Фильтр акустика пассивный расчет

Проектирование и расчёт пассивных разделительных LC фильтров
(кроссоверов) для акустических систем

Онлайн калькулятор акустических фильтров 1. 6-го порядков: нижних частот (ФНЧ) для
низкочастотных динамиков, фильтров верхних частот (ФВЧ) – для высокочастотных,
а также полосовых фильтров (ПФ) – для среднечастотных.
Расчёт согласующей цепи Цобеля и Г- образного аттенюатора для громкоговорителя.

В настоящее время практически все качественные акустические системы являются многополосными, т. е. состоящими из нескольких громкоговорителей, каждый из которых работает в своём, отведённом ему диапазоне частот. Для распределения энергии звукового сигнала между динамиками используют электрические разделительные фильтры (КРОССОВЕРЫ), в данном рассматриваемом случае — пассивные LC-фильтры, которые включаются между выходным разъёмом усилителя, обладающего близким к нулю выходным сопротивлением, и динамической головкой АС.
Надо отметить, что данные разделительные фильтры являются одним из важнейших компонентов акустических систем, определяя весомую часть необходимых электроакустических характеристик, а также качества и естественности звучания тракта.

Сколько полос иметь? На каких частотах делить звуковой частотный диапазон? Какого типа и какого порядка использовать разделительные фильтры в кроссоверах, а также — какими эти фильтры будут обладать характеристиками — вот вопросы, которые устойчиво стоят на повестке дня и требуют аккуратного и подробного обсуждения.

Часть ответов на эти вопросы можно найти в довольно показательной таблице сравнительных характеристик различных фильтров, опубликованной в журнале «Автозвук», № 5/2001.
Таблица примечательна тем, что в ней приведены только реально применяемые кроссоверы без упоминания редко используемых типов фильтров, а также фильтров с нежелательными для акустики свойствами.

Краткая сравнительная характеристика разделительных фильтров акустических систем

Главным достоинством фильтров первого порядка является возможность одновременного достижения идеальной (плоской) АЧХ и идеальной (нулевой) ФЧХ. Недостаток фильтров первого порядка – слабые фильтрующие свойства

Любой фильтр второго, шестого, десятого и т.д. порядка обладает недостатком: при отсутствии переполюсовки динамиков АЧХ имеет провал, при переполюсовке возможны проблемы с импульсным откликом

Хороший фильтр с хорошим звуком. Отличные импульсные характеристики. Как правило, требует переполюсовки одной из головок

Обеспечивает гладкую АЧХ при очень хороших ФЧХ и импульсных характеристиках

Дает выброс 3 дБ на частоте раздела. Один из способов борьбы с выбросом – разнесение частот среза ФНЧ и ФВЧ

Фильтры третьего порядка обеспечивают достаточно высокую степень разделения при все ещё приемлемых ФЧХ и ГВЗ. Наиболее перспективны в большинстве устройств. Переполюсовка одной из головок приводит к иным последствиям, чем у фильтров 2-го порядка: АЧХ не меняется, характер ГВЗ улучшается, звук – дело вкуса

Имеет небольшое отклонение АЧХ от идеала в районе частоты раздела. Обладает улучшенными импульсными характеристиками

Применяется редко

Является основным среди фильтров третьего порядка, так как единственный обеспечивает плоскую АЧХ

Фильтры четвертого порядка применяются только в специальных случаях, когда по каким-то причинам требуется очень жесткое частотное разделение. ФЧХ и импульсные характеристики на грани допустимого. В отличие от фильтров второго порядка – не требуют переполюсовки

Практически не имеет отличий от фильтра Линквица – Райли

Обладает гладкой АЧХ

Используется редко

Используются чрезвычайно редко, например, при необходимости очень резкого ограничения полосы частот, подаваемых на низкочастотный динамик или сабвуфер. Переполюсовка просто вредна

Применяется редко

Применяется редко

Обладает гладкой АЧХ

Порядок фильтра	Бесселя	Линквица – Райли	Баттерворта
1
3
4
5

От себя добавлю, что действительно — фильтры 5-го порядка используются редко, однако если требуется существенное подавление внеполосных частот, подаваемых на сабвуфер, то в качестве ФНЧ, как правило, применяются фильтры не 5-го, а 6-го порядков и не Баттерворта, а Линквица – Райли.
Приведём схемы LC фильтров верхних и нижних частот 6-го порядка. Схемы фильтров меньших порядков образуются путём отбрасывания соответствующих элементов (Рис.1).

Рис.1 Схемы односторонне нагруженных LC фильтров верхних и нижних частот

Для фильтров нижних частот — значения величин элементов, соответствующих: порядку фильтра, сопротивлению нагрузки Rн и частоте среза (разделения) Fср, рассчитываются по следующим формулам:
L_i= α_i*R_н/(2πF_ср) ; C_i= α_i/(2πF_ср*R_н) , где α_i — это справочные нормированные значения (коэффициенты) для каждого элемента ФНЧ, называемые значениями элементов фильтра-прототипа.

Для фильтров верхних частот — каждая индуктивность из схемы ФНЧ заменяется ёмкостью, ёмкость — индуктивностью, которые, исходя из тех же самых коэффициентов, рассчитываются по формулам:
C_i= 1/(2πF_ср*α_i*R_н) ; L_i= R_н/(2πF_ср*α_i) .

Оставим все многочисленные таблицы со значениями нормированных коэффициентов фильтров-прототипов для справочной литературы, а сами сразу перейдём к онлайн расчёту номиналов элементов кроссоверов.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ ФНЧ и ФВЧ LC- ФИЛЬТРОВ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Для полосовых фильтров: каждый элемент-индуктивность из НЧ фильтра-прототипа заменяется на последовательный LC контур (Рис.2), элементы которого рассчитываются по следующим формулам:
L_i= α_i*R_н/[2π(F_в — F_н)] , где Fн и Fв – нижняя и верхняя частоты среза полосового фильтра, а
C_i= 1/(4π 2 *F_н*F_в*L_i) .
Каждый элемент-ёмкость из фильтра-прототипа нижних частот заменяется на параллельный LC контур, элементы которого рассчитываются по формулам:
C_i= α_i/[2π*R_н*(F_в — F_н)] ;
L_i= 1/(4π 2 *F_н*F_в*C_i) .

Рис.2 Схемы односторонне нагруженных LC полосовых фильтров

Разместим калькулятор расчёта элементов и для полосовых фильтров акустических систем.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛОСОВЫХ LC- ФИЛЬТРОВ ДЛЯ АКУСТИКИ

При расчёте разделительных фильтров принимается допущение, что нагрузка (сопротивление динамика) — это величина чисто активная. Однако, учитывая то, что реальные громкоговорители обладают комплексным характером входного сопротивления, то для корректной работы фильтров могут потребоваться согласующие цепи, компенсирующие этот комплексный характер.
При проектировании кроссоверов — частоты среза фильтров всегда следует выбирать значительно выше резонансных частот громкоговорителей. Тогда для компенсации комплексного характера входного сопротивления громкоговорителя будет достаточно включения упрощённой согласующей цепи, называемой цепью Цобеля и представляющей собой простую цепочку из последовательно включённых сопротивления Rк и ёмкости Cк (Рис.3а).
Рэй Олден, автор одной из самых популярных книг по акустике, советует использовать следующие соотношения: R_к = 1,25*R_е ; С_к = L_е/R_е 2 , где Re и Le — это паспортные сопротивление и индуктивность динамика.

Рис.3 Согласующая цепь Цобеля и Г-образный аттенюатор для громкоговорителя

Также для уменьшения неравномерности суммарной АЧХ многополосной АС зачастую необходимо ослабить уровень каких-либо составляющих, как правило — среднечастотных либо высокочастотных. Это можно сделать с помощью Г-образных пассивных аттенюаторов, обеспечивающих заданный уровень ослабления N (дБ) (Рис.3б). Если задаться целью произвести ослабление без коррекции активного сопротивления громкоговорителя, то формулы для вычисления номиналов резисторов имеют следующий вид:
R1 ≈ R_e*(10 0,05N — 1)/10 0,05N ; R2 ≈ R_e/(10 0,05N — 1) .

Сдобрим пройденный материал калькуляторами.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЦЕПИ ЦОБЕЛЯ ДЛЯ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ АТТЕНЮАТОРА ДЛЯ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

Следует отметить, что некоторые производители акустики игнорируют согласующие цепи, считая, что компенсация комплексной характеристики портит звучание системы на реальном музыкальном материале. В таких случаях неравномерность АЧХ тракта приходится устранять при помощи измерительной аппаратуры, кропотливо подбирая каждый из элементов звеньев фильтра.
В принципе — то же самое можно сделать и на симуляторе, подставив в качестве нагрузки фильтра эквивалентную электрическую схему громкоговорителя. Естественным образом — эта схема должна учитывать акустическое оформление динамика. А как создать такую схему — мы с вами подробно обсудили на странице ссылка на страницу.

Источник

Тема: Программы расчета фильтров.

Опции темы

Программы расчета фильтров.

Вот считаю пассивные фильтры для 3х полосной акустики. Фильтры 2го порядка.
Пробую табличка с «классическими» формулами и прогу JBL speakershop
Так вот полученные результаты разнятся.
Частоты раздела выбраны 500 и 4000 все динамики 8ом.
Если номиналы фильтров НЧ и ВЧ звена практически совпадают, то вот по СЧ разница большая.
В табличке номиналы соотв компонентов СЧ фильтра совпадают с НЧ и ВЧ а вот в JBL speakershop
разница существенна. Чему же верить?

Еще хочу спросить сильно ли повлияет если делать катушки с самой большой индуктивностью (5,8мГн) с целью снизить сопротивление обмотки на сердечниках? Какой тип сердечника лучше использовать?

Стоит ли компенсировать индуктивность катушек динамиков RC цепочками?

Как добиться максимального согласования по фазе?

Re: Программы расчета фильтров.

Нельзя «расчитать» фильтры для АС. Поэтому остальные вопросы, кроме вопроса про катушки с сердечниками, не имеют нормального ответа.
Катушки с сердечником можно использовать в басовом звене.
Чтобы спроектировать АС нужно уметь мерить, ползоваться симулятором и слышать. Поэтому, лучше начать с повторения готового кита.

Re: Программы расчета фильтров.

Из перечисленного — ничему.
Мало того, если двух-полоски никогда не сводил, а сразу берёшься за трёх-полоски, то, даже при наличии измериловки, судя по твоим вопросам, работа тебе предстоит архисложная.

Re: Программы расчета фильтров.

Сейчас в микрокапе извращаюсь.
Вроде все идеально получается если динамик как резистор представить
Но ведь динамик — сложная электромеханическая система. Как его лучше смоделировать?
Смотрю на графики импедансов динамиков. На пищалке он почти ровный в интересующем диапазоне можно не заморачиваться.
А вот на СЧ изменяется в 2 раза. Зобеля ставить?

Еще получается катушка большой индуктивности в полосовом фильтре на СЧ. Можно ли ее на феррите сделать?

Re: Программы расчета фильтров.

MIkeVC — микрофон есть? Если нет, то начни с этого. Всё остальное, без микрофона — пальцем в небо.

Re: Программы расчета фильтров.

MIkeVC, JBL speakershop считает очень-очень приблизительно. Им на самом деле пользоваться нельзя. И вообще, даже если учесть, что в LC фильтрах все величины взаимосвязаны (например, если для изменения частоты изменишь индуктивность, то надо менять и емкость, чтобы характеристическое сопротивление, равное сопротивлению нагрузки не изменилось), то все равно точно не рассчитаешь. Приходится «доводить по месту». Для того, чтобы расчет был максимально точным, нужно максимально компенсировать индуктивность динамика цепью Цобеля. А то, что некомпенсировалось измерить, и внести в расчет. А от этого уже «колдовать».

Re: Программы расчета фильтров.

Микрофона калиброванного у меня нет но могу взять попользовать.
Звуковушка хорошая есть.
Однако чтобы чтото мерить надо сначала это чтото сделать
И желательно сделать максимально приближенно к правде чтоб меньше корректировок вносить.
Особенно катушки перематывать не айс.

Еще посчитал прогой PXO. Вогнал это в микрокап. Пересечения графиков получились близко к частотам раздела. А по данным JBL была ерунда. Он расширил полосу СЧ фильтра непонятно для чего.

Супер точности мне не надо все равно все получится приблизительно. Мне главное чтоб небыло большого фазового рассогласования в тех местах где 2 динамика вместе играют и чтоб на слух играло приятно. Супер ровная АЧХ мне не нужна все равно толку от этого немного +-2дб это не заметно.

Re: Программы расчета фильтров.

Фильтры можно и нужно рассчитывать. Сначала прикидываешь любой прогой ( тот же жбл) и в симулятор с ящиком. Я пользуюсь BOXSIM. Там лучше все параметры динамика задать, если есть. Моделирует довольно точно вместе с ящиком. Но потом все равно подбираю на слух, особенно вверху. Катушки нч конечно с сердечником.

Re: Программы расчета фильтров.

BOXSIM на немецком а я только спик инглиш
А что она может?
Только ящики считать или подгонять фильтры под систему динамик в ящике ?

Re: Программы расчета фильтров.

Самые верные слова высказал Георгий: Фильтры нельзя рассчитать. Добавлю, что рассчитать нельзя, но вырулить- можно и нужно. Только руль нужен сперва. То есть- тяма. А она с годами приходит. Три полосы даже для меня задача непростая, заранее всегда холод на затылке от неё, а вам -проще, вы страха не ведаете, так что- делайте, пару лет повозитесь- кое-что поймёте.

Re: Программы расчета фильтров.

Если говорить о точности, то прикинуть можно. Не надо в крайности впадать. Три полосы — сложно. А вот четыре.

Re: Программы расчета фильтров.

Нет, ну у меня есть, скажем, прога LC-Filter, надёжная как танк, она экономит время когда нужно быстро-быстро что-то сварганить, лишь бы на километр не промазать.
Но чтоб только по ней акустику рассчитывать- звиняйте.

Re: Программы расчета фильтров.

Присоединяюсь к мнению. Остальное — брехня.

Профессионалы не «подгоняют» оптимизированные фильтры на слух, а отслушивают различные версии и выбирают то, что на слух наиболее правильно. Ухом измерять способны только бредуны. Оно реально годится лишь для финальной оценки результата.

———- Добавлено в 18:27 ———- Предыдущее сообщение в 17:27 ———-

Не нужно ничего моделировать. В нормальные симуляторы эти модели давно заложены, но достоверный результат можно извлечь только на основе реально снятых АЧХ и импеданса. Выбор конкретного симулятора — дело хозяйское, главное, чтобы он работал с результатами реальных измерений.

Re: Программы расчета фильтров.

Всё правильно, т.к. он тупо считает на активную нагрузку и не учитывает её реактивную составляющую. С низкоиндуктивными пищалками такое может прокатить, а вот с вуферами, результат может быть очень далёк от реальности.
Если уж очень хочется посимулировть в простой проге, то в качестве нагрузки имитирующей модель динамика, можно скормить ей последовательную R-L цепочку, где R — активное сопротивление катушки динамика, а L — его индуктивность.
Понятно, что точного попадания всё равно не будет, т.к. индуктивность динамика — величина частото-зависимая, но результат симуляции будет гораздо ближе к реальному. Я сам таким прикидочным методом частенько пользуюсь.
Однако, при отсутствии данных о реальной АЧХ динамиков в оформлении и их чувствительности (хотябы относительной), все эти прикидки особого смысла не имеют.

Адреналин! Знакомо до одури!
Хотя, в основном пугает сшивка НЧ-СЧ — комнатка у меня маленькая и микрофон на суммарной АЧХ такие загогулины рисует, что интерпретация полученных данных бывает весьма затруднительна.

Re: Программы расчета фильтров.

достаточно капсюля Panasonic WM-61, стоит копейки, продаётся посылторгом. http://www.elitan.ru/price/index.php. ywhere&mfg=all
и самопального к нему предусилителя http://forum.vegalab.ru/showthread.p. ного-микрофона

«сначала это что-то сделать» нужно только для того, чтобы потом переделать

Алгоритм действий такой:
1. Выбор концепции
2. По измеренным (в крайнем случае паспортным) электромеханическим параметрам басовика рассчитывается подходящее акустическое оформление
3. Строится корпус (лучше сперва макет, но это дополнительная стадия)
4. Динамики разминаются и устанавливаются в корпус.
5. Производится настройка басового звена (длина фазика, заполнение и т.п.)
6. Снимаются замеры с конкретных излучателей в конкретном акустическом оформлении
7. Результаты замеров загоняются в симулятор, в котором производится моделирование различных вариантов фильтров. На практике, ровную или по желанию искривлённую АЧХ можно получить различными вариантами фильтров, а звучать эти одинаковые по АЧХ варианты будут по-разному.
8. Наиболее перспективный(е) вариант(ы) кроссовера собираются в железе, отслушиваются и обмеряются, делаются выводы относительно дальнейших манипуляций с имеющимся вариантом, либо поиску новых.

———- Добавлено в 19:23 ———- Предыдущее сообщение в 19:06 ———-

Я не нашёл лучшего способа и делаю так:

1. Снимаю АЧХ в ближнем поле/ФЧХ/ИЧХ НЧ и СЧ излучателей.
2. Пересчитываю в симуляторе АЧХ излучателей с ближнего на дальнее поле, с учётом размеров передней панели, формы края .
3. Снимаю АЧХ НЧ и СЧ излучателей в дальнем поле, дабы убедиться в адекватности симуляции и правильности соотношения уровней АЧХ для дальнего поля.
4. Свожу фильтры в симуляторе.
5. Снимаю реальную АЧХ, сравниваю с результатом симулятора.

Источник