Звуковой фильтр для колонок 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

Защита от шума и вибраций

ГЛАВНАЯ

|

КОМПАНИЯ

|

МАТЕРИАЛЫ

|

УСЛУГИ

|

ЦЕНЫ

|

ОБЪЕКТЫ

|

СТАТЬИ

|

ФОРУМ

|

КОНТАКТЫ

Акустические on-line калькуляторы

Оптимизация расположения громкоговорителей в комнате прямоугольной формы

Для достижения высокого качества звуковоспроизведения, акустические характеристики комнаты для прослушивания необходимо приблизить к определенным оптимальным значениям. Это достигается формированием «акустически правильной» геометрии помещения, а также с помощью специальной акустической отделки внутренних поверхностей стен и потолка.

Но очень часто приходится иметь дело с комнатой, форму которой изменить уже невозможно. При этом собственные резонансы помещения могут крайне негативно повлиять на качество звучания аппаратуры. Вважным инструментом для снижения влияния комнатных резонансов является оптимизация взаимного расположения акустических систем относительно друг друга, ограждающих конструкций и зоны прослушивания.

Предлагаемые калькуляторы предназначены для расчетов в прямоугольных симметричных помещениях с низким фондом звукопоглощения.

Применение на практике результатов данных расчетов позволит уменьшить влияние комнатных мод, улучшить тональный баланс и выровнять АЧХ системы «АС-комната» на низких частотах.
Необходимо отметить, что результаты расчетов не обязательно приводят к созданию «идеальной» звуковой сцены, они касаются только коррекции акустических дефектов, вызванных, прежде всего, влиянием нежелательных комнатных резонансов.
Но результаты расчетов могут стать хорошей отправной точкой для дальнейшего поиска оптимального месторасположения АС с точки зрения индивидуальных предпочтений слушателя.

Методология расчетов основана на стереофоническом принципе расположения громкоговорителей, рекомендациях по реализации принципа «Золотого сечения» Джорджа Кардаса (George Cardas) и общей теории психоакустики. Более подробно о данной методике можно узнать из статьи «Расположение громкоговорителей в комнате прямоугольной формы».

Определение площадок первых отражений

Слушатель, находящийся в комнате для прослушивания музыки, воспринимает не только прямой звук, излучаемый акустическими системами, но и отражения от стен, пола и потолка. Интенсивные отражения от некоторых участков внутренних поверхностей комнаты (площадок первых отражений) взаимодействуют с прямым звуком АС, что приводит к изменению частотной характеристики звука, воспринимаемого слушателем. При этом на некоторых частотах происходит усиление звука, а некоторых его значительное ослабление. Этот акустический дефект, называемый «гребенчатой фильтрацией», приводит к нежелательному «окрашиванию» звука.

Калькулятор «Расчет месторасположения площадок первых отражений»

Расчет резонатора Гельмгольца

Калькулятор «Расчет резонатора Гельмгольца»

Расчет панельного НЧ-поглотителя конверсионного типа (НЧКП)

Калькулятор «Расчет панельного поглотителя»

Расчет размеров комнаты в соответствии с рекомендациями EBU/ITU, 1998

В 1998 году данная формула была принята в качестве стандарта Европейским Радиовещательным Союзом (European Broadcasting Union, Technical Recommendation R22-1998) и Международным Телекоммуникационным Союзом (International Telecommunication Union Recommendation ITU-R BS.1116-1, 1998) и рекомендована к применению при строительстве студийных помещений и музыкальных комнат прослушивания.
Соотношение выглядит следующим образом:

1.1w/h 2 *mod(p), где

	Расчет диффузора Шредера по проектной частоте
	Расчет диффузора Шредера по проектной ширине ячейки

Соответствие размеров студийных и музыкальных комнат международным стандартам

Калькулятор «Соответствие размеров студийных и музыкальных комнат международным стандартам»

Расчет аксиальных комнатных мод

Калькулятор аксиальных мод в комнате прямоугольной формы

Как близко должны располагаться соседние модальные частоты, чтобы избежать проблемы окрашивания звука? Исследования Кристофера Гилфорда (Christopher LS Gilford, «The Acoustic Design of Talks Studios and Listening Rooms») показали, что если аксиальные моды отстоят друг от друга на 20 Гц и более, то они считаются акустически изолированными. Они не будут возбуждаться через связь вследствие перекрывания полос, а будут действовать независимо. В таком изолированном состоянии аксиальная мода может реагировать на компонент сигнала, имеющий близкую частоту, усиливая его.

Нулевой интервал между модальными частотами также является источником окрашивания. Нулевой интервал означает, что две модальные частоты совпадают (т.н вырожденные моды), что придает этим частотным составляющим чрезвычайную выразительность.

Наличие изолированных мод служит источником провалов, а нулевой интервал между модальными частотами часто приводит к образованию пиков на амплитудно-частотной характеристике. Высокая неравномерность АЧХ на частотах ниже 300 Гц является причиной возникновения нежелательных акустических дефектов, таких как «коробчатое» звучание и «гудение» баса.

Предлагаемый калькулятор позволяет также рассчитать радиус гулкости помещения (т.н. ближнее поле) и характерные зоны в звуковом диапазоне, ограниченные частотами F1-F5.

Диапазон частот F1-F2
Зона давления. Комнатные резонансы отсутствуют, нет усиления звука модами.

Диапазон частот F2-F3
Зона комнатных резонансов. Действуют законы волновой акустики. Диапазон ограничен сверху частотой Шредера.

Диапазон частот F3-F4
Переходная зона. Длина звуковой волны слишком велика для законов геометрической акустики, но мала для законов волновой акустики. Дифракция и диффузия звуковых волн.

Диапазон частот F4-F5
Зона отражения звуковых волн. Действуют законы геометрической акустики.

Калькулятор применим для оценки проблемных модальных частот только в комнатах простой прямоугольной формы с невысоким фондом звукопоглощения.

Калькулятор «Упрощенный анализ аксиальных мод»

Время реверберации (Т,сек), введенное В. Сэбином (Wallace Sabine) еще в конце позапрошлого века, до сих пор остается одной из важнейших акустических характеристик помещения. Время, в течение которого уровень звукового давления уменьшается на 60 дБ после прекращения звучания источника, называется временем стандартной реверберации и характеризует степень гулкости помещения.

Помещение с большим значением времени реверберации воспринимается как «живое» (часто это церкви, спортзалы, бассейны), помещения с малым значением времени реверберации характеризуются как «заглушенные» (студии звукозаписи, дикторские кабинки).

В общем случае, снижение времени реверберации приводит к улучшению ясности и артикуляции речи, т.е увеличению степени акустического комфорта. Уменьшение времени реверберации достигается применением звукопоглощающих покрытий стен, пола и потолка.

Данный акустический калькулятор предназначен для оценки времени реверберации в помещении в зависимости от его назначения, а также для предварительного подбора необходимого количества звукопоглощающих материалов.
Помимо использования внутренней базы данных звукопоглощающих материалов, программа позволяет вводить коэффициенты поглощения любых произвольных материалов, взятых из справочной литературы.
Таблица коэффициентов звукопоглощения

Проведение расчетов в предлагаемом калькуляторе подразумевает ввод данных в диалоговом режиме и дальнейшее выведение результатов на экран в виде диаграммы. Расчет времени реверберации производится по методике, изложенной в СНиП 23-03-2003 «Защита от шума» в октавных полосах частот по формуле Эйринга (Carl F. Eyring):

Т (сек) = 0,163*V / (−ln(1−α)*S + 4*µ*V)

V – объем зала, м3
S – суммарная площадь всех ограждающих поверхностей зала, м2
α — средний коэффициент звукопоглощения в помещении
µ — коэффициент, учитывающий поглощение звука в воздухе

Полученное расчетное время реверберации графически сравнивается с рекомендуемым (оптимальным) значением. Оптимальным называют такое время реверберации, при котором звучание музыкального материала в данном помещении будет наилучшим или при котором разборчивость речи будет наивысшей.

Оптимальные значения времени реверберации нормируются соответствующими международными стандартами:

DIN 18041 Acoustic quality in rooms – Specifications and instructions for the room acoustic design, 2016
EBU Tech. 3276 – Listening conditions for sound programme, 2004
IEC 60268-13 (2nd edition) Sound system equipment — Part 13, 1998

Источник