Частотные фильтры: зачем в автоакустике нужны кроссоверы

Кроссовер — это не только вид автомобиля, но и часть его акустической системы. Без этой маленькой (иногда не очень) детали колонки в машине будут выдавать какофонию, которую будет неприятно слушать. Рассказываем, что такое акустические кроссоверы, как они работают и для чего нужны.

Акустический кроссовер разделяет звуковой сигнал на частотные диапазоны (низкие, средние, высокие) и направляет их к своему излучателю звука. 

Устройство работает за счёт активных и реактивных элементов: катушек индуктивности, конденсаторов, транзисторов и электронных схем.

Компоненты кроссовера прежде всего определяют его точку или, правильнее, частоту среза — выше или ниже неё (в зависимости от предназначения устройства) сигнал резко ослабевает. То есть схема работает как частотный фильтр.

Существует три основных типа фильтров, применяемых в кроссоверах:

1. Фильтр высоких частот (ФВЧ, HPF — High Pass Filter). Пропускает звуки выше частоты среза и ослабляет басы. Используется для защиты твитеров в компонентной акустике от средне- и низкочастотных перегрузок. 
2. Фильтр низких частот (ФНЧ, LPF — Low Pass Filter). Пропускает звуки ниже частоты среза и ослабляет высокочастотный сигнал. Применяется в сабвуферах. 
3. Полосовой фильтр (BPF — Band‑Pass Filter). Пропускает средние частоты между двумя частотами среза. Встречаются в трёхполосных системах и конструктивно представляют собой комбинацию высоко- и низкочастотных фильтров. 

У разделительных фильтров есть два главных показателя: частота среза и крутизна спада. Рассказываем о них подробнее. 

Частота среза

Частота или точка среза — это величина, которая устанавливает границу разделения частот. На схеме ниже показано, как это работает на примере двухполосного кроссовера с частотой среза 1000 Гц. 

То есть ВЧ-фильтр пропускает частоты выше 1000 Гц и ослабляет всё, что ниже этого значения. Второй фильтр работает в обратном порядке — пропускает НЧ и уменьшает интенсивность ВЧ. 

Работа полосового фильтра с двумя точками среза представлена на схеме ниже. Он пропускает средние частоты в заданном диапазоне, улучшая звучание ВЧ и низкочастотных динамиков. 

Частота среза подбирается в зависимости от резонансной частоты динамиков (F₈), указанной в технических характеристиках колонок. Если её неправильно рассчитать, то акустика будет играть плохо, с сильными искажениями, и быстро выйдет из строя. 

Для твитера точка среза должна быть выше его резонансной частоты в 2–3 раза. То есть, если в инструкции указано 1000 Гц, то частота среза должна быть в пределах 2000–3000 Гц. Однако и тут есть нюансы, так как условия звучания в автомобиле нестандартные и границу разделения частот приходиться устанавливать, ориентируясь на слух. Важно помнить, что чем ближе частота среза к резонансной частоте динамиков, тем выше нагрузка на колонки. 

Для СЧ-динамика частота среза обычно находится в пределах 250–3000 Гц. Для него устанавливаются две точки среза. 

В автоакустике границу между НЧ и СЧ выставляют в диапазоне 100–120 Гц, а СЧ/ВЧ нередко опускают до 2000–2500 Гц, чтобы твитер не шумел. 

НЧ-динамик работает до 120 Гц, всё, что ниже, остаётся для сабвуфера. 

У сабвуферов обычный показатель — ниже 120 Гц. При этом, если саб начинает гудеть, скорее всего, он перегружен частотами выше указанной границы. В этом случае нужно опустить частоту среза до 75–80 Гц и ниже. 

Крутизна спада (порядок фильтра)

У разделительных фильтров есть ещё одна важная характеристика — крутизна спада. Она показывает, с какой скоростью слабеет сигнал за пределами рабочего диапазона. Дело в том, что кроссоверы не моментально отсекают «лишние» частоты, а только ослабляют их. Крутизна спада измеряется в децибелах на октаву (дБ/октава). Всего выделяют шесть основных типов:

1. Первого порядка — 6 дБ/октава. Пассивный кроссовер максимально простой конструкции: одна катушка и один конденсатор. Низкая крутизна спада компенсируется минимальными фазовыми искажениями. 
2. Второго порядка — 12 дБ/октава. У этого устройства предусмотрены отдельные катушки и конденсаторы для твитера и низкочастотного динамика. Из плюсов — более точное разделение частот. Но уже есть фазовый сдвиг, который иногда можно устранить, поменяв полярность подключения динамиков.   
3. Третьего порядка — 18 дБ/октава. Конструкция состоит из комбинации катушек и конденсаторов. Например, в твитере может быть одна катушка и два конденсатора, а в мидбасе — наоборот. Фазовые характеристики у них весьма неплохие, но так как динамики компонентной системы в машине разнесены, их довольно сложно согласовать с помощью временных задержек.  
4. Четвёртого порядка — 24 дБ/октава. Самая высокая крутизна спада и практически отсутствующий фазовый сдвиг. При этом он непостоянный, и такие кроссоверы работают нестабильно.

Чем выше крутизна спада, тем точнее разделение частотного диапазона. Но такие кроссоверы подвержены фазовым искажениям, особенно у моделей с показателем выше 24 дБ/октава. Проблему нестабильной работы удалось решить в кроссоверах Линквица-Райли (LR). Особенность этой конструкции: уровень выходного сигнала на каждом фильтре ниже на 6 дБ, чем у входного сигнала устройства. Благодаря этому становится возможна настройка динамиков с помощью временных задержек. Это особенно важно для автомобильных колонок, так как они расположены на разных плоскостях, соответственно, звук тоже преодолевает разное расстояние до слушателя. С помощью LR-кроссоверов можно добиться очень качественного звучания, так как они дают много возможностей для настройки акустической системы.

Кроссверы классифицируются не только по встроенным фильтрам, но и по конструкции. Основных вариантов два: пассивные и активные. 

Пассивные

Самый простой тип кроссоверов, который состоит из катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов и не требует дополнительного питания — ему достаточно энергии от входящего сигнала. То есть он просто перераспределяет его в зависимости от частоты. 

Катушки лучше пропускают низкие частоты, а конденсаторы — высокие, не давая твитерам перегружаться. Резистор же выравнивает громкость динамиков, чтобы они звучали сбалансированно. Кроме этого, он помогает сделать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) более гладкой, ослабляя сигнал определённой частоты — чаще всего, ВЧ. 

Пассивные кроссоверы устанавливаются между динамиками и усилителем, то есть к ним поступает уже усиленный сигнал. И качество их работы напрямую зависит от качества компонентов и сборки устройства. В дорогих акустических системах устанавливаются сложные пассивные кроссоверы, которые разделяют частотный диапазон с высокой точностью. Кроме этого, пассивные модели достаточно просто подключить: они не нуждаются в дополнительном питании. Но у таких систем есть и минусы:

• ограниченная настройка, так как характеристики и параметры таких устройств остаются постоянными;
• повышенное сопротивление увеличивает нагрузку на усилитель;
• хуже, чем активные кроссоверы, переносят пиковые скачки мощности;
• плохо подходят для сабвуферов, поскольку эти динамики чувствительны к качеству катушек и конденсаторов. Установка дорогих компонентов ведёт к удорожанию устройства и зачастую к увеличению его размеров;
• фазовые искажения у фильтров выше первого порядка. 

Пассивные кроссоверы работают на крутизне спада по 18 дБ/октава, всё, что выше, требует активного разделителя. Несмотря на все минусы, пассивные варианты активно используются в бюджетной автоакустике.

Для справки: катушка индуктивности может быть как активным, так и реактивным элементом кроссовера. Она способна не только преобразовывать энергию в тепло, но и накапливать и отдавать её с помощью магнитного поля.

Активные кроссоверы

Активный кроссовер разделяет сигнал на частотные диапазоны до его усиления, то есть он принимает слаботочный линейный сигнал. Благодаря этому снижаются интермодуляционные искажения звука. Из-за этой особенности разделительные фильтры активного типа подключаются к двум и более усилителям. Кроме этого, они требуют дополнительного источника питания. 

Эти устройства состоят из нескольких активных фильтров. В результате получается гибкая система, которая даёт большой простор для творчества — её можно настроить точно под свои предпочтения. 

Ещё больше возможностей даёт популярный в последние годы подвид активных разделителей сигнала — цифровой кроссовер (DSP). С его помощью можно настраивать не только частоту среза, фазу сигнала и крутизну спада, но и такие параметры, как лимитирование, компрессию, сделать частотную коррекцию, отрегулировать временные задержки и подавление инфразвука и т.д.

Основные недостатки активных кроссоверов: высокая цена, сложность установки и настройки, зависимость от качества электропитания и необходимость в отдельном усилителе для каждого частотного диапазона. Но если качество звука стоит на первом месте, то все усилия и затраты полностью окупятся.

Фазовый сдвиг показывает, насколько один сигнал отстаёт от другого. Например, низкие частоты могут «опаздывать» относительно высоких. Это происходит из-за конструктивных особенностей колонок:

• самоиндукция катушек, когда ток по фазе отстаёт от напряжения;
• разряд конденсатора вызывает сдвиг фаз (отставание напряжения от тока); 
• СЧ и НЧ-динамики медленно реагируют на сигнал из-за своих больших размеров и инерции;
• колонки в автомобиле расположены в разных плоскостях. 

На слух фазовый сдвиг воспринимается как размытие звучания, нехватка определённых частот из-за интерференции (звуковые волны гасят друг друга), потеря чёткости атаки (начальный момент звукоизвлечения). Звук становится пустым, плоским и невыразительным. 

Один из распространённых способов решения проблемы фазового сдвига — инверсия полярности колонок. В этом случае их минус подключается к плюсу. В таблице ниже приведены значения фазового сдвига и рекомендации по его устранению. 

Фильтры первого и третьего порядка обычно не требуют коррекции, так как их фазовый сдвиг не приводит к заметным искажениям звука. Кроме того, у кроссоверов третьего порядка конструкция состоит из целого каскада фильтров, которые компенсируют фазовые сдвиги друг друга. 

Модели четвёртого порядка также не нуждаются в специальной настройке, так как 360° математически означает 0°. То есть фазового сдвига у них практически нет. А вот устройства второго порядка образуют противофазу, где звуковые волны от разных динамиков накладываются друг на друга, и в этом случае может помочь вышеуказанный способ со сменой полярности. 

Инверсия полярности подходит только для пассивных кроссоверов. В активных и особенно цифровых используются другие методы коррекции, которые можно настраивать самостоятельно или с помощью специалистов по автозвуку.

Как выбрать кроссовер для автомобильной акустики

При покупке внешнего кроссовера стоит учесть следующие факторы:

1. Тип акустики. Внешние фильтры используются в первую очередь для настройки компонентной акустики, реже — качественной коаксиальной. В широкополосных динамиках это не имеет смысла, роль кроссовера в таких колонках выполняет катушка с конденсатором. 
2. Тип кроссовера. Пассивные модели используются в штатной и бюджетной акустике, активные и цифровые подходят для более дорогих и сложных систем с несколькими динамиками. 
3. Количество динамиков в системе. От этого зависит количество полос (фильтров) в кроссовере. Для трёхкомпонентной акустики выбирайте трёхполосные кроссоверы, для двухкомпонентной — с двумя фильтрами. 
4. Совместимость с усилителем. Импеданс кроссовера и колонок должен соответствовать импедансу усилителя. Также обратите внимание на пиковую мощность — устройство должно выдерживать её колебания. Если нарушить эти правила, динамики начнут выдавать искажённый звук и быстро выйдут из строя из-за перегрузки. 
5. Частотные параметры динамиков. Точка среза кроссовера должна быть безопасной для динамиков, поэтому внимательно изучите резонансную частоту колонок, для которых приобретается устройство.  
6. Возможность регулировки. Если вы любите повозиться с настройками, выбирайте модели с большим количеством функций. В противном случае вам подойдут более простые варианты, где достаточно настроить частоту среза, фазу сигнала и временные задержки. 

Кроме этого, необходимо обратить внимание на качество компонентов и сборки акустического кроссовера. Модели, сделанные из частей сомнительного качества, долго не проработают и могут стать причиной поломки других компонентов акустической системы.