分频器的原理和设置

发布时间:18-04-2918:15

要做到将整个音频范围(20Hz-20kHz)的完整重地重放出来,就要求采用多个不同的扬声器来分别重放高,中和低

不同频段的声音。让不同的扬声器分别重播不同的声音频带,就要使用合适的分频网络。分频网络(Crossover

Network),又称为分音器,分频器,或滤波器。在实际的设计中,会受到诸多变量的影响,所以是一个非常复杂的工

作。在这里,我们主要介绍分频网络的基础知识,以及对扬声器分频点的选择,可作为主动式电子分频时作为参考。

1. 分频器的种类

按分频器中各单元的电路连接方式,可以分为:串联分频器和并联分频器。现在业界多采用的是并联分频器,其主要

优点是在于多路扬声器中,每一只都可视为独立的部分。如果采用了串联式的分频器,任一个零件都可能会影响到高通与低通的特性。汽车音响里所应用的都是并联式分频器。

按电平的高低来分,可以分为高电平分频器和低电平分频器。高电平分频器也是我们通常说的被动式分频器,它是指功率放大器放大的大功率信号,经被动式分频器处理输出到特定的单元。低电平分频器又称为主动式分频器,它是由主动式的电子高通,低通或带通滤波器组成,一般装置在主机,前级处理器或功率放大器的前级部分。

分频器按重播频带来分,可以分为高通,带通,低通分频器,按分频器的电子元件以及衰减的斜率可以分为一阶,二阶,三阶和四阶的分频器。

三种基本型式的滤波电路

2. 分频器的原理

扬声器系统的分频器电路是由L/C滤波器(电感与电容)所构成的,并联式的分频器设计主要采用三种基本的滤波器

形式,它们的响应特性如图所示,它们是:低通滤波器,将高频段衰减,通常运用在低音单元;带通滤波器,将高频端与低频端全部衰减,一般应用在中音单元上;高通滤波器,衰减低频段,绝大部分运用在高音单元上。

滤波器通常可由三项基本特性描述:衰减的斜率,滤波器的中心频率和Q值。斜率一般以每一个倍频程(八度)的衰

减量为单位dB/Octave。当L与C由不同的电路形态组合之后,滤波器的斜率可以形成每倍频程6,12,18,24dB的衰减量。超过24dB的衰减量的分频网络在被动式分频网络里很少使用,通常应用在主动式电子分频里。这些衰减率同时可以用斜率的阶数来表示,一阶为6dB/Octave,二阶为12dB/Octave,三阶为18dB/Octave,四阶为24dB/Octave的斜率,依此类推。

滤波器不同Q值的频率响应特性

滤波器的电路谐振频率就是分频点的频率,它是电感L和电容C的乘积,不同的L和C值组合,可以得到不同的响应。

滤波器的Q值与喇叭单元的Q值,以及单元装箱后的Q值具有相同的关系,Q值是描述分频点处的曲线变化的一个参

数量。不同的滤波器Q值描绘出不同的衰减响应曲线。不同的响应曲线具有不同的特性,它是都以第一个发现这些响应特性的工程师命名,例如:Chebychev(Q=1),Butterworth(Q=0.707),Bessel(Q=0.58),Linkwitz-Rily(Q=049);Q值越高,在分频点附近变化越剧烈,曲线反应越陡峭;反之则越平滑,越平顺。

3. 分频器的设置

任何分频器的设计都是努力将两个或多个不同频带的喇叭单元结合起来,并具有平坦的响应转换以得到全音频的扬声

器系统。分频器的设计就是将部分频率重叠的喇叭单元,结合后不产生新的尖峰或深谷,而且在相位响应方面也非常顺畅。这里所说的相位,是分频网络斜率相关联的参数,不同的Q值具有不同的相位。例如奇数阶的Butterworth滤波器的高通/低通滤波器的相位具有恒定90度反相的特性,而偶数阶的分频器,其相位的相对关系是同相的或180度反相(这时只要将高音的相位反过来就可以了)。

在汽车音响里,套装喇叭所带的被动式分频器已经由品牌设计;在这里我们讲的分频器设置,是基于被动式分频设计

里,可以作为参考用作主动式电子分频的设置。

A、分频器阶数的选择

不同阶数的分频网络,有不同的特点。一阶的Butterworth分频器是完全符合最小相位的标准的,它在所有的频带上产生零相位响应,同时具有平坦的振幅响应,这对喇叭本身的要求较高,在汽车音响里较少应

用。二阶的分频网络是目前业界应用最广泛的分频网络,但由于要保证良好的相位,频响以及群延迟响应,正接的极性相位为180度反相,所以在分频设计中一般反接高音,这样可以达到理想的效果。

三阶或四阶的分频网络是较高衰减斜率的分频网络,它们的衰减量比较大,在被动式的分频网络里,通常应用较少。

只有在三分频的被动式分频器中,作为中高音部分的分频网络,有些品牌应用这样的高阶。相应地,在主动式电子分频的阶数选择里,通常高音,中音和中低音的分颁衔接点,选择高阶的分频网络,许多人推荐选择用四阶,是因为四阶网络没有相位差,有更好的相位响应。

B、分频点的选择

两路两分频系统的中低音/高音的分频点的选择,除了要遵循关于中低音,高音的特性选择外,一般地,在汽车音响中由于两分频系统的单元距离较远,分频点宜低不宜高,这可以尽量避免中低音的指向性,并且避免中低音喇叭在高频的分割振动而产生的失真,适合的分频点一般在2K-4KHz。具体的分频点还要与单元本身的特性来考虑,如它的离轴响应(指向性),谐振频率点等。

三路三分频扬声器系统中要设置中低与中音的分频点,高音与中音的分频点。由于三分频喇叭的重叠频率多,可以选择各种不同的分频点的设计,因此在汽车音响的三分频网络设计里,有着各种不同的流派:有的追求音像的精准定位,有的追求声音的真实听感,有的两者兼顾。通常的选择原则是:中音喇叭与中低频喇叭的分频点在保证良好音质时,分频点尽量低,使更多的声音从中频喇叭发出。通常锥盆中音的选择可以为250Hz至400Hz,越低,使人声的大部分基音从中音发出来。中音和高音喇叭的分频点选择要看改装方式,如果两个单元安装在一起,分频点的选择可以更低一些,使听感更细腻,解析力更高。如果中音喇叭与高音喇叭的安装距离较远,为保证良好的声像定位和听感,分频点需要适度拉高,如到5kHzc以上,这时让中音喇叭完成所有音乐和人声的基频部分,定位清断而精准。高音此时更多的是泛音的道染。另外在汽车音响的聆听环境中,聆听者是典型的近场聆听,所以在分频器的设计中,应以偏轴15-30度的响应曲线来进行设计,这时可得到胶住的整体效果。

C、扬声器系统的音响性中心

在分频器的设计中,上述许多的理论分析全部是将单元的辐射特性看作完全一致的,也就是说它们在空间中完全是在相同的点,相同的时间中辐射出来的,显然这并不符合汽车音响的扬声器系统的工作方式。由于喇叭单元本身的特性,当喇叭单元之间的距离越远,辐射曲线的裂瓣状响应越严重。唯一的解决方法是将单元之间的距离尽可能靠近,同时高音与低音单元之间的距离不可超过分频点的频率的波长,这在两分频的汽车音响系统里是不可能完成的改装,这也是为什么三分频相对于两分频有越来越大的优势。在两分频的扬声器系统中,只能是使分频点尽可能低;而在三分频的系统中,应尽量使中音与高音单元安装在同一水平面或平行面上,而且尽量靠近。

扬声器系统的音响性中心,是指系统辐射中央的真正位置,对这个位置的理解,有助于使分体式扬声器的整体响应得到最佳的效果。在汽车音响中由于空间狭小,与家用音响对比来说,中心位置较难确定。但是作为对其技术原理的理解,可以方便我们在改装汽车音响时,注意与其原则相吻合,在汽车音响改装基础部分,我们会详细介绍喇叭单元的摆位。

4. 分频器中的电子元件

A、电感

A、电感在扬声器系统的分频器中,一般使用两种形式的电感:空芯电感和铁芯电感。铁芯电感是使用变压器中的薄铁片或其他形式的铁氧体物质,通常只用在需要电感值较高但无法由空芯电感获得低直流电阻的场合中使用。由于铁芯电感具有磁饱和而在大电流的情况下造成失真,所以铁芯电属于一种妥协的产物。空芯电感不存在磁饱和的现象,但是由于大电感值时绕线要多,体积相对要大,成本也相对要高,但必须采用较粗的绕线,以保证不会出现电阻增加的现象。

B、电容

选择电容的材质通常是由损失因数和价格而决定的,这也意味着中/高音域不超过20uF的电容可采用高品质的聚丙烯电容(如Macfe麦卡非电容或者是MKP电容),其它绝大部分的应用中则使用无极性的电解电容。在分频器应用中,电容最关键的因素还有容差的问题,容差越小的电容,分频器的一致性就越好。

分频器内部元器件

C、电阻

现在许多分频器应用的电阻多是白色水泥大功率电阻,电阻的功率越大,电阻体积越大。在高档的分频器中,在小功率的状况下,也有采用金属电阻,这对音质有一定的帮助。而金属散热电阻由于价格比较高,尽管音质最好,一般也只有在最顶级的扬声器系统才可以看到。

D、分频器中常用到的电子线路

分频器中还有许多特殊设计的电子线路,如单元负载补偿电路,单元的衰减电路,响应整形电路,它们的目标是用来修正喇叭的频率响应特性等。这通常是作为被动分频网络的应用,这里就不作介绍。

5. 主动式电子分频

低电平的分音器是由主动式的电子高通和低通滤波器所组成,装置于主机的前级放大器部分,功率放大器的前级放大部分,或者专业的均衡器和前级分频器上。主动式电子分频的优点在于:

三路主动式电子分频音响系统配置图

A、低互调失真,因为放大器操作在更狭窄的带通频带上,而且低频过载的切削也会降低。

B、提高动态范围,一台60W和一台30W的放大器以双功放的组合后,其所能达到最大不削波失真输出与一台175W的功放相当,并能改善瞬态响应。

C、对低音单元而言,可得到较佳的功放/扬声器匹配,同时也可避免分音器所引起的高音单元谐振。

D、稳定的阻抗负载可得到较佳的分频表现。

E、与被动式分频器相比,由于可以结合安装的实际情况和单元的应用等,可以获得更佳的音质。

F、单元之间的灵敏度不同的问题,以及相位、时间延迟,谐振以及不同的响应曲线容易受到控制。

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