Что такое аудио фильтр высоких частот? Как они используются?

Когда дело доходит до получения хорошего звука, кроссоверные фильтры невероятно полезный. Но что такое аудиокроссовер с фильтром верхних частот и почему он так важен?

Я объясню все здесь!

Что такое аудио фильтр высоких частот?

Основной ответ состоит в том, что аудио фильтр верхних частот (ФВЧ) — это тип аудио кроссовера, который ослабляет и эффективно блокирует все низкочастотные сигналы ниже заданного значения. То есть они устраняют низкочастотный звук при передаче высокочастотных сигналов на усилители, динамики, сигнальные тракты или другие аудиокомпоненты.

Они широко используются в различных звуковых конструкциях для блокировки нежелательного частотного диапазона звука по нескольким причинам:

• Предотвращение искажений
• Для защиты драйверов высокочастотных динамиков от повреждения
• Чтобы получить больше громкости и четкости от небольших динамиков, заблокировав низкие частоты сабвуфера.
• Работа в составе 2-полосной или 3-полосной акустической системы.
• Предотвращение проблем с резонансом за счет ограничения нижнего частотного диапазона, что предотвращает достижение резонансной частоты динамика.

Есть и другие полезные фильтры верхних частот, о которых следует знать. Как вы увидите, существует 3 основных типа конструкций фильтров верхних частот.

Примечание: Название «угловая частота» также иногда используется для обозначения точки отсечки.

Разницы между фильтром верхних частот и фильтром нижних частот

В то время как фильтр верхних частот пропускает более высокие частоты, кроссовер фильтра нижних частот (ФНЧ) блокирует высокочастотные звуки выше частота среза.

Они часто используются для низкочастотных динамиков и сабвуферов, но также могут использоваться как часть конструкции двухполосных динамиков. Для высокочастотной части конструкции будет использоваться фильтр HPF.

Что такое полосовой фильтр?

Полосовой фильтр состоит из последовательно соединенных фильтра нижних частот и фильтра верхних частот. Это пропускает средний диапазон (полосу пропускания) звуковых частот.

Иногда они используются как часть 3-полосных акустических систем, чтобы обеспечить диапазон звука для среднечастотных динамиков.

Три типа кроссоверов высоких частот

Существует три типа конструкций фильтров верхних частот. Каждый из них имеет свои особенности использования, плюсы и минусы, а также области применения.

1. Кроссоверы динамиков (пассивные фильтры)

Кроссовер динамиков (также называемый пассивный фильтр) использует пассивные электронные компоненты вместо электроники, требующей источника питания. Пассивными компонентами являются конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы.

Кроссовер высокочастотных динамиков очень распространен на динамиках твитера, где он блокирует доступ к ним средних и низких частот. Самый простой тип — это одиночный электролитический конденсатор, установленный на самом динамике.

Пример конденсатора, используемого в качестве встроенного кроссовера фильтра верхних частот

Другие используют конденсатор и катушку индуктивности для более резкого среза, чтобы более эффективно блокировать попадание нежелательных звуков в динамик. Большинство из них являются аппаратными и имеют минимальные настраиваемые параметры, если таковые имеются, поскольку конструкция определяется фиксированными значениями деталей.

2. Электронные кроссоверы (активные фильтры)

Электронный фильтр верхних частот, также называемый активным фильтром. , представляет собой тип кроссовера, в котором используются небольшие электронные компоненты и требуется источник питания. В отличие от пассивных фильтров, они часто бывают гибкими и могут предлагать дополнительные настройки, такие как:

• Регулируемая частота среза верхних частот
• Выбираемый наклон кроссовера.
• Управление усилением (регулируемые входные и/или выходные уровни)
• Фазовый контроль

Большинство электронных фильтров верхних частот разработаны на основе операционных усилителей (операционных усилителей), которые представляют собой крошечные транзисторные усилители, встроенные в интегральную схему (ИС). Они очень эффективны с точки зрения энергопотребления, размера и функций.

Вы найдете конструкции с активными фильтрами в домашних стереосистемах, автомобильных усилителях, предусилителях, стереофонических микшерных платах и ​​многих других электронных аудиоустройствах.

3. Цифровые (программные) кроссоверы

Цифровой фильтр верхних частот работает с аудиосигналами, преобразованными в цифровые значения с помощью математических функций в программном обеспечении, прежде чем преобразовать их обратно в аналоговый сигнал.

Цифровой кроссовер можно найти на нескольких платформах:

• Компьютерное аудио программное обеспечение (микширование, редактирование и т. д.)
• Чипы цифровой обработки сигналов (DSP) или аудиопродукты
• Аудиоприложения для смартфонов

Во всех случаях аудиокроссовер с фильтром верхних частот реализуется с использованием математических функций (z-преобразований), которые закодированы в программных процедурах. При подаче музыкального сигнала код обрабатывает цифровое представление (двоичное числовое значение), в результате чего выходной сигнал значительно снижается ниже частоты кроссовера.

Здесь показан цифровой фильтр нижних частот, встроенный в домашний стереоресивер Denon. Цифровые кроссоверы работают с использованием программного кода для математического определения функции верхних частот.

Цифровые кроссоверы также используются вместе с графическим или параметрическим эквалайзером в автомобильных головных аудиоустройствах, домашних стереоресиверах, а также в программном обеспечении для обработки и записи звука.

Полезные фильтры верхних частот

Использование микрофона и студии звукозаписи

Фильтры верхних частот полезны в студии звукозаписи по нескольким причинам:

• Удаление взрывных звуков (хлопков) из дыхания певца или вокалиста.
• Предотвращение записи звуков прикосновения или грохота из-за прикосновения к оборудованию и его регулировки.
• Изоляция источников звука от разных инструментов во время записи
• Формирование тональности звуковых диапазонов при микшировании.
• Блокирование фонового шума при записи дорожек

Преимущества автомобильной аудиосистемы с фильтром верхних частот

В автомобильных аудиосистемах фильтрация верхних частот обычно встречается в нескольких элементах:встроенных в автомобильные усилители, кроссоверах пассивных динамиков, дополнительных аксессуарах для установки и встроенных в автомобильные стереосистемы, эквалайзеры (эквалайзеры) или процессоры сигналов.

Обычно они очень помогают улучшить звук несколькими способами:

• Предотвращение искажения или потенциального повреждения твитеров из-за низких частот
• Обеспечение более чистого звука с большей мощностью как с твиттерами, так и с небольшими динамиками.
• Как часть двухполосной акустической системы (пример:компонентные динамики)
• Чтобы заблокировать низкочастотный звук из основных динамиков, оставив его для обработки сабвуферами для повышения четкости звука.

В наши дни некоторые головные устройства имеют встроенные цифровые фильтры верхних частот вместе с выбираемыми наклонами. Многие автомобильные усилители имеют выбираемую функцию кроссовера высоких или низких частот, а некоторые имеют регулируемую частоту среза. Другие имеют фиксированную точку отсечки, которую нельзя изменить.

Твитеры и другие маленькие динамики просто не могут справиться с большими звуковыми волнами, создаваемыми низкими частотами. Даже бюджетная система может звучать великолепно, если к ней подключен усилитель достойного качества с кроссовером верхних частот, предотвращающим их передачу на динамики.

Затем вы можете соединить их с сабвуфером и фильтром нижних частот, чтобы получить великолепный полнодиапазонный звук, который вам понравится.

Фильтры высоких частот для домашнего стерео

Домашние стереосистемы часто включают параметры фильтра верхних частот по разным причинам:

• Использование сабвуфера:если в системе домашнего кинотеатра или стереоресивере есть выход для сабвуфера, блокировка басов на основных динамиках может помочь предотвратить "грязность" или воспроизведение слишком большого количества басов.
• Некоторые стереосистемы включают в себя динамики с ограниченным качеством, что означает, что низкие частоты вызывают искажения и плохое звучание. Использование функции верхних частот в этих случаях помогает предотвратить это.
• Встроенная функция обработки аудиоканалов домашнего кинотеатра с объемным звуком.
• Чтобы ограничить звук, передаваемый на динамик центрального канала, для четкого воспроизведения вокала в фильмах.

Как и автомобильные стереосистемы, домашние стереофильтры часто не включены по умолчанию. Во многих случаях вам потребуется проверить настройки меню и включить их.

Объяснение дозвуковых фильтров

А дозвуковой фильтр  – это фильтр верхних частот с очень низкой частотой кроссовера (часто, например, около 30 или 20 Гц), используемый для предотвращения передачи низкочастотных сигналов, которые мы не слышим, на сабвуфер, чтобы предотвратить беспричинную трату энергии.

Дозвуковой фильтр является необязательным и не часто требуется, но может быть полезен в некоторых ситуациях. Они чаще используются в винтажных аудиоплеерах и проигрывателях, хотя иногда их можно найти в автомобильных аудиоэквалайзерах или басовых элементах сабвуфера.

Диапазон частот человеческого слуха для большинства людей составляет около 30 Гц. Звуковые волны частотой 20 Гц можно почувствовать, но не услышать, поэтому бессмысленно потреблять большую мощность усилителя для того, что вы даже не слышите. В случае с проигрывателями может присутствовать некоторый гул, и инфразвуковой фильтр может предотвратить его усиление.

Большая часть музыки микшируется с наиболее приятными басами в диапазоне от 40 до 50 Гц или около того для «удара». Это также примерно то же самое для грохота или звуков действий в фильмах, то есть от 20 до 30 Гц не требуется.

Объяснение затухания частоты среза (наклоны)

Наклон фильтра — это крутизна его фильтрующей способности. Другими словами, насколько эффективно он снижает звуковые частоты за пределами частоты среза кроссовера.

Наклоны классифицируются по децибелам (дБ) на октаву. Знак минус (-) используется для обозначения затухания или ослабления входного сигнала.

Звуковые частоты между двумя точками часто измеряются с помощью октавы. . Октава — это удвоение или деление числа частоты вдвое. (100 Гц, 200 Гц, 400 Гц и т. д.)

Когда мы говорим о кроссовере с отсечкой -6 дБ на октаву, мы имеем в виду, что он будет продолжать снижать выходной сигнал на дополнительные 6 дБ при каждом удвоении предыдущей частоты.

Чем больше наклон фильтра, тем больше он уменьшает низкие частоты за пределами частоты среза, поскольку фильтр более высокого порядка более эффективен.

Наклон фильтра кроссовера обычно составляет 6 дБ на октаву, 12 дБ на октаву, 18 дБ на октаву и т. д.

Как использовать фильтр верхних частот

Вообще говоря, использовать фильтр верхних частот очень просто:вы устанавливаете частоту среза, наиболее подходящую для используемых вами динамиков. В случае двухполосных акустических систем вы также установите его в соответствии с частотой среза нижних частот, чтобы избежать разрыва в звуке.

Частоты фильтра динамиков

Когда дело доходит до динамиков и акустических систем, производители часто включают спецификации, чтобы помочь вам определить частоту среза для использования.

Иногда это четко указано как рекомендуемая частота фильтра высоких частот, в то время как в других случаях вам придется основывать ее на информации о частотной характеристике динамика. Например, на изображении с техническими характеристиками динамика выше диапазон частот динамика составляет 3,5 кГц и выше.

Если у вас нет ничего из этого, обратитесь к таблицам, которые я предоставил ниже. Хорошая новость заключается в том, что обычно некоторые информация о диапазоне частотной характеристики динамика, которая поможет вам установить частоту среза верхних частот.

Какие хорошие настройки HPF?

Таблица частот кроссовера верхних частот домашнего аудио

Тип/система динамиков	Частота кроссовера
Фронтальные динамики основного/башенного типа (маленькие)	Высокие частоты от 60 до 80 Гц. Лучше всего работает с сабвуфером, дополняющим их.
Основные/башенные фронтальные динамики (большие)	Высокие частоты 60–80 Гц.
Центральный или объемный звук (маленький)	Высокие частоты 100–120 Гц. Эти типы динамиков очень плохо воспроизводят басы и могут легко искажаться.
Центральный или объемный звук (средний/большой)	Высокие частоты 60-80 Гц. Большинство центральных динамиков не предназначены для воспроизведения басов.
Настенные или мини-сателлитные колонки	Высокие частоты 100–120 Гц. Это помогает избежать сильных искажений, поскольку они не могут воспроизводить глубокие басы.
Двухполосные акустические системы	от 3 кГц до 3,5 кГц. Очень распространенная частота кроссовера
3-полосные акустические системы	Высокие частоты 3,5 кГц (твитер) и 250–500 Гц высокие частоты (средние частоты)

Таблица частот кроссовера высоких частот автомобильной аудиосистемы

Тип/система динамиков	Частота кроссовера
Передние или задние полнодиапазонные коаксиальные или компонентные динамики	Высокие частоты от 56, 60 до 80 Гц . Блокирует низкие частоты, вызывающие искажения.
Твитеры	Высокие частоты 3–3,5 кГц
СЧ-динамики или низкочастотные динамики	Высокие частоты 250–500 Гц
Двухполосные акустические системы	от 3 кГц до 3,5 кГц для твитеров. То же самое для СЧ/НЧ-динамиков
3-полосные акустические системы	3,5 кГц (средние/высокие) и 500 Гц (средние/низкочастотные)

Еще отличные статьи

Надеюсь, вы много узнали о концепциях аудио с фильтром верхних частот. Хотите узнать больше? Ознакомьтесь с моими соответствующими статьями:

• На что следует установить фильтр верхних частот?
• Узнайте, какое значение выбрать для фильтра нижних частот.
• Вот что делают конденсаторы и катушки индуктивности в кроссовере динамиков.
• Подробнее о том, что делает кроссовер и что такое частота кроссовера.
• Ознакомьтесь с моим руководством по определению частоты кроссовера динамиков.