Пассивный кроссовер для сабвуфера

Фильтр для сабвуфера своими руками

Психоакустика (наука, изучающая звук и его влияние на человека) установила, что человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания в диапазоне от 16 до 20000 Гц. При том, что диапазон 16-20 Гц (низкие частоты), воспринимается уже не самим ухом, а органами осязания.

Многие меломаны сталкиваются с тем, что большинство поставляемых акустических систем не удовлетворяет их потребности в полной мере. Всегда находятся мелкие недоработки, неприятные нюансы и т.п., которые побуждают собирать колонки с усилителями своими руками.

Еще одна категория людей, которые предпочитают делать звуковое оборудование самостоятельно – автовладельцы. Сборка и запуск мощной акустической системы в машине – непростое и весьма дорогостоящее мероприятие.

Возможны и другие причины сборки сабвуфера (профессиональный интерес, хобби и т.п).

Сабвуфер (от англ. «subwoofer») – низкочастотный динамик, который может воспроизводить звуковые колебания в диапазоне 5-200 Гц (в зависимости от типа конструкции и модели). Может быть пассивным (использует выходной сигнал с отдельного усилителя) или активным (оснащается встроенным усилителем сигнала).

Низкие частоты (басы) в свою очередь можно разделить на три основные подвида:

• Верхние (англ. UpperBass) – от 80 до 150-200 Гц.
• Средние (англ. MidBass / мидбасы) – от 40 до 80 Гц.
• Глубокие или подбасы (англ. SubBass) – все что ниже 40 Гц.

Функции и принцип работы фильтров для сабвуфера

Фильтры частот применяются как для работы активных сабвуферов, так и пассивных.

Преимущества активных низкочастотных динамиков заключается в следующем:

• Активный усилитель сабвуфера не нагружает дополнительно акустическую систему (так как питается отдельно).
• Входной сигнал может фильтроваться (исключаются посторонние шумы от воспроизведения высоких частот, работа устройства концентрируется только на том диапазоне, в котором динамик обеспечивает наилучшее качество передачи колебаний).
• Усилитель при правильном подходе к конструкции может гибко настраиваться.
• Исходный спектр частот можно разделить на несколько каналов, с которыми можно уже работать по-отдельности – низкие частоты (на сабвуфер), средние, высокие, а иногда и сверхвысокие частоты.

Виды фильтров для низких частот (НЧ)

• Аналоговые схемы.
• Цифровые устройства.
• Программные фильтры.

• Активный фильтр для сабвуфера (так называемый кроссовер, обязательный атрибут любого активного фильтра – дополнительный источник питания)
• Пассивный фильтр (такой фильтр для пассивного сабвуфера лишь отсеивает необходимые низкие часты в заданном диапазоне, не усиливая сигнала).

По крутизне спада

• Первого порядка (6 дБ/октав.)
• Второго порядка (12 дБ/октав.)
• Третьего порядка (18 дБ/октав.)
• Четвертого порядка (24 дБ/октав.)

Основные характеристики фильтров:

• Полоса пропускания (диапазон пропускаемых частот).
• Полоса задерживания (диапазон существенного подавления сигнала).
• Частота среза (переход между полосами пропускания и задерживания происходит. нелинейно. Частота, на которой пропускаемый сигнал ослабляется на 3 дБ, называется частотой среза).

Дополнительные параметры оценки фильтров акустических сигналов:

• Крутизна спада АХЧ (Амплитудно-Частотная Характеристика сигнала).
• Неравномерность в полосе пропускания.
• Резонансная частота.
• Добротность.

Линейные фильтры электронных сигналов различаются между собой по типу кривых (зависимости показателей) АЧХ.

Разновидности таких фильтров чаще всего называются по фамилиям ученых, выявившим эти закономерности:

• Фильтр Баттерворта (гладкая АЧХ в полосе пропускания),
• Фильтр Бесселя (характерна гладкая групповая задержка),
• Фильтр Чебышёва (крутой спад АЧХ),
• Эллиптический фильтр (пульсации АЧХ в полосах пропускания и подавления),

Простейший НЧ фильтр для сабвуфера второго порядка выглядит следующим образом: последовательно подключенная к динамику индуктивность (катушка) и параллельно – емкость (конденсатор). Это так называемый LC-фильтр (L — обозначение индуктивности на электрических схемах, а C – емкости).

Принцип работы заключается в следующем:

1. Сопротивление индуктивности прямо пропорционально частоте и поэтому катушка пропускает низкие частоты и задерживает высокие (чем выше частота, тем выше сопротивление индуктивности).
2. Сопротивление емкости обратно пропорционально частоте сигнала и поэтому высокочастотные колебания затухают на входе динамика.

Такой тип фильтров – пассивный. Более сложные в реализации – активные фильтры.

Как сделать простой фильтр для сабвуфера своими руками

Как и было сказано выше, самые простые в конструкции – пассивные фильтры. Они имеют в составе всего несколько элементов (количество зависит от требуемого порядка фильтра).

Собрать свой собственный фильтр НЧ можно по готовым схемам в сети или по индивидуальным параметрам после подробных расчетов требуемых характеристик (для удобства можно найти специальные калькуляторы для фильтров разных порядков, с помощью которых можно быстро рассчитать параметры составляющих элементов – катушек, емкостей и т.п.).

Для активных фильтров (кроссоверов) можно использовать специализированное программное обеспечение, например, такое как «Crossover Elements Calculator».

В некоторых случаях при проектировании схемы может понадобиться фильтр-сумматор.

Здесь оба канала звука (стерео), например, после выхода с усилителя и т.п., необходимо сначала отфильтровать (оставить только НЧ), а потом объединить в один с помощью сумматора (так как сабвуфер чаще устанавливается всего один). Или наоборот, сначала суммировать, а затем отфильтровать НЧ.

В качестве примера возьмем простейший пассивный НЧ фильтр второго порядка.

Если сопротивление динамика будет 4 Ом, предполагаемая частота среза – 150 Гц, то для типа фильтрации по Баттерворту нужны будут:

• L (индуктивность) = 6.003 mH
• С (емкость) = 187.5 µF

Если конденсатор можно подобрать под требуемый параметр из готовых или собрать блок из нескольких параллельно соединенных, то катушку лучше всего намотать своими руками. Для этого необходимо предварительно рассчитать параметры индукции с помощью тех же готовых калькуляторов.

Так, что получения катушки с индуктивностью 6 мГн, из обмоточного медного провода диаметром 1 мм, понадобится стержень диаметром 1 см и длиной 6 см. На выходе получится бобина из 1002 витков. Проволока длиной 84 метра будет уложена в 17 слоев. Итоговые габариты – диам. 44 мм, длина – 6 см.

Катушка и конденсатор подключаются к динамику по схеме, обозначенной выше, и мы получаем сабвуфер с пассивным НЧ фильтром.

Кроссовер для акустики – что это такое и для чего предназначен

При установке современной стереосистемы в автомобиль владелец должен правильно подобрать кроссовер. Выбор этот достаточно прост, если знать и понимать, что это и для чего предназначено, а также в составе какой системы данное устройство будет работать. Итак, давайте разберемся, что такое кроссовер для акустики.

Характеристика, предназначение

Кроссовер – это специальное оборудование в комплекте акустической системы, главная функция которого заключается в подготовке нужного диапазона частот для каждого динамика. Как известно, любая акустическая система разработана под конкретный диапазон рабочих частот. Выход сигнала, подающегося на колонку, за границы диапазона может привести к искажению звука.

В обычных условиях функция высокочастотных динамиков – воспроизведение звуков только на высоких частотах. Низкочастотные акустические системы работают отдельно. Иногда устанавливаются даже в разных местах салона. То же самое касается и звуков средней частоты. Они подаются только на динамик, выдающий средние частоты.

Поэтому для качественного воспроизведения музыкальных треков в автомобиле необходимо выделять определенные частоты и подавать их строго на конкретные динамики. Для этого и нужен кроссовер для акустики.

Как устроен

Конструкция устройства достаточно проста. Это два частотных фильтра, работающих по следующему принципу. Так, когда частота разделения составляет 1000 Гц, один из двух фильтров станет выделять частоты, которые ниже данного показателя. Второй же фильтр будет работать с полосой частот выше отметки. Фильтры имеют свои названия. Лоу-пасс предназначен для работы с низкими частотами до 1000 Гц. Хай-пасс будет обрабатывать только частоту, находящуюся в диапазоне выше 1000 Гц.

По такому принципу функционируют двухполосные устройства. Однако на современном рынке есть и трехполосный кроссовер. Главное отличие здесь – это еще один фильтр, способный обрабатывать средние частоты в диапазоне от 600 до 1000 Гц.

Больше каналов фильтрации звуковой частоты и подача их на соответствующие этим частотам динамики ведет к более качественному звуку в салоне автомобиля.

Технические особенности кроссоверов

Большинство современных приборов представляют собой катушки индуктивности и конденсаторы. В зависимости от числа и качества изготовления этих элементов формируется стоимость изделия.

Зачем в кроссовер для акустики входит конденсатор и катушка? Это наиболее простые реактивные детали. Они без особых затрат способны обрабатывать различные звуковые частоты.

Число реактивных деталей влияет на разрядность фильтров: 1 – используется один элемент, 2 – два элемента. В зависимости от числа реактивных деталей, а также схемы кроссовера система фильтрует по-разному те частоты, которые не подходят для конкретных каналов. Можно предположить: чем больше в схеме будет реактивных элементов, тем лучше кроссоверы акустических систем будут фильтровать сигнал. Схемы фильтрации имеют определенную характеристику. Это так называемая «крутизна спада». Другими словами, это чувствительность. В зависимости от уровня «крутизны спада», всю представленную на рынке продукцию может разделить на модели первого, второго, третьего и четвертого класса.

Активное и пассивное оборудование

Пассивный кроссовер для акустики – это наиболее распространенное решение. Его часто можно встретить на современном рынке. Как видно из названия, для работы этому прибору не нужно дополнительное питание. Поэтому владельцу автомобиля будет гораздо быстрее и проще выполнить монтаж звуковой аппаратуры. Недостаток этой группы устройств в том, что простота не всегда является гарантией качества.

За счет пассивной схемы система берет часть энергии для обеспечения работы фильтра. В это же время реактивные детали меняют фазовый сдвиг. Естественно, это далеко не самый серьезный недостаток. Однако не получится максимально тонко выполнить частотную коррекцию.

Как настроить устройство правильно?

Для того чтобы получить максимально качественный звук в автомобиле, необходимо правильно подобрать частоту, при которой все лишнее будет срезаться. В случае с активным прибором, рассчитанным на три полосы, нужно найти две точки среза. Первая обозначит грань в диапазоне между низкими и средними частотами. Вторая – это разница между средней и высокой частотой.

Как правильно рассчитать своими руками?

Расчет кроссовера для акустики – это важный процесс. Еще ни один производитель не смог изготовить идеальную акустическую систему, которая бы могла качественно воспроизводить звук в разном диапазоне. Для низких частот используют сабвуферы. Для средних применяются среднечастотные динамики. Но когда весь этот комплекс начнет звучать, то может возникнуть определенная путаница. Вот для чего нужен кроссовер в акустике – чтобы на конкретную акустическую систему шел сигнал только определенной частоты.

Но как же быть, если нужно разделять звук на частоты по другому принципу? Вручную ничего считать не придется – в наше высокотехнологичное время даже для самых простых операций существует ПО. Вот и для этих расчетов существует программа, например Crossover Elements Calculator.

Первым делом в программу вводят показатель сопротивления динамиков НЧ и ВЧ, который зачастую составляет 4 Ома. Далее вводят частоту, которую прибор должен разделять. Тут же вводят и порядок кроссовера. Затем нажимают на кнопку и ждут, пока программа выдаст результат. В результате она выдаст схему, где будут указаны нужные конденсаторы и катушки под введенные параметры.

Особенности выбора

Рынок предлагает большой выбор устройств, которые различаются по качеству, стоимости, конкретным производителям. Выбрать кроссовер для акустики непросто – нельзя просто взять и купить то, что понравилось. Выбор делают под определенные акустические системы.

Заключение

Итак, мы выяснили, что собой представляет кроссовер и какие функции он выполняет. Как видите, это достаточно важный элемент в акустической системе автомобиля.

Активный и пассивный кроссовер для сабвуфера своими руками

Для обеспечения работы акустической системы нужно правильно подобрать кроссовер для сабвуфера. Устройство можно сделать самому, предварительно ознакомившись с особенностями его конструкции.

Устройство и принцип работы

Специальное устройство, которое подготавливает необходимую частоту диапазона с учетом характеристик установленных колонок, называют кроссовером. При подключении колонок учитывают, что выход частоты из нужного диапазона может стать причиной искажения звука.

Высокая частотность искажает звучание и нарушает работу твитера. Это приводит к сгоранию динамика и сабвуфера. Если акустическая система создается собственными руками, то нужно правильно подобрать усилитель и учесть следующие особенности:

• в устройстве есть 2 пары частотных фильтров, работающих только в диапазоне своих частот;
• в приборе установлены конденсаторы, работающие с высокими частотами, и индуктивные катушки для низкой частотности, качество изготовления которых влияет на стоимость готового прибора;
• значение разряжения устройства зависит от числа деталей, которые используют при его производстве.

При выборе кроссовера основываются на такие показатели, как индуктивность и сопротивление динамика, подключаемого к магнитоле.

Разновидности

Существует пассивный и активный кроссовер сабвуфера. Каждый тип прибора имеет свои преимущества и недостатки.

Активный

Для активного (электронного) кроссовера необходимо подведение питания извне, поэтому его устанавливают до усилителя в системе. При этом звук обрабатывается предусилителем головного устройства. Уже после этого элемента расположены 2-3 элемента, усиливающих мощность. Одной усилительной детали будет недостаточно, т. к. сигналы, которые разделяет активное устройство, нет смысла сводить с помощью усилителя в единый звук.

Разделенные сигналы нужно усиливать отдельно. Чаще активные кроссоверы используются в изготовлении качественных дорогих звуковых систем. Электронные устройства состоят из большого количества фильтров, предназначенных для управления и легкого изменения частоты среза любого канала.

Чувствительность прибора может составлять 6-72 Дб на октаву. В автомобильных аудиосистемах показатель в среднем находит на отметке 24 Дб на октаву. Такой показатель приводит к тому, что частотный обмен почти отсутствует. Звук получается качественным. К недостаткам этого вида кроссоверов относят их высокую цену.

Пассивный

Пассивный кроссовер предназначен для обработки усиленного сигнала и располагается перед динамиками. Если его правильно использовать, то можно получить хороший результат. Изделия имеют порог чувствительности меньше 18 Дб на октаву. Выше этого значения функционируют лишь активные модели.

Пассивные устройства применяют с целью обработки сигналов твитеров и динамиков средней частоты. Низкочастотным динамикам подойдут эти кроссоверы, но их конденсаторы и катушки индуктивности должны быть качественными. Из-за этого модели увеличиваются в размере и стоят дороже.

Пассивные приборы не предназначены для перегрузок. Сильные сигналы, идущие от усилителя, способны изменить частоту среза фильтра, который при перегрузке делает звук слабым. При покупке пассивного кроссовера для сабвуфера нужно обращать внимание на его возможность выдерживать сильную нагрузку, которую создает усилитель.

Как сделать самостоятельно

Самостоятельно изготовить кроссовер сложно. Автовладельцы часто сталкиваются с тем, что даже в дорогой акустической системе двухполосного фронта отсутствует это устройство. Чтобы создать элемент в домашних условиях, потребуется:

• силиконовый герметик;
• удобный паяльник;
• термоусадочная трубка;
• хороший клей;
• фольгированный стеклотекстиль;
• прибор для измерения индуктивности;
• хлорное железо.

В некоторых случаях нужно подготовить провода, чтобы соединить все детали. Самодельное устройство изготавливают следующим образом:

• наматывают медную проволоку толщиной 1 мм на катушку индуктивности;
• берут для основы ферритовый сердечник, уменьшающий вес конструкции и ее габариты;
• измеряют индуктивность с помощью прибора;
• изготавливают плату из фольгированного стеклотекстиля, проделав в нем отверстия для провода и разных деталей;
• протравливают плату в хлорном железе;
• прикрепляют к плате конденсаторы и катушку индуктивности с помощью клея;
• соединяют акустические провода, используя паяльник с тонким жалом и соблюдая полярность во время подключения;
• обтягивают готовое изделие термоусадочной трубкой, края которой покрывают слоем герметика для повышения надежности.

Если соблюдать последовательность действий, то можно самостоятельно собрать кроссовер с минимальными затратами на покупку необходимых материалов и инструментов.

Качественный ФНЧ для сабвуфера

Ставь лайк! Делись с друзьями, потому что дальше будет интереснее! Понравилась статья? Ставь палец вверх и будешь видеть наши новости чаще!

Сегодня сабвуфер — неотъемлемая часть любого домашнего кинотеатра. Впрочем, не только домашнего. В публичных кинотеатрах тоже стоят сабвуферы. Их задача с максимальной реалистичностью воспроизводить звуки выстрелов, взрывов, грохота проползающего по экрану танка или проплывающего в экранном холодном космическом пространстве межзвездного галактического имперского крейсера. Да, да, я знаю, что крейсеры в космическом пространстве проплывают бесшумно, но у Джорджа Лукаса, который снял потрясающую киноэпопею “Звездные войны” на этот счет совершенно другое мнение. И это правильное мнение, поскольку одно дело смотреть на безмолвный имперский крейсер, а другое — слышать и даже ощущать проход мощной машины. Да, про ощущать я не оговорился, ибо низкочастотные вибрации, создаваемые мощным сабвуфером ощущаются буквально всем телом.

Собственно, сам сабвуфер является мощным низкочаcтотным динамиком, подключенным к специальному сабвуферному каналу многоканальной системы усилителей. Сабвуферный канал при записи звуковой дорожки к фильму пишется отдельно, так что вся информация в нем содержащаяся — это исключительно о том, где и когда надо бахнуть и с какой силой. Но это в случае цифровой записи сигнала. При аналоговой записи-воспроизведении сигнал сабвуферного канала может выделяться из общего сигнала фонограммы при помощи специального Фильтра Низких Частот — ФНЧ.

В общем случае именно ФНЧ формирует сигнал сабвуферного канала и именно от его параметров зависит насколько мощно, сочно, четко будет бабахать сабвуфер. Разумеется, не только от ФНЧ, но и от акустического оформления самого сабвуфера зависит насколько высоко вы будете подпрыгивать в кресле от очередного киношного выстрела или взрыва, но сейчас мы рассмотрим именно ФНЧ.

Два самых главных параметра ФНЧ называются: частота среза и крутизна спада.

Начнем с первой.

Дело в том, что динамик сабвуфера большой, тяжелый, неповоротливый, чаще всего с огромным диффузором, который призван создавать большое звуковое давление, вдавливающее зрителя в кресло. Амплитуда колебаний этого диффузора должна быть достаточно велика, поэтому на сабвуфер подается очень приличная мощность от выходного усилителя. Если мы не отфильтруем ВЧ составляющие сигнала, подаваемого на динамик, то просто спалим его, ибо он физически не сможет так быстро двигаться, в результате чего катушка динамика перегреется и разрушится.

Таким образом, наш ФНЧ занимается тем, что просто отрезает от входного сигнала ненужные для сабвуфера куски частотного диапазона и на выходе оставляет только те, которые не угробят сабвуфер и будут эффективно им воспроизводиться.

Посмотрим на амплитудно-частотную характеристику ФНЧ (ура, первая картинка!):

Итак, частота среза, выражаясь человеческим языком — это та частота, за которой амплитуда выходного сигнала резко падает. Посмотрите на левую картинку — так должен выглядеть идеальный ФНЧ — до определенной частоты сигнал есть, после нее — сигнала нет. Но реальность, как обычно, несколько хуже. На правой картинке показана работа реального ФНЧ. Частота, на которой уровень выходного сигнала ослабляется на 3дБ называется частотой среза ФНЧ — Fср. на картинке. Как видно по правой картинке, реальный ФНЧ ослабляет сигнал за частотой среза не сразу, а постепенно и тут у нас есть возможность перейти ко второй основной характеристике ФНЧ — крутизне спада.

Общеизвестно, что погоня за идеальным — самая большая ошибка человечества. Тем не менее, человечество не перестает за ним гнаться, набивая по пути знатные шишки.

С ФНЧ такая же история. Как вы видите на картинке выше, у идеального ФНЧ АЧХ поворачивает на 90 градусов на частоте среза, то есть, ни одна капелька сигнала за частотой среза не появится на выходе ФНЧ. Это — идеальная крутизна спада ФНЧ.

У любого реального ФНЧ данная характеристика более пологая и никогда не станет идеальной, но может максимально к ней приблизиться.

Посмотрим на второй рисунок — на нем отображены крутизна спада ФНЧ в зависимости от так называемого порядка ФНЧ — числа звеньев, из которых состоит фильтр.

Чем больше звеньев в ФНЧ, чем ближе его АЧХ к идеальной. Но тут надо заметить, что увеличение числа звеньев фильтра приводит к его схемотехническому усложнению и как следствие, увеличению количества электронных компонентов, из которых сделан фильтр, а следом и цены этого устройства. Помимо этого, разумеется, растут шум, искажения, уменьшается амплитуда выходного сигнала.

Простейшее звено ФНЧ выглядит следующим образом:

Это пассивный ФНЧ первого порядка. Включая такие звенья последовательно можно добиться весьма существенной крутизны спада. Но при этом, как уже отмечалось выше, существенно растут шумы и искажения в звуковом тракте. Более того, для согласования входного и выходного сопротивления такого фильтра необходимо на входе и выходе ФНЧ устанавливать буферные усилители. В противном случае сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки фильтра будет существенно влиять на частоту среза.

Поэтому, чаще всего для построения ФНЧ используют схемы активного фильтра на операционных усилителях.

Вот, например, активный ФНЧ второго порядка:

Не смотря на простоту самого фильтра необходимо помнить о буферных усилителях, которые нужны и для этого типа ФНЧ. Да и к тому же, 2 порядок — это как-то маловато, а значит, нужно последовательное включение двух таких фильтров.

В общем, схема разрастется прилично.

Более того. Если вы только начинаете заниматься сабвуферами и всем, что с ними связано, непременно начнете читать профильные сайты и форумы, где обсуждаются те или иные способы построения ФНЧ. И тут выяснится, что помимо всего прочего есть фильтр Чебышева, фильтр Баттерворта, эллиптический фильтр, фильтр Саллена-Ки. И у каждого схемного решения есть свои плюсы и минусы. Честно говоря, закопаться можно запросто.

Видимо, поглядев на все это в древнерусской тоске, тайваньская компания PTC почесала в затылке и выпустила отличную микросхему — PT2351 – фильтр НЧ Саллена-Ки третьего порядка.

Микросхема в 8-выводном корпусе содержит в себе все элементы, необходимые для построения ФНЧ с очень приличными характеристиками.

Стерео сигнал от источника поступает на два буферных усилителя с высоким входным сопротивлениям. Сигнал смешивается и нормируется по уровню в смесителе, после чего поступает собственно на ФНЧ со встроенным выходным буферным каскадом (выходное сопротивление — всего 40 Ом), позволяющим подключать фильтр непосредственно к нагрузке без дополнительных плясок с буфером на ОУ.

Частота среза такого фильтра задается внешними конденсаторами.

На основе этой микросхемы был разработан набор для самостоятельной сборки NM0103 “ФНЧ для сабвуфера” .