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分頻器的原理和設置

要做到將整個音訊範圍(20Hz-20kHz)的完整重地重放出來, 就要求採用多個不同的揚聲器來分別重放高, 中和低

不同頻段的聲音。 讓不同的揚聲器分別重播不同的聲音頻帶, 就要使用合適的分頻網路。 分頻網路(Crossover

Network), 又稱為分音器, 分頻器, 或濾波器。 在實際的設計中, 會受到諸多變數的影響, 所以是一個非常複雜的工

作。 在這裡, 我們主要介紹分頻網路的基礎知識, 以及對揚聲器分頻點的選擇, 可作為主動式電子分頻時作為參考。

1. 分頻器的種類

按分頻器中各單元的電路連接方式, 可以分為:串聯分頻器和並聯分頻器。

現在業界多採用的是並聯分頻器, 其主要

優點是在於多路揚聲器中, 每一隻都可視為獨立的部分。 如果採用了串聯式的分頻器, 任一個零件都可能會影響到高通與低通的特性。 汽車音響裡所應用的都是並聯式分頻器。

按電平的高低來分, 可以分為高電平分頻器和低電平分頻器。 高電平分頻器也是我們通常說的被動式分頻器, 它是指功率放大器放大的大功率信號, 經被動式分頻器處理輸出到特定的單元。 低電平分頻器又稱為主動式分頻器, 它是由主動式的電子高通, 低通或帶通濾波器組成, 一般裝置在主機, 前級處理器或功率放大器的前級部分。

分頻器按重播頻帶來分, 可以分為高通, 帶通, 低通分頻器,

按分頻器的電子元件以及衰減的斜率可以分為一階, 二階, 三階和四階的分頻器。

三種基本型式的濾波電路

2. 分頻器的原理

揚聲器系統的分頻器電路是由L/C濾波器(電感與電容)所構成的, 並聯式的分頻器設計主要採用三種基本的濾波器

形式,

它們的回應特性如圖所示, 它們是:低通濾波器, 將高頻段衰減, 通常運用在低音單元;帶通濾波器, 將高頻端與低頻端全部衰減, 一般應用在中音單元上;高通濾波器, 衰減低頻段, 絕大部分運用在高音單元上。

濾波器通常可由三項基本特性描述:衰減的斜率, 濾波器的中心頻率和Q值。 斜率一般以每一個倍頻程(八度)的衰

減量為單位dB/Octave。 當L與C由不同的電路形態組合之後, 濾波器的斜率可以形成每倍頻程6, 12, 18, 24dB的衰減量。 超過24dB的衰減量的分頻網路在被動式分頻網路裡很少使用, 通常應用在主動式電子分頻裡。 這些衰減率同時可以用斜率的階數來表示, 一階為6dB/Octave, 二階為12dB/Octave, 三階為18dB/Octave, 四階為24dB/Octave的斜率, 依此類推。

濾波器不同Q值的頻率回應特性

濾波器的電路諧振頻率就是分頻點的頻率, 它是電感L和電容C的乘積, 不同的L和C值組合, 可以得到不同的回應。

濾波器的Q值與喇叭單元的Q值, 以及單元裝箱後的Q值具有相同的關係, Q值是描述分頻點處的曲線變化的一個參

數量。 不同的濾波器Q值描繪出不同的衰減回應曲線。

不同的回應曲線具有不同的特性, 它是都以第一個發現這些回應特性的工程師命名, 例如:Chebychev(Q=1), Butterworth(Q=0.707), Bessel(Q=0.58), Linkwitz-Rily(Q=049);Q值越高, 在分頻點附近變化越劇烈, 曲線反應越陡峭;反之則越平滑, 越平順。

3. 分頻器的設置

任何分頻器的設計都是努力將兩個或多個不同頻帶的喇叭單元結合起來, 並具有平坦的回應轉換以得到全音訊的揚聲

器系統。 分頻器的設計就是將部分頻率重疊的喇叭單元, 結合後不產生新的尖峰或深谷, 而且在相位回應方面也非常順暢。 這裡所說的相位, 是分頻網路斜率相關聯的參數, 不同的Q值具有不同的相位。 例如奇數階的Butterworth濾波器的高通/低通濾波器的相位具有恒定90度反相的特性, 而偶數階的分頻器, 其相位的相對關係是同相的或180度反相(這時只要將高音的相位反過來就可以了)。

在汽車音響裡,套裝喇叭所帶的被動式分頻器已經由品牌設計;在這裡我們講的分頻器設置,是基於被動式分頻設計

裡,可以作為參考用作主動式電子分頻的設置。

A、分頻器階數的選擇

不同階數的分頻網路,有不同的特點。一階的Butterworth分頻器是完全符合最小相位的標準的,它在所有的頻帶上產生零相位響應,同時具有平坦的振幅回應,這對喇叭本身的要求較高,在汽車音響裡較少應

用。二階的分頻網路是目前業界應用最廣泛的分頻網路,但由於要保證良好的相位,頻響以及群延遲回應,正接的極性相位為180度反相,所以在分頻設計中一般反接高音,這樣可以達到理想的效果。

三階或四階的分頻網路是較高衰減斜率的分頻網路,它們的衰減量比較大,在被動式的分頻網路裡,通常應用較少。

只有在三分頻的被動式分頻器中,作為中高音部分的分頻網路,有些品牌應用這樣的高階。相應地,在主動式電子分頻的階數選擇裡,通常高音,中音和中低音的分頒銜接點,選擇高階的分頻網路,許多人推薦選擇用四階,是因為四階網路沒有相位差,有更好的相位回應。

B、分頻點的選擇

兩路兩分頻系統的中低音/高音的分頻點的選擇,除了要遵循關於中低音,高音的特性選擇外,一般地,在汽車音響中由於兩分頻系統的單元距離較遠,分頻點宜低不宜高,這可以儘量避免中低音的指向性,並且避免中低音喇叭在高頻的分割振動而產生的失真,適合的分頻點一般在2K-4KHz。具體的分頻點還要與單元本身的特性來考慮,如它的離軸回應(指向性),諧振頻率點等。

三路三分頻揚聲器系統中要設置中低與中音的分頻點,高音與中音的分頻點。由於三分頻喇叭的重疊頻率多,可以選擇各種不同的分頻點的設計,因此在汽車音響的三分頻網路設計裡,有著各種不同的流派:有的追求音像的精准定位,有的追求聲音的真實聽感,有的兩者兼顧。通常的選擇原則是:中音喇叭與中低頻喇叭的分頻點在保證良好音質時,分頻點儘量低,使更多的聲音從中頻喇叭發出。通常錐盆中音的選擇可以為250Hz至400Hz,越低,使人聲的大部分基音從中音發出來。中音和高音喇叭的分頻點選擇要看改裝方式,如果兩個單元安裝在一起,分頻點的選擇可以更低一些,使聽感更細膩,解析力更高。如果中音喇叭與高音喇叭的安裝距離較遠,為保證良好的聲像定位和聽感,分頻點需要適度拉高,如到5kHzc以上,這時讓中音喇叭完成所有音樂和人聲的基頻部分,定位清斷而精准。高音此時更多的是泛音的道染。另外在汽車音響的聆聽環境中,聆聽者是典型的近場聆聽,所以在分頻器的設計中,應以偏軸15-30度的回應曲線來進行設計,這時可得到膠住的整體效果。

C、揚聲器系統的音響性中心

在分頻器的設計中,上述許多的理論分析全部是將單元的輻射特性看作完全一致的,也就是說它們在空間中完全是在相同的點,相同的時間中輻射出來的,顯然這並不符合汽車音響的揚聲器系統的工作方式。由於喇叭單元本身的特性,當喇叭單元之間的距離越遠,輻射曲線的裂瓣狀回應越嚴重。唯一的解決方法是將單元之間的距離盡可能靠近,同時高音與低音單元之間的距離不可超過分頻點的頻率的波長,這在兩分頻的汽車音響系統裡是不可能完成的改裝,這也是為什麼三分頻相對於兩分頻有越來越大的優勢。在兩分頻的揚聲器系統中,只能是使分頻點盡可能低;而在三分頻的系統中,應儘量使中音與高音單元安裝在同一水平面或平行面上,而且儘量靠近。

揚聲器系統的音響性中心,是指系統輻射中央的真正位置,對這個位置的理解,有助於使分體式揚聲器的整體回應得到最佳的效果。在汽車音響中由於空間狹小,與家用音響對比來說,中心位置較難確定。但是作為對其技術原理的理解,可以方便我們在改裝汽車音響時,注意與其原則相吻合,在汽車音響改裝基礎部分,我們會詳細介紹喇叭單元的擺位元。

4. 分頻器中的電子元件

A、電感

A、電感在揚聲器系統的分頻器中,一般使用兩種形式的電感:空芯電感和鐵芯電感。鐵芯電感是使用變壓器中的薄鐵片或其他形式的鐵氧體物質,通常只用在需要電感值較高但無法由空芯電感獲得低直流電阻的場合中使用。由於鐵芯電感具有磁飽和而在大電流的情況下造成失真,所以鐵芯電屬於一種妥協的產物。空芯電感不存在磁飽和的現象,但是由於大電感值時繞線要多,體積相對要大,成本也相對要高,但必須採用較粗的繞線,以保證不會出現電阻增加的現象。

B、電容

選擇電容的材質通常是由損失因數和價格而決定的,這也意味著中/高音域不超過20uF的電容可採用高品質的聚丙烯電容(如Macfe麥卡非電容或者是MKP電容),其它絕大部分的應用中則使用無極性的電解電容。在分頻器應用中,電容最關鍵的因素還有容差的問題,容差越小的電容,分頻器的一致性就越好。

分頻器內部元器件

C、電阻

現在許多分頻器應用的電阻多是白色水泥大功率電阻,電阻的功率越大,電阻體積越大。在高檔的分頻器中,在小功率的狀況下,也有採用金屬電阻,這對音質有一定的幫助。而金屬散熱電阻由於價格比較高,儘管音質最好,一般也只有在最頂級的揚聲器系統才可以看到。

D、分頻器中常用到的電子線路

分頻器中還有許多特殊設計的電子線路,如單元負載補償電路,單元的衰減電路,響應整形電路,它們的目標是用來修正喇叭的頻率響應特性等。這通常是作為被動分頻網路的應用,這裡就不作介紹。

5. 主動式電子分頻

低電平的分音器是由主動式的電子高通和低通濾波器所組成,裝置於主機的前級放大器部分,功率放大器的前級放大部分,或者專業的等化器和前級分頻器上。主動式電子分頻的優點在於:

三路主動式電子分頻音響系統組態圖

A、低互調失真,因為放大器操作在更狹窄的帶通頻帶上,而且低頻超載的切削也會降低。

B、提高動態範圍,一台60W和一台30W的放大器以雙功放的組合後,其所能達到最大不削波失真輸出與一台175W的功放相當,並能改善瞬態回應。

C、對低音單元而言,可得到較佳的功放/揚聲器匹配,同時也可避免分音器所引起的高音單元諧振。

D、穩定的阻抗負載可得到較佳的分頻表現。

E、與被動式分頻器相比,由於可以結合安裝的實際情況和單元的應用等,可以獲得更佳的音質。

F、單元之間的靈敏度不同的問題,以及相位、時間延遲,諧振以及不同的回應曲線容易受到控制。

其相位的相對關係是同相的或180度反相(這時只要將高音的相位反過來就可以了)。

在汽車音響裡,套裝喇叭所帶的被動式分頻器已經由品牌設計;在這裡我們講的分頻器設置,是基於被動式分頻設計

裡,可以作為參考用作主動式電子分頻的設置。

A、分頻器階數的選擇

不同階數的分頻網路,有不同的特點。一階的Butterworth分頻器是完全符合最小相位的標準的,它在所有的頻帶上產生零相位響應,同時具有平坦的振幅回應,這對喇叭本身的要求較高,在汽車音響裡較少應

用。二階的分頻網路是目前業界應用最廣泛的分頻網路,但由於要保證良好的相位,頻響以及群延遲回應,正接的極性相位為180度反相,所以在分頻設計中一般反接高音,這樣可以達到理想的效果。

三階或四階的分頻網路是較高衰減斜率的分頻網路,它們的衰減量比較大,在被動式的分頻網路裡,通常應用較少。

只有在三分頻的被動式分頻器中,作為中高音部分的分頻網路,有些品牌應用這樣的高階。相應地,在主動式電子分頻的階數選擇裡,通常高音,中音和中低音的分頒銜接點,選擇高階的分頻網路,許多人推薦選擇用四階,是因為四階網路沒有相位差,有更好的相位回應。

B、分頻點的選擇

兩路兩分頻系統的中低音/高音的分頻點的選擇,除了要遵循關於中低音,高音的特性選擇外,一般地,在汽車音響中由於兩分頻系統的單元距離較遠,分頻點宜低不宜高,這可以儘量避免中低音的指向性,並且避免中低音喇叭在高頻的分割振動而產生的失真,適合的分頻點一般在2K-4KHz。具體的分頻點還要與單元本身的特性來考慮,如它的離軸回應(指向性),諧振頻率點等。

三路三分頻揚聲器系統中要設置中低與中音的分頻點,高音與中音的分頻點。由於三分頻喇叭的重疊頻率多,可以選擇各種不同的分頻點的設計,因此在汽車音響的三分頻網路設計裡,有著各種不同的流派:有的追求音像的精准定位,有的追求聲音的真實聽感,有的兩者兼顧。通常的選擇原則是:中音喇叭與中低頻喇叭的分頻點在保證良好音質時,分頻點儘量低,使更多的聲音從中頻喇叭發出。通常錐盆中音的選擇可以為250Hz至400Hz,越低,使人聲的大部分基音從中音發出來。中音和高音喇叭的分頻點選擇要看改裝方式,如果兩個單元安裝在一起,分頻點的選擇可以更低一些,使聽感更細膩,解析力更高。如果中音喇叭與高音喇叭的安裝距離較遠,為保證良好的聲像定位和聽感,分頻點需要適度拉高,如到5kHzc以上,這時讓中音喇叭完成所有音樂和人聲的基頻部分,定位清斷而精准。高音此時更多的是泛音的道染。另外在汽車音響的聆聽環境中,聆聽者是典型的近場聆聽,所以在分頻器的設計中,應以偏軸15-30度的回應曲線來進行設計,這時可得到膠住的整體效果。

C、揚聲器系統的音響性中心

在分頻器的設計中,上述許多的理論分析全部是將單元的輻射特性看作完全一致的,也就是說它們在空間中完全是在相同的點,相同的時間中輻射出來的,顯然這並不符合汽車音響的揚聲器系統的工作方式。由於喇叭單元本身的特性,當喇叭單元之間的距離越遠,輻射曲線的裂瓣狀回應越嚴重。唯一的解決方法是將單元之間的距離盡可能靠近,同時高音與低音單元之間的距離不可超過分頻點的頻率的波長,這在兩分頻的汽車音響系統裡是不可能完成的改裝,這也是為什麼三分頻相對於兩分頻有越來越大的優勢。在兩分頻的揚聲器系統中,只能是使分頻點盡可能低;而在三分頻的系統中,應儘量使中音與高音單元安裝在同一水平面或平行面上,而且儘量靠近。

揚聲器系統的音響性中心,是指系統輻射中央的真正位置,對這個位置的理解,有助於使分體式揚聲器的整體回應得到最佳的效果。在汽車音響中由於空間狹小,與家用音響對比來說,中心位置較難確定。但是作為對其技術原理的理解,可以方便我們在改裝汽車音響時,注意與其原則相吻合,在汽車音響改裝基礎部分,我們會詳細介紹喇叭單元的擺位元。

4. 分頻器中的電子元件

A、電感

A、電感在揚聲器系統的分頻器中,一般使用兩種形式的電感:空芯電感和鐵芯電感。鐵芯電感是使用變壓器中的薄鐵片或其他形式的鐵氧體物質,通常只用在需要電感值較高但無法由空芯電感獲得低直流電阻的場合中使用。由於鐵芯電感具有磁飽和而在大電流的情況下造成失真,所以鐵芯電屬於一種妥協的產物。空芯電感不存在磁飽和的現象,但是由於大電感值時繞線要多,體積相對要大,成本也相對要高,但必須採用較粗的繞線,以保證不會出現電阻增加的現象。

B、電容

選擇電容的材質通常是由損失因數和價格而決定的,這也意味著中/高音域不超過20uF的電容可採用高品質的聚丙烯電容(如Macfe麥卡非電容或者是MKP電容),其它絕大部分的應用中則使用無極性的電解電容。在分頻器應用中,電容最關鍵的因素還有容差的問題,容差越小的電容,分頻器的一致性就越好。

分頻器內部元器件

C、電阻

現在許多分頻器應用的電阻多是白色水泥大功率電阻,電阻的功率越大,電阻體積越大。在高檔的分頻器中,在小功率的狀況下,也有採用金屬電阻,這對音質有一定的幫助。而金屬散熱電阻由於價格比較高,儘管音質最好,一般也只有在最頂級的揚聲器系統才可以看到。

D、分頻器中常用到的電子線路

分頻器中還有許多特殊設計的電子線路,如單元負載補償電路,單元的衰減電路,響應整形電路,它們的目標是用來修正喇叭的頻率響應特性等。這通常是作為被動分頻網路的應用,這裡就不作介紹。

5. 主動式電子分頻

低電平的分音器是由主動式的電子高通和低通濾波器所組成,裝置於主機的前級放大器部分,功率放大器的前級放大部分,或者專業的等化器和前級分頻器上。主動式電子分頻的優點在於:

三路主動式電子分頻音響系統組態圖

A、低互調失真,因為放大器操作在更狹窄的帶通頻帶上,而且低頻超載的切削也會降低。

B、提高動態範圍,一台60W和一台30W的放大器以雙功放的組合後,其所能達到最大不削波失真輸出與一台175W的功放相當,並能改善瞬態回應。

C、對低音單元而言,可得到較佳的功放/揚聲器匹配,同時也可避免分音器所引起的高音單元諧振。

D、穩定的阻抗負載可得到較佳的分頻表現。

E、與被動式分頻器相比,由於可以結合安裝的實際情況和單元的應用等,可以獲得更佳的音質。

F、單元之間的靈敏度不同的問題,以及相位、時間延遲,諧振以及不同的回應曲線容易受到控制。

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