|
|
РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР
Голосом домашнего аудиокомплекса несомненно является акустика. У любой многополосной акустической системы, кроме корпуса и явных внешних громкоговорителей, присутствует неотъемлемая скрытая часть, занимающаяся необходимым разделением их труда. Устройство это - разделительный электрический фильтр, который часто называют "кроссовер" (модная калька от английского crossover filter, что в дословном переводе как раз и означает этот самый фильтр). Хотя все обсуждаемые здесь вопросы касаются громкоговорителей с головками любого типа, для определённости будем предпологать, что речь идёт о колонках с электродинамическими преобразователями, состовляющими основу всего мирового парка акустических систем. Кроссовер в АС - это примерно то же самое, что и коробка передач в автомобиле (аналогия была бы совершенной, если только можно было вообразить автомобиль, колёса которого крутятся одновременно с разными скоростями). Но, чтобы смелая аналогия не отвлекла воображение от предмета обсуждения, начнём по порядку. Для любого слушателя полноценное восприятие музыкального сигнала справедливо ассоциируется с получением всего спектра слышимых человеческим ухом частот, который традиционно определяется интервалом 20 - 20000 Гц. Короче говоря, необходим электроакустический преобразователь, способный одинаково эффективно работать во всём этом, без преувеличения, огромном частотном интервале. Создание таких сверширокополосных преобразователей представляет собой крайне сложную инженерную задачу, решить которую - значит удовлетворить множеству зачастую противоречивых технических требований. Оказывается, много проще решить проблему широкополосности путём конструирования системы из нескольких головок, каждая из которых специально разработана для оптимального (с наименьшими искажениями) воспроизведения своей суверенной полосы частот. А поскольку во всех интересующих нас случаях для акустических волн справедлив принцип суперпозиции, поля, созданные разными головками, безболезненно для качества интегрального звукового образа просуммируются в воздушной среде. Но простым параллельным подключением преобразователей проблему не решить. Спектральные состовляющие сигнала, лежащие за пределами рабочей полосы данного преобразователя, могут мешать правильной работе динамика, причём это негативное влияние поразному отражается на деятельности НЧ-, СЧ- и ВЧ-головок. Средние (160 - 1300 Гц) и тем более высокие частоты (1,3 - 20 кГц) басовик большого диаметра толком не воспроизведёт по чисто физическим, точнее, акустическим причинам. Дело в том, что излучающая способность преобразователя напрямую зависит от соотношения между диаметром диффузора и длиной волны звука: чем ниже тон, тем больше должна быть площадь излучающей поверхности. Увеличение размера диффузора ведёт к увеличению его массы и, следовательно, инерционности подвижной части динамика. Высокая инерционность не позаоляет излучающей поверхности быстро и правильно колебаться на высоких частотах - чем выше частота тона, тем больше должна быть колебательная скорость. Поэтому, если подать на басовик весь спектр частот, то звук будет основательно загрязнён высокочастотными продуктами нелинейности. Мало того, выше некоторой частоты (значение которой определяется размерами диффузора и свойствами материалов, из которых он изготовлен) появляющиеся изгибные моды нарушают расчётный поршневой режим работы динамика, когда все точки диаграмы движутся одновременно, т. е. синфазно. Диффузор перестоёт колебаться как единое целое. Как следствие, появляются провалы на АЧХ, и возникает выраженная пространственная неоднородность звукового поля. Конструкция среднечастотной головки не позволяет эффективно излучить низкие частоты, однако при отсутствии разделительного фильтра по его звуковой катушке будет течь большой, но бесполезный ток (наибольшая часть энергии музыкального сигнала всегда бывает сосредоточенна в области низких частот). Иначе говоря, мембрана среднечастотника будет слабо колебаться, но эффективно излучать низкий звук не сможет, и могоамперный низкочастотный ток ничего кроме вреда здесь не принесёт. Высокочастотная головка не только не сможет выдать бас, но попросту испортится, поскольку её лёгкая и тонкая звуковая катушка вовсе не расчитана на подобное грубое вмешательство. Одним словом, куда ни кинь - всюду нужен фильтр: этакая "распределительая коробка" в акустической системе.
 Электрический разделительный фильтр (рис.1) - это устройство, включаемое между источником сигнала (усилителем) и нагрузкой (динамиком), которое обладает свойством избирательности по отношению к токам различных частот: одни пропускает свободно, другие - с неохотой. Иными словами, в акустической системе кроссовер выполняет очень важную функцию - он отсекает "чужие" частоты от конкретного, специально оптимизированного для наилучшего воспроизведения своей полосы динамика. Фильтры тоже бывают разные. Фильтры пассивного типа работают с относительно высоковольтным сигналом, поступающим непосредственно с выхода усилителя мощности. Такие фильтры имеют наибольшее, если не сказать абсолютное,количественное превосходство над общей массой используемых на сегодняшний день решений. Ещё существуют так называемые активные фильтры, включаемые в аудиотракт до "мощника": они выполняются либо на транзисторах, либо на основе специализированных интегральных микросхем и некоторого количества внешних элементов - конденсаторов и резисторов. Такие решения имеют ряд несомненных достоинств и в акустике тоже используются, но довольно редко - ведь это подразумевает наличие в каждой колонке собственного высококачественного усилителя мощности, работающего по отдельности с каждой частотной полосой и автоматически превращающего пассивную АС в её деаметральную и значительно более дорогую противоположность - активную. В силу широкой распространённости здесь мы станем рассматривать фильтры пассивного типа. Они состоят из трёх основных видов элементов: конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов. Как работает такой фильтр? Прежде чем это выяснить, рассмотрим свойства составляющих его элементов. Возьмём катушку индуктивности - грубо говоря, намотанный в одном направлении на каркас провод. Оказывается, такая нехитрая операция (намотка) сразу меняет свойства этого провода - его электрическое сопротивление начинает расти пропорционально частоте. Если индуктивность требуется большая, то может быть использован сердечник из какого-нибудь ферромагнитного материала, а для катушек с небольшой индуктивностью можно обойтись без него. Теперь берём конденсатор - два электрода с расположенной между ними не проводящей постоянный электрический ток прокладкой (диэлектриком). Сопротивление конденсатора, наоборот, падает с ростом частоты обратно пропорционально последней. Сопротивление резистора в интересующем аудиофила частотном диапазоне можно считать заведомо постоянным и не зависящим от частоты. Однако его присутствие необходимо по крайней мере по двум причинам. Во-первых, активный резистор позволяет регулировать полосу, в которой работают фильтры, составленные из катушек и конденсаторов. А во-вторых, он используется для выравнивания чувствительности громкоговорителей, объединённых в одну акустическую систему. Что же получается? Индуктивность "режет" высокие частоты, конденсатор не пропускает басы, резистор ведёт себя индифферентно, требуя свою "долю" лишь в виде тепла от прохождения тока, которое он тут же бесхозяйственно выделяет в пространство. Конденсатор и катушка тоже нагреваются, но чрезвычайно слабо - они не идеальны и тоже обладают активным, "обычным" сопротивлением (потерями). Состовляя определённые комбинации из всех этих элементов, можно, оказывается, как угодно "разбираться" с сигналом, например, вобще не пускать в нагрузку ничего, кроме узкой полосы частот (полосовой фильтр, рис.2а). Так обычно фильтруется сигнал для среднечастотного динамика. Или, наоборот - защитить твитер от низких и средних частот основным конденсатором (1) и параллельно организовать так называемую режекторную цепочку, которая резко уменьшает уровень сигнала на определённой частоте (рис.2б). Такое решение иногда применяется, чтобы избежать перегрузки высокочастотного излучателя, вызванного попаданием на его звуковую катушку сигнала с частотой , близкой или равной частоте механического резонанса системы купол-подвес. Следствием этогоможет быть неприятное "дребезжание" мембраны. Схемотехнических решений куда более сложных, чем приведеные здесь, существует огромное количество, причём в современной АС можно обнаружить схему, разработанную ещё лет 30 назад, только качество элементной базы заметно повысилось. Примеры, которые приходят в голову сразу - это полипропиленовые конденсаторы с малыми диэлектрическими потерями (такой конденсатор дольше держит заряд) или бескаркасные катушки индуктивности с намоткой проводом плоского сечения - технологично и снижает так называемую паразитную межвитковую ёмкость. В конечном итоге, чем лучше выполняет свою функцию элемент, тем ближе к расчётным будут параметры фильтра. Схемы могут быть разнообразными, основу же всегда состовляют "три кита" - конденсатор, индуктивность и резистор.
 Одной из главных задач, которые требуется решать при разработке фильтров для конкретно системы, является проблема согласования излучателей по акустическим параметрам в области частоты раздела (за частоту раздела можно принять точку пересечения характеристик сопрягаемых излучателей) В этой связи многочисленные аудиофильмы придерживаются и разных концепций построения акустических систем. Отсюда вытекают порой диаметрально противоположные подходы к схемотехнике фильтров. Встречаются чрезвычайно сложные схемы, подчас состоящие из нескольких десятков элементов, или же, наоборот, разделение полос осуществляется простейшими фильтрами первого порядка (спад характеристики - 6 дБ на октаву вне полосы прозрачности). В разных случаях концептуальная оправданность применения "крутых" (2-го порядка - спад характеристики - 12 дБ/октаву, 3-го - 18 дБ/октаву и т. д.) или "пологих" фильтров определяется многими факторами, включая и субъективные.
Только ли благо несут нам все эти конфигурации из конденсаторов и катушек индуктивности? Пожалуй, главной и неприятной особенностью разделительного фильтра является его весьма непочтительное обхождение с важной составляющей музыкального сигнала - фазой. Поскольку любой кроссовер является комбинацией так называемых "реактивных" элементов (конденсаторов и катушек индуктивности), практически любое сочетание этих диалектически связанных аспектов объективной реальности (как пружинка и грузик) приводит к смещению фазы электрического колебания. (Хорошим примером удачного применения простейшей реактивной комбинации: масса - упругость, разворачивающей фазу акустического колебания на 180 градусов - является фазоинвертор).
Музыкальный сигнал мало напоминает простую синусоиду, хотя в конечном итоге из набора синусоид и состоит. Звуки музыки и речи носят в основномимпульсный характер с большими динамическими перепадами. Для наглядности примера рассмотрим одиночный прямоугольник импульс длительностью десять миллисекунд (рис.3), частотный спектр которого располагается в большей части звукового диапазона средненизкочастотного громкоговорителя. Как и любой непериодический сигнал, такой импульс может быть представлен суммой бесконечного количества простых синусоид (гармоник) различных частот, подобранных таким образом, чтоб они уничтожали друг друга везде, кроме отмеченной области. Концентрация гармоник максимальна в некотором частотном интервале и, стало быть, для более или менее точной передачи импульса требуется некоторая полоса частот. Кроме того, все состовляющие (гармоники) должны находится в строго определённых фазовых соотношениях между собой, иначе никакого импульса не получится. Для коректного воспроизведения импульса акустическая система должна излучить все частотные состовляющие в равных первоисточнику фазовых соотношениях. Если при ровной АЧХ фазочастотная характеристика фильтра нелинейна, то импульс исказит свою форму ещё до прихода на динамики, и искажения будут тем выше, чем хуже ФЧХ фильтра. Но не следует переоценивать роль вносимых фильтрами фазовых искажений на фоне куда более серьёзных деформаций сигнала, обусловленных нелинейностью электродинамического преобразователя (громкоговорителя) и его взаимодействия с акустикой помещения.
Чтобы проиллюстрировать последствия деятельности фильтрующих цепочек, мы проделали следующее: взяли полочную модель современной двухполосной АС и измерили отклики электрической схемы её кроссовера на различные входные воздействия (использовались прямоугольные одиночные импульсы различной длительности). Электрический сигнал снимался с выхода фильтра, нагруженного на соответственную динамическую головку. Затем с помощью микрофона измерили сигнал звукового давления. На графиках (рис. 4а)  красным цветом обозначена кривая электрического сигнала, поступающего с измерительного усилителя мощности на вход кроссовера. Кривая синего цвета - электрический же импульс, прошедший через фильтр к среднечастотному динамику. Видно, что искажения кроссовером формы более длительного импульса (10 мс) практически незаметны, тогда как импульс, имеющий в десять раз меньшую протяженность (но занимающий соответственно в десят раз большую полосу частот), на выходе выглядит значительно хуже: изначально крутой фронт импульса стал более пологим, исказилась его вершина. На нижних графиках (рис. 4б) мы видим всё те же импульсы после излучения в пространство измерительного помещения (красный - исходный, синий - измеренный импульсы). Сдвиг "акустического сигнала вправо по временной оси - время, требуемое на преодоление метровой дистанции от динамика до микрофона. Узнаёте наших подопечных? Действительно, некое сходство есть… В воздухе однополярная ступенька (сжатия) "жить" самостоятельно не может, поэтому распространяется как двухполярная волна ("сжатие - разряжение"). Это и к лучшему, ведь музыкальные звуки не очень-то похожи на "прямоугольник"…
По материалам журнала Stereo&Video
|
