Активный кроссовер 2.1 своими руками. Расчет кроссовера для акустики своими силами. Технические особенности кроссоверов

Кроссоверами называют разделительные фильтры частот для автомобильной акустики. Эти фильтры разделяют сигнал в многополосных колонках на низкие, средние и высокие частоты. Необходимо учитывать перед ремонтом или заменой встроенного кроссовера в магнитоле, что это 1 из ключевых компонентов автомобильной аудиосистемы наряду с усилителем.

Что это и принцип работы

В силу своих конструктивных особенностей динамики автомагнитолы не способны воспроизводить полный спектр частот. В автомобилях устанавливают несколько динамиков, каждый из которых работает в ограниченном диапазоне. Кроссовер в музыке является основным компонентом многополосной аудиосистемы. Благодаря этой детали динамики, разработанные для воспроизведения высоких частот, получают предназначенный для них сигнал.

Если бы такое устройство отсутствовало, высокочастотные динамики могли бы получить сигнал, который предназначен для сабвуфера. Чем больше каналов поддерживает устройство, тем больше можно установить динамиков.

Кроссовер для динамиков и сабвуфера изготавливается из 2 основных компонентов: конденсатора и катушки индуктивности. Эти простейшие реактивные элементы дифференцируют сигнал.

Разновидности и особенности

Кроссоверы, которые входят в состав автомобильных аудиосистем, делятся на 2 основные категории: активные и пассивные. Пассивный элемент — это более распространенная разновидность, которая чаще встречается в продаже. Пассивное устройство не нуждается в дополнительном питании, владельцу автомобиля проще и быстрее установить его.

Недостаток такого элемента — низкое качество. Из-за пассивного принципа работы устройство забирает часть энергии фильтра, чтобы поддержать свою работоспособность.

При этом реактивные элементы работающего на пределе устройства изменяют сдвиг по фазе, из-за чего пользователь аудиосистемы не может настраивать частоты максимально точно.

Активные элементы лишены этого недостатка. У них более сложное внутреннее устройство, и за счет этого потоковый звук лучше фильтруется. Кроме катушек и емкостей такие устройства содержат дополнительные полупроводники, но при этом обладают более компактными размерами. Активные элементы редко продаются в качестве отдельной аппаратуры, но всегда устанавливаются в автомобильных усилителях.

Критерии выбора

Выбирая кроссовер, нужно внимательно изучить технические характеристики. На рынке представлены отдельные устройства, предназначенные только для сабвуфера или высокочастотных динамиков. Если пользователь планирует установить в аудиосистему 2 усилителя, рекомендуется выбрать 3-канальные кроссоверы с выходами для сабвуфера и колонок.

Одним из наиболее важных параметров считается крутизна спада фильтра, или порядок частоты среза. Чтобы можно было разместить сабвуфер в салоне автомобиля, крутизна спада должна составлять не менее 18 дБ. В противном случае низкочастотный динамик начнет выдавать искаженный звук.

Для узкополосного сабвуфера рекомендуется использовать кроссовер с характеристикой затухания до 12 дБ. Частота отсечки сигнала будет варьироваться в пределах 75-150 Гц. Желательно, чтобы для этого диапазона была предусмотрена 3-ступенчатая регулировка. Более хорошие результаты показывает плавная регулировка отсечки, которая позволяет легко и быстро производить настройки частоты среза для сабвуфера. Если высокочастотные динамики работают с кроссоверами более высокого качества, чем у сабвуфера, то это негативно отразится на восприятии звука.

Колонки с изюминкой: лаконичность схемы сочетается с тщательным исполнением корпуса.

Разрабатывая и изготавливая новую модель акустики, производитель пытается нарисовать портрет ее слушателя и оценить обстановку, в которой эта система будет установлена. Но я хочу описать конструкцию, идеологом создания которой стал ее будущий хозяин. Вот краткий перечень тех пожеланий, которые мы получили в качестве руководства к действию от очередного заказчика. Это должны быть напольные акустические системы для прослушивания спокойной музыки в уютной домашней обстановке. Они должны гармонировать с имеющимся интерьером, но иметь изюминку в дизайне.

Последним, но категоричным требованием было использование простейших разделительных фильтров первого порядка (похоже, сильно сказалось влияние на заказчика множества статей о вреде фильтров высоких порядков).

Вырисовывалась следующая картина:

1) низкочастотный динамик будет бумажным - порядок фильтра обязывает, хотя алюминиевый диффузор в сочетании с отделкой светлым дубом как нельзя лучше отвечал бы требованиям дизайна квартиры;

2) акустическое оформление - фазоинвертор, так как в результате прослушивания клиент однозначно отдал предпочтение этому типу;

3) система будет двухполосной;

4) интерьер комнаты подразумевал изготовление изделия с плавными линиями, и тут как нельзя лучше пригодилась уникальная методика «монолита», разработанная в нашей компании для производства корпусов. Все его грани получаются скругленными, что также благоприятно сказывается на проблеме дифракции в ВЧ-области.

И про изюминку не забыли: точеный дубовый тоннель фазоинвертора, выведенный на переднюю панель, как нельзя лучше дополнял плавные обводы углов.

Об авторe

Борис Пухов - выпускник Ленинградского Политехнического института, специалист по акустике в компании «Питер-Мьюзик». Принимает непосредственное участие в разработке АС по индивидуальным заказам, причем не только для Hi-Fi-систем, но и домашнего театра. Последнее достижение - запуск в производство автомобильных сабвуферов под торговой маркой Bloodhound.

Покопавшись в истории, мы решили взять за основу разработку пятнадцатилетней давности норвежской фирмы SEAS, благо сейчас в России с такими брэндами, как VIFA, SCANSPEAK и SEAS, проблем нет. Приятно было отметить, что восьмидюймовый бумажный вуфер Н333 и тканевый купольный высокочастотник H519 выпускаются и по сей день. Динамики были приобретены, и начался процесс воплощения в жизнь идеи клиента.

Корпус изготавливается из МДФ высокой плотности (боковые и задняя стенки 19 мм, передняя - 25 мм). После раскроя панели по периметру обклеиваются дубовым бруском таким образом, что в местах их стыков образуются лабиринты - 100-процентная гарантия от утечек. О герметичности конструкции свидетельствует и тот факт, что перед фанерованием приходится сверлить технологическое отверстие, т.к. колебание температуры воздуха приводит к втягиванию стенок. Таким способом и были собраны два 39-литровых корпуса.

Cтык «монолит»: 1 - дубовый брус, 2 - панель МДФ, 3 - шпон.

Особенностью метода «монолит» является то, что корпус получается неразборным, и поэтому перед установкой последней панели производится горячая накатка вибропоглощающего состава «визомат» на внутренние плоскости и установка фильтра. Наличие внутренних распорок придает конструкции дополнительную жесткость. Что характерно, при сборке не используется ни одного шурупа. Трехслойное покрытие матовым лаком надежно защищает корпус от колебаний влажности в помещении и подчеркивает рельефность структуры натурального дерева. Для установки на шипы-опоры в нижней панели на этапе производства монтируются потайные гайки М8.

Несколько слов о фильтре: катушки индуктивности с воздушным сердечником и межслойной пропиткой собственного производства. Конденсатор металлопленочный полипропиленовый К78-19, хорошо себя зарекомендовавший в акустических фильтрах.

Так как от этих колонок не требуется сильных смещений диффузора низкочастотной головки и «ветров» в тоннеле не предвидится, мы ограничились портом диаметром 70 мм. Длину подбирали экспериментально, настраивая корпус на собственную частоту резонанса головки (33 - 35 Гц). На время настройки устанавливался пластиковый тоннель, длина которого подбиралась экспериментально и получилась равной 150 мм. Учитывая скругленность краев точеного тоннеля, мы сделали его длиной 160 мм и вклеили его в корпус колонки. Динамики устанавливались в переднюю стенку на специально отфрезерованный посадочный пояс через прокладку из тонкой резины и закреплялись винтами с помощью саморазжимных бронзовых втулок.

Объем корпуса в нижней части был равномерно заполнен синтетической ватой, объем которой подбирался по минимальной резонансной частоте системы при заглушенном отверстии тоннеля. Все эксперименты и настройки проводились на одном корпусе, а второй был собран по образу и подобию, т.к. динамики фирмы SEAS славятся высокой стабильностью параметров однотипных изделий. Основным критерием качества готовых изделий клиент считал результат прослушивания. Оно производилось совместно с консервативным британским усилителем Musical Fidelity A220. Мягкий тембр, легкость и ажурность звучания с хорошей проработкой пространственной картинки позволяло длительно слушать музыку без признаков утомления, что вполне устраивало их хозяина. Мы все же решили снять АЧХ по звуковому давлению в ближнем поле с помощью спектроанализатора Audio Control SA-3055, используя встроенный генератор розового шума. Расположение микрофона не позволяло фиксировать работу фазоинвертора, о чем свидетельствует явный завал в НЧ области на светодиодном дисплее (шаг 1 дБ), в то время как при прослушивании проблем с басом не возникало. Чувствительность оказалась на уровне 89 дБ.

В завершение хочется отметить, что от качества изготовления корпуса в огромной степени зависит эмоциональное восприятие музыки и радовать глаз - не последняя задача современных акустических систем.

В промышленных конструкциях активных кроссоверов наибольшее распространение получили построенные на повторителях фильтры Баттерворта, Бесселя и Саллена-Ки.
Фильтры Бесселя обладают самой гладкой фазовой характеристикой (как у одиночной RC-цепи), но суммарная АЧХ имеет провал величиной 3 дБ на частоте раздела.
Фильтры Баттерворта обеспечивают плоскую суммарную АЧХ, но их фазовая характеристика более крутая.
Наконец, фильтры Саллена-Ки (равнокомпонентные фильтры) очень удобны в серийном производстве, поскольку (как следует из названия) для них требуются детали одинаковых номиналов и с большим допустимым отклонением, чего нельзя сказать о фильтрах Баттерворта и Бесселя, требующих точных деталей
Однако фазовая и частотная характеристики равнокомпонентных фильтров самые худшие, поэтому их используют только в бюджетных моделях.
Достаточно много есть схем фазолинейных активных кроссоверов, типа на ФНЧ Бесселя и фазокорректоре Делияниса (кроссовер Питера Ласки).... и так далее, но, как правило, это сложные и в расчетах и настройках, много ОУ, точных резисторов и конденсаторов.
В значительной степени свободен от перечисленных выше недостатков способ построения разделительных фильтров с применением так называемых комплементарных фильтров.... и наилучшие характеристики имеет разделительный фильтр на интеграторах, который из-за особенностей своего построения также является комплементарным фильтром и поэтому обладает всеми его достоинствами. Кроме этого, такой фильтр характеризуется высокой устойчивостью, низкой чувствительностью параметров фильтра к точности элементов, очень высокой идентичностью характеристик НЧ и ВЧ звеньев, ровной суммарной АЧХ и, наконец, простотой расчета частоты среза фильтра и небольшим количеством активных и пассивных элементов и что особенно радует - нет разделительных конденсаторов... во многих случаях можно избавится и от выходных разделительных емкостей в ресивере и входных в усилителе вплоть до выходного каскада УМ, что еще более линеаризует общую фазолинейность общего звукового тракта.

Мне очень нравится одна схема активного разделительного фильтра, которую я уже неоднократно изготавливал и устанавливал в разные автомобили.
Следы описания этого фильтра можно найти в инете:
http://www.digit-el.com/files/articles/crossover.pdf
После перевода с английского получилось, что его назвали как «фильтр с постоянным уровнем».

Но звучит оно как-то неправильно и я считаю, что вернее этот фильтр называть как "Активный разделительный фильтр с неизменённой суммарной АЧХ".

Чем он так мне приглянулся - во первых там нет никаких разделительных емкостей, а те конденсаторы, что определяют частоту раздела, стоят в обратных связях ОУ и имеют маленькую емкость. Подобрать такой номинал конденсатора, например, из пленочных - не составляет никакого труда.
Частота раздела точно соответствует номиналам элементов рассчитанных по указанной там формуле.
За основу можно брать резистор в пределах 24-47 кОм и подгонять частоту раздела под имеющиеся ёмкости.
Принципиальная схема двухканального активного разделительного фильтра с двухполярным блоком питания выглядит так:

Не так он прост, как кажется с первого взгляда, хотя бы даже из-за того, что требуется, как показал опыт, динамики, которые могут работать от частоты среза ниже/выше на 1,5-2 октавы (что в общем-то не очень большая проблема), также требуется подбор конкретного типа ОУ, которые будут работать в сумматоре и в интеграторах.....
Сразу скажу, что у меня получился пока самый лучший результат по общему тональному балансу и нейтральности звучания - это пара LM4562 и AD8066, как для бюджета можно смело ставить обе NE5532.
Немного об остальных ОУ, то что запечатлелось в памяти:
обе AD823 - сильное ослабление энергетики сигнала в НЧ/СЧ диапазоне
ОРА2132, ОРА2134, ОРА2604, JRC4580, JRC2068 в интегратор - плохие и резкие ВЧ, некоторые проблемы в СЧ.
две AD826 - может быть, но как-то слишком просветленно на СЧ/ВЧ...
LT1469, LT1364, LM833 и много-много других вариантов с вышеперечисленными ОУ - что-то промежуточное, и, наверное, каждый должен выбрать то, что ему больше понравится по звучанию с конкретным усилителем и конкретными динамиками.
Конденсаторы в цепях обратной связи слышно, самое лучшее, что звучит нейтрально - это ФТ, Эпкосы, неплохо К73-17....в любом случае лучше ставить пленку (а не керамику), хотя бы Wima FKP2 .
Перегрузочная способность - больше двух вольт среднего входного сигнала (при питании +/- 12 вольт) на такой фильтр лучше не подавать - иначе первый интегратор входит в клип... ну вот, пожалуй, и все самое главное об этом фильтре.