Как спроектировать и собрать кроссовер для динамиков – руководство по сборке со схемами!

Добро пожаловать! В этом большом практическом руководстве я покажу вам, как спроектировать и создать собственный динамик <б> кроссовер для домашнего или автомобильного аудио.

Я создал множество собственных проектов — от простых до более сложных, поэтому я хотел бы поделиться тем, чему научился в процессе работы. Я собираюсь рассказать совсем немного, так что давайте углубляться!

О чем рассказывается в этом практическом руководстве

Существует так много различных типов и вариаций пассивного кроссовера, что мне нецелесообразно описывать их все. Чтобы все было под контролем и помочь как можно большему количеству людей (таких как вы!), я расскажу, что вам нужно знать для создания одного из нескольких вариантов, которые будут работать для более чем 95% потребностей акустической системы.

Чем эта статья поможет вам

В моей статье будут представлены ноу-хау, схемы, информация и шаги по созданию самодельного (DIY) динамик <б> кроссовер для получения желаемого звука основанный на моем собственном реальном опыте. Вполне возможно создать что-то, что вам понравится и чем вы будете гордиться, без огромных головных болей или разорения!

В этом практическом руководстве я расскажу:

• 1-полосный (высокочастотный или низкочастотный), двухполосный и трехполосный кроссоверы.
• Хорошие перекрестные конструкции первого и второго порядка.
• Как определить нужные значения частоты среза (частоты кроссовера).
• Схемы, которые помогут вам в создании собственных, которые вы можете скачать или распечатать, если хотите.
• Что вам нужно знать об импедансе динамика (Омах динамика) и почему это важно.
• Выбор правильных деталей для покупки и практичный подход к стоимости деталей.
• Что делать, если вы не можете найти правильные значения деталей.
• Проводка кроссоверной сети и сборка всего (без необходимости сборки специальной печатной платы).
• Что еще нужно сделать, чтобы получить дополнительные возможности и повысить производительность.

(Вы можете пропустить некоторые разделы, если вы не знакомы с некоторыми идеями здесь.)

Примечание. Поскольку это не претендует на то, чтобы стать более сложной статьей, я не буду затрагивать некоторые технические аспекты, такие как импеданс звуковой катушки, фазовая характеристика, внеосевая характеристика звуковой волны, фазовый сдвиг или варианты конструкции 4-го порядка.

Как работает пассивный кроссовер? (Краткое руководство для начинающих)

Пассивный кроссоверный фильтр отличается от активного кроссовера (используемого в электронных аудиосистемах, усилителях и предусилителях и т. д.) тем, что в нем используются неактивные пассивные компоненты для фильтрации частоты. диапазоне до того, как он достигнет динамика или динамиков. С практической точки зрения, они эффективно «блокируют» нежелательные звуковые частоты от попадания в драйвер динамика, значительно уменьшая или ослабляя входной сигнал от стереосистемы или усилителя.

Это возможно благодаря свойству конденсаторов и катушек индуктивности, называемому реактивным сопротивлением. Реактивное сопротивление является сопротивлением протеканию электрического тока и изменяется в зависимости от частоты звукового сигнала. Это создает импеданс сигнала, который определяет, какой уровень сигнала (напряжение уровня динамика) присутствует на клеммах динамика.

Роль конденсаторов и катушек индуктивности в кроссовер сеть дизайн

• А конденсатор увеличивает свое сопротивление потоку тока на частотах ниже кроссовер точка . Это означает, что он действует как фильтр верхних частот при последовательном подключении к нагрузке динамика (нагрузка в омах).
• Ан индуктор увеличивает свое сопротивление потоку электричества больше на более высоких частотах выше кроссовер точка <б>. Это означает, что он действует как фильтр нижних частот при последовательном подключении к динамику.

На практике они используются чрезвычайно важно для домашнего аудио или автомобильных акустических систем:

• Мы можем использовать конденсатор нужного номинала (в единицах, называемых фарадами), чтобы предотвратить попадание низкочастотного звука на твитер, что может привести к искажению или даже повреждению!
• Мы можем использовать катушку индуктивности нужного номинала (в единицах, называемых генри), чтобы предотвратить попадание высокочастотных музыкальных сигналов на низкочастотный динамик, который будет звучать очень плохо или резко.

Конденсаторы и катушки индуктивности можно использовать по отдельности (одноступенчатый кроссовер, также называемый 1-м порядком) или комбинировать для создания еще более эффективного фильтра с различными характеристиками. Кроссоверы 1-го порядка имеют наклон кроссовера. или крутизна/эффективность фильтрации, которая спадает со скоростью 6 дБ на октаву.

Кроссоверы второго порядка, которые имеют две секции конденсатора или катушки индуктивности, имеют выходной спад 12 дБ на октаву. 2-й заказ Дизайн является одним из наиболее часто используемых для пассивные кроссоверы поскольку они представляют собой хороший компромисс между сложностью, стоимостью, крутизной склона и качеством звука.

Мы используем децибелы (дБ) в инженерном мире, мы используем децибелы для измерения выходных уровней динамиков или значений аудиосигнала кроссовера, поскольку оба они нелинейны. Это означает, что для аудио они увеличиваются или уменьшаются в зависимости от степени 10 (они же логарифмические).

Знак "минус" впереди указывает на уменьшение, а знак "плюс" или отсутствие впереди указывает на усиление.

Пример: Кроссовер с наклоном -6 дБ на октаву будет иметь выходной сигнал, который уменьшается на 6 дБ для каждой октавы (половина или удвоение частоты:400 Гц, 800 Гц, 1600 Гц и т. д.) после частоты среза.

Что такое точка пересечения динамиков?

Точка пересечения динамиков обычно называется пересечением. <я> частота и иногда пишется как «Fc », чтобы представить «частоту среза». A динамик <б> кроссовер точка это предел частота за пределами которого звуковые частоты значительно уменьшаются от достижения динамиков, эффективно блокируя их.

С технической точки зрения, он основан на точке, в которой выходной сигнал кроссовера теряет 3 дБ. С точки зрения электроэнергии точка -3 дБ соответствует частота при котором питание динамик уменьшается на 1/2.

По мере того, как мы будем проходить дальше частоты кроссовера (точка -3 дБ), выходной сигнал будет уменьшаться еще больше, пока не станет практически нулевым. Например, для кроссовера твитера -6 дБ/октаву с частотой среза 1 кГц:

• Твитер будет иметь выходной сигнал -3 дБ на частоте 1 кГц.
• На расстоянии одной октавы (500 Гц) выходной сигнал будет -6 дБ.
• На еще более дальних частотах выходной сигнал будет почти 0 дБ.

Выбор типа кроссовера и сопутствующих деталей

Выбор типа кроссовера и наклона

Вот несколько рекомендаций по оптимальному наклону кроссовера и типам порядка кроссовера для использования в зависимости от вашей акустической системы. Обратите внимание, что они, как правило, наиболее популярны и подходят для большинства случаев.

• Для простого кроссовера твитера (высокочастотный, для высоких частот) или кроссовера низкочастотного или среднечастотного динамика (для передачи низкочастотного сигнала) тип 1-го порядка, 6 дБ/октава обычно нормально. Второй порядок, 12 дБ/октава, также не является обязательным, если вы хотите еще более четко отфильтровать нежелательные частоты.
• Для двусторонней связи динамик системы 2-й заказ Linkwitz-Riley часто является лучшим компромиссом между качеством звука и производительностью. Хотя 1-й порядок прост и его легче построить, он не идеален, если у вас нет особой причины для этого. Еще одним преимуществом является то, что при правильном использовании они обеспечивают синфазный выходной сигнал динамика (я расскажу об этом позже).
• Для 3-полосных конструкций подходит второй тип порядка, а также он позволяет избежать проблем с фазами и других сложностей, которые могут возникнуть.

Линквитц-Райли против Баттерворта и другие типы кроссовера 2-го порядка

Конструкции Linkwitz-Riley являются одними из наиболее часто используемых по ряду причин, основной из которых является плоская характеристика, когда выходы точек кроссовера низкочастотного и высокочастотного динамика перекрываются. Другие конструкции, такие как Баттерворта, Чебычева и Бесселя, не имеют такой же частотной характеристики, хотя и предлагают различное усиление, которое может быть полезно для конкретных целей проектирования.

Линквиц-Райли (слева направо) кроссовер — отличный выбор для создания стандартный динамик дизайн с наклоном -12 дБ на октаву и хорошим (ровным) выходным сигналом.

Кроссовер LR второго порядка — это всепроходная конфигурация, которая в сумме дает плоскую амплитуду…

Плоская амплитудно-частотная характеристика, низкая чувствительность к смещению и внутриполосные резонансы драйвера сделали L-R популярным выбором среди производителей. Вэнс Дикасон, The Speaker Design Cookbook (7-е изд.)

Хотя это отдельная тема, кроссовер L-R не чувствителен к резонансу динамика, что является еще одним преимуществом. Если вам интересно узнать больше, я рекомендую вам взять в руки копию Поваренной книги по дизайну громкоговорителей Вэнса Дикасона. .

Как найти значения частоты кроссовера

Хорошая новость заключается в том, что есть несколько способов определить, какую частоту кроссовера следует выбрать для разработки и создания собственного:

1. Рекомендации производителя.
2. Частотная характеристика динамика, если указана эта спецификация. (К сожалению, это не всегда доступно!)
3. Общие эмпирические правила, основанные на типе и размере ваших динамиков (высокочастотные и низкочастотные динамики, динамики с малым и большим диффузором и т. д.).

Возможно, для достижения наилучших результатов вы, скорее всего, будете использовать 2 или более из перечисленных выше вещей.

Примечание. Я также расскажу о трехполосных динамиках отдельно, так как они представляют собой особый случай. См. ниже для этого.

1. Рекомендации производителя

Если вам повезет, ваша компания-производитель динамиков может предоставить хороший частотный диапазон для использования. Для приведенного выше примера вы должны выбрать частоту кроссовера не менее 3,5 кГц, что очень часто встречается.

2. Диаграмма или характеристики частотной характеристики драйвера

Если вам посчастливилось иметь график частотной характеристики с динамиками, которые вы хотели бы использовать, вы можете увидеть области, в которых они имеют плохой выход, и использовать его в качестве руководства. . Это области, которых следует избегать.

Для этого выберите частоту кроссовера вне этого диапазона. При использовании 2-х или 3-х полосной установки в идеале это должна быть точка, в которой другой драйвер или драйверы также могут воспроизводить звук. Идея состоит в том, чтобы найти «среднюю точку», которая может воспроизводить звук до этой точки без разрыва или значительно более слабого диапазона выходного сигнала.

Из приведенного выше примера видно, что показанный твитер имеет хороший выходной сигнал до частоты ниже 2 килогерц (2 кГц). Зная, что нам нужно выбрать частоту кроссовера не менее 2 кГц или выше.

3. Размер и тип динамика

Чтобы выбрать необходимую частоту среза в зависимости от размера драйвера динамика и типа, полезны следующие практические правила:

• В твиттерах используется небольшой драйвер, который во многих случаях не справляется с низкими или средними частотами. Большинство из них могут воспроизводить звук с частотой от 3 кГц и выше, поэтому частота среза верхних частот 3 кГц или 3,5 кГц обычно является отличным выбором.
• СЧ-динамик, используемый в 2-полосной конструкции, обычно хорошо работает на частотах от 3 кГц до 3,5 кГц. [Информацию о среднечастотном динамике в 3-полосной конструкции см. в моих примечаниях ниже.]
• Низкочастотным динамикам, воспроизводящим средние или средние частоты, часто требуется низкочастотный фильтр в диапазоне от 120 до 250 Гц или около того.
• Сабвуферы плохо справляются с чем-либо, кроме очень ограниченного диапазона низких частот, поэтому 80–100 Гц часто являются лучшими. В некоторых случаях также применима частота 120 Гц.

примечания о частоте трехстороннего кроссовера

Хотя это может показаться не так, трехсторонние кроссоверы — это не просто расширение двустороннего дизайна. Идея в этом случае состоит в том, чтобы использовать конструкцию всепроходного кроссовера (APC) с большим частотным диапазоном между частотой пропускания высоких частот и частотой пропускания нижних частот.

Это связано с нежелательным взаимодействием, которое может произойти, если они находятся слишком близко друг к другу. Вы можете использовать мою таблицу ниже или это общее правило, основанное на коэффициенте среза верхних частот (Fh ) и фильтр нижних частот (Fl ):

Хороший трехсторонний кроссовер соотношение: Fh/Fl =8 или выше.

Некоторые отличные частоты для трехполосного кроссовера:

• 3 кГц/375 Гц
• 5 кГц/625 Гц
• 6 кГц/750 Гц

Чтобы использовать приведенное выше соотношение 1:8, выберите верхнюю частоту и разделите ее на 8, чтобы получить вторую. Точно так же вы можете выбрать более низкую частоту и умножить ее на 8, чтобы получить хорошую верхнюю частоту среза.

Обратите внимание, что 3-полосные конструкции имеют среднечастотный выход с более высоким или более низким уровнем дБ. В этом случае 3-полосная конструкция имеет усиление 2,45 дБ по сравнению с выходами на твитер и низкочастотный динамик, что довольно мало.

Вообще говоря, чем дальше друг от друга находятся две точки пересечения, тем лучше будет общий отклик драйверов (три октавы — хорошая отправная точка).

Точки пересечения, расположенные ближе друг к другу, чем идеальные три октавы, будут страдать от сложных нежелательных интерференционных картин. Вэнс Дикасон

Проектирование схемы кроссовера и поиск значений деталей

После того, как вы получите следующее:

• Тип кроссовера, который вам нужен.
• Частоты кроссовера.
• Ваши динамики и их импеданс (рейтинг динамиков в Омах).

… можно приступать к работе! Хорошей новостью является то, что это не будет очень сложно — вам не нужно заниматься математикой самостоятельно, если только вы этого не хотите. Вы можете использовать мой динамик <б> кроссовер калькулятор чтобы дать вам необходимые значения деталей.

ПОДРОБНЕЕ »

Использование кроссоверного калькулятора

Это довольно очевидно, но не беспокойтесь, поскольку я предоставил инструкции на странице калькулятора. Введите значения и параметры для:

• Тип кроссовера (для пояснения будет показана диаграмма).
• Используемые импедансы динамиков.
• Частота кроссовера/частоты по мере необходимости.

Запишите или сохраните значения либо на схемах ниже, либо где-нибудь еще, где вы можете их найти.

ДИАГРАММЫ — схемы перекрестных сетей для печати и использования

Нажмите здесь, чтобы просмотреть или распечатать схемы кроссовера, которые помогут вам собрать кроссовер своими руками. На распечатке предусмотрено место для записи рассчитанных значений деталей, если хотите.

Собираем вместе

Покупка перекрестных компонентов

Вам потребуются как минимум следующие типы перекрестных компонентов:

• Электролитические неполяризованные (биполярные) конденсаторы с достаточным номинальным напряжением. Обычно это около 48 В или выше.
• Дроссели с воздушным сердечником, хотя катушки с ферритовыми катушками (ферритовые сердечники) тоже подходят, но не обязательны.

Конденсаторы оцениваются в единицах, называемых фарадами, и обычно продаются в «микрофарадах», также иногда обозначаемых греческим символом Mu (мкФ, 1/1 000 000 фарада) или маленькой « у” (мкФ). Катушки индуктивности измеряются в генри и обычно продаются в миллигенри (1/1000 Генри), что обозначается как «мГн».

Биполярные и поляризованные конденсаторы

Поляризованные конденсаторы являются наиболее распространенным типом, но они не подходят для использования со звуком — вы ДОЛЖНЫ использовать неполяризованные конденсаторы. Это потому, что 1) они не могут работать с напряжением переменного тока (AC), которое меняется на противоположное, и 2) они могут искажать звук и даже выходить из строя. Неполяризованные конденсаторы обеспечивают хорошую передачу электрического музыкального сигнала.

Биполярные ("BP", неполяризованные) конденсаторы обычно имеют соответствующую маркировку, в то время как поляризованные конденсаторы имеют на одной стороне полосу, обозначающую отрицательное соединение.

Номинальное напряжение конденсатора

Конденсаторы не могут выдерживать приложенное напряжение, превышающее максимальное значение. 48 В или выше – хорошее эмпирическое правило, хотя минимальное значение можно рассчитать самостоятельно, используя закон Ома, если вы знаете среднеквадратичную номинальную мощность усилителя следующим образом:

В (вольты) =квадратный корень (мощность x омы динамика)

Например, усилитель мощностью 50 Вт на канал для динамика 8 Ом будет иметь выходное напряжение около квадратного корня (50 x 8) = 20 В. Более высокое номинальное напряжение было бы хорошо, но мы не хотим опускаться ниже 20 В. Мы будем использовать следующую по величине деталь, которую найдем, или выше.

Допуски значений деталей (почему бы не искать «идеальные» значения)

Электролитические конденсаторы и катушки индуктивности с воздушным сердечником имеют допуск около плюс-минус 20% от их маркированного значения (+/-20%). More expensive parts may have 10% or lower tolerance which is nice but not really necessary.

I say this to help get the point across that:

• No capacitor or inductor will have a perfect value – they vary slightly from their rated value.
• You don’t need an exact value, but rather the goal is to get it pretty close to the value you need.
• Inductors, capacitors, and resistors are sold in standardized values and you’ll almost never find the EXACT value. In many cases it’s not stocked by a supplier and not worth the time trying to search and search for it.

For example, a capacitor labeled as 4.7 uF (4.7 microFarad) may have an actual of around 3.76 to 5.64 uF when measured with test equipment. (It’ll probably be around 4 to 5uF but you see what I mean). The same is true for inductors too.

In that case, you’d buy a 4.7uF one if it’s reasonably easy to get but if not, the good news is there’s another way.

TIP:How to get the part values you need if you can’t find them

There’s a simple way to handle not finding the exact part values you need. The trick is to use multiple crossover components in such a way that they add up close to what you’re after.

• Inductance adds when they’re connected in series and divides when wire in parallel.
• Capacitance adds (sums) when they’re wired in parallel. The total capacitance divides when connected in series.

This means you can use spare parts or buy other parts of different values that are available to accomplish the same thing!

Miscellaneous parts you’ll need

I can’t recommend enough being prepared. Here’s a general list of what you’ll need to build and encase your passive speaker crossovers:

• Project enclosure (if not being mounted directly inside a speaker cabinet), ideally made of ABS plastic.
• [Optional] Breadboard or other flat material for a mounting surface.
• Speaker wire or miscellaneous wire for connecting the components to each other and wire terminals.
• Sandpaper or metal file to remove insulating enamel from inductor wire ends.
• Wire terminals:I use a dual row inline wire terminal strip as they’re relatively easy to get, not expensive, and can be mounted with screws.
• Adhesive to mount your parts:General adhesive, silicone-based adhesive, or a hot glue stick and a hot glue gun (although not recommended for hot areas).
• [Optional] Labels:Clear Scotch tape or shipping tape and white paper + permanent marker or black &white printer.
• Typical hand tools:cutting pliers or needle nose pliers, Philips screwdriver, and others as needed.

TIP: When shopping for a project enclosure, be aware that the screw thread columns take up some of the internal space. You may need to buy a slightly larger size if the space is too tight.

I recommend always checking how much room you’ll need based on the size of your capacitors and inductors.

DIAGRAM – How to build your speaker crossover

Prepare the crossover circuit &components for assembly

Once you’ve got your parts and the schematic it’s time to jump right in! To build your crossovers, I recommend doing the following:

• Place the capacitors and inductors in the project box in order to figure out the best placement before you start building. Sometimes space is tight and you don’t want problems when you’re already in the middle of building the crossover network circuitry.
• If you’re using a mounting board or perfboard, etc., measure between the cover screw columns. This is important because many plastic project enclosures have screw bases that take up space on the inside. Cut your board as needed to fit this area.
• Although it can be possible to find a single-row wire terminal strip they’re hard to get. I recommend using a dual row strip as they’re affordable and much easier to find.
• With the top on the box, place the terminal strip slightly below the top to leave enough room for wiring to exit below the cover when it’s on. Using a permanent marker or knife, mark the area above it and cut that section of plastic out.

Mounting &connecting your components

• I recommend using a non-permanent adhesive like hot glue and a hot glue gun, silicone sealant, contact adhesive, Gorilla Glue, etc. to mount the parts. This way you can remove them later if you need to modify the design or reuse parts.
• For warmer temperatures hot glue really isn’t so great. Hot glue can become detached from the mounting surface in warm temperatures and doesn’t stick well to smooth surfaces like ABS plastic, either. For that reason I don’t recommend it in most cases.
• Inductors use magnet type wire which has an enamel insulator you’ll need to remove with coarse sandpaper, a file, or Dremel tool. In order to solder the wire ends, you’ll need to expose the wire surface and provide a good clean contact area.
• You can use spare speaker wire or miscellaneous stranded hookup wire to connect the components together.

You can also use crimp connectors instead of a soldering iron and solder, although I personally recommend soldering for the best connection possible.

Going by the crossover schematic, connect each section to the next and double-check your work.

Proper placement of inductors

Inductors, as you may already know, work by increasing the magnetic field strength using loops of wire. Because of this it’s possible for one to cause magnetic coupling (interference) which can induce a signal or distortion in another.

To avoid this, if at all possible mount them at a 90° difference as shown in the diagram above or a minimum of about 3 inches. I begin by placing them at opposite corners of the box when building mine.

Putting it in a project enclosure

Once you’ve got the crossover circuit built, place the whole assembly in the box and use a bit of adhesive to hold it inside if you like (optional). Connect the amp side wiring, negative side wiring, and speaker output wires to the terminal strip on the top row.

This will leave the bottom row free for speaker connections.

Speaker terminals and tweeter polarity

Second order networks have an output signal phase difference of 180 degrees. Fortunately, unlike odd-order designs (1st order or 3rd order) we can get a perfectly in phase (0° difference) sound output easily.

To do this with second order networks:

• 2-way speaker systems: reverse the tweeter output crossover connections at the wire terminals and connect the tweeter like you normally would. This puts the tweeter back in phase with the woofer / bass driver.
• 3-way speaker systems: reverse the midrange polarity to the wire terminals for the crossover.

[Optional] Adding speaker wiring labels

Want to add an extra touch? You can easily make your own labels for your speaker and amplifier input connections. Personally, I recommend the following steps:

• Using copier or printer paper, write your connection label notes using a Sharpie permanent marker. Optionally you can print using a black and white printer (although it’s harder to get text lined up perfectly).
• Cut out the labels using scissors.
• Using clear tape such as large shipping tape, place the tape over the label and trim with scissors if needed.
• Apply the label to the project box.

Example of a finished DIY speaker crossover

Here’s an example of my own – one of my first DIY crossovers projects I built myself. As you can see it doesn’t have to be perfect – but does need to be well-connected, use the right parts, and be put together in a way that’s practical for everyday use.

Note that if you’re installing yours directly in a speaker enclosure it’s not necessary to use a project box, but the rest of the steps should still apply.

Hopefully you’ve found my guide helpful. Here’s to enjoying good sound the way you like it – and proving you can do it yourself!

More helpful crossover resources you’ll enjoy

• Check out my L-pad, speaker Ohms, and other audio calculators here.
• Learn more details about what capacitors and inductors do in a crossover.
• Here’s a lot more helpful info about what a crossover frequency is.
• What more knowledge? Here I cover how to determine the speaker crossover frequency.
• The crossover frequency Fc, slopes, and why they matter.
• Find out a good crossover frequency for car or home audio.