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分频器

模拟分频器是音箱内的一种电路装置,用以将输入的模拟音频信号分离成高音、中音、低音等不同部分,然后分别送入相应的高、中、低音喇叭单元中重放。之所以这样做,是因为任何单一的喇叭都不可能完美的将声音的各个频段完整的重放出来。

分频器是指将不同频段的声音信号区分开来,分别给于放大,然后送到相应频段的扬声器中再进行重放。在高质量声音重放时,需要进行电子分频处理。

分频器是音箱中的“大脑”,对音质的好坏至关重要。功放输出的音乐讯号必须经过分频器中的过滤波元件处理,让各单元特定频率的讯号通过。要科学、合理、严谨地设计好音箱之分频器,才能有效地修饰喇叭单元的不同特性,优化组合,使得各单元扬长避短,淋漓尽致地发挥出各自应有的潜能,使各频段的频响变得平滑、声像相位准确,才能使高、中、低音播放出来的音乐层次分明、合拍、明朗、舒适、宽广、自然的音质效果。

从电路结构来看,分频器本质上是由电容器电感线圈构成的LC滤波网络,高音通道是高通滤波器,它只让高频信号通过而阻止低频信号;低音通道正好相反,它只让低音通过而阻止高频信号;中音通道则是一个带通滤波器,除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过,高频成份和低频成份都将被阻止。在实际的分频器中,有时为了平衡高、低音单元之间的灵敏度差异,还要加入衰减电阻;另外,有些分频器中还加入了由电阻、电容构成的阻抗补偿网络,其目的是使音箱的阻抗曲线心理平坦一些,以便于功放驱动。

位于功率放大器之后,设置在音箱内,通过LC滤波网络,将功率放大器输出的功率音频信号分为低音,中音和高音,分别送至各自扬声器。连接简单,使用方便,但消耗功率,出现音频谷点,产生交叉失真,它的参数与扬声器阻抗有的直接关系,而扬声器的阻抗又是频率的函数,与标称值偏离较大,因此误差也较大,不利于调整。

将音频弱信号进行分频的设备,位于功率放大器前,分频后再用各自独立的功率放大器,把每一个音频频段信号给予放大,然后分别送到相应的扬声器单元。因电流较小故可用较小功率的电子有源滤波器实现,调整较容易,减少功率损耗,及扬声器单元之间的干扰。使得信号损失小,音质好。但此方式每路要用独立的功率放大器,成本高,电路结构复杂,运用于专业扩声系统。

被动式分频网路(Crossover Network),国内习惯称为“分音器”,其设计受到相当多的变数与考量因素所影响,因而是一项很复杂的工作。

被动式分音器“功能、用途”是介于扩大器与喇叭之间,由于单一喇叭无法达到“全频段响应”(全频段即是20HZ-20KHZ,为人耳听觉范围),因而利用喇叭单体尺寸不同的物理频宽响应,来达到要求的“全频段响应”之目的,也因此产生了多种尺寸单体运用在同一声道上的方式。被动式分音器功能就是负责将扩大器全频段输出后,分割成不同频段的声音,分别送到不同尺寸喇叭单体上,表现其应有的特质。由此出现的多音路喇叭组合或称为“分音喇叭”,从一音路喇叭到多音路喇叭均有其用途与多重之选择。

被动分音器的元件组成:L/C/R,即L电感、C电容、R电阻,依照各元件对频率分割的特性灵活运用在分频网路上。

L电感:其特性是阻挡较高频率,只让较低的频率通过,也就称为“低通滤波器(Low Pass Filter)”。通过较低频率的多少是由该“L电感”之电感量来决定,其感抗单位为“μH、mH”代表。电感材质常见有:空心电感、铁淦氧电感、矽钢片电感等。铁淦氧电感、矽钢片电感通常只在需要高电感值而无法由空心电感来获得低直流电阻的场合下才使用,由于铁心电感具有磁饱和而在大电流的场合造成失真的天性,所以铁心电感是一种妥协下的产物。

C电容:其特性与电感刚好相反,也就是阻挡低频率通过,让较高的频率通过,称为“高通滤波器(High Pass Filter)”。高频率通过多少由C电容的电容量决定。其单位为“μF”。电容材质种类繁多,但用于被动式分音器中则使用无极性电容。电容在被动式分音器中用于中音域及高音域材质上的考量必须慎重,因为与音质有绝对的相关性,选择电容的材质通常由喇叭单体特性和电容损失因素、相位损失以及价格而决定。

中高音域不超过30μF的电容可采较佳的材质。

R电阻:并无切割频率的特性,而应用在被动式分音器中是与电感、电容混和搭配,针对特定的频率点和频带来做修正、等化曲线、灵敏度增减的用途。

喇叭分音器可分为串联式分音器、并联式分音器两种。并联式分音器以绝对多数成为喇叭分音器最佳的选择,其优点在于多音路系统中都可视为独立的个体,而且任何一个元件的改变都可能影响到高通或低通的特性。

被动式分音器常用的斜率可分为4种:一阶斜率6dB、二阶斜率12dB、三阶斜率18dB、四阶斜率24dB。

又称为主动式电子分音器。因为车内空间形体、喇叭安装指向,在实务运用上有其无法变更的因素存在,所以由电子分音器灵活的特性可在各类段上之分频点、相位、Q值变动几时到最理想的频段调整,来克服各种车内变数,以达到车内最佳聆听环境之目的。

电子分音器是由低通、带通、高通滤波器所组成。

主动式电子分音器装置于车用主机与扩大器之间,电子分音器可由二音路到多音路型态,但是所分出来的每一音路讯号都不得必须经过一个扩大器,如果音路分得越多,扩大器也就相等增加。

优点

1、提高动态范围

2、改善暂态表现能力

3、对超低音喇叭得到较佳与扩大器相容性和十足功率

4、喇叭单体间灵敏度不同的问题容易受到控制

5、扩大器工作在固定的频带上过截失真可降低许多

6、阻抗变化较低,可得到较佳的分类表现

正弦分频器有两种实现方法:利用频率占据现象实现分频的占据分频器和利用正反馈原理实现分频的再生分频器。

占据分频

也称为牵引分频或同步分频。一个振荡频率为fosc的正弦振荡器,在外加频|<△fP率为fi的电动势作用下,若|fifosc|<△fP,振荡器的振荡频率能被牵引到fi上,使fosc=fi,这种现象称为频率占据。△fp称为占据频带。若fi靠近振荡频率fosc的N次谐波频率,且它们的差值 |fiNfosc|处在占据频带内,则振荡器的振荡频率就被牵引到fi/N上,产生出所需的分频电压。当外加电压振幅一定时,占据频带的大小与分频次数N有关。N越大,占据频带越小,即牵引越困难。因此,占据分频器只能实现低次(N=2~3)分频。

再生分频

图中所示的为反馈系统实现分频的电路。若环路设计合理,则能维持图中各点的频率关系。环路的输出信号频率f0为输入信号频率fi的N次分频值,即f0=fi/N。采用不同倍频次数的倍频器,就可实现不同次数的分频。

利用汉稳态电路的计数功能实现分频的电路,又称为数字分频器。在这种分频器中,输入信号脉冲为计数器的计数信号。若计数器的计数模为N,则从其进位输出端可获得N次分频的脉冲信号。从各触发器输出端可获得分频比小于或等于N的脉冲信号。

改变计数器的计数模(即分频比),在中规模集成计数器中,可通过不同反馈网络反馈到清零端或置数端等方法实现;在移位寄存器中,可通过反馈到串行输入端的方法实现。

用单稳态触发器也可实现分频。例如,在时刻集成单稳态触发器被输入脉冲的下降沿触发而产生宽度为tw的脉冲。若tw在范围内(N-1)Ti ~(NTi-tR)范围内(tR是单稳态触发器的恢复时间),则输出分频比为N的脉冲信号。与此相类似,用输入脉冲控制多谐振荡器,使它的状态翻转时刻与经过若干个周期的输入脉冲相同步,就能输出整数分频比的脉冲信号。此类分频器可以在不改变电路结构的情况下借助定时元件参数的调整来改变分频比,因而又称为任意分频器。

在集成分频器中有程序分频器和分数分频器。前者的分频比可通过预置码进行程控:后者的每N个输入脉冲中只有M个脉冲能输出,因而实现分频比为f0/fi=M/N的分数分频(M,N均为正整数),但输出脉冲往往不是等间隔的。

此外,在通用或专用的数字信号处理器中用软件也可实现分频。

一般车用分频器上面有8个端子。

分频器标注的输入英文是“INPUT”

低音炮的端子是“WOOFER"

接低音的端子是“BASS”

接中音的端子是“MEDIAN”

接高音的端子是“TREBLE"

其中INPUT 两个端子、WOOFER两个端子、TREBLE有四个端子,一个是负极,三个是高音的增益提升及衰减接头,分别为+3db,0db,-3db。

接法是:

主机进来的输入信号接 INPUT

低音炮接 WOOFER

低音接 BASS

高音接 TREBLE

正极 看个人试听的感觉,接+3db,0db,-3db。

高保真的音箱多数都是由两只或两只以上的扬声器单元构成,要高质量的还原20Hz~20kHz全频段的音频信号,必须借助优质分频器的协助.由于各自音箱的扬声器单元不同,分频器也就不能简单的代用,必须按照具体扬声器单元的特性进行制作.总结出一套较为完善的设计、制作、调试方法,只要求制作者备有一张内含20Hz~20kHz纯音频测试信号的《雨果金碟》、一个话筒信号放大电路、一只话筒和一块数字万用表,而不需要专门的测试仪器.

业余制作音箱,建议选择两分频的方式。

一、分频点频率f的选择

两分频音箱的分频点,可以在2~5kHz之间进行优化选择。一般把分频点频率f选在低音单元自上限起一个倍频程以下,高音单元自下限起一个倍频程以上的范围内。

二、分频器与功率的分配

构成音箱的高、低音单元,各自的标称功率是不一样的,而在实际节目信号的功率谱中,高频、低频信号的比例也是不一样的,因此将各种信号统计平均后,就得到了图1所示的模拟信号功率谱.将图1的功率谱进行计算,就得到了图2所示的功率分配曲线.在选择分频点时,一定要考虑功率的分配问题,使高音单元留有一定的余量。图2表示20Hz~20kHz的总功率规一化为100-,把20Hz至某频率f所占功率为总功率的百分数,应用举例如下。

如分频点为2?5kHz的二分频系统,由图2的横座标2?5kHz到曲线相交,从纵座标读出百分数,则20Hz~2.5kHz的功率比例为87-,2?5kHz~20kHz的功率比例为13-。当总功率为100W时,则低音功率W低=100×87-=87W,高音功率W高=100×13-=13W。

使用上面的功率分配关系时,还请注意扬声器单元的功率标准。一般产品标注是额定最大正弦功率(RMS),而有的制造厂为了商业目的,,标注峰值功率或称为音乐功率,但数值一般却是RMS功率的2~4倍。

三、分频方式的选择

分频方式虽然有6dB/oct型、18dB/oct型、3dB降落点交叉型及12dB/oct型、6dB降落点交叉型等数种,但综合考虑它们的优缺点,建议使用12dB/oct型。

四、分频网络

设计分频网络时,如把负载单元加入RC阻抗补偿电路,作为恒阻抗进行设计,这样当然是最好,但笔者查阅大量书刊资料后,发现RC阻抗补偿电路的计算方法有多种,而得出的RC值也不相同,让人不易选择,只好按频点电阻法来进行设计。

首先,用图3所示电路连接,测出高、低音单元在分频点处的阻值(注意不要用单元标称阻抗代替,否则误差会很大,然后进行右上表中的计算和按图将LC元件连接,即告初步制作完成。高、低音单元的灵敏度不平衡,可用电阻衰减调节(1997年《电子报》第15期有专门文章介绍),制作时建议使用优质聚丙烯电容,优化设计空芯电感,将元件用热熔胶固定在印制板上,电感可用棉线或塑料扎扣带加强固定,用搭棚焊的方法连接,做成高、低音通道各自独立的分线分音方式。

五、调试方法

根据声压级平方反比定律,点声源在自由空间中,距离增加一倍,声压级衰减6dB.利用这一定律,就可以进行下面的实际操作.

把音箱体和扬声器单元装好,不接分频器,用《雨果金碟》测试信号,按正常的放音方式,用固定音量2~3W,重复播放分频点处频率f,用图4自制的简易声压测试仪,在2m处测试声压,调节话筒音量电位器使数字万用表读数,为一容易记忆的整数,记下备用.然后,接入分频器低通网络,将声压计放在1m处,测试读数与上次应相同,否则,按读数大(小)增大(减小)电容量,直到读数相同(这时分频点频率f衰减6dB).然后,将信号重新直接输入低音单元,将测试信号调节成高于分频点频率f的倍频程信号,用声压计在4m处测试声压,记下读数备用.最后,接入分频器低通网络,将声压计放在1m处,读数与上次相同,否则,稍加微调(这时倍频程频率f衰减12dB),这样,低音网络就调试完毕.高音网络重复以上操作步骤,调节电感,注意第二步输入低于分频点频率f的倍频程信号.这样,一套高质量的分频器就制作和调试完成.

一般来说,分频器包括三个基本参数。

第一个,就是分频器的分频点,这个应该不用多说。

第二个,就是所谓分频器的“路”,也就是分频器可以将输入的原始信号分成几个不同频段的信号,我们通常说的二分频、三分频,就是分频器的“路”。

第三个,就是分频器的“阶”,也称“类”。

一个无源分频器,本质上就是几个高通和低通滤波电路的复合体,而这些滤波电路的数量,就是上面所说的“路”。但是在每一个滤波电路中,还有更精细的设计,换句话说,在每一个滤波电路中,都可以分别经过多次滤波,这个滤波的次数,就是分频器的“阶”。

一阶分频器也是感容分频的结构,而二阶分频器中的每一路都经过了两次滤波,这个“两次滤波”才是“二阶”的真正含义!

实际上,“二阶分频器”这样的说法也并不规范,因为“阶”并非是针对整个分频器的,而是针对其中的某一“路”的,所以严格的说法应该是“双路分频器,高低频皆采用二阶滤波”,因为虽然并不多见,但高频采用二阶滤波而低频采用一阶滤波这样的设计也是有的。

除了一阶分频和二阶分频外,无源分频器还有三阶、四阶乃至六阶分频。采用高阶分频的好处在于其滤波衰减斜率更大,分频效果更好,而且也有利于设计分频补偿电路(因为并不是“分”得越彻底越干净的分频器就是好分频器,理论上说,分频后的两个信号曲线在叠加之后,与原曲线完全一致,这才是真正的好分频器),但高阶分频的功率损失大,特别是相位影响大,设计不好声音就会乱了套。所以不是越高阶的分频就越好。

市场上的2.0多媒体音箱,使用电容或阻容分频的居多,使用分频器的极少,而使用二阶分频的更少。如冲击波SB-2000使用的是一阶分频器,而使用二阶分频的,则只有惠威T200A、M200,漫步者S2000、1900TIII等寥寥而已。(注:还有不少高档音箱采用的是二阶分频)。

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