Про кроссоверы

[teter71]

Кроссоверы. Кроссоверы усилителей. Раскрытие их характеристик.

Что такое кроссовер и зачем он нужен?

Перед тем, как ответить на этот вопрос, сначала необходимо провести небольшой экскурс в теорию громкоговорителей и в общих чертах обрисовать проблему. Как известно, практически любой из ныне производимых динамиков способен эффективно воспроизводить только неширокую полосу частот, ограниченную снизу резонансной частотой его подвижной системы, а сверху - механическими свойствами диффузора (массой, жесткостью). За границами этой полосы частот звуковое давление, создаваемое динамиком, существенно снижается, возрастает уровень искажений. Говорить о высококачественном звуке при этом нельзя. Следовательно, для передачи всего спектра звуковых сигналов (20-20 000 Гц) необходимо использовать несколько динамиков. Давным-давно специалисты по акустике осознали эту необходимость, и сегодня во всех сферах аудиотехники, будь то домашние или автомобильные системы, преобладающее большинство акустических систем реализуется исключительно по схеме с несколькими излучателями.

Применительно к автомобильным аудиосистемам можно выделить две довольно типичные схемы построения, с которыми хорошо знакомы даже мало-мальски информированные читатели. Первая и наиболее распространенная состоит из трех динамиков: нацеленного исключительно на бас сабвуфера (примерно 20-100 Гц), НЧ/СЧ-динамика для диапазонов верхнего баса и средних частот (100-3000 Гц), и отвечающего за высокие частоты твитера (от 3000 Гц и выше). В более сложных схемах, например, в таких, которые представляют профессионалы на соревнованиях по автомобильному звуку, число динамиков увеличивается. Здесь за каждый частотный диапазон: нижний бас, средний/верхний бас, средние частоты и верх, - отвечают отдельные динамики. Но, несмотря на очевидные отличия, обе схемы подчиняются единому требованию: каждый динамик, входящий в акустическую систему, должен воспроизводить только свою полосу частот и не затрагивать соседние. Чтобы выполнить это требование, в аудиотракт включают электрические фильтры, которые как раз и занимаются выделением одних частотных полос и подавлением других. Очевидно, что если в акустической системе используется несколько динамиков - сабвуфер, НЧ/СЧ, среднечастотник и высокочастотник, появляется необходимость в применении нескольких электрических фильтров. Комбинация нескольких таких фильтров называется кроссовером.

Фильтры

В первом приближении любой электрический фильтр представляет собой совокупность нескольких элементов, обладающих свойством избирательного пропускания сигналов определенных частот. Простейшие схемы, которые имеют подобные свойства, могут быть построены с использованием катушек индуктивности и конденсаторов. Принцип действия этих схем основывается на зависимости сопротивления входящих в их состав элементов от частоты: у катушек индуктивности сопротивление возрастает с ростом частоты сигнала, а у конденсаторов, наоборот, снижается. Поэтому катушки индуктивности хорошо пропускают низкие частоты, а конденсаторы - высокие. Эти их свойства используют для построения фильтров - нижних (ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ). Кроме ФНЧ и ФВЧ существуют и другие типы фильтров, например, полосно-пропускающие - проще говоря, полосовые. Из названия понятно, что такие фильтры хорошо пропускают только определенную полосу частот, а все, что находится за ее пределами, полосовой фильтр (ПФ) подавляет. Обычная роль таких фильтров - выделение диапазона средних частот для последующей подачи отфильтрованного сигнала на СЧ-динамик. По выполняемой задаче следующий тип фильтра - режекторный (РФ) - полная противоположность ПФ. Ту полосу частот, которую ПФ пропускает без изменений, режекторный фильтр подавляет, открывая свободный доступ сигналам, находящимся вне этого интервала частот. Несколько особняком от всех перечисленных выше типов фильтра стоят фильтры подавления инфранизких частот (ФИНЧ); по сути, это те же фильтры верхних частот, но с чрезвычайно низкой частотой среза (10-30 Гц). Назначение ФИНЧ - защита низкочастотной головки (сабвуфера) от сигналов инфранизких частот, которые могут привести к перегрузке сабвуфера, а иногда и к его выходу из строя.

Каждый фильтр характеризуется несколькими параметрами. Первый параметр фильтра - его порядок. Порядок фильтра соответствует числу реактивных элементов в схеме (катушек индуктивности, конденсаторов). Фильтр первого порядка, как следует из названия, содержит только один реактивный элемент. Фильтр второго порядка содержит два элемента и т. д. В прямой зависимости от порядка находится другой показатель фильтра - крутизна спада амплитудно-частотной характеристики. Этот параметр показывает, насколько резко фильтр ослабляет сигнал за пределами полосы пропускания, то есть сигналы тех частот, которые не должны преодолеть преграду фильтра и попасть на динамик. Крутизна спада измеряется в децибелах на октаву (дБ/окт). Октава - это полоса частот, в которой верхняя граничная частота вдвое больше нижней. Например, октавой можно считать интервалы частот от 100 до 200 Гц или от 200 до 400 Гц. Нетрудно подсчитать, что весь диапазон звуковых сигналов (20-20 000 Гц) содержит примерно десять октав. Вторая единица измерения - децибел, названная так в честь изобретателя телефона А. Г. Белла; это логарифм отношения величин (в данном случае - коэффициентов передачи фильтра на граничных частотах октавы), показывающий относительное различие между этими величинами. Различие на 6 дБ означает, что уровни отличаются в два раза, 12 дБ - в четыре раза, 20 дБ - в десять раз и т. д. Теперь, возвращаясь к крутизне спада амплитудно-частотной характеристики, отметим, что численно она прямо пропорциональна порядку фильтра и равняется 6*N, где N - порядок фильтра. Очевидно, что крутизна спада фильтра первого порядка составляет 6 дБ/окт, второго - 12 дБ/окт, третьего - 18 дБ/окт и т. д., и чем она выше, тем эффективнее фильтры способны подавлять ненужные сигналы. При выборе порядка фильтра, наряду с формой амплитудно-частотной характеристики, необходимо принимать во внимание и фазочастотную характеристику. Идеально работающий кроссовер должен обеспечить равномерную суммарную АЧХ по звуковому давлению, которое суммируется из колебаний, создаваемых всеми головками акустической системы. При суммировании проявляются и амплитудные, и фазовые соотношения, а также расположение головок по отношению к слушателю. Оптимальный результат обеспечивает применение фильтров вполне определенного порядка. Более подробные сведения на этот счет заинтересованные читатели могут найти, например, в книге "Радиовещание и электроакустика" под редакцией Ю. А. Ковалгина, вышедшей в издательстве "Радио и связь" в 1999 г.

Вместе с тем, функцию фильтра характеризует не только порядок и крутизна спада АЧХ. Очень многое о характере фильтра может сказать метод аппроксимации, на основе которого определяется его передаточная функция. Таких методов на сегодняшний день очень много, и все они носят имена создателей: Баттерворта, Бесселя, Линквица-Рэллея и многих других. Казалось бы, многочисленность методов означает множество конструктивных отличий в реализациях фильтров даже одного порядка, но ничего подобного. Реактивные элементы, которые можно видеть на электрических схемах фильтров Баттерворта, Бесселя, Линквица-Рэллея одного порядка одинаковы, зато существенно отличаются номиналы этих элементов, что означает разное поведение амплитудно- и фазочастотных характеристик фильтров. Как следствие, временные характеристики тоже отличаются.

В целом все типы фильтров подразделяются еще на два довольно обширных класса - активные и пассивные, а соответственно, и кроссоверы, в состав которых входят эти фильтры, могут быть пассивными и активными.

Пассивные кроссоверы состоят исключительно из реактивных элементов - катушек индуктивности и конденсаторов, и не требуют питания. Они очень нетребовательны, и при некоторых условиях их можно включить в любой участок тракта, как до усилителя мощности, так и после него. Но чаще всего пассивным кроссоверам отводится строго определенный участок - между усилителем мощности и громкоговорителями. При помощи кроссовера к одному усилителю удается подключить несколько головок, работающих в смежных частотных полосах. Дешево и сердито! Но имеются и теневые стороны. Наличие кроссовера на пути между усилителем мощности и громкоговорителем приводит к тому, что на реактивных элементах и согласующих резисторах рассеивается до десяти процентов полезной энергии. Впрочем, это далеко не единственный недостаток пассивных кроссоверов. Не стоит забывать также, что они имеют очень скромные возможности по настройке звука, чаще всего ограничивающиеся регуляторами уровня для отдельных частотных полос. Характеристики пассивных фильтров существенно зависят от сопротивления нагрузки, которым является электрическое сопротивление громкоговорителя. В рабочем диапазоне частот оно весьма непостоянно, поэтому оптимальные условия согласования обеспечить не удается, и АЧХ фильтров отличается от расчетной. Это также нельзя отнести к достоинствам пассивных кроссоверов.

Активные кроссоверы на службе у автомобильных усилителей мощности

Если бы все фильтрующие цепи, используемые в настоящее время в аудиотехнике, строились на пассивных элементах, то скорее всего по прошествии какого-то времени запасы меди на планете Земля оказались бы под угрозой. Почему? Да потому, что изготовление даже простейшего ФНЧ первого порядка с невысокой частотой среза (100 Гц) на основе катушки индуктивности требует немало медного провода, причем не простенького, а самого что ни на есть серьезного: большого сечения, с малыми потерями и высокого качества. Неизвестно, с чем бы мы столкнулись сегодня, если бы несколько десятилетий назад специалисты-электронщики не изобрели активные фильтры, где на смену громоздким катушкам индуктивности и конденсаторам пришли электронные элементы - транзисторы и операционные усилители, которые при определенном включении, в сочетании с резисторами и конденсаторами обладают такими же свойствами, как и LC-цепи - идентичным фазовым сдвигом между током и напряжением и зависимостью коэффициента передачи от частоты.

Появление принципиально новых фильтрующих цепей, как и любое другое новшество в аудиотехнике, сразу же вызвало массу споров. Основная волна критики зародилась в рядах заправских аудиофилов, которые в один голос утверждали, что активные фильтры, требующие напряжения питания, - это серьезная преграда на пути к натуральному, естественному звуку. В этом они были отчасти правы, но широкий список достоинств только что появившихся фильтров стал весомым аргументом в их пользу. И вскоре эти фильтры начали активно применять во встроенных кроссоверах автомобильных усилителей. Такие кроссоверы обычно располагаются внутри корпуса усилителя, а их место в тракте сигнала - на входе, сразу же после цепей регулировки входной чувствительности, до схем предварительного усиления. Надо сказать, не последнюю роль в этом преображении сыграла возможность реализации активных фильтров в минималистских габаритах, что для пассивных аналогов и по сей день остается утопией.

Так чем же хороши активные кроссоверы? Большинство из них позволяет регулировать частоту среза и подстраивать нужным образом уровень сигнала в полосе пропускания. Во многих случаях можно переключать фазу сигнала (0-180() или плавно ее регулировать. Иногда встречаются фильтры с изменяемой крутизной спада амплитудно-частотной характеристики. А благодаря тому, что активный фильтр включается после источника сигнала на входе усилительного устройства, снижаются потери мощности и интермодуляционные искажения (отсутствует паразитное взаимное влияние между высокочастотными и низкочастотными составляющими звука). Единственный недостаток активной фильтрации - удорожание аудиосистемы из-за необходимости в дополнительных каналах усиления.

В бюджетных моделях усилителей встроенные кроссоверы выполняются на основе одинаковых фильтрующих звеньев. Этот тип фильтров представляет собой упрощенную вариацию фильтра Бесселя; он очень прост в изготовлении, потому что в отличие от фильтров Линквица-Рэллея, Бесселя и Баттерворта, строится на одинаковых по номиналу элементах и не особенно критичен к допускам на отклонение параметров, которые подчас могут достигать многих десятков процента. Очевидно, что амлитудно- и фазочастотные характеристики таких фильтров далеки от совершенства, если не сказать больше - они самые худшие. Следующий подводный камень, который можно встретить в исполнении встроенных кроссоверов бюджетного уровня, связан с организацией выбора частоты разделения. Чтобы снизить себестоимость кроссовера, многие производители сознательно минимизируют число настроечных элементов, а в результате у фильтра второго порядка перестраивается по частоте только одно звено. Понятно, что в таком случае говорить о стабильности характеристик кроссовера во всем диапазоне настроек довольно сложно.

В усилителях средней и высокой ценовой категории кроссоверы чаще всего реализуются на основе фильтров Линквица-Рэллея, Баттерворта и Бесселя - второго, третьего, реже четвертого порядка. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки, но, при прочих равных, принято считать, что фильтры Баттерворта имеют минимальную неравномерность АЧХ, а фильтры Бесселя - ФЧХ. В этом классе усилителей, для обеспечения точной настройки частоты среза, у многих уважаемых производителей принят на вооружение так называемый метод "щелчков". Суть его состоит в том, что частота среза у ФВЧ и ФНЧ настраивается по специальной таблице соответствия "щелчок-частота", где, например, крайне левое положение потенциометра может соответствовать частоте среза 20 Гц, последующее - 22 Гц и т. д., а последнее - пяти, а порой и десяти килогерцам. Этот метод настройки отличается очень высокой точностью результата, он встречается у усилителей "PPI" и "Orion" и др.

Несколько иной подход к настройке частоты среза демонстрируют усилители, производимые итальянскими фирмами "Steg", "Audiosystem", а также рядом других компаний. Здесь нужная частота среза подбирается путем установки того или иного резистивного модуля-чипа. Этот метод менее универсален, чем вышеописанный, тем не менее и он обещает неплохой результат. Логическим продолжением такого подхода становятся кроссоверы, у которых частота среза ограничивается немногочисленными фиксированными значениями. Это довольно распространенное решение, часто встречающееся у высококлассных усилителей. Хорошим примером могут служить многие усилители класса high end от компании "McIntosh". Здесь частота среза обоих фильтров - ФВЧ и ФНЧ - фиксированная, и ограничена двумя значениями - 80 и 120 Гц. Кстати, на примере этих усилителей можно продемонстрировать применение во встроенных кроссоверах режекторных фильтров. В них режекторный фильтр настроен на среднестатистическую частоту резонанса салона автомобиля (150 Гц) и в какой-то степени позволяет скорректировать возможный подъем на амплитудно-частотной характеристике.

Особую группу составляют кроссоверы, в которых можно отрегулировать не только частоту среза того или иного фильтра, но вдобавок еще и крутизну спада амплитудно-частотной характеристики. Столь широкие возможности сами по себе большая редкость, но ими могут похвастаться японские усилители "чDimension" из серии "Forte", у которых максимально возможное значение крутизны характеристики затухания достигает 48 дБ/окт.

Иногда в низкочастотном звене встроенных кроссоверов можно встретить ФВЧ (ФИНЧ) с регулируемой добротностью, позволяющей получить подъем АЧХ вблизи частоты среза вплоть до 10 дБ (схема Хоукинса). Такое схемотехническое решение часто встречается у усилителей "Soundstream", оно позволяет исключить из тракта настроек отдельный каскад схемы подъема баса.

Реализация фильтров подавления инфранизких частот во встроенных кроссоверах наглядно демонстрирует преимущества активной фильтрации. Такой фильтр на плате многих усилителей занимает ничтожную площадь, но при этом позволяет отрегулировать частоту среза в диапазоне от 15 до 50 Гц, причем с крутизной характеристики затухания от 18 до 24 дБ/окт. Правда, некоторые производители иногда сознательно уменьшают возможности настройки, ограничиваясь несколькими фиксированными, типичными значениями. Как показывает практика, этого бывает более чем достаточно.

Заключение

Прочитав этот обзор, многие читатели наверняка захотят задать вполне резонный вопрос, обоснованно ли использование встроенного кроссовера в автомобильных усилителях мощности или таковой является еще одним способом изымания "нажитых непосильным трудом" средств? Во многом ответ на поставленный вопрос зависит от уровня усилителя. Если аппарат принадлежит к бюджетному или начальному классу, то надеяться на то, что встроенный кроссовер не внесет существенных изменений в сигнал, безусловно, будет наивно. Другое дело, когда усилитель принадлежит к среднему, а то и элитному классу. Тут уже производители играют по другим правилам. На кон поставлен авторитет фирмы, и применение плохих разделительных фильтров, как, впрочем, и других элементов, может нанести ущерб ее престижу. Совершенно очевидно, что в этом случае можно уже всерьез задуматься об использовании кроссовера усилителя, тем более у высококлассных усилителей его возможности, как правило, очень хороши. Естественно, такое решение приведет к построению аудиосистемы по принципу многополосного усиления (bi-amping), что отнюдь не способствует экономии бюджета, ведь усилительных каналов понадобится как минимум - четыре.