Рис.1. Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики фильтров.
a) фильтр нижних частот;
b) фильтр верхних частот;
c) полосно-пропускающий фильтр;
d) полосно-задерживающий фильтр.

Наряду с АЧХ фильтра значительный интерес представляет его ФАЗО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (ФЧХ), т.е. сдвиг фазы выходного сигнала по отношению к входному в зависимости от частоты. Фаза важна потому, что сигнал, прошедший через фильтр без изменения амплитуды в полосе пропускания может быть искажен по форме, если временное запаздывание при прохождении через фильтр не будет постоянным для различных частот. Постоянное время задержки (для всех частот) соответствует линейному изменению сдвига фазы в зависимости от частоты, поэтому фильтр с линейной фазой обеспечивает неискаженную передачу формы сигнала. ФЧХ различных фильтров также показаны на рис.1.

Следует также отметить ПЕРЕХОДНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ фильтра, которая определяет способность фильтра пропускать импульсные сигналы без искажений. Переходные характеристики некоторых типов фильтров показаны на рис.2.

Рис.2. Переходные характеристики фильтров.
1. Входное воздействие.
2. Фильтр Бесселя.
3. Фильтр Баттерворта.

Существуют схемы фильтров, пригодные для оптимизации любой из этих характеристик или их комбинаций. Для построения разделительных фильтров в кроссоверах обычно применяются два типа фильтров: фильтр БАТТЕРВОРТА (наиболее плоская АЧХ в полосе пропускания) и фильтр БЕССЕЛЯ (лучшая линейность фазы и наибольшее постоянство временного запаздывания). Любой из этих типов фильтров может быть реализован с помощью различных схем. Сравнительные характеристики фильтров Баттерворта и Бесселя показаны на рис.3.

Рис.3. Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики фильтров.
1. Фильтр Баттерворта.
2. Фильтр Бесселя.

Очень важным параметром является ПОРЯДОК ФИЛЬТРА, которым определяется скорость спада АЧХ при переходе от полосы пропускания к полосе подавления. Окончательный наклон характеристики - скорость спада уже в полосе подавления - всегда будет N x 6 dB/октава, где N - порядок фильтра. Так фильтр первого порядка имеет наклон АЧХ 6 dB/октава, второго порядка - 12 dB/октава, третьего порядка - 18 dB/октава и т.д. Чем выше порядок фильтра, тем точнее формируется его полоса пропускания и, следовательно, тем меньшее количество нежелательных составляющих входного сигнала поступает на его выход, как показано на рис.4.

Рис.4. Амплитудно-частотные характеристики фильтров.
1. Фильтр 1-го порядка.
2. Фильтр 2-го порядка.
3. Фильтр 4-го порядка.
4. Фильтр 8-го порядка.

УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ ЗВУКА

КРОССОВЕР - СИСТЕМА АКТИВНЫХ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ

Способы построения разделительных фильтров

Разделительные фильтры в кроссоверах могут быть построены различными способами. Один из них - это разделительный фильтр, у которого частота раздела формируется двумя классическими фильтрами: НЧ фильтром и ВЧ фильтром, как показано на рис.5.

Рис.5. Разделительный фильтр на двух классических фильтрах.
1. Вход.
2. Фильтр НЧ.
3. Фильтр ВЧ.
4. Выход НЧ полосы.
5. Выход ВЧ полосы.

Основным и, пожалуй, единственным достоинством этого способа является возможность раздельной и независимой регулировки частот среза у обоих фильтров, что в некоторых случаях позволяет скомпенсировать суммарную неравномерность АЧХ выбранных акустических систем вблизи частоты раздела и добиться линейности АЧХ всей системы. Однако при этом появляется значительная нелинейность суммарной фазо-частотной характеристики, что может привести к значительному ухудшению качества звучания. К недостаткам этого способа можно также отнести необходимость получения точного взаимного совпадения всех характеристик НЧ и ВЧ фильтров в процессе изготовления, т.е. требуется применение высокоточных прецизионных элементов в частотозадающих цепях фильтров (причем двойного количества), а также их точная настройка, так как даже при незначительном несовпадении частот среза фильтров в суммарных АЧХ и ФЧХ могут появиться существенные провалы или выбросы.

В значительной степени свободен от перечисленных выше недостатков способ построения разделительных фильтров с применением так называемых КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ фильтров.

Например, на рис.6 показана структура комплементарного фильтра, реализованного на классическом НЧ фильтре с последующим вычитанием отфильтрованного сигнала из исходного.

Рис.6. Разделительный комплементарный фильтр.
1. Вход.
2. Классический фильтр НЧ.
3. Сумматор.
4 и 6. Выход НЧ и его АЧХ.
5 и 7. Выход ВЧ и его АЧХ.

Несомненными достоинствами такого разделительного фильтра являются равенство частот среза у НЧ и ВЧ звеньев, простота реализации, небольшое количество частотозадающих элементов. Но вместе с этим, у этого фильтра есть существенный недостаток, проявляющийся в неидентичности характеристик НЧ и ВЧ звеньев, в частности спад АЧХ НЧ и ВЧ звеньев имеет разный наклон (для фильтра второго порядка 12 dB/октава и 6 dB/октава соответственно). Вместе с этим, на суммарной АЧХ МОЩНОСТИ может появиться значительный выброс вблизи частоты раздела, зависящий от выбранного типа фильтра.

Наилучшие характеристики имеет разделительный фильтр на интеграторах, который из-за особенностей своего построения также является комплементарным фильтром и поэтому обладает всеми его достоинствами. Кроме этого, такой фильтр характеризуется высокой устойчивостью, низкой чувствительностью параметров фильтра к точности элементов, очень высокой идентичностью характеристик НЧ и ВЧ звеньев и, наконец, простотой настройки фильтра и перестройки его частоты среза. Структура разделительного фильтра на интеграторах и некоторые его характеристики приведены на рис.7.

Рис.7. Разделительный комплементарный фильтр на интеграторах.
1. Вход.
2. Сумматор.
3 и 4. Интеграторы.
5 и 6. Цепи обратной связи.
7 и 9. Выход НЧ и его АЧХ.
8 и 10. Выход ВЧ и его АЧХ.

Выбор количества частотных полос и частот раздела

Существенное влияние на качество и стоимость всей звуковоспроизводящей системы оказывает правильный выбор количества частотных полос и оптимальных частот раздела между этими полосами.

Рис.8. Зависимость качества (Q) и стоимости (P) звуковоспроизводящей системы от количества частотных полос.

Наиболее часто используются 2-х, 3-х и 4-х полосные системы. 2-х полосные системы характеризуются сравнительно невысокими качественными показателями, несмотря на то, что для получения приемлемой неравномерности суммарной АЧХ всей системы требуются высококачественные, а следовательно и дорогие широкополосные громкоговорители. При выборе частоты раздела в двухполосной системе нужно учитывать следующее: выбор частоты раздела до 500 Гц снижает требования к низкочастотному звену, а высокочастотное звено должно одинаково хорошо воспроизводить как среднечастотные, так и высокочастотные составляющие, но при этом возникают проблемы с диаграммой направленности на высоких частотах. Выбор частоты раздела выше 500 Гц требует высококачественных низкочастотных громкоговорителей, имеющих низкий уровень интермодуляционных и переходных искажений, к которым чувствительность слухового восприятия резко увеличивается в области средних частот. Кроме этого, при выборе частоты раздела в диапазоне 500 - 5000 Гц, возникающие в разделительных фильтрах фазовые искажения становятся особенно заметными и требуют принятия специальных мер по их минимизации (следует заметить, что проблема уменьшения фазовых искажений возникает в любых многополосных системах независимо от количества полос). Выбор частоты раздела выше 5000 Гц в двухполосной системе настолько повышает требования к низкочастотному звену, что стоимость такой системы может быть сопоставима со стоимостью трехполосных систем, при этом качество последних будет значительно выше.

В трехполосных системах требования к громкоговорителям несколько снижаются и, тем не менее, общее качество системы повышается. Это связано с меньшей неравномерностью суммарной АЧХ, меньшим уровнем интермодуляционных и переходных искажений, что обусловлено работой громкоговорителей в более узких диапазонах частот и, соответствено, в облегченных режимах. Учитывая общие для любых многополосных систем соображения, приведенные выше, частоты раздела в трехполосных системах выбираются в диапазоне 200 - 800 Гц для первой частоты раздела и в диапазоне 1500 - 6000 Гц для второй частоты раздела.

В четырехполосных системах используются сравнительно узкополосные громкоговорители, обладающие повышенной отдачей, меньшим уровнем искажений, малой неравномерностью АЧХ, что позволяет получать очень высокое качество звуковоспроизведения. Частоты раздела в четырехполосных системах выбираются в диапазоне 80 - 400 Гц для первой частоты раздела, в диапазоне 800 - 2000 Гц для второй частоты раздела и в диапазоне 4000 - 8000 Гц для третьей частоты раздела. Учитывая близкое расположение частот раздела друг к другу, в четырехполосных системах следует применять разделительные фильтры более высоких порядков, чем для двухполосных и трехполосных систем, что позволяет уменьшить взаимное проникновение сигналов соседних частотных полос. В результате уменьшаются интермодуляционные искажения, повышается прозрачность и отчетливость звучания. Но вместе с этим, в фильтрах более высоких порядков возрастают фазовые сдвиги на частотах раздела между соседними частотными полосами. Поэтому нужно уделять особое внимание выравниванию фазовых характеристик с помощью специальных компенсирующих звеньев, включаемых в структуру разделительного фильтра.

Поскольку разделительные фильтры разделяют входное напряжение исходного сигнала на несколько полос с различными рабочими частотами, то совершенно очевидно, что определенным образом будет распределяться мощность исходного сигнала. В табл.1 приведено выраженное в процентах распределение мощности исходного сигнала в зависимости от частоты разделения для двухполосной системы.

Частота раздела, Гц	Мощность сигнала в ВЧ полосе, %
31	99
63	91
125	78
250	61
500	44
501	22
502	12
503	3,9
504	0,71
16000	0,095

Таблица 1

Используя эту таблицу, можно ориентировочно определить требуемые мощности оконечных усилителей и акустических систем для каждой полосы многополосной системы. Пусть, например, первая частота раздела 500 Гц. Тогда на низкочастотную полосу приходится 56% общей мощности, а на средне-высокочастотную - 44%. Если вторая частота раздела равна 4000 Гц, то мощность, приходящуюся на среднечастотную полосу необходимо уменьшить на 3,9% - эта часть мощности придется на высокочастотную полосу.