Čo je to crossover a prečo je to potrebné?

Pred zodpovedaním tejto otázky je najprv potrebné urobiť krátku odbočku do teórie reproduktorov a načrtnúť problém vo všeobecnosti. Ako viete, takmer každý zo súčasne vyrábaných reproduktorov je schopný efektívne reprodukovať len úzke frekvenčné pásmo, obmedzené zdola rezonančnou frekvenciou jeho pohyblivého systému a zhora mechanickými vlastnosťami difúzora (hmotnosť, tuhosť). Mimo tohto frekvenčného pásma sa výrazne zníži akustický tlak generovaný reproduktorom a zvýši sa úroveň skreslenia. O kvalitnom zvuku sa v tomto prípade hovoriť nedá. Na prenos celého spektra zvukových signálov (20-20 000 Hz) je preto potrebné použiť niekoľko reproduktorov. Akustici si túto potrebu už dávno uvedomili a dnes je vo všetkých oblastiach audio techniky, či už ide o domáce alebo automobilové systémy, prevažná väčšina reproduktorov implementovaná výlučne v konfigurácii s viacerými meničmi.

Pokiaľ ide o autorádio, dva celkom typické obvody konštrukcie, s ktorými sú dobre oboznámení aj viac či menej informovaní čitatelia. Prvý a najbežnejší pozostáva z troch reproduktorov: subwoofer zameraný výlučne na basy (približne 20-100 Hz), basový/stredotónový reproduktor pre horné basy a stredofrekvenčné rozsahy (100-3000 Hz) a výškový reproduktor zodpovedný za vysoké frekvencie (od 3000 Hz a vyššie). V zložitejších schémach, napríklad v tých, ktoré zastupujú profesionáli na súťažiach v audio v aute, počet reproduktorov sa zvyšuje. Tu sú pre každý frekvenčný rozsah: nižšie basy, stredné/horné basy, stredy a vrcholy zodpovedné samostatné reproduktory. Napriek zjavným rozdielom však obe schémy podliehajú jedinej požiadavke: každý reproduktor zahrnutý v systéme reproduktorov musí reprodukovať iba svoje vlastné frekvenčné pásmo a neovplyvňovať susedné. Na splnenie tejto požiadavky sú v audio ceste zahrnuté elektrické filtre, ktoré sa presne podieľajú na výbere niektorých frekvenčných pásiem a potláčaní iných. Je zrejmé, že ak reproduktorový systém používa niekoľko reproduktorov – subwoofer, basový/stredový reproduktor, stredový reproduktor a výškový reproduktor, je potrebné použiť niekoľko elektrických filtrov. Kombinácia niekoľkých takýchto filtrov sa nazýva crossover.

Filtre

V prvej aproximácii je akýkoľvek elektrický filter súborom niekoľkých prvkov, ktoré majú vlastnosť selektívneho prenosu signálov určitých frekvencií. Najjednoduchšie obvody, ktoré majú podobné vlastnosti, môžu byť zostavené pomocou induktorov a kondenzátorov. Princíp činnosti týchto obvodov je založený na závislosti odporu ich základných prvkov od frekvencie: pre induktory sa odpor zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou signálu, zatiaľ čo pre kondenzátory sa naopak znižuje. Preto induktory dobre prechádzajú nízkymi frekvenciami a kondenzátory prechádzajú vysokými frekvenciami. Tieto vlastnosti sa využívajú na stavbu filtrov – nízke (LPF) a vysoké frekvencie (HPF). Okrem dolnopriepustných a hornopriepustných filtrov existujú aj iné typy filtrov, napríklad pásmové filtre - inými slovami pásmové filtre. Už z názvu je jasné, že takéto filtre dobre prepustia len určité frekvenčné pásmo a všetko, čo je mimo neho, pásmový filter (PF) potláča. Obvyklou úlohou takýchto filtrov je izolovať stredofrekvenčný rozsah pre následné privádzanie filtrovaného signálu do stredotónového reproduktora. Podľa vykonávanej úlohy je ďalší typ filtra - zárez (RF) - úplným opakom PF. Notch filter potláča frekvenčné pásmo, ktoré PF prejde bez zmien, čím otvára voľný prístup k signálom mimo tohto frekvenčného intervalu. Trochu okrem všetkých vyššie uvedených typov filtrov sú filtre na potlačenie infra-nízkych frekvencií (FINCH); v skutočnosti ide o rovnaké hornopriepustné filtre, ale s extrémne nízkou medznou frekvenciou (10-30 Hz). Účelom Finch je chrániť nízkofrekvenčnú hlavu (subwoofer) pred infra-nízkofrekvenčnými signálmi, ktoré môžu viesť k preťaženiu subwoofera, niekedy až k jeho poruche.

Každý filter sa vyznačuje niekoľkými parametrami. Prvým parametrom filtra je jeho poradie. Poradie filtra zodpovedá počtu reaktívnych prvkov v obvode (tlmivky, kondenzátory). Filter prvého rádu, ako už názov napovedá, obsahuje iba jeden reaktívny prvok. Filter druhého rádu obsahuje dva prvky atď.. Ďalší index filtra je priamo závislý od poradia - strmosť poklesu amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky. Tento parameter udáva, ako prudko filter tlmí signál mimo priepustného pásma, teda signály tých frekvencií, ktoré by nemali prejsť cez filtračnú bariéru a dostať sa do reproduktora. Sklon sa meria v decibeloch na oktávu (dB/oktáva). Oktáva je frekvenčné pásmo, v ktorom je horná medzná frekvencia dvojnásobkom spodnej medznej frekvencie. Napríklad za oktávu možno považovať frekvenčné intervaly od 100 do 200 Hz alebo od 200 do 400 Hz. Je ľahké vypočítať, že celý rozsah audio signálov (20-20 000 Hz) obsahuje približne desať oktáv. Druhou mernou jednotkou je decibel, pomenovaný podľa vynálezcu telefónu A. G. Bella; je logaritmus pomeru hodnôt (v tomto prípade zisk filtra na medzných frekvenciách oktávy), ktorý ukazuje relatívny rozdiel medzi týmito hodnotami. Rozdiel 6 dB znamená, že úrovne sa líšia faktorom dva, 12 dB faktorom štyri, 20 dB faktorom desať atď. filter a rovná sa 6*N, kde N je poradie filter. Je zrejmé, že strmosť filtra prvého rádu je 6 dB / okt, druhého - 12 dB / okt, tretieho - 18 dB / okt atď., A čím je vyššia, tým efektívnejšie sú filtre schopné potlačiť nežiaduce signály. Pri výbere poradia filtra spolu s tvarom amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky je potrebné brať do úvahy aj fázovo-frekvenčnú charakteristiku. Ideálna výhybka by mala poskytovať jednotnú celkovú frekvenčnú odozvu z hľadiska akustického tlaku, ktorý je sčítaný z vibrácií vytvorených všetkými hlavami reproduktorového systému. Pri sčítaní sa prejavujú amplitúdové aj fázové vzťahy, ako aj umiestnenie hláv vo vzťahu k poslucháčovi. Optimálny výsledok je zabezpečený použitím filtrov presne definovaného poradia. Podrobnejšie informácie o tejto téme môžu záujemcovia nájsť napríklad v knihe „Vysielanie a elektroakustika“, ktorú vydal Yu.A. Kovalgin, ktorú vydalo vydavateľstvo Rádio a komunikácie v roku 1999.

Funkcia filtra sa zároveň vyznačuje nielen poradím a strmosťou poklesu frekvenčnej odozvy. O charaktere filtra sa dá veľa povedať aproximačná metóda, na základe ktorej sa určuje jeho prenosová funkcia. Takýchto metód je dnes veľa a všetky nesú mená tvorcov: Butterworth, Bessel, Linkwitz-Ralley a mnoho ďalších. Zdalo by sa, že množstvo metód znamená veľa konštrukčných rozdielov v implementáciách filtrov dokonca rovnakého rádu, ale nič také. Reaktívne prvky, ktoré možno vidieť na elektrické schémy Butterworth, Bessel, Linkwitz-Ralley filtre rovnakého rádu sú rovnaké, ale hodnotenia týchto prvkov sa výrazne líšia, čo znamená odlišné správanie amplitúdových a fázovo-frekvenčných charakteristík filtrov. V dôsledku toho sú odlišné aj časové charakteristiky.

Vo všeobecnosti sú všetky typy filtrov ďalej rozdelené do dvoch pomerne rozsiahlych tried - aktívnych a pasívnych, a teda výhybky, ktoré zahŕňajú tieto filtre, môžu byť pasívne a aktívne.

Pasívne výhybky pozostávajú výlučne z reaktívnych prvkov - induktorov a kondenzátorov a nevyžadujú napájanie. Sú veľmi nenáročné a za určitých podmienok ich možno zaradiť do ktoréhokoľvek úseku cesty, pred aj za koncovým zosilňovačom. Najčastejšie sa však pasívnym výhybkám priraďuje presne definovaná oblasť - medzi výkonovým zosilňovačom a reproduktormi. Pomocou výhybky je možné k jednému zosilňovaču pripojiť viacero hláv pracujúcich v susedných frekvenčných pásmach. Lacné a veselé! Existujú však aj temné stránky. Prítomnosť výhybky na ceste medzi výkonovým zosilňovačom a reproduktorom vedie k tomu, že až desať percent užitočnej energie sa rozptýli na reaktívnych prvkoch a zakončovacích odporoch. To však zďaleka nie je jediný nedostatok pasívnych crossoverov. Netreba zabúdať ani na to, že majú veľmi skromné ​​možnosti úpravy zvuku, najčastejšie obmedzené na ovládanie úrovne pre jednotlivé frekvenčné pásma. Charakteristiky pasívnych filtrov výrazne závisia od záťažového odporu, ktorý je elektrický odpor reproduktor. V rozsahu prevádzkovej frekvencie je preto veľmi nestabilný optimálne podmienky nie je možné zabezpečiť prispôsobenie a frekvenčná odozva filtrov sa líši od vypočítanej. To tiež nemožno pripísať výhodám pasívnych crossoverov.

Aktívne výhybky v službách automobilových zosilňovačov

Ak by všetky filtračné obvody v súčasnosti používané v audio technike boli založené na pasívnych prvkoch, potom by s najväčšou pravdepodobnosťou po určitom čase boli ohrozené zásoby medi na planéte Zem. prečo? Áno, pretože výroba aj najjednoduchšieho dolnopriepustného filtra prvého rádu s nízkou medznou frekvenciou (100 Hz) na základe induktora vyžaduje veľa medený drôt, a nie jednoduchý, ale najzávažnejší: veľký prierez, s nízkymi stratami a vysokou kvalitou. Nie je známe, čomu by sme dnes čelili, keby pred niekoľkými desaťročiami odborníci na elektroniku nevynašli aktívne filtre, kde sa objemné tlmivky a kondenzátory nahradili elektronické prvky- tranzistory a operačné zosilňovače, ktoré majú pri určitom zaradení v kombinácii s rezistormi a kondenzátormi rovnaké vlastnosti ako LC obvody - identický fázový posun medzi prúdom a napätím a závislosť koeficientu prenosu od frekvencie.

Vzhľad zásadne nových filtračných obvodov, ako každá iná inovácia v audio technológii, okamžite vyvolal veľa kontroverzií. Hlavná vlna kritiky vznikla v radoch skutočných audiofilov, ktorí jednomyseľne tvrdili, že aktívne filtre vyžadujúce napájanie sú vážnou prekážkou prirodzeného, ​​prirodzeného zvuku. V tomto mali čiastočne pravdu, ale široký zoznam výhod filtrov, ktoré sa práve objavili, sa stal vážnym argumentom v ich prospech. A čoskoro sa tieto filtre začali aktívne používať v vstavaných výhybkách automobilových zosilňovačov. Takéto výhybky sú zvyčajne umiestnené vo vnútri skrine zosilňovača a ich miesto v signálovej ceste je na vstupe, bezprostredne za obvodmi riadenia vstupnej citlivosti, pred obvodmi predzosilňovania. Treba povedať, že v tejto premene zohrala významnú úlohu možnosť implementácie aktívnych filtrov v minimalistických rozmeroch, ktorá je pre pasívne analógy dodnes utópiou.

V modeloch rozpočtových zosilňovačov sú vstavané výhybky založené na rovnakých filtračných jednotkách. Tento typ filtra je zjednodušenou variáciou Besselovho filtra; jeho výroba je veľmi jednoduchá, pretože na rozdiel od filtrov Linkwitz-Ralley, Bessel a Butterworth je postavený na prvkoch rovnakej nominálnej hodnoty a nie je zvlášť kritický pre tolerancie odchýlok parametrov, ktoré môžu niekedy dosahovať aj desiatky percent. Je zrejmé, že amplitúdová a fázovo-frekvenčná charakteristika takýchto filtrov má ďaleko od dokonalosti, prinajmenšom - sú najhoršie. Ďalšie úskalie, ktoré možno nájsť pri výkone vstavaných výhybiek na rozpočtovej úrovni, je spojené s organizáciou výberu frekvencie výhybiek. Aby sa znížili náklady na crossover, mnohí výrobcovia zámerne minimalizujú počet ladiacich prvkov a výsledkom je, že vo filtri druhého rádu je frekvenčne naladený iba jeden článok. Je zrejmé, že v tomto prípade je dosť ťažké hovoriť o stabilite charakteristiky výhybky v celom rozsahu nastavení.

V zosilňovačoch stredných a vysokých cenovej kategórii crossovery sa najčastejšie realizujú na báze filtrov Linkwitz-Ralley, Butterworth a Bessel - druhého, tretieho, menej často štvrtého rádu. Každý z nich má svoje výhody a nevýhody, ale ak sú ostatné veci rovnaké, všeobecne sa uznáva, že Butterworthove filtre majú minimálnu nerovnomernosť frekvenčnej odozvy a Besselove filtre - PFC. V tejto triede zosilňovačov poskytnúť jemné ladenie medzná frekvencia, mnohí renomovaní výrobcovia prijali takzvanú metódu „kliknutia“. Jeho podstata spočíva v tom, že medzná frekvencia hornopriepustného filtra a dolnopriepustného filtra sa upravuje podľa špeciálnej korešpondenčnej tabuľky „klik-frekvencia“, kde napríklad krajná ľavá poloha potenciometra môže zodpovedať medzná frekvencia 20 Hz, ďalšia - 22 Hz atď., A druhá - päť a niekedy desať kilohertzov. Táto metóda ladenia sa vyznačuje veľmi vysokou presnosťou výsledku, nachádza sa v zosilňovačoch "PPI" a "Orion" atď.

Mierne odlišný prístup k nastaveniu medznej frekvencie demonštrujú zosilňovače vyrábané talianskymi firmami "Steg", "Audiosystem", ako aj radom ďalších spoločností. Tu sa vyberie požadovaná medzná frekvencia inštaláciou jedného alebo druhého odporového čipového modulu. Táto metóda je menej univerzálna ako metóda opísaná vyššie, ale sľubuje dobrý výsledok. Logickým pokračovaním tohto prístupu sú výhybky, pri ktorých je medzná frekvencia obmedzená na niekoľko pevných hodnôt. Toto je pomerne bežné riešenie, ktoré sa často vyskytuje v špičkových zosilňovačoch. Dobrým príkladom je množstvo špičkových zosilňovačov McIntosh. Tu je medzná frekvencia oboch filtrov - HPF a LPF - pevná a je obmedzená na dve hodnoty - 80 a 120 Hz. Mimochodom, na príklade týchto zosilňovačov je možné demonštrovať použitie zárezových filtrov v zabudovaných výhybkách. V nich je zárezový filter naladený na priemernú rezonančnú frekvenciu interiéru auta (150 Hz) a do určitej miery umožňuje korigovať prípadný vzostup amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky.

Špeciálnu skupinu tvoria výhybky, v ktorých si môžete nastaviť nielen medznú frekvenciu konkrétneho filtra, ale aj strmosť strmosti amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky. Takže široké možnosti sami o sebe raritou, no môžu sa pochváliť japonskými zosilňovačmi „chDimension“ zo série „Forte“, v ktorých maximálna možná strmosť útlmu dosahuje 48 dB/okt.

Niekedy v nízkofrekvenčnej časti vstavaných výhybiek nájdete hornopriepustný filter (FINCH) s nastaviteľným faktorom kvality, ktorý vám umožňuje dosiahnuť nárast frekvenčnej odozvy v blízkosti medznej frekvencie až o 10 dB ( Hawkinsov okruh). Takéto obvodové riešenie sa často nachádza v zosilňovačoch Soundstream, umožňuje vylúčiť samostatný stupeň obvodu zosilnenia basov z ladiacej cesty.

Implementácia dolnopriepustných filtrov v zabudovaných výhybkách jasne demonštruje výhody aktívneho filtrovania. Takýto filter na doske mnohých zosilňovačov zaberá zanedbateľnú oblasť, ale zároveň umožňuje nastaviť medznú frekvenciu v rozsahu od 15 do 50 Hz a so sklonom útlmovej charakteristiky od 18 do 24 dB / okt. Pravda, niektorí výrobcovia niekedy zámerne obmedzujú možnosti nastavenia, obmedzujúc sa na niekoľko pevných, typických hodnôt. Ako ukazuje prax, je to viac než dosť.

Záver

Po prečítaní tejto recenzie si zrejme nejeden čitateľ bude chcieť položiť celkom rozumnú otázku, či je použitie vstavanej výhybky v zosilňovačoch automobilov opodstatnené, alebo je to len ďalší spôsob, ako vybrať „ťažko zarobené“ prostriedky? V mnohých ohľadoch odpoveď na túto otázku závisí od úrovne zosilňovača. Ak zariadenie patrí do rozpočtovej alebo základnej triedy, potom by bolo určite naivné dúfať, že vstavaný crossover neprinesie výrazné zmeny signálu. Iná vec je, keď zosilňovač patrí do strednej, ba dokonca elitnej triedy. Tu výrobcovia hrajú podľa iných pravidiel. Dôveryhodnosť spoločnosti je ohrozená a používanie nekvalitných separačných filtrov, ako aj iných prvkov, môže poškodiť jej prestíž. Je zrejmé, že v tomto prípade už môžete vážne uvažovať o použití výhybky zosilňovača, najmä pri špičkových zosilňovačoch sú jeho možnosti zvyčajne veľmi dobré. Prirodzene, takéto riešenie povedie k vybudovaniu audio systému na princípe viacpásmového zosilnenia (bi-amping), čo v žiadnom prípade neprispieva k úspore rozpočtu, pretože budú potrebné minimálne štyri zosilňovacie kanály.