Ключевой элемент звучания: фильтр для акустической систем (виды, расчет)
Современные тенденции в обустройстве квартир и загородных домов диктуют все более высокие требования к качеству звучания акустических систем. Однако далеко не каждый владелец аудиотехники знает, что именно фильтры являются ключевым компонентом, определяющим характеристики акустики.
Основные виды фильтров для акустических систем
Существует несколько разновидностей фильтров для акустических систем. Рассмотрим их подробнее.
Фильтры первого и второго порядка
Простейшие фильтры первого порядка состоят из катушки индуктивности, включенной последовательно с динамиком. Однако они сильно деформируют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в полосе пропускания, делая звучание тусклым.
Фильтры второго порядка с регулируемыми параметрами позволяют скорректировать АЧХ системы за счет подбора емкости и индуктивности.
Фильтр это мощный инструмент в умелых руках, позволяющий приблизить АЧХ реальной АС к желаемому идеалу.
Последовательные и параллельные фильтры
Последовательные фильтры для акустических систем включают элементы цепи (катушку, конденсатор) в цепь питания динамика. Такие фильтры влияют как на АЧХ системы, так и на ее импеданс.
В параллельных фильтрах конденсатор или катушка индуктивности подключаются параллельно клеммам динамика, что позволяет скорректировать АЧХ, не меняя импеданс.
Активные и пассивные фильтры
Пассивные фильтры для акустических систем представляют собой просто цепочку из конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов. Активные фильтры в дополнение содержат усилительный каскад на операционных усилителях.
Пошаговый расчет разделительного фильтра для конкретной системы
Выбор типа и компонентов фильтра
Для двухполосной акустической системы, состоящей из НЧ/СЧ головки диаметром 16 см и ВЧ динамика, лучше всего подойдет параллельный фильтр 2-го порядка на пассивных элементах (катушках индуктивности и конденсаторах).
Расчет катушек индуктивности и емкости конденсаторов
Для расчетов параметров фильтра необходимо знать:
- Сопротивление динамика (берется из паспорта)
- Желаемая частота среза фильтра
Формулы для вычисления компонентов фильтра 2-го порядка без изменения АЧХ на частоте среза:
Где:
- R - сопротивление динамика, Ом
- Фс - частота среза фильтра, Гц
- L1 - индуктивность катушки фильтра, Гн
- C1 - емкость конденсатора фильтра, Ф
Путем подбора L1 и C1 можно внести коррекцию АЧХ на частоте среза.
Моделирование в САПР фильтра и АЧХ
Перед изготовлением фильтра имеет смысл промоделировать его работу в специализированной САПР, например TinaTI. Это позволит убедиться в правильности расчетов и отладить характеристики.
Сборка и настройка параметров
После получения удовлетворительных результатов моделирования можно переходить к практической сборке фильтра. На этом этапе также потребуется контроль параметров и, возможно, их подстройка.
Основные характеристики акустических систем
Для правильной работы фильтр должен быть согласован с параметрами акустической системы:
- Диапазон воспроизводимых частот
- Частота резонанса динамиков
- Сопротивление и импеданс динамиков
Ошибки при подборе типа фильтра
Наиболее распространенные ошибки, приводящие к ухудшению характеристик:
- Выбор слишком простого фильтра
- Неправильный расчет частоты среза
- Несоответствие импедансов
Согласование импедансов фильтра и динамиков
Для согласования импеданса фильтра с сопротивлением динамиков необходим контроль параметров фильтра и их регулировка.
Устранение резонансов в системе
Резонансные явления между динамиками и элементами фильтра могут значительно исказить АЧХ системы. Для их устранения используют:
- Подбор оптимальных параметров фильтра
- Демпфирование резонансных контуров
- Применение фильтров высших порядков
Получение оптимальной акустической характеристики
После устранения резонансов и согласования компонентов, можно переходить к настройке АЧХ системы.
Методы измерения АЧХ системы
Для контроля АЧХ применяют:
- Измерения в безэховых камерах
- Снятие АЧХ в реальных условиях эксплуатации
Регулировка параметров фильтра для "подгонки" АЧХ
На этапе настройки АЧХ за счет варьирования параметров фильтра добиваются оптимальной характеристики.
Устранение "провалов" и "пиков" АЧХ
Для выравнивания АЧХ используют регулировки параметров фильтра. К примеру, для устранения провала на определенной частоте увеличивают емкость конденсатора или индуктивность катушки.
Субъективный контроль качества звучания на слух
Помимо объективных измерений АЧХ, важен и субъективный контроль звучания акустической системы в целом. Это позволяет выявить оставшиеся искажения.
Правила монтажа фильтра в акустической системе
После получения требуемых характеристик, фильтр готов к установке в корпус акустической системы.
Схемы подключение фильтров
В зависимости от типа системы и используемых динамиков, применяют различные схемы подключения фильтров.
Основные технологии изготовления печатных плат фильтров
Для изготовления плат фильтров используют как простые, так и многослойные печатные платы. Выбор технологии зависит от требований к размерам и стоимости.
Варианты компоновки и крепления корпуса фильтра
Существует несколько вариантов размещения фильтра в корпусе акустической системы:
- Установка на дно корпуса
- Крепление на боковую стенку
- Установка на заднюю панель
При выборе способа крепления нужно учитывать:
- Удобство монтажа и демонтажа
- Надежность фиксации фильтра
- Экранирование от электромагнитных помех
Перспективы развития фильтров
Несмотря на широкое применение, есть направления для улучшения характеристик фильтров:
- Разработка более совершенных активных фильтров на основе цифровой обработки сигнала
- Применение новых технологий производства элементов фильтров
- Улучшение эргономики и дизайна
Это открывает широкие перспективы для развития отрасли производства фильтров.
Выбор оптимальной конфигурации фильтра
При проектировании фильтра для конкретной акустической системы важно выбрать оптимальную конфигурацию с точки зрения:
- Частотные характеристики
- Фазовые характеристики
- Коэффициент нелинейных искажений
- Динамический диапазон
- Стоимость компонентов
Например, применение дорогих высококачественных элементов или сложных многозвенных схем не всегда оправдано.
Анализ рынка комплектующих для фильтров
При выборе компонентов для фильтра следует проанализировать текущее состояние рынка, доступность тех или иных катушек индуктивности, конденсаторов, микросхем. Это позволит оптимизировать соотношение цена/качество.
Подбор элементной базы с запасом по параметрам
Рекомендуется выбирать комплектующие с небольшим запасом по допустимым напряжениям, токам и мощности. Это увеличит надежность и долговечность фильтра.