• Zwrotnice częstotliwościowe w ujęciu praktycznym

    1. Wstęp


    Dostaję sporo maili z pytaniami dotyczącymi zwrotnic. Niektóre są całkiem normalne na inne przydałby się cudotwórca. Bynajmniej nie chodzi tu o skomplikowanie problemu co o nieznajomość tematu przez pytającego. W zasadzie nie ma się czemu dziwić. Problematyka związana ze zwrotnicami głośnikowymi jest dość trudna do przebrnięcia w początkowym okresie. Wszystko utrudnione jest przez niewielką ilość informacji na ten temat. Każdy szybko dowiaduje się, że w kolumnie głośnikowej powinna być zwrotnica. Dowiaduje się bez problemu jak obliczyć filtr dolno i górno przepustowy. Tylko co dalej ? Tu zaczynają się niezłe schody, wiedza teoretyczna jest niewystarczająca a praktycznej brak ...
    Na podstawie zebranych doświadczeń praktycznych, bo praktyka w budowie zwrotnic jest chyba najważniejsza, oraz na postawie wiedzy teoretycznej spróbuję przybliżyć temat związany z wykonaniem przyzwoitej zwrotnicy. Nie będę omawiał najprostszych zagadnień związanych z rodzajami filtrów nie przedstawię też jakiś gotowych rozwiązań pod konkretne głośniki. Postaram się natomiast zwrócić uwagę na moim zdaniem najważniejsze aspekty związane z projektowaniem zwrotnicy.

    2. Wiadomości podstawowe

    Na wstępnie, ze swojego doświadczenia mogę powiedzieć tyle, że nie da się za pierwszym podejściem zrobić dobrej zwrotnicy. Najczęściej popełni się kilka błędów. Z drugiej strony zawsze jest jakieś alternatywne rozwiązanie nawet dla dobrego projektu, które nie będzie wcale gorsze. Całość sprowadza się do tego, że nie da się z góry przewidzieć efektów zastosowania takiego czy innego rozwiązania. Dopóki nie spróbujesz to się nie dowiesz. Ostateczna weryfikacja następuje po długotrwałych odsłuchach.
    Czasem ktoś się mnie pyta czy zastosowanie jakiejś zwrotnicy do jakiegoś tam głośnika jest ok., czy będzie dobrze brzmiało? Pomijając pomysły kompletnie bezsensowne skąd ja mam to wiedzieć ? Ja projektując sobie zwrotnicę, nawet mając pomiary nie wiem czy będzie dobrze. Tym bardziej nie wiem mając informacje tylko o kilku elementach filtru i typie głośnika.
    Równie częstym pytaniem jest to na ile zmieni się brzmienie. Czy faktycznie zrobienie dobrej zwrotnicy tak dużo daje. Oczywiście nie ma żadnej miary którą można by przyłożyć do tego zagadnienia. Moim zdaniem różnica między byle jaką zwrotnicą a taką która jest naprawdę dopracowana jest jak wymiana sprzętu na co najmniej o klasę lepszy. Można więc pocieszyć się faktem, że Tonsil z dobrą zwrotnicą zagra co najmniej tak dobrze jak Vifa z byle czym.

    Przejdźmy teraz do konkretów. Na początek rozwiążmy najprostsze problemy a następnie zajmijmy się sprawami poważniejszymi.

    Zwrotnice uniwersalne

    Temat często powracający. Osobiście nie miałem z nimi większej styczności. Prosta zasada brzmi, że jak coś jest do wszystkiego to jest do niczego. Tego typu zwrotnice są najczęściej wykonane na podstawie obliczeń, które możemy dokonać w pierwszym lepszym programie do obliczania filtrów pasywnych. Wstawienie wartości impedancji głośnika i częstotliwości podziału jest na tyle proste, że projekt takiej zwrotnicy może zrobić nawet najmniej doświadczony konstruktor. Jeżeli jesteś na tyle zdesperowany, że chcesz kupić zwrotnicę uniwersalną to lepiej samemu sobie ją oblicz , kup elementy i zlutuj. Efekt będzie taki sam jak z fabryczną a przy tym czegoś się nauczysz i może zaoszczędzisz pieniądze.
    W sprzedaży są też zwrotnice podobno optymalizowane pod konkretne typy głośników. Prawdopodobnie taka optymalizacja jest lepsza niż całkiem oderwana od rzeczywistości zwrotnica uniwersalna, jednak nie można przyjmować jej bezkrytycznie. Ilość parametrów jakie należy uwzględnić przy projektowaniu zwrotnicy pod konkretny zestaw jest na tyle duża, że nie obejmie ich żadna optymalizacja. Zresztą te, wydaje mi się, sprowadzają się do zastosowania „odpowiedniego” tłumika efektywności, tudzież korektora impedancji, czy innej częstotliwości podziału. Takie optymalizacje można wykonać we własnym zakresie i nie trzeba za to płacić. Czyli wracamy do punktu wyjścia. Jak chcesz kupić taką zwrotnicę, lepiej zrób ją samemu, tylko zyskasz.

    Dobór częstotliwości podziału

    W zasadzie powinno się zacząć od doboru głośników. Jednak jedno z drugim się wiąże i dobór głośników wyniknie sam z siebie.
    W kwestii wyboru częstotliwości podziału jest wiele niejasności. Zwykle wynikających z nieznajomości podstawowych zasad związanych z filtracją sygnałów docierających do głośnika.


    rys 1. Przykładowa charakterystyka głośnika

    Przyjrzyjmy się powyższemu wykresowi. Głośnik liniowo przetwarza do ok. 4,5kHz później widoczne są rezonanse, których należałoby unikać. Nie każdy głośnik ma je na skraju swojego pasma ale duża część tak. Wynika to z konstrukcji membrany. Głośniki z twardszą membraną mają wyraźnie zaznaczone rezonanse. Te z miękką mają je rozłożone na większą część pasma i dlatego zwykle są mało widoczne.

    Częstym błędem w tym miejscu jest stwierdzenie typu: pięknie ciągnie do 4,5kHz, więc na tę częstotliwość dam filtr, wszystko powyżej zostanie wycięte i jest ok. Oczywiście po takiej aplikacji nie należy spodziewać się pozytywnych rezultatów. Żaden analogowy filtr nie działa jak nożem uciął a jeżeli nawet dokonalibyśmy takiej filtracji np. na drodze cyfrowej to efekt brzmieniowy bynajmniej nie byłby zachwycający.

    Analogowe filtry niestety potrzebują „przestrzeni” na skali częstotliwości aby skutecznie działać. Zapewne każdy słyszał, że filtr ma przykładowo 12dB/oktawę. Znaczy to ni mniej ni więcej tyle, że oktawę dalej (lub wcześniej dla filtru górno przepustowego) od założonej częstotliwości filtracji sygnał będzie o 12dB słabszy od stanu wyjściowego (oktawa- przedział częstotliwości w którym górna częstotliwość jest dwa razy większa od dolnej np. oktawą jest 1kHz-2kHz).
    Żeby to przybliżyć dam przykład czysto praktyczny. Z obserwacji zauważyłem, że aby na charakterystyce zestawu nie odznaczały się składowe po filtracji, sygnał musi być właśnie poniżej tych 12dB. Chcąc aby nasz głośnik z wykresu swoim paskudnym rezonansem nie odznaczał się na charakterystyce w paśmie przeznaczonym dla głośnika wysoko tonowego, należałoby ten rezonans obniżyć o co najmniej 12dB względem średniej efektywności. Jako, że rezonans ten wybija się ponad średnią (inaczej byśmy się nim tak nie martwili) skuteczność filtracji w tym zakresie powinna w sumie wyjść ok. 18dB przy czym założona częstotliwość filtru dolnoprzepustowego to 2,5kHz! Absurd, prawda?
    Jest to przykład dość przejaskrawiony , jednak nie bez znaczenia. Z sytuacji tej można wybrnąć na dwa sposoby: zastosować filtr o większej niż 12dB stromości lub pogodzić się z tym, że nie odfiltrujemy rezonansu na tyle skutecznie aby nie pozostał on bez wpływu na charakterystykę zestawu.
    Problem ten nasila się wraz z wielkością głośnika. Im większy głośnik zastosujemy tym niższą częstotliwość filtracji musimy zastosować. Jeżeli nawet 20cm głośnik bardzo ładnie przetwarza nawet do 3kHz to i tak nie będziemy w stanie zastosować go do tak wysokiej częstotliwości. Powyżej „fizycznych” możliwości przetwarzania głośnik bardzo szybko traci na efektywności. Odnosi się to zarówno do dolnej jak i górnej częstotliwości granicznej. Na przytoczonym wykresie jest to częstotliwość ok. 10kHz, więc bardzo wysoko. Jednak głośnik jest wielkości typowej 13’tki. Dla większych głośników ta częstotliwość się obniża i tak dla 20cm głośnika będzie to już 3-3,5kHz.
    Nietrudno się domyślić, że wszelkie gwałtowne zmiany charakterystyki głośnika nie ułatwiają faktu uzyskania prawidłowej charakterystyki zestawu. Nie pomoże w tym przypadku żaden filtr. Najprostszą i najskuteczniejszą metodą jest trzymanie się oktawę niżej od skraju możliwości naszego głośnika. Dla naszego przykładowego głośnika skrajem będzie 6kHz gdyż tam notujemy rezonans, więc częstotliwość filtracji to 3kHz. Dla 20’tki nawet równo ciągnącej do 3,5khz nie powinniśmy przekraczać 1,5khz.
    Można by stwierdzić, że jest to podejście zbyt asekuranckie i w pewnych przypadkach niemożliwe to zrealizowania. Są przecież bardzo dobre głośniki 16cm przetwarzające poprawnie pasmo do 4-4,5kHz i przecież nie zastosujemy podziału częstotliwości na 2kHz bo to w przypadku zestawu 2 drożnego niewykonalne.
    Racja w takim przypadku trzeba tak dobrać rodzaj filtrów aby częstotliwością filtracji nie popaść w jakąś skrajność lub pogodzić się na pewien kompromis. Widać też w tym momencie wady stosowania dużych głośników w zestawach 2 drożnych oraz przewagę zestawu 3 drożnego, gdyż można optymalnie wykorzystać możliwości głośników w zakresach w których najlepiej się one spisują. Z drugiej strony nie należy popadać w skrajność i podzielenie pasma na zbyt dużą ilość głośników jest również błędem. Zespoły 4 drożne przeszły do lamusa i nieczęsto pojawiają się takie rodzynki wśród fabrycznych konstrukcji. Jeżeli już to są to konstrukcje bardzo wyrafinowane w których producent wiedział co robi.

    Przejdźmy zatem do głośnika wysoko tonowego. Tu sprawa jest bardzo podobna, przy czym należy uważać żeby nie przesadzić ze zbyt niską częstotliwością podziału. O ile zbyt wysoka częstotliwość podziału nie zaszkodzi głośnikowi nisko tonowemu i co najwyżej ucierpią na tym walory brzmieniowe, to zbyt niska częstotliwość może doprowadzić dodatkowo do uszkodzenia głośnika wysoko tonowego obciążając go nadmierną mocą.
    Generalnie częstotliwość podziału należałoby ustalić co najmniej na częstotliwości 3 krotnie większej od częstotliwości rezonansu głośnika. Głośniki kopułkowe o średnicy 25 mm zwykle częstotliwość rezonansu mają w granicach 1kHz. Tak wiec podział powinno się ustalić na min 3kHz. Są głośniki o rezonansie na dużo wyższej częstotliwości i też należałoby się trzymać tej zasady. Jeżeli chcemy mieć niższy podział to lepiej jest po prostu zaopatrzyć się w odpowiedni głośnik, który to umożliwi. Można odstąpić od tej reguły ale należy to zrobić w sposób przemyślany i kontrolowany stosując filtr o większej stromości.
    Są też głośniki o bardzo niskich rezonansach na poziomie 600-750Hz. Nie zawsze w takim przypadku można zastosować podział na częstotliwości 2kHz. Warto wtedy zainteresować się jaką aplikację tego głośnika proponuje producent.
    Niekorzystny wpływ zbyt niskiej częstotliwości podziału jest nie tylko związany z dostarczeniem nadmiernej mocy. Przecież mogą być takie aplikacje w której głośnik wysoko tonowy ma tłumik efektywności 6-8dB i ilość dostarczanej mocy jest pod kontrolą.
    Zbyt niska częstotliwość podziału powoduje, że głośnik wysoko tonowy nie jest w stanie poprawnie odtworzyć tych częstotliwości. Powstają zniekształcenia sygnału i to w paśmie w którym nasz słuch jest najbardziej wyczulony! Średnie tony stają się nieprzyjemnie ostre.
    Tak więc „polepszanie” na siłę i ustalenie zbyt niskiej częstotliwości podziału może tylko zaszkodzić końcowemu efektowi.

    Podsumowując ten rozdział można dojść do wniosku, że w zasadzie nie ma żadnego pola do manewru. Pomijając konstrukcję na drogich głośnikach kopułkowych umożliwiających ustalenie częstotliwości podziału na poziomie 2kHz oraz nie biorąc pod uwagę konstrukcji z małymi głośnikami nisko-średnio bądź typowo średnio tonowymi umożliwiającymi podział na poziomie 4-5kHz, w zasadzie skazani jesteśmy na zakres 3-4kHz. I to jest prawda, większość konstrukcji 2 drożnych ma ulokowany podział częstotliwości w tym zakresie. To jak wykorzystamy tą niewielką przestrzeń jest sztuką doboru odpowiedniej zwrotnicy.

    Charakterystyki wypadkowe


    Zaobserwowałem, że każdy początkujący konstruktor wyobraża sobie działanie zwrotnicy tak jak ma to miejsce w książkach czy jakiś innych teoretycznych opracowaniach. Przyznam się, że sam kiedyś sobie tak to wyobrażałem. Mamy zatem przykładowo konstrukcję 2 drożną (będziemy się jej trzymać dla wygody i uproszczenia). Konstrukcja ta ma w pewnym miejscu rozdział sygnału na dwa głośniki a ich charakterystyki są liniowe, elegancko odfiltrowane w odpowiednim miejscu i pięknie łączą się w całość...


    rys 2. Połączenie filtrów DP i GP 1 rzędu. Przypadek idealny.

    Jest to przypadek najbardziej idealny i pożądany w świecie audio, mianowicie filtry 1 rzędu. Pomimo, że jak na razie wygląda super, to tego typu filtry są równie trudne w aplikacji co pozostałe 2 czy 3 rzędu. Uzyskanie charakterystyki akustycznej o nachyleniu 1 rzędu nie jest wcale łatwe bo w głównej mierze wymaga zastosowania bardzo dobrych głośników z równomierną charakterystyką w dużym obszarze częstotliwości. Zatem odpadają wszelkie głośniki z rezonansami na skraju pasma.

    Zobaczmy zatem jak wygląda teoria w przypadku filtru 2 rzędu:


    rys 3. Połączenie filtrów DP i GP 2 rzędu. Przypadek idealny. Polaryzacja zgodna.

    Coś nie tak już w fazie teoretycznej. Powyższy wykres przedstawia zestawienie dwóch filtrów butterwortha wyliczonych dla częstotliwości 3kHz i obciążenia 8ohm. Widać wyraźnie, że sygnały są w przeciw fazie co jest często spotykane dla filtrów tego typu. Piszę często a nie zawsze bo w rzeczywistości z głośnikiem różnie bywa i dla filtru 2 rzędu nie zawsze trzeba obracać fazę jednego z nich. Zmieńmy zatem fazę:


    rys 4. Połączenie filtrów DP i GP 2 rzędu. Przypadek idealny. Polaryzacja przeciwna.

    Już lepiej ale teraz widać 3dB podbicie w miejscu łączenia charakterystyk. Mamy zatem kolejny wniosek. Filtrów, przynajmniej tego, nie można liczyć na „punkt” tylko trzeba zastosować pewne rozsunięcie częstotliwości. Należy pamiętać, że kalkulator liczy filtr na częstotliwość –3dB! Charakterystyki tego filtru powinny się przecinać w punkcie –6dB a nie –3dB (jak dla filtru 1 rzędu).


    rys 5. Połączenie filtrów DP i GP 2 rzędu. Przypadek idealny. Rozsuniecie częstotliwości filtrów. Polaryzacja przeciwna.

    Powyższy wykres pokazuje połączenie charakterystyk, przy czym filtr górno przepustowy obliczony został na częstotliwość aż 4,2kHz. Dopiero takie rozsunięcie spowodowało, że podbicie jest minimalne. Dalsze rozsuwanie powodowało pojawienie zapadłości w okolicach 3kHz.

    Jednak nie zawsze rozsunięcie jest konieczne. Podbicia bądź dziury na sumarycznej charakterystyce wynikają z przebiegów fazowych dla poszczególnych filtrów. Wystarczy czasem zmienić typ filtru na inny i uzyskać całkiem przyzwoite wyniki. Takim filtrem jest Linkwitz-Riley. Poniżej przykładowy wykres dla obu filtrów wyliczonych na tę samą częstotliwość.


    rys.6. Połączenie filtrów DP i GP 2 rzędu o charakterystyce Linkwitz-Riley. Przypadek idealny.

    Filtr tego typu charakteryzuje się najłagodniejszym przebiegiem fazowym (biorąc pod uwagę filtry tego samego rzędu czyli 2 lub 4), i nieco innym, bardziej łagodnym przebiegiem filtracji zaczynającym się dużo wcześniej niż np. w filtrze butterwortha, najniższą dobrocią bo tylko 0,5 a więc najlepszymi charakterystykami impulsowymi. Co najważniejsze nie trzeba rozsuwać częstotliwości aby wynikowa charakterystyka była płaska. Filtry tego typu uważane są za jedne z najlepszych w zastosowaniach audio. Jak widać sumaryczna charakterystyka jest idealnie płaska a filtry przecinają się w punkcie –6dB.

    Przyjrzyjmy się teraz filtrowi bessela, czyli coś pomiędzy Linkwitzem a butterworthem. Wyniki są oczywiście łatwe do przewidzenia, czyli coś pomiędzy dwoma ww. filtrami.


    rys.7. Połączenie filtrów DP i GP 2 rzędu o charakterystyce Linkwitz-Riley. Przypadek idealny.

    Obrazuje to jak łatwo popełnić błąd już w początkowej fazie projektu. Po pierwsze faza, po drugie miejsce przecięcia, a jeszcze trzeba uwzględnić kilka innych rzeczy...

    Dobór filtrów


    Dobór odpowiednich filtrów dla zestawu to chyba najtrudniejsza rzecz w całym etapie projektowania. Najtrudniejsze w tym wszystkim jest to, że najpierw trzeba zrobić i odsłuchać aby mieć jakiekolwiek zdanie o zastosowanym filtrze. Dla kogoś kto robi to po raz pierwszy może się wydawać, że jest dobrze. Zmieni zdanie dopiero gdy usłyszy te same głośniki z innym zestawem filtrów. Tak więc pewnym jest, że jak się chce zrobić dobrą zwrotnicę na pierwszym projekcie zwykle się nie poprzestanie.

    Najlepszym kierunkiem jaki można obrać na tym etapie to wykonanie pomiarów. Załatwia to z miejsca większość wątpliwości z jakimi będą się borykać ci którzy filtry będą chcieli stroić na ucho. Kierunek wykonywania działań jest prosty: wpierw pomiary i wstępny projekt a następnie poprawki na bazie odsłuchów. Rozpoczynanie od razu od wykonywania na bazie odsłuchów to brnięcie po omacku. Kompletna strata czasu.

    Drugi etap posiadając już pomiary do dobór częstotliwości podziału i stromości filtru. Ja przyjmuję zasadę podporządkowywania całości głośnikowi nisko-średnio tonowemu, gdyż to z nim jest zwykle więcej kłopotów. W przypadku konstrukcji 3 drożnej podporządkowałbym wszystko średnio tonowemu.
    Najczęściej dąży się do możliwie niskiego podziału pasma aby głośnik ten obsługiwał najmniejszą część pasma średnio tonowego. Czasem trzeba też wyeliminować jakieś rezonanse na skraju pasma. Po dopasowaniu filtru dolno z górno przepustowym nie ma już tyle kłopotu. Mogą się natomiast pojawić problemy z fazą. Sprawę zwykle można załatwić doborem odpowiedniej stromości filtru GP i polaryzacją głośnika. Jeżeli nadal jest problem to warto zmodyfikować nieco filtr pod kątem polepszenia przebiegu fazy. Można też zmienić nieco parametry toru nisko tonowego. Gdy nadal nie można się uporać z fazą, wypadałoby cały projekt rozpocząć od nowa obierając inna koncepcję filtrów (częstotliwość podziału, stromość).

    Podstawowe układy stosowane w filtrach DP.


    Korektor impedancji

    Zajmijmy się na początek rzeczą która spędza sen z powiek większości początkujących konstruktorów. Każdy się dowiaduje, że trzeba dać korektor impedancji aby filtr działał jak należy. Tylko dlaczego i jak to zrobić nie zawsze każdy już wie.

    Czym jest korektor impedancji ? Poniższy rysunek przedstawia typowy filtr 2 rzędu wraz z korektorem impedancji :


    rys 8. Korektor impedancji.

    Gałąź zaznaczona to oczywiście korektor impedancji. Jego działanie polega na linearyzacji przebiegu impedancji głośnika. Jak wiadomo każdy głośnik ma dwa podstawowe parametry elektryczne: rezystancję i indukcyjność. Indukcyjność powoduje, że wartość modułu impedancji rośnie wraz z częstotliwością. Przedstawia to wykres z pomiaru impedancji głośnika :


    rys 9. Przebieg impedancji bez korekcji impedancji

    Natomiast wykres poniżej przedstawia ten sam głośnik po linearyzacji przebiegu impedancji za pomocą korektora:


    rys 10. Przebieg impedancji po zastosowaniu korektora.

    Jak widać moduł impedancji utrzymuje się mniej więcej na stałym poziomie. Co to daje? Otóż każdy filtr wyliczany jest na konkretne obciążenie, które zakładamy, że jest niezmienne w funkcji częstotliwości. Oczywiście głośnik takim obciążeniem nie jest ale po zastosowaniu korektora bardzo się do tego ideału przybliża co już zostało wykazane.
    Jeżeli filtr ma inne niż zakładane obciążenie to w rezultacie mamy inną od zakładanej częstotliwość i charakterystykę filtracji. Jeżeli wartość impedancji jest większa od zakładanej to częstotliwość filtracji się podnosi. Jeżeli impedancja zmaleje to częstotliwość filtracji spadnie.
    Jeżeli impedancja rośnie wraz częstotliwością filtr tak jakby ciągle „przestawia” się na wyższą częstotliwość filtracji w rezultacie czego w ogóle nie filtruje lub bardzo słabo.
    Aby to zobrazować przyjrzyjmy się jak zachowa się filtr 1 rzędu z obciążeniem o impedancji rosnącej wraz z częstotliwością jak ma to miejsce w głośniku:


    rys 11. Działanie filtru DP 1 rzędu bez korektora impedancji (niebieski)

    Jak widać po niebieskiej charakterystyce filtracja następuje do pewnego momentu po czym wzrost impedancji głośnika jest na tyle duży, że filtr w ogóle przestaje dalej filtrować i poziom utrzymuje się na ok. –8dB. Jest to oczywiście za słaba filtracja i sygnały z poziomu –8dB będą bardzo wyraźnie odznaczać się na charakterystyce częstotliwości głośnika wysoko tonowego. Można się jedynie pocieszyć tym, że filtracja rozpoczyna się mniej więcej na zakładanej częstotliwości.
    Bardziej dramatycznie przedstawia się sytuacja w przypadku filtru 2 rzędu:


    rys 12. Działanie filtru DP 2 rzędu bez korektora impedancji (niebieski)

    Pierwsze co się rzuca to duże podbicie na skraju pasma głośnika nisko tonowego. Dodatkowo częstotliwość filtracji przesuwa się prawie oktawę dalej a stromość charakterystyki jest daleka od zakładanej. W rezultacie uzyskujemy na charakterystyce zestawu wąskopasmowe podbicie, fatalny przebieg fazy, niemalże całkowity brak filtracji głośnika nisko tonowego. Taki przypadek jest 100% pewny w przypadku wykonania zwrotnicy metodą: wstawiamy do kalkulatora impedancje głośnika, ten oblicza wartości cewki i kondensatora a my wykonujemy zwrotnicę licząc, że sprawa jest załatwiona. Jak widać nic bardziej błędnego. Rozwiązania w tym przypadku są dwa. Pierwszy to zastosowanie korektora impedancji. Drugi to modyfikacja wartości cewki i kondensatora tak aby uzyskać zakładaną charakterystykę. Sytuację taką przedstawia poniższy wykres (czerwony to zakładana idealna charakterystyka butterwortha).




    rys 13. Charakterystyki po filtracji po zastosowaniu różnych filtrów
    i schematy filtrów:



    rys 14. Schematy filtrów dla wykresu z rys 11.

    Zwykły filtr spisuje się fatalnie (kolor czarny), co potwierdza wcześniejsze teoretyczne symulacje. Niebieski to ten sam filtr ale z zastosowaniem korektora impedancji. Jak widać sytuacja poprawia się do akceptowalnej. Zielony to filtr z ręcznie dobieranymi wartościami cewki i kondensatora. Spisuje się najlepiej ale tylko dlatego, że elementy dobrane zostały ręcznie. W przypadku filtru z korektorem wartości liczył program dla zakładanej rezystancji 8 ohm. Jak widać można uzyskać całkiem skuteczną filtrację posługując się tylko paroma obliczeniami.
    Jednak podstawią do tego jest dobre zlinearyzowanie przebiegu impedancji. Korektor impedancji można obliczyć na podstawie wzorów :


    gdzie:
    Ck, Rk to wartości elementów korektora
    Re, Le rezystancja i indukcyjność głośnika

    W praktyce wartości mogą się różnić od wyliczonych gdyż czasem trzeba mniej lub bardziej korygować przebieg impedancji. Czasem korygowany przebieg nie będzie odpowiadał założonemu bo indukcyjność głośnika jest inna niż deklarowana przez producenta. Wtedy najlepiej posłużyć się pomiarem.

    Pułapka rezonansowa

    Układ z pułapką rezonansową stosowany jest często w przypadku gdy w pobliżu częstotliwości podziału głośnik posiada silne rezonanse. Zwykły filtr nie byłby w stanie tychże rezonansów skutecznie odfiltrować a stosowanie nachylenia 4 rzędu też zwykle mija się z celem chociażby ze względu na koszta. Dodatkowo filtr z pułapką rezonansową i tak będzie skuteczniejszy.

    Poniższy schemat zwrotnicy przedstawia układ z pułapką rezonansową i charakterystykę częstotliwościową po filtracji.


    rys 15. Przykład pułapki rezonansowej i jej działania.

    Dla porównania do wykresu dodany został przebieg dla idealnego filtru butterwortha 4 rzędu. Jak widać skuteczność filtracji tego prostego jest wręcz niesamowita. Działanie układu rezonansowego składającego się z elementów Lz1 i Cz1 każdy powinien znać chociażby z lekcji fizyki. Dla przypomnienia, układ ten dla częstotliwości rezonansowej ma znikomą impedancję , równą w zasadzie rezystancji cewki. Powoduje to, że do głośnika praktycznie nie dociera żaden sygnał. Stąd tak wielka skuteczność.
    Częstotliwość rezonansową można obliczyć za pomocą wzoru:


    Jednakże pozostaje jeszcze kwestia odpowiedniego doboru wartości elementów gdyż tą samą częstotliwość rezonansową można uzyskać dla różnych wartości L i C. Dobór tych elementów ma wpływ na to jak będzie się zachowywał układ rezonansowy. Jeżeli zastosuje się dużą indukcyjność a małą pojemność układ będzie miał charakter „wąsko pasmowy”. Rezonans będzie widoczny na małym obszarze częstotliwości tylko w punkcie na który wyliczony został układ. W sytuacji odwrotnej gdy damy duża pojemność a małą indukcyjność układ będzie zaznaczał swoje działanie szeroko na skali częstotliwości.
    Sytuację tę przedstawiają wykresy i schematy filtrów poniżej.


    rys 16. 3 różne aplikacje pułapki rezonansowej na tę sama częstotliwość.

    Najlepiej jest dobierać elementy mając do dyspozycji pomiary gdyż można zasymulować działanie filtru. Bez zastosowania pomiarów wyszedłbym z założenia, że kondensator dobieramy wyliczając normalny filtr 2 rzędu na żądaną częstotliwość a następnie „dokładamy” cewkę szeregowo o odpowiedniej wartości.
    W powyższych symulacjach pułapka była wyliczana na rezonans 6kHz.

    Aby „ucywilizować” ten układ można zawsze zmniejszyć działanie pułapki dodając rezystor szeregowo. Dodanie opornika zaledwie 3.3 ohm daje taki o to rezultat (wykres czarny):


    rys 17. Efekt dodania rezystora szeregowego do pułapki rezonansowej

    W pewnym sensie wykonywanie takiego układu mija się z celem gdyż dochodzimy do momentu, że uzyskana filtracja jest tożsama ze zwykłym filtrem 2 rzędu a stosowanie układu z pułapką jest przecież złem koniecznym. Dlatego taki opornik zmniejszający dobroć rezonansu powinien mieć małą wartość (tak do 2-3ohm). Powyżej tej wartości stosowanie układu z pułapką jest bez sensu bo można taki sam rezultat uzyskać prostszym sposobem.
    Ten szeregowy opornik daje jednak możliwość łatwego dostrojenia filtru i warto o tym pamiętać (również w zwykłym filtrze bez pułapki).

    Zastosowanie układu z pułapką w znacznym stopniu upraszcza budowę filtru o dużej stromości filtracji. Jednak należy pamiętać o tym ,że po pierwsze taki filtr ma bardzo kiepską odpowiedź impulsową. Typowo im większa stromość filtru tym ten parametr jest gorszy. Z tego względu zasadniczo należy unikać wszelkich układów rezonansowych. Po drugie przy tak dużej stromości filtracji mogą się pojawić problemy z przebiegiem fazowym i dopasowaniem drugiego głośnika. Jednak gdy chcemy albo skutecznie odfiltrować rezonanse albo ustawić wysoko częstotliwość podziału taki filtr może być jednym możliwym wyborem. Filtr z pułapką zwykle stosuje się do głośników z metalową membraną, które maja bardzo silne rezonanse na skraju pasma (np. Alcone).

    Filtracja górno przepustowa i problemy z nią związane


    Zasadniczo głośnik wysoko tonowy nie sprawia tylu kłopotów co nisko-średnio tonowy. Głośniki te zwykle charakteryzują się wyrównanym pasmem w zakresie częstotliwości podziału i słabo narastającym przebiegiem impedancji, przez co od strony elektrycznej można je traktować niemalże jak zwykły rezystor.
    Są jednak rzeczy które należy uwzględnić:

    - głośnik wysoko tonowy posiada rezonans na ch-ce impedancji który jest daje o sobie znać przy niskiej częstotliwości filtracji lub/i niskich nachyleniach filtru np. 6dB/okt.
    - Charakterystyka częstotliwości jest podbita w zakresie ok. 1-3kHz. Z obserwacji doszedłem do wniosku, że jest to wpływ obudowy. Jakby nie było podbicie jest zbędne i trzeba je wyrównać co powoduje utrudnienia w budowie filtru gdyż trzeba go nieco zmodyfikować.
    - Im niższą częstotliwość filtracji ustalamy, obliczając filtr kalkulatorem, tym większy uzyskamy błąd w stosunku do zakładanej częstotliwości –3dB co wynika z dwóch powyższych faktów.

    Filtr 1 rzędu

    Zajmijmy się pierwszą sprawą, czyli rezonansem. Zasadniczo nie ma on wpływu przy wysokiej częstotliwości podziału, leżącej daleko od rezonansu. Im jednaj niżej z częstotliwością tym bardziej należy fakt rezonansu uwzględnić. Podobnie jak to było z filtrem dolno przepustowym, również górno przepustowemu wzrost impedancji szkodzi w identyczny sposób : przestaje on filtrować. Przyjrzyjmy się zatem poniższemu przypadkowi. Kondensator obliczony kalkulatorem dla 8 ohm na częstotliwość 4,5kHz, czyli wydawałoby się całkiem wysoko i bezpiecznie.


    rys 18. Przykład filtracji GP składającego się 1 elementu.

    Z początku charakterystyka faktycznie nachyla się z zakładanym spadkiem jednak wpływ rezonansu kopułki widać gołym okiem. Działanie filtru dla częstotliwości 1kHz gdzie ulokowany jest rezonans, wynosi marne 3dB czyli tyle co nic. Zmniejszanie pojemności kondensatora w tym przypadku jest bezcelowe. Mimo, że faktycznie obniżymy poziom charakterystyki dla 1kHz to również obniżymy dla reszty pasma i odejdziemy od zakładanego wzorca. Jednym możliwym sposobem jest wyrównanie piku impedancji. Stosuje się w tym przypadku układ rezonansowy jak na schemacie poniżej:



    rys 19. Schemat układu wyrównującego pik rezonansu głośnika oraz wykresy impedancji i charakterystyki po filtracji filtrem GP 1 rzędu z zastosowaniem ww. układu.

    Jak widać układ spisuje się znakomicie. Impedancja utrzymuje się na w miarę wyrównanym poziomie a charakterystyka częstotliwościowa jest taka jak zakładana. Oczywiście filtracja odbyła się kondensatorem o takiej samej wartości co poprzednio, czyli 4,4uF.

    Parametry pułapki najprościej jest wyznaczyć mając do dyspozycji pomiary i Speaker Workshop. Można je również obliczyć jednak wymaga to znajomości kilku niestandardowych jak na głośniki wysoko tonowe parametrów.


    Rc jest także nominalną impedancją głośnika.

    Filtr 2 rzędu

    Zajmijmy się teraz przypadkiem filtru 2 rzędu. Zakładam, że punkt –3dB powinien się znaleźć na częstotliwości 3kHz oraz przyjmuję najbardziej typowy filtr butterwortha. Obliczam filtr kalkulatorem...


    rys 20. Przykład działania filtru GP 2 rzędu liczonego kalkulatorem.

    Jak widać również w tym przypadku jesteśmy dalecy od zakładanego ideału. Spróbujmy zatem podziałać układem wygładzającym pik rezonansowy:


    rys 21. Filtr GP 2 rzędu z układem linearyzacji piku rezonansu głośnika.

    Także i w tym przypadku przyniosło to spodziewane rezultaty, chociaż mogłoby być ciut lepiej (zakres 1-2kHz).
    Równie dobrze można to zrobić w prostszy sposób ...


    rys 22. Zmodyfikowany filtr GP.

    Wystarczyło zmniejszyć cewkę o połowę i sprawa załatwiona !
    Jeżeli ktoś nie ma możliwości zrobienia pomiarów i nie chce robić kłopotliwego układu linearyzacji niech zastosuje tę prostą sztuczkę. Wyliczamy filtr na wymaganą częstotliwość i zmniejszamy cewkę do wartości 50-60% wartości obliczonej. Aby pokazać, że nie jest to przypadek odosobniony poniżej kilka innych przykładów.

    Gdwk 11/100 filtr na 3,5kHz , czarny teoretyczny, niebieski ten sam z połowę mniejszą cewką


    rys 23. Działanie zmodyfikowanego filtru dla gdwk 11/100

    Ten sam głośnik. Filtr Bessela na 4,5kHz


    rys 24. Działanie filtru GP bessela dla gdwk 11/100

    Znów ten sam głośnik. Tym razem Butterwoth na 2,5kHz


    rys 25. Działanie filtru GP butterwortha na 2,5kHz dla gdwk 11/100

    Jak widać nie ma przepisów uniwersalnych. Przy tak niskiej częstotliwości filtracji zwykłe pomniejszenie cewki o połowę nie przyniosło już tak dobrych rezultatów ale i tak jest lepiej. Należy o tym pamiętać. Dlatego filtr na częstotliwość bliską rezonansu jest trudny do wykonania bez żadnych pomiarów.

    Zasadniczo przy bardzo niskiej częstotliwości filtracji odradzam robienie filtru wg obliczeń gdyż błąd może być bardzo duży. Sztuczki typu pomniejszanie cewki czy dodawanie układu linearyzacji impedancji pomogą ale nie uzyska się całkowicie zakładanej charakterystyki. Takie filtry należy robić za pomocą pomiarów.

    Filtr 3 rzędu

    Przy obraniu odpowiednio wysokiej częstotliwości filtracji (np. rezonans kopułki 1kHz , obieramy filtr 3kHz lub wyżej), filtr tego typu jest bardzo przewidywalny. W zasadzie obliczony wzorem będzie się spisywał całkiem dobrze. Jedyną modyfikacją którą najczęściej należy dokonać to zmniejszenie wartości cewki o ok. 10-15% co powoduje lekkie obniżenie zakresu z przed zakładanego punktu –3dB, który zwykle jest podniesiony. Czasem róznież należy zmienić wartość drugiego kondensatora. Zwykle ma on sporą wartość co nie zawsze wymiernie przekłada się na charakterystykę. Kondensatorem tym można śmiało modyfikować zakres niższy i wyższy od zakładanego punktu obliczeń. Tak wiec zmniejszanie tego kondensatora powoduje zwiększenie stromości filtracji i lekkie obniżenie zakresu powyżej. Filtr 3 rzędu stosowany jest dosyć często gdyż zapewnia dobrą filtrację i często dobrze dopasowuje się pod względem fazowym do filtracji dolno przepustowej o nachyleniu 12dB/okt.

    Mniej typowe rozwiązania układowe

    Zapewne każdy zauważył, że często filtry poza standardową cewkę i kondensatorem są dodatkowo rozbudowane o dodatkowe elementy, najczęściej rezystory, znajdujące się w mniej zrozumiałych miejscach. Spróbuję wyjaśnić co daje zastosowanie rezystora w różnych miejscach.
    Na początek wyjściowa aplikacja filtru. Charakterystyka tego filtru będzie wyjściową do porównań na pozostałych wykresach i będzie zawsze w kolorze czarnym.


    rys 26. Wyjściowa aplikacja i charakterystyka głośnika.

    Wprowadźmy teraz kilka modyfikacji. Na początek rezystor dodany szeregowo z cewką, dosyć często spotykane rozwiązanie.


    rys 27. Wpływ dodania rezystora szeregowo z cewką.

    Widać wpływ rezystora, który jest podobny do tego jaki daje zmniejszenie wartości cewki. Przy czym rezystor tylko osłabia a po zmniejszeniu cewki zwykle pojawia się lekkie podbicie w zakresie 10kHz. Dodawanie rezystora pozwala dodatkowo nieco zmienić przebieg fazowy w inny sposób aniżeli zmiana wartości cewki, co może być bardzo przydatne przy dokładnym dopasowywaniu filtrów.

    Zajmijmy się kolejnym rozwiązaniem jakim jest szeregowy rezystor z głośnikiem. Taki mniej standardowy tłumik efektywności.


    rys 28 wpływ dodania rezystora szeregowo z głośnikiem

    Działanie takiego prostego rozwiązania jest bardzo ciekawe i użyteczne. Rezystor nie zadziałał jak klasyczny tłumik lecz „załamał” charakterystykę osłabiając zakres poniżej i powyżej 3-5kHz. Niezwykle prosty sposób na uspokojenie wyższego zakresu przy utrzymaniu średnio tonowego na zakładanym poziomie.

    Kolejnym rozwiązaniem jest zastosowanie rezystora na wejściu filtru.


    rys 29. Wpływ dodania rezystora szeregowo z filtrem.

    Działanie jest bardzo proste. Zakres powyżej częstotliwości filtracji jest osłabiony a poniżej nie. Dosyć użyteczne rozwiązanie przy przeróbce istniejącego filtru bez konieczności zmian cewki i kondensatora żeby np. uzyskać nieco niższą częstotliwość filtracji (dodajemy opornik na wejście i zmniejszamy tłumienie kopułki aby utrzymać efektywność na poprzednim poziomie).

    Kolejne rozwiązanie to połączenie dwóch powyższych. Działanie jest podobne jak w przypadku rezystora szeregowo z głośnikiem ale daje większe możliwości „załamania” i wymodelowania charakterystyki. Takie rozwiązanie zastosowałem w swojej zwrotnicy.


    rys 30. Wpływ dodania rezystora szeregowo z filtrem i głośnikiem.

    Największe zmiany wprowadza rezystor R2. Natomiast R1 służy bardziej do „kosmetycznych” poprawek charakterystyki.

    Kolejne rozwiązanie to coś a la korektor impedancji dla wysoko tonowego, przy czym wartości elementów nie są zoptymalizowane pod katem uzyskania liniowej impedancji. Kondensator i rezystor muszą mieć dużo niższą wartość niż w przypadku typowego korektora. Jak widać z charakterystyki jest to jakieś antidotum na wyższy zakres. Łatwe do dodania do istniejącego filtru w przypadku gdy uznamy, że wysokie tony za dużo sobie pozwalają. Tego rozwiązania zasadniczo nie polecam ze względu na znaczny spadek modułu impedancji na skraju pasma, w tym zakresie wzmacniacz będzie obciążony wartością rezystancji Rz1, dlatego taki układ należy stosować ostrożnie.


    rys 31. Układ obniżający zakres najwyższych częstotliwości.

    Zagadnienia fazowe


    Faza sygnałów akustycznych wychodzących z głośników jest jednym z kluczowych parametrów decydujących o brzmieniu zestawu, jego przestrzenności, głębi i dokładnym ulokowaniu instrumentów na planie dźwiękowym. Zestaw ze skopaną fazą po prostu gra, zestaw z idealnie dopasowaną fazą daje wierną iluzję rzeczywistości. Temat jest bardzo ważny jednak także często ignorowany przez konstruktorów. Wiele osób skupia się na uzyskaniu ładnej charakterystyki amplitudowej co nie zawsze jest związane z dobrą fazową. Widać to nawet w fabrycznych zestawach. Puryści nawet sprawdzają fazę sygnału elektrycznego docierającego do kolumn ! Dlatego niektóre końcówki mocy maja odwrotne oznaczenia wyprowadzeń (na masie jest + dla głośników).

    Różnice fazowe w sygnałach zasadniczo będą nas interesowały w obrębie pasma wspólnego dla dwóch głośników. Zagadnienie jest ważne z tego właśnie względu, że dwa głośniki przetwarzają te same pasmo częstotliwości co przy różnicach fazowych w sygnałach tychże głośników powoduje powstanie jakiegoś wypadkowego sygnału, który różni się od zakładanego. Ma to swoje odzwierciedlenie w charakterystyce amplitudowej zestawu w postaci harmonijki (lokalne podbicia i osłabienia mogące sięgać między szczytowo nawet do 6dB) oraz w postaci brzmienia, paradoksalnie często obieranego za bardzo dobre „szczegółowe”. Owa szczegółowość wynika właśnie z faktu wzmacniania i osłabiania poszczególnych harmonicznych dźwięku co może dać takie wrażenie. W starciu z zestawem z dobrze zgraną fazą jednak ta szczegółowość zblednie i ujawnią się wszystkie niedociągnięcia w brzmieniu.

    Różnice fazowe wynikają zasadniczo różnej konstrukcji głośników nisko-średnio i wysoko tonowego. Można powiedzieć, że głośnik wysoko tonowy jest „szybszy”, czyli pobudzenie głośnika sygnałem elektrycznym daje dużo szybciej efekt w postaci sygnału akustycznego. Różnice te doskonale widać na wykresach odpowiedzi impulsowych głośników wysoko i nisko-średnio tonowego.


    rys 32. Odpowiedź impulsowa głośnika wysoko tonowego (czerwony) i nisko-średnio tonowego (czarny).

    Powyżej widać odpowiedzi impulsowe dwóch głośników w zestawie. Czarny to nisko-średnio a czerwony to wysoko tonowy.
    Różnica czasu w impulsie głównym to niecałe 0.1ms. Z pozoru niewiele jednak wystarczy policzyć ile wynosi okres fali dla zakładanej częstotliwości podziału 3500Hz. Okazuje się, że okres to zaledwie 0.285ms. Owe niecałe 0.1ms różnicy w odpowiedzi impulsowej daje aż 120 stopni różnicy fazowej dla 3500Hz !!!
    W praktyce właśnie najczęściej jest tak, że różnica fazy wynosi ok. 45-90 stopni. Jeżeli faza wykracza powyżej 90 stopni (jak w naszym przypadku) to można obrócić polaryzację jednego z głośników i różnica będzie się zawierać w przedziale 0-90 stopni (nasz przypadek 180-120 da 60 stopni różnicy).
    Rozwiązania sytuacji w zasadzie są dwa, pierwsze to odpowiednia konstrukcja filtrów, druga to cofnięcie głośnika wysoko tonowego.

    Pierwsze rozwiązanie wydaje się być prostszym ale wymaga sporo pracy i pomiarów, gdyż korekcja przebiegu fazowego na drodze elektrycznej jest kłopotliwa i nie zawsze daje satysfakcjonujące rezultaty. Czasem udaje się wyrównać fazy w większości pasma wspólnego ale nie w całym. Realizacja praktyczna tej metody sprowadza się zwykle do tego, że jeden filtr ma inne nachylenie od drugiego. Np. często stosuje się kombinację DP 2 rząd, GP 3 rząd.
    Wynika to z faktu, że każdy rząd filtru przesuwa fazę o 90 stopni. Czyli 1 rząd końcowym wynikiem filtracji jest przesuniecie fazy o 90 stopni, 2 rząd o 180 stopni itd.
    Należy również pamiętać o tym, że przesunięcie fazy dla najbardziej nasz interesującego zakresu, czyli dla obliczanego punktu filtracji –3dB, jest równe połowie przesunięcia końcowego. Czyli można przyjąć, że każdy rząd filtru przesuwa dla tego punktu fazę o 45 stopni, więc przesunięcie dla punktu –3dB :

    - 1 rząd 45 stopni
    - 2 rząd 90 stopni
    - 3 rząd 135 stopni
    - 4 rząd 180 stopni

    Dodatkowo trzeba zwrócić uwagę na to w którą stronę zostaje przesunięty przebieg fazowy :


    rys 33. Przebieg amplitudowy i fazowy dla filtrów DP i GP 1 rzędu.

    Jak widać filtr DP (kolor niebieski) opóźnia fazę a filtr GP (czerwony) ją przyspiesza.

    Tak więc dla naszego przypadku sensownym byłoby zastosować kombinację DP 2 rząd – faza –90 stopni dla punktu –3dB, GP 3 rząd – faza +135 stopni. Po z sumowaniu daje nam to –90+135= 45 stopni przebiegu fazowego (a dążymy to 0 stopni !!). Pamiętamy jednak o tym, że różnicę mieliśmy 120 stopni ale obróciliśmy polaryzację jednego głośnika co daje –60 stopni + 45 stopni z filtru da –15 stopni różnicy. Uwzględniając, że filtry obliczymy na różne częstotliwości alby nie było podbicia w punkcie łączenia charakterystyk, czyli przykładowo filtr GP o 500Hz wyżej, da nam to dodatkowe przyspieszenie fazy i owe 15 stopni różnicy może zostać zniwelowane. W praktyce może się okazać, że nie wiadomo czy obracać polaryzację czy nie. Bez pomiarów lub kogoś ze słuchem absolutnym ani rusz aby wyłapać czy faza jest ok.
    Trochę zamotane, prawda ? Dlatego projektowanie zwrotnicy na kartce jest syzyfową pracą.

    Druga metoda wyrównywania fazy jest problemowa od strony konstrukcyjnej obudowy gdyż w celu wyrównania różnicy fazowej zwykle pochyla się przednia ściankę. Rzadziej spotyka się rozwiązania z wysuniętym nisko-średnio tonowym za pomocą „nadbudówki” na przedniej ściance bądź cofnięcia wysoko tonowego umieszczonego w osobnej obudowie i ustawionej na szczycie kolumny (rozwiązanie relatywnie proste i korzystne od strony dokładnego wyrównania fazy). Korekcja fazy na drodze odpowiedniej konstrukcji obudowy daje korzyści przy konstrukcji filtrów gdyż można stosować takie same stromości filtrów w obu torach co daje dużo większe możliwości. Łatwiej jest wymodelować charakterystykę amplitudową.

    Wykorzystując tę metodę można obliczyć, że po obróceniu fazy jednego głośnika o 180 mamy do skorygowania 60 stopni różnicy fazowej co przekłada się na 16 mm różnicy w głębokości zamocowania głośników. W praktyce daje do dość niewielkie pochylenie kolumny. Większość konfiguracji głośników powinno dać się skorygować pochyleniem w zakresie 7-10 stopni.

    Poniższe wykresy przedstawiają dwa przypadki dla różnego położenia głośników a tych samych filtrów. Pierwszy to głośniki zamocowane na prostej ściance, drugi to na pochylonej, czyli z kompensacją różnicy faz. Czarny to sumaryczna charakterystyka zestawu. Pomimo, że poszczególne charakterystyki głośników są identyczne to właśnie faza miała w tym przypadku decydujący wpływ na charakterystykę końcową.


    rys 34. Przykład źle dobranej fazy.


    rys 35. Faza prawidłowo dobrana.

    Przebieg fazowy łatwo jest odczytywać z charakterystyki przyglądając się poszczególnym i końcowemu wykresowi. Jeżeli faza w danym punkcie jest zgodna to dwa sygnały powinny dać w wyniku sumy wypadkowy sygnał wyższy od składowych. W miejscu połączenia suma powinna być o 6dB wyższa od składowych co widać na wykresie. Jeżeli wykres końcowy jest poniżej składowych lub przebiega za nisko to znaczy, że faza nie jest zgodna.

    Filtr dla układu 1 drożnego


    Wydawać by się mogło, że to jakaś sprzeczność. Skoro układ jest 1 drożny i nie dzielimy pasma to po co stosować filtr. Otóż filtr przydaje się do tego aby wymodelować charakterystykę do optymalnego kształtu.


    rys 36. Przykład filtru dla zestawu 1 drożnego. Wykres czerwony to głośnik bez filtracji.

    Powyższy rysunek przedstawia przykładowy filtr dla zestawu 1 drożnego z zastosowaniem głośnika arn 116-10/8. Podstawowymi elementami filtru są R1, L1 i C1. R1 odpowiada za zakres średnich tonów. Zwiększając jego wartość obniżamy zakres średnio tonowy. L1 odpowiedzialny jest za niższe częstotliwości. Zmniejszając wartość cewki podnosimy a zwiększając obniżamy ten zakres. C1 odpowiada za zakres średnio-wysoko tonowy. Zwiększając wartość C1 podnosimy a zmniejszając obniżamy ten zakres.
    Elementy R2, L2 i C2 tworzą układ pułapki rezonansowej wyrównującej wysokie tony.

    Tego typu filtr bardzo skutecznie modeluje charakterystykę głośnika, jednak ten musi być już fabrycznie odpowiedniej jakości aby w ogóle był sens zastosowania go w układzie 1 drożnym. Przykładowy arn116 spisywał się raczej przeciętnie, wysokie tony mimo wszystko mocno kulały. Zastosowanie filtru sprawiło tyle, że zakres średnich tonów był bardziej przyjemny dla ucha a wysokie nie były natarczywe, jednak o ich jakości nie wspomnę. Nic dziwnego gdyż nie jest to głośnik szerokopasmowy.

    Porady praktyczne


    W tym rozdziale przytoczę kilka porad praktycznych. Ujmę w całość dotychczasowe wiadomości w schemat działania, który ułatwi pracę przy projektowaniu:
    - dobierz dobrą częstotliwość podziału. Niska nie zawsze równa się lepsza. Czasem może być za niska.
    - Pamiętaj o różnicy faz. Zrób pochyłą kolumnę lub zastosuj różne nachylenia filtrów.
    - Unikaj układów rezonansowych (pułapki), stosuj je gdy jest to absolutnie konieczne. Takie układy pogarszają odpowiedź impulsową filtru oraz bardzo zniekształcają przebieg fazowy.
    - Nie przesadzaj z jakością elementów i okablowania. W przypadku budżetowych konstrukcji to strata pieniędzy. Kondensatory Janzen’a, drutowe cewki, kable z beztlenowej miedzi i zwykle ceramiczne rezystory są wystarczające. 1m kabla Van Den Hula wewnątrz kolumny cudu nie sprawi.
    - W miarę możliwości wykonaj kilka różnych zwrotnic lub modyfikacji i wykonaj dokładne odsłuchy. Nigdy nie wiadomo czy nie może być lepiej.

    Jeżeli masz możliwość zrobienia pomiarów:
    - Nie rób pomiarów charakterystyk głośników nie wbudowanych do obudowy. To nic nie daje.
    - Potrzebne pomiary to charakterystyka amplitudowa OnAxis i impedancji. Pomiar nerafield do projektowania zwrotnicy zestawu 2 drożnego jest nieprzydatny.
    - Pomiar wykonaj w prawidłowy sposób. Po co mierzyć na wprost skoro słuchacz zawsze będzie pod kątem. Przykład na rysunku poniżej.


    rys 37. Przykładowy sposób wykonania pomiaru.

    - Nie wygładzaj pomiarów !! Utracisz informacje o fazie sygnału i możesz mieć mylne wyniki w symulacjach. Pomiary trzeba tak wykonać aby nie było konieczności ich wygładzania.
    - Stosowanie wzorców (w SW goal) jest dobrą metodą bo wiadomo do czego dążysz. Podczas symulacji zwróć uwagę na poszczególne charakterystyki a nie tylko sumaryczną, unikniesz błędów.
    - Użyj wyobraźni. Nie dopuść do przypadku gdy twoje filtry mają bardzo nietypowe wartości elementów.
    - Nie rób zbyt rozbudowanych układów. To jest ślepy zaułek. Filtry powinny być maksymalnie proste.

    Jeżeli nie możesz wykonać pomiarów:
    - Dla toru nisko tonowego stosuj korektor impedancji !
    - Wyliczone wartości filtru DP dla zakładanej impedancji możesz zmodyfikować poprzez zwiększenie wartości cewki. Z praktyki wynika, że tak najczęściej się robi.
    - Nie ustalaj zbyt niskiej częstotliwości podziału. Będziesz miał problem z prawidłową filtracją GP
    - W filtrze GP zastosuj sztuczkę ze zmniejszeniem wartości cewki. Robienie linearyzacji piku jest zbyt kosztowne.
    - W przypadku filtru 1 rzędu linearyzacja piku jest nieodzowna.
    - Stosuj tłumik efektywności większy niż wynika to z różnicy efektywności głośników. Producenci zwykle zawyżają efektywność głośników nisko-średnio tonowych a i jeszcze filtr DP dokłada swoje. Dodaj do wyliczonej różnicy dobre 2dB.
    - Zastosuj min 500Hz odstępu miedzy częstotliwościami wyliczanych filtrów.

    Yoshi (2005)