самим Whizzer'ом, реализуя таким образом действие кроссовера.

Выбор и вес материалов, используемых для диффузора, Whizzer'а и катушки динамика, определяет частоту и порядок фильтра кроссовера. Этот вид кроссоверов намного более сложен в проектировании, особенно если требуется высокая степень эффективности. Для достижения нужного эффекта, требуется большая работа методом проб и ошибок. В течение нескольких лет работы, может измениться согласование этой секции, что отрицательно сказывается на частотной характеристике динамика.

Альтернативой является использование пылезащитного колпачка, как высокочастотного излучателя, также разделённого механическим согласованием с основным диффузором. Высокочастотная дисперсия для такого подходя отличается от использования Whizzer конусов. Другая возможность заключается в создании первичного конуса с таким профилем и из такого материала, который остаётся жёстким, излучая все частоты, в то время как внешние области конуса, разделяют частоты для основного диффузора, воспроизводящего только на низкие частоты.

У динамиков, использующих подобные механические кроссоверы, есть некоторые преимущества в качестве звука, несмотря на трудности, связанные с их проектированием, изготовлением и неизбежным ограничением производства. Динамики полного частотного диапазона имеют единый акустический центр и могут иметь относительно малое изменение фазовых сдвигов. Для лучшей работы на низких частотах, эти динамики требуют тщательной конструкции корпуса. Их небольшие размеры (как правило от 165 до 200 мм) требуют, значительных возвратно-поступательных движений конуса для воспроизведения басов, но короткая звуковая катушка требует разумной производительности в области высоких частот, поскольку не способна к большим колебаниям конуса, необходимых для баса. В рамках этих ограничений, уменьшаются затраты и осложнения, поскольку не требуется никаких внешних кроссоверов.

Те, кто не любит звучание широкополосных динамиков, полагают, что единственный диффузор, который должен воспроизводить и низкие и высокие частоты, не имеет должного коэффициента отдачи ни в одном из диапазонов, и есть много примеров в поддержку этой теории. Почти все Hi-Fi системы в двух или трёх-полосом исполнении, придают вес этой точки зрения.

Классификация на основе порядка (крутизне) фильтра

Также, у фильтров есть разная крутизна спада и кроссоверы различаются порядками фильтров (крутизной спада). Окончательная крутизна спада может быть полностью определена электрическим фильтром или может быть достигнута комбинацией крутизны спада фильтров с естественными особенностями динамика. В первом случае, единственным требованием является то, что каждый динамик имеет ровную характеристику до момента, когда его спад опускается до -10дб от полосы пропускания. Во втором случае, окончательный акустический спад, как правило, круче, чем у электрических фильтров. Кроссоверы третьего и четвертого порядка, часто имеют электрические фильтры только 2-го порядка.

Это нужно для того, чтобы динамики хорошо себя вели в пределах частот лежащих далеко от номинальной разделительной частоты кроссовера, а также, чтобы ВЧ динамики были в состоянии пережить значительный запас по частотному спектру ниже своей точки разделения. На практике, это трудная задача. В ходе обсуждения ниже, будут рассмотрены характеристики порядков электрических фильтров, после чего, мы рассмотрим кроссоверы, имеющие такие порядки фильтров, их преимущества и недостатки.

Большинство кроссоверов используют электрические фильтры от первого до четвёртого порядка. Высшие порядки, как правило, не делаются в пассивных кроссоверах, но встречаются в электронном оборудовании, при обстоятельствах, для которых могут быть оправданы их значительная стоимость и сложность.

Фильтры первого порядка

У фильтров 1-го порядка крутизна спада составляет 6дб/октава. Все фильтры 1-го порядка имеют характерный фильтр Баттерворта и, по мнению многих меломанов, являются идеальными для кроссоверов, потому, что это тип фильтра имеет "совершенный переход", означая, что он передаёт амплитуду и фазу неизменными по всему спектру. Он также использует наименьшее число составных частей и вносит минимальные потери в качество звучания (в пассивных кроссоверах). Кроссовер 1-го порядка позволяет нежелательным частотам проникнуть через ФНЧ и ФВЧ диапазоны в большей степени, чем конфигурации более высшего порядка.

При этом НЧ секция может легко принять паразитные частоты (кроме тех частот, которые лежат вне пределов диапазона воспроизведения динамика), а вот сказать такое о ВЧ секции (в особенности твитерах) нельзя, ибо последним в данном случае грозит выход из строя, поскольку они не способны обрабатывать большую подводимую мощность в частотах ниже их диапазона воспроизведения. На практике, акустические системы с истинными фильтрами первого порядка трудны в разработке, поскольку требуют большой пропускной способности и некоторого запаса от заявленного частотного диапазона.

Фильтры второго порядка

Фильтры второго порядка, имеют крутизну спада 12 дб/октава. В фильтрах второго порядка могут применяться фильтры Бесселя, Линквица-Райли или Баттерворта, в зависимости от поставленных задач и используемых компонентов. Эти фильтры широко используются в пассивных кроссоверах, поскольку имеют разумный баланс между сложностью, отдачей и более высокой защитой динамиков от частотных резонансов и перегрузок. Обычно считается, что всегда будет существовать разность фаз в 180° на выходах НЧ и ВЧ фильтров, имеющих одинаковую частоту раздела.

Для систем с пассивными кроссоверами, твитер подключается противоположной полярностью по отношению к НЧ динамику. Для активных кроссоверов, выход ВЧ фильтра имеет, как правило, специальный переключатель фазы 0°-180°. В 3-полосых системах, как правило включаются в противофазу динамики СЧ дапазона. Однако, это справедливо для динамиков, имеющих широкий предел частотного спектра, а акустическая ось размещена с краю.

Фильтры третьего порядка

Фильтры 3-го порядка крутизну спада в 18 дб/октава. Кроссоверы оборудованные этими фильтрами обычно имеют характеристики Баттерворта.

Полезные ссылки

http://magnitola.org/o-sistemah/67403-pro-krossovery.html

Калькулятор для приблизительного расчета номиналов элементов пассивных кроссоверов