Для чего нужен и как работает кроссовер в звуке.
Для Лиги лени:
Кроссовер – это разделение нефильтрованного аудиосигнала в соответствии с заранее заданным верхним или нижним порогом. Кроссовер в акустических системах обеспечивает каждому из динамиков тот диапазон частот, для воспроизведения которых он и был сконструирован.
Несмотря на все достижения человечества: полеты в космос; интернет; искусственный интеллект; тик-ток; четырка на ломах с двумя двенашками по 3кВт каждая и 3 кВт усилителем на КаГэшной нулевке…несмотря на всю эту красоту, человечеству еще не удалось придумать динамик способный воспроизвести весь звуковой спектр - от низких до высоких частот – с отсутствием искажений на вариативных уровнях громкости. Поэтому, в большинстве аудиосистем – как домашних, так и автомобильных принято использовать комбинации из нескольких громкоговорителей, отвечающих за работу с определенным диапазоном частот. Звуковой сигнал, поступающий с какого-либо носителя – флешка, компакт-диск, кассета, грампластинка, проволока для телеграфона - содержит в себе и низкие, и средние, и высокие частоты одновременно. И для того, чтобы разделить эти частотные диапазоны и направить каждый из них на соответствующий динамик, используются специальные электронные схемы, называемые кроссоверами, или, иначе говоря, разделительными фильтрами. Такие фильтры могут делить сигнал на 2 или 3 частотных диапазона. А фильтров у нас с вами по сути всего два:
Фильтр высоких частот – ФВЧ (HPF) – пропускающий высокие частоты входного сигнала и при этом подавляющий частоты находящиеся ниже частоты среза.
Фильтр низких частот – ФНЧ (LPF) – этот фильтр наоборот, пропускает частоты находящиеся ниже частоты среза.
Заслуживает упоминания еще и полосовой фильтр – ПФ(BPF), ведь он встречается в треполосных кроссоверах. Хотя, это лишь последовательное соединение ФВЧ и ФНЧ фильтров, выделяющих определенную полосу частот и подавляя все, что находится выше и ниже этой полосы.
Встречаются кроссоверы, у которых полос разделения частот бывает в 2, а то и в три раза больше, но используются они либо на концертной акустике, либо в студиях звукозаписи, поэтому, рассматривать здесь мы их не будем, хотя, если у читателей блога возникнет интерес и будет известное количество пожеланий, мы можем посвятить этому отдельную статью, а пока…
Кроссоверы делятся на два типа – пассивный и активный.
Пассивный кроссовер.
Самый распространенный тип кроссовера. Представляет собой цепь пассивных (не требующих отдельного питания) компонентов – конденсаторов, индукционных катушек, резисторов, и, в аудиосистеме он фильтрует аудиосигнал ПОСЛЕ усиления. Т.е. сигнал на кроссовер поступает с внешнего усилителя, например, с головного устройства. Количество компонентов кроссовера зависит от качества и класса акустики. Самый простейший вариант можно увидеть, например, на 2х полосной коаксиальной акустике. Разделителем там выступает конденсатор, установленный на твитере, и выступает он в роли ФВЧ – еще раз повторимся - пропуская сигналы выше частоты среза и подавляя при этом низкие частоты. Если убрать этот конденсатор из цепи, то, твитер сначала начнет играть с искажениями, после чего, выйдет из строя, или попросту сгорит. Но чаще всего пассивные кроссоверы представляют собой электросхемы заключенные в корпуса, в которых различные компоненты выстроены в определенной последовательности и имеющие определенную топологию (схему соединений). Реже встречаются кроссоверы, которые располагаются прямо на компонентах акустической системы, например, на высокочастотном динамике, в разрыве стоит конденсатор, а на мидбасовом, закреплена катушка индуктивности с ферритовым сердечником. Чем выше класс акустической системы, тем выше качество компонентов и тем сложнее сама топология этой электронной схемы. Все это, безусловно сказывается на стоимости комплекта акустики.
Любой производитель акустики, для каждой серии своих систем, подбирает наиболее оптимальные схемы кроссоверов, и, в целом достигая хорошего звучания того или иного комплекта, нельзя не сказать и о недостатках пассивных кроссоверов. Один из которых, это снижение чувствительности и изменение сопротивления, что нагружает усилитель и теряется контроль над движением звуковой катушки динамика. Второй – фазовые искажения. С использованием пассивных кроссоверов фазовый сигнал будет поступать на динамики с небольшой задержкой и, если учесть факт, что и сами динамики не обладают идеальными фазовыми характеристиками, плюс неравноудаленное расположение динамиков до слушателя, все это делает пассивный кроссовер не самым удачным выбором для стремления получить наиболее качественный звук и выстроить правильную звуковую сцену.
Активный кроссовер.
В отличие от пассивного кроссовера здесь необходим усилитель мощности. Причем, для каждой полосы разделения требуется отдельный усилитель. Т.е., например, для двухполосного активного кроссовера потребуется два усилителя один для ВЧ динамика, а другой для НЧ. Практически каждый автомобильный усилитель мощности имеет на борту набор активных фильтров, как правило, плавнонастраиваемых и обычно двухполосных – HPF (ФВЧ) и LPF (ФНЧ). Но встречаются усилители где в дополнение к ним есть и полосовой фильтр Bandpass (ПФ), позволяющий выстраивать трехполосные схемы подключения. Также, стоит упомянуть особый фильтр Subsonic. Встречается он чаще всего на моноканальных усилителях и представляет собой собственно фильтр ФВЧ, но при этом он обрезает инфранизкие частоты. В простейшем примере - чтобы избежать возникновения «гудежа» на сабвуфере в коробе с фазоинвертором.
Преимущества активного кроссовера.
Несмотря на сложность в подключении, а также, неизбежно возрастающую стоимость такого решения, использование активного кроссовера имеет очевидные преимущества перед пассивными фильтрами.
Во-первых, каждый из динамиков, работает только с собственным сигналом. Это сразу сильно снижает уровень интермодуляционных* искажений.
*Необходимое лирическое отступление об интермодуляции.
При усилении многочастотного сигнала, возникают такие частоты, которые изначально отсутствовали во входном сигнале. Такой эффект называется интермодуляцией, или нелинейными искажениями.
Во-вторых, можно произвести более точную настройку частот для каждого, отдельно взятого динамика, тем самым точнее выравнивания АЧХ сигнала.
В-третьих, поскольку в цепи отсутствуют потребляющие дополнительную энергию компоненты, снижаются требования к мощности усилителя.
В-четвертых, улучшается контроль над динамиками, поскольку, в случае использования активного кроссовера, коэффициент демпфирования значительно выше.
С развитием технологий в наше время уже давно доступны цифровые кроссоверы, представляющие собой активные кроссоверы реализованные в цифровом виде с использованием процессора цифровых сигналов - DSP процессор. Головные устройства, имеющие на борту такой процессор, появились еще в 90-е годы прошлого века. Сегодня никого не удивишь как отдельным звуковым процессором, так и усилителями мощности в которые такой процессор уже встроен. Диапазон настроек в этих устройствах, позволяет добиваться максимально возможного качества звучания в таком непростом для этого месте, как автомобиль. Останавливаться на свойствах процессора здесь мы не будем, но в будущем посвятим этому отдельную статью.
В этой статье мы постарались дать простое понимание кроссовера, как части автозвуковой системы. Разумеется, это далеко не все, что нужно знать о кроссоверах, и, поэтому мы решили, что будет продолжение, в котором мы рассмотрим их классификацию на основе порядка и крутизны спада.