Фильтры и корректирующие цепи

Основная функция разделительных фильтров в АС - создание оптимальных условий для работы головок в частотных полосах и устранение недостатков головок за их пределами. Однако влияние кроссоверов на многие характеристики АС трудно переоценить. Достаточно упомянуть, что от них зависит:

• равномерность характеристик направленности в области совместного действия головок, на которую влияют ФЧХ кроссовера и физическое расстояние между головками (вывод № 1 - располагать головки возможно ближе друг к другу, вывод № 2 - располагать их в вертикальной плоскости для получения более равномерной АЧХ в горизонтальной плоскости.);
• ослабление пиков и провалов на АЧХ АС;
• обеспечение допустимой входной электрической мощности СЧ и ВЧ головок, ограниченной максимальным смещением подвижной системы (теоретически рекомендуется крутизна спада фильтра для ВЧ головки не менее 12 дБ/октаву), а также снижение искажений, вызываемых эффектом Доплера (при излучении колебаний звуковой частоты электроакустические преобразователи (в том числе и динамические головки) вносят в сигнал различного рода искажения, среди которых не последнее место занимают интермодуляционные. Такого рода искажения вызывают как амплитудную, так и фазочастотную модуляцию полезного сигнала. Амплитудная модуляция связана с нелинейностью механических характеристик подвижной системы и нелинейностью электромагнитных параметров. Фазочастотные искажения связывают с эффектом Доплера - изменением частоты излучения источника, движущегося с некоторой скоростью относительно неподвижного приемника колебаний (помните школьный пример с мчащимся мимо гудящим паровозом?). Применительно к динамическим головкам это явление можно объяснить тем, что в процессе излучения низкочастотных колебаний амплитуда смещения диффузора максимальна. Таким образом, его поверхность, излучающая и на более высоких частотах, приближается и удаляется от слушателя. Высокочастотные колебания оказываются промодулированы низкочастотными составляющими. Нормы на допустимый коэффициент искажений такого рода пока не приняты).

Рис. 4.15. Примерный вид кроссовера АС.

На практике применяются несколько видов фильтров, а иногда и их комбинации. Все их многообразие можно условно разделить на фильтры первого и высоких порядков. Фильтры высоких порядков, применяемые в АС, обычно являются аппроксимацией функций Баттерворта, Бесселя, Линквица-Райли (Linkwitz-Riley). Встречаются и оригинальные, запатентованные схемы. Существуют два лагеря конструкторов разделительных фильтров: “крутые” и “пологие”. Апологеты фильтров первого порядка (“пологие”) утверждают, что только такое решение дает возможность получить хорошие переходную и импульсную характеристики. Они правы - это единственное средство для достижения данной цели. Проблема - в протяженном частотном участке совместной работы головок и в необходимости выравнивания их излучения по времени. Допустим, удалось создать такую идеальную АС. Прекрасные характеристики в безэховой камере. Но поместите ее в реальную жилую комнату со стенами, полом, потолком, и излучаемая мощность не будет линейна по частоте. При отклонении от оси АС с фильтрами первого порядка обладают неприятным свойством - появляются пики в области частот раздела кроссовера. И это слышно очень хорошо. Признаем полное превосходство фильтров первого порядка в возможности воспроизводить малейшие нюансы фонограмм. Но, сосредоточиваясь на звуке касания пальцев пианиста клавиш, мы можем забыть о самой музыке.

Рис. 4.16. Характеристики фильтров, применяемых в АС: I - амплитудно-частотная; II - переходная; III - группового времени задержки; IV - фазовая.

• фильтры с критическим затуханием. АЧХ фильтра линейна в полосе пропускания и имеет плавный спад за ее пределами. Переходная характеристика не имеет выбросов (кривая 1);
• фильтры Баттерворта. АЧХ фильтра линейна в полосе пропускания и имеет резкий спад за ее пределами. Переходная характеристика носит колебательный характер. С повышением порядка фильтра колебательные процессы возрастают (кривая 3);
• фильтры Бесселя. АЧХ фильтра линейна в полосе пропускания и имеет относительно резкий спад за ее пределами. Переходная характеристика имеет небольшой выброс, но не содержит колебаний. Это объясняется линейной зависимостью фазового сдвига от частоты (кривая 2);
• фильтры Чебышева. АЧХ фильтра имеет волнообразный характер в полосе пропускания и очень резкий спад за ее пределами. Переходная характеристика носит выраженный колебательный характер. С повышением порядка фильтра колебательные процессы возрастают (кривая 4 - неравномерность 0.5 дБ, кривая 5 - неравномерность 3 дБ);
• фильтры Линквица-Райли. АЧХ фильтра линейна в полосе пропускания и имеет резкий спад за ее пределами. Отличительной особенностью фильтров данного типа является линейность АЧХ АС как на оси, так и при отклонении от нее. Именно это требование было реализовано при их разработке.

Одним из главных условий работы пассивного фильтра является постоянство сопротивления нагрузки. Только при этом условии он способен обеспечить заданную АЧХ и ФЧХ. Требование постоянства сопротивления нагрузки фильтра можно объяснить очень просто - его значение входит в расчетные формулы, определяющие АЧХ и ФЧХ. Отклонение сопротивления нагрузки фильтра от расчетного как в полосе пропускания, так и за ее пределами приведет к существенной неравномерности всех характеристик. К сожалению, головки громкоговорителей не обладают линейной зависимостью импеданса от частоты. Это связано с тем, что, помимо обладания собственным резонансом подвижной системы на частоте Fs, головка является сложной комбинацией линейных и нелинейных (на реальном звуковом сигнале) сопротивлений, емкостей и индуктивностей. Задача конструктора - обеспечить согласованность работы системы фильтр - головка как в полосе пропускания, так и в области совместного действия. Обычно для решения этой задачи применяют цепи компенсации индуктивного характера нагрузки (для головок всех полос) и цепи демпфирования собственного резонанса головки для СЧ и ВЧ головок. Помимо этого, часто применяют специальные цепи, выравнивающие импеданс АС в области частоты раздела головок. Это необходимо из-за роста сопротивления фильтров за пределами полосы пропускания. Рост сопротивления ФНЧ и ФВЧ фильтров приводит к формированию “горба” на входном импедансе, рис 4.17 (1). Абсолютное значение величины “горба” растет с увеличением порядка разделительных фильтров.

Рис. 4.17. Импеданс (сплошная линия) и ФЧХ (пунктир) АС.

Необходимо отметить, что на практике очень сложно оценить влияние еще нескольких параметров: выходного сопротивления усилителя (которое может изменяться в зависимости от частоты), емкости, индуктивности и сопротивления соединительного кабеля. В последние годы много сил и средств было потрачено на разработку цифровых разделительных фильтров и корректоров. Это направление чрезвычайно перспективно, так как при их создании подбираются (в алгоритмах программного обеспечения) коэффициенты цифровых фильтров и корректоров, а не емкости, индуктивности и резисторы. В значительной мере этот этап поддается автоматизации. Обратной стороной является высокая стоимость быстродействующих сигнальных процессоров (часто специализированных), программного обеспечения, высококачественных цифро-аналоговых преобразователей и отдельных усилителей на каждую полосу усиления. Можно предположить, что с принятием стандарта DVD Audio работы в области цифровых фильтров и корректоров получат новый стимул.

Конструкторы АС класса High End предоставляют хорошую возможность заработать немалые деньги производителям кабелей, разъемов, звукопоглощающих материалов. Также не остаются в накладе и производители пассивных компонентов разделительных фильтров. В кроссоверах применяются конденсаторы с полипропиленовым диэлектриком (и аналогичные им по характеристикам), катушки индуктивности с воздушным сердечником (провод, разумеется, из бескислородной меди), высококачественные резисторы. Стоимость каждого компонента может быть сопоставима с ценой хорошей динамической головки. Общая стоимость кроссовера может превышать стоимость всех головок АС. Насколько же необходимо применение столь дорогих комплектующих в кроссоверах? Во-первых, качество звучания большинства высококачественных головок напрямую зависит от качества элементов кроссовера. Во-вторых, производитель должен быть уверен в долговременной стабильности параметров элементов кроссовера. Разумеется, что только создатели бескомпромиссных АС применяют очень дорогие R, L, C комплектующие во всех цепях кроссовера. Чаще можно встретить дорогие пассивные компоненты только в сигнальных цепях, через которые сигнал поступает на головки. В цепях коррекции и эквализации обычно присутствуют менее дорогие комплектующие, но тоже достаточно высокого качества. Иногда можно встретить кроссовер, выполненный в виде отдельного блока. Преимущество такого типа решения очевидно - удается избежать воздействия вибраций на пассивные элементы фильтров.

Мы не упомянули священное слово - серебро. Действительно, серебро находит применение в обмотках трансформаторов, акустических кабелях, катушках индуктивности и обкладках конденсаторов. Вопрос в том, какой материал для проводника аудиотракта лучше - медь или серебро, обсуждается давно. Довод в пользу серебра - лучшая электропроводность; против - высокая цена. Утверждение о лучшей электропроводности серебра справедливо только для постоянного тока. На переменном же (в аудиодиапазоне) оно теряет это преимущество. Поэтому нет оснований говорить об объективных преимуществах серебра, используемого в вышеперечисленных изделиях. Следует также отметить, что характеристики кабелей, трансформаторов, конденсаторов и катушек индуктивности зависят не только от материалов, которые используются в их производстве, но и, подчас в большей степени, от топологии, конфигурации и т. д.