Что такое частота кроссовера? Что делает кроссовер? Полезное руководство

Кроссоверы важны для отлично звучащей аудиосистемы, будь то дома, в автомобиле или даже на лодке. Но что именно есть частота кроссовера?

В этом подробном посте я объясню, что это такое, как они работают и многое, многое другое так, чтобы каждый мог понять. Начнем!

Инфографика — Факты об аудиокроссовере

Что такое частота кроссовера? Что делает кроссовер?

Кратко о частоте кроссовера и основах кроссовера

Кроссоверы – это электрические или электронные схемы, используемые для изменения или разделения входящего музыкального сигнала, посылаемого на один или несколько выходов. Они предлагают способ отправить правильный диапазон звука на динамик с наиболее подходящей для него частотной характеристикой. (Например, твитеры и вуферы в двухполосной акустической системе)
Кроссоверный фильтр работает по принципу пассивных или электронных фильтров, чтобы блокировать диапазон звука в аудиосигнале.
A частота кроссовера это звуковая частота, которая действует как точка отсечки для кроссоверных фильтров. Это частотная точка, после которой сигнал ослабляется на 3 децибела (обозначается как -3 дБ) и дальше от этой точки.
Выходы кроссовера – это разрешенные для прохождения диапазоны сигналов, такие как фильтр верхних частот (блокируются низкие частоты) и фильтр нижних частот (блокируются верхние частоты).
Существует 2 типа кроссоверов:активный (электронный) и пассивный (динамик). Оба типа широко используются в домашнем, автомобильном и профессиональном аудио.

Они являются важной частью хорошей точности звука. На самом деле вы почти никогда не найдете хорошо звучащую акустическую систему, в которой не используется один или несколько типов кроссоверов.

Есть 2 типа кроссоверов, которые можно использовать с домашней или автомобильной аудиосистемой:

Активный кроссовер (электронный)
Пассивный кроссовер (кроссовер динамиков)

Объяснение частот кроссовера

Поскольку твитеры не могут воспроизводить низкочастотный звук, они искажаются и даже могут быть повреждены тяжелыми басами. Чтобы предотвратить это, мы можем заблокировать нежелательные звуки. (Показана типичная используемая частота 3500 Гц [3,5 килогерца]).

Частота кроссовера – это точка звуковой частоты, при которой звуки после этого будут значительно ослаблены, эффективно блокируя их . Мы используем его в качестве контрольной точки, при которой выходной сигнал динамика (или входной сигнал усилителя при использовании активных кроссоверов) снижается на 3 децибела (-3 дБ).

Иногда называется угловой частотой или частота среза , он используется в качестве отправной точки в математических расчетах для аудиодизайна.

Что означает звуковая «частота»?

Частота музыкального сигнала определяется тем, сколько раз в секунду завершается альтернативная волна.

Когда мы говорим о «частоте», мы имеем в виду диапазон звука, который может слышать человеческое ухо. По соглашению для этого используется диапазон от 20 до 20 000 Гц (от 20 до 20 килогерц или 20 000 Гц).

На самом деле человеческое ухо может слышать только частоты до 30 Гц и около 16 килогерц, хотя это зависит от слуха человека.

Герц используется для представления единиц частоты в циклах в секунду. Это связано с тем, что звуковые волны (и электронные аудиосигналы тоже) состоят из чередующихся волн, которые повторяются много раз в секунду.

«Гц», «Килогерц», «кГц» — более короткие способы записи (кило =одна тысяча).

Вот некоторые из наиболее распространенных звуковых диапазонов, с которыми помогают кроссоверы:

Бас: 20–100 Гц или около того
СЧ: (вокал, инструменты и т. д.) от ~100 Гц до 3 кГц.
Высокие частоты: (высокочастотные звуки) от 3 кГц до 20 кГц.

Как работает кроссовер? Что такое кроссовер динамиков?

1. Основы активного кроссовера (электронного кроссовера)

Типичный пример отдельного электронного активного кроссовера. Один набор выходных разъемов обеспечивает выходной сигнал фильтра высоких частот для усилителя для управления высокочастотными динамиками или парой основных динамиков. Вторая пара часто представляет собой частотный выход кроссовера сабвуфера.

Внутренняя секция кроссовера автомобильного усилителя состоит из основных электронных компонентов:переменных резисторов, микросхем операционного усилителя, конденсаторов и резисторов с постоянным значением. По сути, это электронные кроссоверы, встроенные в усилитель, что избавляет от необходимости использовать их отдельно.

Электронные кроссоверы также иногда называют «активными» кроссоверами, поскольку, в отличие от кроссоверов динамиков, для их работы требуется источник питания. В то время как пассивные кроссоверы подключаются непосредственно к мощным выходным клеммам усилителя, электронные кроссоверы работают только с низковольтными сигналами.

Они подключаются, например, к линейным разъемам RCA или автомобильной стереосистеме, автомобильному усилителю или домашнему AV-ресиверу.

Как работают электронные кроссоверы

Слева:типичный интегральная схема операционного усилителя (IC), Texas Instruments TL072. Справа:пример схемы кроссовера нижних частот, использующей операционный усилитель для фильтрации высокочастотных звуков.

Электронные кроссоверы могут показаться очень сложными (и так оно и есть, по крайней мере, в некоторых отношениях), но на самом деле они основаны на довольно простых принципах.

Они работают с использованием различных схем электронных фильтров, основанных на очень распространенном электронном компоненте:операционном усилителе («операционном усилителе»). Операционные усилители — это крошечные многоцелевые усилители, которые полезны для усиления или изменения входного сигнала разными способами.

Их вместе с резисторами и конденсаторами можно использовать для управления музыкальным сигналом.

Схема типичного электронного кроссовера. В данном случае показан левый стереоканал встроенной схемы кроссовера автомобильного усилителя Alpine.

Они могут быть предназначены для изменения режимов с помощью переключателя. Они часто используют регулируемые резисторы, позволяющие изменять частоту среза.

После подачи входного сигнала вы получите следующие выходные данные в зависимости от типа:

Фильтр высоких частот:блокирует низкие частоты сабвуфера от твитеров или основных динамиков. Это позволяет увеличить громкость без искажений, так как маленькие динамики плохо воспроизводят тяжелые басы.
Фильтр нижних частот. Блокирует вокал и другие высокочастотные звуки, которые не могут быть воспроизведены низкочастотным динамиком или сабвуфером. Также называется каналом LFE для выхода сабвуфера домашнего ресивера.
Полосовой фильтр. Полосовой фильтр также является комбинацией другого:он ограничивает выходной сигнал только средними частотами (для использования с набором драйверов среднего диапазона).

2. Акустические (пассивные) кроссоверы

Вверху: 2-полосные компонентные кроссоверы для автомобильных компонентных динамиков. Внизу: Кроссовер домашнего стереодинамика, который можно найти в наборе динамиков для книжной полки. Оба используют конденсаторы и катушки индуктивности для фильтрации и управления звуком, отправляемым на твитер, среднечастотный динамик или низкочастотный динамик.

Кроссоверы динамиков иногда называют «пассивными» кроссоверами, поскольку они не требуют подключения внешнего источника питания. Они работают с использованием пассивных компонентов:конденсаторов и катушек индуктивности.

Кроссовер динамика представляет собой электрическую схему, в которой используются катушки индуктивности и конденсаторы для фильтрации сигнала динамика и разделения его между одним или несколькими выходами. Выходные данные зависят от частотной характеристики используемых динамиков.

В отличие от электронных кроссоверов, обычно они подключаются к выходам усилителя, а затем проводом динамика к набору динамиков, по одному на каждый канал динамика.

Здесь показан двухполосный кроссовер второго порядка. Катушки индуктивности обозначаются буквой «L», а конденсаторы — буквой «C». Тип "2-го порядка" имеет второй уровень частей для более эффективной фильтрации звуков, чем дизайн первого порядка.

Конденсаторы и катушки индуктивности имеют некоторые интересные свойства в зависимости от частоты подаваемого на них сигнала:

Конденсаторы имеют большее «сопротивление» (называемое импедансом) низкочастотному сигналу, чем высокочастотному. Чем ниже частота, тем меньший сигнал может пройти.
Дроссели представляют собой витки проволоки, которые имеют большее сопротивление высокочастотному сигналу, чем низкочастотный. Поэтому они отфильтровывают более высокие звуковые частоты.

Когда на конденсатор или катушку индуктивности подается сигнал, частота которого превышает частоту кроссовера, сопротивление увеличивается, уменьшая выходное напряжение динамика, поскольку оно теряется через конденсатор или катушку индуктивности.

Это означает, что динамик будет получать все меньше и меньше сигнала динамика, который мы хотим заблокировать, по мере того, как частота звука будет дальше точки кроссовера. Значения партий выбираются в соответствии с сопротивлением динамика (Ом), с которым они будут использоваться, поскольку это влияет на их поведение.

Примечание: Кроссоверы динамиков можно использовать только с сопротивлением динамиков, для которого они предназначены, иначе они не будут звучать одинаково.

Например, использование кроссовера домашнего динамика на 8 Ом с автомобильным динамиком на 4 Ом не будет работать правильно. Это связано с тем, что номиналы деталей были выбраны только для одного импеданса. Когда вы его меняете, частота кроссовера резко меняется!

Кроссоверы динамиков проектируются по-разному, но все они имеют одинаковую базовую структуру — меняются только детали.

Они также часто маркируются такими названиями, как «1-й порядок», -6 дБ/октава, «2-й порядок», -12 дБ/октава и так далее. В конструкциях 2-го порядка, 3-го порядка и т. д. используются те же принципы, но с добавлением большего количества стадий или «порядков», чтобы сделать их еще более эффективными при блочном звуке.

Что такое децибелы и почему мы используем их для звука?

Кроссоверы (и множество другой аудиоэлектроники и оборудования) измеряются в децибелах. Децибелы («дБ») — это удобный математический способ работы с числами, которые представляют собой степени 10, в отличие от линейных чисел, которые встречаются на прямой линии. Показан пример определения снижения выходного сигнала кроссовера в дБ.

В реальном мире многие измерения связаны с вещами, которые увеличиваются или уменьшаются не по прямой линии («линейно»), а по кривой («нелинейно» или логарифмически).

Я не буду утомлять вас тяжелой математикой, но мы используем децибелы в мире аудио как математический способ измерения музыкальных электрических сигналов. Это потому, что многое происходит не по прямой, а по кривой.

Большая часть звукового мира работает со степенями 10 (логарифмы, которые вы, возможно, помните из уроков алгебры). Следовательно, нужен способ справиться с ними — вот где представление в децибелах пригодится.

И не только кроссоверы работают с децибелами, но даже ваши собственные уши логарифмичны. Это означает, что то, как наши уши воспринимают громкость, работает в логарифмическом масштабе.

Что такое перекрестный уклон?

Диаграмма, показывающая уклон или крутизну отсечки для наиболее распространенных типов. У кроссоверов есть «порядки», то есть 2-я, 3-я или более ступени, которые увеличивают их способность отфильтровывать нежелательные звуковые частоты.

Наклон — это крутизна фильтрующей способности кроссовера. Другими словами, насколько эффективен переход за точку пересечения частоты.

Наклоны, как и частота кроссовера, классифицируются по децибелам (дБ) на октаву. Отрицательный символ используется, чтобы показать, что они представляют затухание или ослабление сигнала.

В звуковом мире мы обычно измеряем диапазон звуковых частот между двумя точками, используя октаву. 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 уменьшать выходной сигнал на дополнительные 6 дБ при каждом удвоении предыдущей частоты.

Пример:-6 дБ при 1 кГц, -12 дБ при 2 кГц, -18 дБ при 4 кГц, -24 дБ при 8 кГц, -32 дБ при 16 кГц, до 20 кГц.

Какие перекрестные склоны самые распространенные и лучшие?

Кроссоверы обычно разрабатываются как хороший компромисс между сложностью, ценой и качеством звука. Хотя вы можете подумать, что «чем выше порядок, тем лучше» всегда будьте правы, все становится сложнее, когда вы преодолели план 2-го или 3-го порядка.

Вообще говоря, крутизна кроссовера -12 дБ часто является лучшим выбором и подходит для большинства акустических систем. Сабвуфер обычно звучит очень хорошо при наклоне 12 дБ или 18 дБ.

Одна из причин заключается в том, что он имеет относительно доступную и несложную конструкцию, но при этом обеспечивает хорошую отсечку. Это прекрасно работает как для одиночных динамиков, так и для двухполосных динамиков.

Как правило, наиболее часто используемые уклоны:

-6 дБ
-12 дБ
-18 дБ

Кроссоверы электронных и двухполосных динамиков обычно составляют -12 дБ.

Что такое двухполосный динамик?

Обычные двухполосные динамики, которые можно найти в автомобильных или домашних акустических системах. Они очень похожи, за исключением того, что домашние стереодинамики обычно размещаются в корпусе для динамиков, а автомобильные динамики могут быть установлены отдельно.

Что такое двухполосные динамики?

В двухполосных акустических системах используются два драйвера для воспроизведения полного диапазона звука с лучшим качеством. Звук от стереоусилителя распределяется между динамиками с помощью двухполосного кроссовера динамиков.
Двухполосные динамики – наиболее распространенный тип в мире, и многие из них предлагают недорогие модели с великолепным звуком.
Твитер воспроизводит высокие частоты, а низкочастотный динамик воспроизводит средние и низкие частоты музыки.
Хотя тип кроссовера варьируется от модели к модели, очень часто встречается кроссовер 2-го порядка с наклоном -12 дБ на октаву. Это также позволяет избежать проблемы, называемой фазовым сдвигом. что может случиться с другими дизайнами.

Каждому динамику предоставляется только тот диапазон звука, который он может воспроизводить хорошо:

Твитеры принимают только высокие частоты — обычно около 3 кГц и выше.
Вуферы принимают только более низкие частоты — обычно около 3 кГц и ниже.

Используемая частота кроссовера зависит от требований дизайна, поэтому не существует такой, которая работает во всех случаях. Кроме того, они должны использоваться с правильным импедансом (номиналом в Омах) для динамиков, для которых они предназначены.

Коаксиальные динамики также являются двухполосными. На самом деле, в показанном здесь примере вы можете увидеть кроссоверы на задней панели динамика. Как и в отдельных кроссоверах, низкие частоты направляются на большой низкочастотный динамик, а высокие — на твитер.

Результатом является полный диапазон звука без искажений или плохой производительности, которую вы получите, пытаясь воспроизвести тот же диапазон только через 1 динамик. Другими словами, двухполосная колонка обеспечивает чистый, детализированный звук, который иначе вы бы не услышали.

Во многих случаях вам не обязательно нужны дорогие компоненты или динамики, чтобы получить отличный звук. Даже бюджетные двухполосные колонки могут звучать очень хорошо!

Что такое хорошая частота кроссовера?

Правда в том, что не существует идеального набора частот кроссовера, подходящего для каждой колонки. Это зависит от многих вещей. Однако вот некоторые из наиболее распространенных частот, которые хорошо работают во многих случаях.

Это основано на потребностях большинства домашних или автомобильных аудиосистем, а также на моем собственном опыте проектирования и установки колонок.

Какую частоту кроссовера следует использовать?

Таблица рекомендуемой частоты кроссовера

Тип динамика/системы	Частота кроссовера. &Введите
Сабвуферы	70–80 Гц (низкочастотный фильтр) — лучше всего подходит для чистого, ясного басового звука, который «бьет».
Главные автомобильные динамики (полный диапазон)	56–60 Гц (высокие частоты) — блокирует низкие частоты, вызывающие искажения или «заглушение» динамиков.
Твитеры или двухполосные динамики	3–3,5 кГц (высокочастотный или высокочастотный/низкочастотный) — большинство 2-полосных или 1-полосных (твиттер) кроссоверов используют частоту, близкую к этой
СЧ/НЧ-динамик	1K-3,5KHz (нижний проход) — Низкочастотные динамики и многие среднечастотные динамики плохо работают выше этого общего диапазона.
трехсторонняя система	500 Гц и 3,5 кГц (точки кроссовера НЧ/ВЧ) — аналогично 2-полосным системам верхняя частота. будет то же самое.

Почему кроссовер важен для хорошего баса сабвуфера

Кроссовер с пассивным сабвуфером не может сравниться по характеристикам с электронным, если вам нужен отличный бас.

Вы когда-нибудь задумывались, как у некоторых людей в машине чистый, мощный бас, или почему сабвуфер вашего домашнего кинотеатра звучит так хорошо? Это из-за современных электронных кроссоверов. В отличие от полнодиапазонных динамиков, сабвуфер особенно чувствителен к плохому звучанию, если через него могут воспроизводиться средние частоты. Чистый басовый звук, который вы слышали, требует хорошего кроссовера.

У настоящего сабвуфера довольно ограниченная частотная характеристика (обычно от 20 до 100 Гц), поэтому важно получить от него максимальную отдачу.

Хотя можно получить довольно приличный басовый звук, используя большую, громоздкую, а иногда и труднодоступную низкочастотную плату с индуктором, они часто не так хороши, как электронный кроссовер с лучшим срезом, который может блокировать вокал и высокие частоты.

Кроме того, некоторые из них включают функцию усиления басов, чтобы добавить дополнительный удар, когда вы хотите больше удара — это просто невозможно с пассивным. Они также не могут работать с высокими уровнями мощности без огромной и дорогой катушки индуктивности.

Как использовать кроссовер для тыловой заливки

Одна из проблем со стереофонической звуковой системой, использующей тыловые динамики, заключается в том, что тыловые каналы могут «тянуть» стереообраз позади вас и искажать звук. Это связано с тем, что более высокие звуки используются в качестве сигналов для нашего мозга, чтобы узнать, откуда они исходят. Это одна из причин, по которой вы склонны поворачивать регулятор фейдера больше вперед, чем назад.

Когда наши уши слышат звук спереди и сзади, это часто звучит не совсем правильно. В системах объемного звучания, воспроизводящих объемный звук, это не проблема, поскольку он уже сведен специально для великолепного звучания. Однако использование сателлитных динамиков со стереозвуком быстро покажет вам проблему.

Чтобы получить лучшее заполнение сзади в вашей собственной автомобильной или домашней системе, простой трюк — использовать фильтр нижних частот, настроенный на блокировку средних и высоких частот. Попробуйте что-нибудь вроде низких частот 1 кГц или 500 Гц и посмотрите, что вы думаете!