Кроссовер в акустических системах: разбираем типы и порядки фильтров

Кроссовер — это частотный фильтр внутри колонки, который делит сигнал на полосы и направляет каждую своему динамику: низкие частоты — басовому, средние — среднечастотному, высокие — высокочастотному. От того, как построен этот фильтр, во многом зависит, насколько ровно акустическая система звучит на стыке полос. Ниже разберём порядки фильтров и их крутизну, три классические схемы — Баттерворта, Линквица-Райли и Бесселя — и разницу между пассивным, активным и цифровым кроссовером.

Ни один отдельный динамик не воспроизводит весь диапазон слышимых частот — примерно от 20 Гц до 20 кГц — одинаково ровно и без искажений. Низким частотам нужна большая площадь и ход диафрагмы, высоким — маленькая и лёгкая. Поэтому колонку собирают из нескольких динамиков, каждый под свою полосу, а распределяет сигнал между ними кроссовер. Как устроены сами излучатели и почему их характеристики так отличаются, мы разбирали в материале как устроен динамик.

Что такое кроссовер и зачем он нужен

Кроссовер — это узел из частотных фильтров, который принимает полный сигнал и отдаёт каждому динамику только его полосу: фильтр нижних частот (ФНЧ) — басовому, фильтр верхних частот (ФВЧ) — высокочастотному, полосовой фильтр — среднечастотному. Число полос определяет конструкцию: двухполосная колонка несёт ФНЧ и ФВЧ, трёхполосная добавляет полосовую секцию (она собрана из ФВЧ и ФНЧ), а четырёхполосные схемы редки из-за сложности, которая редко оправдывает себя по звуку.

Частота, на которой одна секция передаёт эстафету другой, называется частотой раздела. У типовой двухполосной акустики раздел между НЧ- и ВЧ-динамиком лежит в районе 2–3 кГц: ниже тянет басовый динамик, выше — высокочастотный. В трёхполосной системе разделов два — например, около 300 Гц и около 2,5 кГц. При стыковке сабвуфера с основными колонками опорной точкой служит 80 Гц — это рекомендация стандарта THX. Вокруг частоты раздела полосы соседних динамиков перекрываются, и оба динамика какое-то время звучат вместе.

Собирают пассивный кроссовер из трёх типов деталей: катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов. Их номиналы и схема включения и есть та инженерная работа, которую обычно не видно за решёткой колонки, но именно она во многом определяет тональный баланс.

Порядок фильтра и крутизна среза

Порядок фильтра задаёт крутизну среза: каждый порядок добавляет к спаду 6 дБ на октаву. Первый порядок спадает на 6 дБ на октаву, второй — на 12, третий — на 18, четвёртый — на 24. Чем выше порядок, тем уже зона перекрытия и тем надёжнее динамик защищён от частот за пределами своей полосы — но тем больше деталей в схеме, сильнее разворот фазы и выше чувствительность к разбросу номиналов.

Указанная крутизна — электрическая, измеренная на клеммах динамика. Слышимый, акустический спад складывается из работы фильтра и собственного поведения динамика в корпусе: закрытое оформление само по себе даёт спад около 12 дБ на октаву, фазоинвертор — круче. Поэтому грамотный разработчик подбирает электрический фильтр под нужную акустическую цель; схема на бумаге здесь вторична. Как тип корпуса влияет на спад баса, мы разбирали в обзоре видов акустического оформления колонок.

Когда крутизна слышна, а когда нет? На средней громкости в обычной комнате разница между фильтрами 12 и 24 дБ на октаву чаще заметна в измерениях, чем на слух. Зато на высокой громкости пологий срез раньше выдаёт искажения: ВЧ-динамик получает низкочастотную энергию, на которую не рассчитан. Крутой срез эту проблему снимает, но взамен сильнее вращает фазу вблизи раздела — и тут на первый план выходит тип фильтра.

Типы фильтров: Баттерворт, Линквиц-Райли и Бессель

Если порядок отвечает за крутизну, то тип (его ещё называют выравниванием) — за форму среза, фазу и за то, как полосы складываются на частоте раздела. В акустике закрепились три классические схемы. Все они на четвёртом порядке спадают одинаково — 24 дБ на октаву вдали от раздела, — но ведут себя по-разному в самой зоне стыка.

Фильтр Баттерворта

Фильтр Баттерворта даёт максимально ровную амплитуду в полосе пропускания без волн и горбов — за это его называют максимально плоским. Схему описал британский инженер Стивен Баттерворт ещё в 1930 году в работе по теории фильтров. Нечётные порядки (первый и третий) выходят на стык при уровне −3 дБ и складываются по амплитуде ровно, но разворачивают фазу: третий порядок наклоняет вертикальный лепесток диаграммы. Второй порядок Баттерворта в правильной полярности на стыке даёт провал, а при инверсии одного динамика — небольшой подъём около +3 дБ. Это хороший универсальный фильтр, когда на первом месте ровность амплитуды.

Фильтр Линквица-Райли

Фильтр Линквица-Райли на частоте раздела отдаёт каждой полосе −6 дБ и держит обе полосы синфазными, поэтому при сложении амплитуда выходит ровной, без провала и без наклона диаграммы направленности. Схему предложили инженеры Hewlett-Packard Зигфрид Линквиц (Siegfried Linkwitz) и Расс Райли (Russ Riley) в статье «Active Crossover Networks for Noncoincident Drivers» в Journal of the Audio Engineering Society за 1976 год; Райли подсказал ключевую идею — каскадировать два фильтра Баттерворта, отчего схему иногда называют «Баттервортом в квадрате». Линквиц-Райли существует только в чётных порядках (второй, четвёртый, восьмой). Вариант четвёртого порядка (LR4) с крутизной 24 дБ на октаву стал стандартом активных кроссоверов; первые серийные активные фильтры этой схемы появились в 1983 году.

Фильтр Бесселя

Фильтр Бесселя сохраняет максимально ровную групповую задержку, то есть линейную фазу, и потому бережнее всех к форме сигнала: переходные процессы проходят чисто, почти без звона. Назван он по функциям Бесселя, лежащим в основе расчёта. Платой за линейную фазу становится самый пологий спад из трёх схем при равном порядке: за пределами полосы он подавляет частоты слабее, и для той же защиты динамика нужен более высокий порядок. Эту схему выбирают там, где временнЫе и фазовые свойства ставят выше предельной крутизны.

Фаза, суммирование и направленность

На частоте раздела оба динамика звучат одновременно, и результат зависит от того, как складываются их волны по фазе. Правило простое: каждые 6 дБ на октаву крутизны разворачивают фазу на 45°. Из-за этого фильтры чётных порядков ставят полосы в противофазу (180°), и один динамик приходится подключать с обратной полярностью, чтобы на стыке получить сложение, а не вычитание.

Вторая причина фазового рассогласования — геометрия. Звуковые центры динамиков не лежат в одной плоскости: купол ВЧ-динамика обычно выдвинут вперёд относительно НЧ-динамика на 20–40 мм. На частоте раздела это смещение наклоняет основной лепесток излучения вверх или вниз. Чтобы понять масштаб: на 1 кГц длина волны около 34 см, поэтому разница хода всего в 17 см уже даёт сдвиг на 180°. Выравнивают центры двумя путями — механически, ступенькой на передней панели корпуса, или электронно, задержкой сигнала в DSP.

Когда это слышно, а когда нет? На основной оси, в точке прослушивания, грамотно сведённый кроссовер складывает полосы ровно, и переход между динамиками не выдаёт себя. Заметнее всего ошибки фазы и наклон лепестка проявляются вне оси — когда встаёшь или двигаешь голову по вертикали — и в самой полосе перехода. Зона раздела у двухполосной акустики (2–3 кГц) попадает в диапазон, где слух наиболее чувствителен, поэтому огрехи стыковки именно здесь различимы легче всего. При этом число полос и порядок фильтра сами по себе не говорят о качестве: по опыту нашей комнаты прослушивания, аккуратно сведённая двухполосная система нередко звучит ровнее посредственной трёхполосной.

Пассивные и активные кроссоверы

Пассивный кроссовер делит уже усиленный сигнал и стоит между усилителем и динамиками. Он собран из катушек, конденсаторов и резисторов, не требует питания и работает от одного усилителя на всю колонку. У такой схемы есть оборотная сторона: фильтр рассеивает часть мощности и включён последовательно в тракт, из-за чего эффективный коэффициент демпфирования падает — на частоте раздела он может опускаться почти до единицы. Отсюда же ограничение по мощности и слышимое влияние качества деталей. Большинство домашних колонок построены именно по пассивной схеме.

Активный кроссовер делит сигнал до усиления, на линейном уровне, и каждому динамику отводит собственный канал усиления — два в схеме би-ампинга, три в три-ампинге. Работа на линейном уровне снижает искажения, особенно на большой громкости, а прямая связь усилителя с динамиком улучшает контроль над диафрагмой. Вдобавок частоту раздела, крутизну, уровень и задержку каждой полосы можно настраивать. Цена за это — несколько усилителей и более сложная коммутация; а в готовой активной колонке производитель сам подбирает усилитель под динамик, но изменить усиление пользователь уже не сможет.

По опыту нашей комнаты прослушивания, частое заблуждение — будто «пассивный би-ампинг» обычной колонки (два усилителя на одну акустику через раздельные клеммы) даёт те же выгоды, что активная схема. Пассивный кроссовер при этом остаётся в тракте между усилителем и динамиком, поэтому главного — прямого управления динамиком и разгрузки усилителя от лишних частот — такая схема не даёт.

Цифровые кроссоверы (DSP)

Цифровой кроссовер выполняет разделение в цифровой области, до усиления. Сигнал делится математически, без потерь и дрейфа аналоговых деталей, поэтому достижимы очень крутые срезы, далеко за пределами возможностей пассивной схемы. Главный козырь — фильтры с линейной фазой (FIR): они вносят одинаковую задержку на всех частотах и снимают межполосный фазовый сдвиг, неизбежный для аналоговых фильтров. В том же процессоре обычно доступны эквализация, временные задержки и точная подстройка под конкретный динамик, а производитель активной системы может согласовать усилитель и динамик между собой. На DSP строят современную активную акустику; качество тракта здесь упирается в аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, а настройки готового изделия чаще всего зафиксированы производителем.

Материал подготовлен экспертами pult.by. Данные основаны на официальной технической документации производителей, отраслевых публикациях (Journal of the Audio Engineering Society, профильная инженерная пресса) и нашем практическом опыте работы с техникой в шоуруме.

© pult.by. Все права защищены.
Копирование, распространение и использование материалов допускается только при размещении активной индексируемой гиперссылки на источник.