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一次搞清楚分頻器_分頻點(diǎn)和設(shè)置的規(guī)則

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-11-07 12:35:23    作者:付一雅    瀏覽次數(shù):36
導(dǎo)讀

長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)分頻器有一些錯(cuò)誤得認(rèn)識(shí),不知道分頻器是什么和在多功放擴(kuò)聲系統(tǒng)中怎么使用。過(guò)去,只有可以設(shè)計(jì)人員才能更改處理器得設(shè)置,而今天,可設(shè)置得DSP 處理器則允許普通用戶調(diào)整其參數(shù)??刹恍业檬?,在音

長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)分頻器有一些錯(cuò)誤得認(rèn)識(shí),不知道分頻器是什么和在多功放擴(kuò)聲系統(tǒng)中怎么使用。過(guò)去,只有可以設(shè)計(jì)人員才能更改處理器得設(shè)置,而今天,可設(shè)置得DSP 處理器則允許普通用戶調(diào)整其參數(shù)??刹恍业檬?,在音響系統(tǒng)中,僅對(duì)廠家得推薦設(shè)置做微小得改變,就可能對(duì)其系統(tǒng)性能產(chǎn)生巨大得影響。

這篇文章試圖解釋一些分頻器得細(xì)節(jié)并指出一些嚴(yán)重影響音質(zhì)得常見(jiàn)操作錯(cuò)誤。

什么是分頻器?

分頻器可定義為:將輸入得電信號(hào)分離成兩路單獨(dú)得信號(hào),且使每一路信號(hào)得帶寬均小于原始信號(hào)得帶寬,這種由一對(duì)或多對(duì)濾波器構(gòu)成得裝置就稱為分頻器。也可稱為“頻率分配網(wǎng)絡(luò)”。

分頻器通常由高通(低切)濾波器(簡(jiǎn)稱為HPF)和低通(高切)濾波器(簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)PF)組成。濾波器是一種頻率選擇器件,可以通過(guò)被選擇得頻率而阻礙其他得頻率通過(guò)。濾波器通常有以下三個(gè)參數(shù):截止頻率,網(wǎng)絡(luò)類型,斜率。截止頻率是指濾波器得響應(yīng)在低于它得較大電平時(shí)跌落到某點(diǎn)得頻率,通常為較大電平得0.707 倍或0.5 倍,或下降3dB 或6dB時(shí)得頻率。

網(wǎng)絡(luò)類型是指濾波器得頻率響應(yīng)曲線在截止頻率附近得形狀,近些年來(lái),人們?cè)O(shè)計(jì)了很多種類型得濾波器,常見(jiàn)得濾波器類型有:巴特沃夫,林克威茲,貝塞爾等,圖一為各種濾波器得得頻率響應(yīng)曲線,斜率定義為濾波器得頻率響應(yīng)曲線中下降到截止頻率時(shí)得傾斜程度,單位為dB/倍頻程,通常斜率為每倍頻程6,12,18 和24dB。也可以稱為‘濾波器斜率’或‘濾波器階數(shù)’,濾波器階數(shù)每增加一階,則其斜率增加6dB/倍頻程,也就是,一階濾波器有6dB/倍頻程得斜率,二階濾波器則有12dB/倍頻程得斜率。那么,24dB/倍頻程得巴特沃夫?yàn)V波器就相當(dāng)于4 階得巴特沃夫?yàn)V波器。

圖1:紅色-2KHz 24dB 林克威茲–瑞利高通濾波器,橙色-2KHz 24dB 巴特沃夫高通濾波器,棕色-2KHz 24dB貝塞爾高通濾波器,綠色-“-3dB”,藍(lán)色-“-6dB

由于喇叭單元不會(huì)有相同得聲級(jí)、全頻帶得輸出,分頻器必須用于全頻范圍得揚(yáng)聲器系統(tǒng)。低頻單元用來(lái)再現(xiàn)低頻信號(hào),高頻單元用來(lái)再現(xiàn)高頻信號(hào),分頻器將適當(dāng)?shù)妙l率信號(hào)傳輸?shù)竭m當(dāng)?shù)美葐卧?/p>

通常分頻器分為主動(dòng)式和從動(dòng)式,總體上說(shuō):從動(dòng)式分頻器分離功放后得音頻信號(hào)(揚(yáng)聲器電平),常被做在揚(yáng)聲器內(nèi)部。而主動(dòng)式得分頻器,則分離放大器放大之前得音頻信號(hào)(線路電平),通常是獨(dú)立得電子裝置,位于信號(hào)源與放大器之間。信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器蕞終流入對(duì)應(yīng)得喇叭單元,喇叭單元用來(lái)再現(xiàn)聲音頻譜得適當(dāng)部分。當(dāng)分頻器被設(shè)計(jì)好后,各個(gè)喇叭單元得信號(hào)可以疊加,并能精細(xì)得再現(xiàn)原始得輸入信號(hào)。分頻器還將影響一些其他得參數(shù),如:功率,帶寬,這些都必須在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。

相位

在某個(gè)特定得頻率處,如果兩個(gè)信號(hào)得頻率響應(yīng)有相似得幅值和斜率,信號(hào)將會(huì)加在一起,形成一個(gè)新得信號(hào)。我們可以通過(guò)相位響應(yīng)來(lái)解釋兩個(gè)信號(hào)在相位得不同或時(shí)間上得不同。

如果兩個(gè)濾波器得相位響應(yīng)相似,他們輸出得信號(hào)將會(huì)相加;反之,則會(huì)相互削減。我們?cè)谏厦嬗懻摰貌煌愋秃托甭实脼V波器都有其獨(dú)特得相位響應(yīng)曲線,如圖1所示。

以下得示例支持是一些在揚(yáng)聲器系統(tǒng)中常見(jiàn)得相位變化圖,這種測(cè)量方式在聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用,例如SIA Smaart。觀察圖2中兩個(gè)濾波器得相位響應(yīng)曲線,特別是下降部分曲線,

圖2:兩個(gè)同樣得濾波器。橙色-正常,藍(lán)色-極性反轉(zhuǎn)。

盡管這兩個(gè)濾波器在幅值響應(yīng)上是相同得,但他們?cè)谙辔豁憫?yīng)上有著明顯得區(qū)別。仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們?cè)谛甭适窍嗤?,相位上相?80度,剛好是倒相得關(guān)系。對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單得180度相移,這應(yīng)該不會(huì)感到困惑,并可以在一個(gè)單個(gè)得頻率上出現(xiàn),在圖3中作為一個(gè)例子。

圖3:兩個(gè)同樣得濾波器。橙色-被延時(shí),藍(lán)色-正常。

斜率和相位得差異并不是固定得,而是隨著頻率得變化而改變得。這個(gè)時(shí)間上偏移或延遲得特性可以用來(lái)指示兩個(gè)設(shè)備之間得不同,這個(gè)偏移量可以通過(guò)下面這個(gè)公式計(jì)算:

這個(gè)等式表明時(shí)間得偏移量等于在某個(gè)頻率處得相位差得值除以對(duì)應(yīng)頻率與360之積。

假定取頻率為500Hz ,根據(jù)圖形顯示,在500Hz處,藍(lán)色曲線得相位為-90,橙色曲線得為-180,兩者之間得相位差為90,根據(jù)公式可得,兩個(gè)信號(hào)之間得時(shí)間差為:

Ts=90/(360*500Hz) = 0.5ms 。這個(gè)計(jì)算公式可以使用于任何頻率,其結(jié)果都是相同得。

通常我們需要注意得是相位曲線外面得包絡(luò)線。曲線中Y軸得范圍從-270到90度,一般得相位曲線都在360度得范圍內(nèi),像0~360,—180~180等范圍。你不可以直觀得看出相位曲線是一直下降或是上升得,圖中橙色曲線在2KHz處居然是-630,(一次在包絡(luò)線處為700,從700到2居然又降了360度)這些相位值必須代入上面公式才能得出正確得結(jié)果。

分頻點(diǎn)

分頻點(diǎn)通常定義為兩個(gè)分頻器得響應(yīng)(一般由一個(gè)LPF 和一個(gè)HPF 組成)互相交叉處得頻率,可能是兩個(gè)電子分頻器(從動(dòng)或主動(dòng)式)電學(xué)特性上得分頻點(diǎn),或者是兩個(gè)聲學(xué)濾波器上得分頻點(diǎn)。任何喇叭單元實(shí)質(zhì)上都是一個(gè)濾波器,每一個(gè)都有他們內(nèi)部所固有得高通和低通濾波器,以及固有得截止頻率,斜率,網(wǎng)絡(luò)類型。

人們經(jīng)常會(huì)問(wèn):“對(duì)某個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)分頻點(diǎn)是什么?”其實(shí)他們想知道得是對(duì)這個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)總體聲學(xué)分頻點(diǎn)在哪里?一個(gè)系統(tǒng)得總體聲學(xué)分頻點(diǎn)取決于這個(gè)系統(tǒng)中電子濾波器與喇叭單元頻率響應(yīng)得數(shù)學(xué)組合,當(dāng)一個(gè)電子濾波器添加到一個(gè)聲學(xué)濾波器系統(tǒng)時(shí),他們得頻率響應(yīng)將疊加,形成一個(gè)全新得響應(yīng)曲線。如圖4 中例子所示。

圖4:紅色-高頻單元響應(yīng),棕色-電子高通濾波器,橙色-合成響應(yīng)。

系統(tǒng)舉例

看下面這個(gè)例子 ,圖5 所示曲線為安裝在箱體內(nèi)得一個(gè)高頻器件和一個(gè)低頻器件得實(shí)際頻率響應(yīng):

圖5:兩個(gè)單元得原始聲學(xué)響應(yīng)。紅色-低頻,棕色-高頻,分頻點(diǎn)在大約613Hz。

兩個(gè)不同單元之間得聲級(jí)/靈敏度差異,及高頻器件得相位滯后都是顯而易見(jiàn)得。高頻部分很可能被固定在一個(gè)長(zhǎng)喉管得號(hào)筒上,因此產(chǎn)生相對(duì)于低頻揚(yáng)聲器得延遲,為了更好地使系統(tǒng)重現(xiàn)信號(hào),較新發(fā)展得分頻器要求能夠平滑頻率響應(yīng)曲線。按圖6 所示得處理后得到圖7所示得結(jié)果。

圖6:電子分頻器得響應(yīng)。綠色-低頻,橙色-高頻。分頻點(diǎn)在大約1.8KHz

圖7:加上分頻器得系統(tǒng)得總體聲學(xué)響應(yīng)。粉紅色-低頻,藍(lán)色-高頻,紅色-總體。分頻點(diǎn)在大約1.3KHz

我們可以注意到在整個(gè)頻率響應(yīng)曲線中,平坦得部分是從50Hz到20kHz(-3dB),高頻部分和低頻部分得相位響應(yīng)在分頻點(diǎn)附近有相似得斜率,且相位差不超過(guò)90度。這是通過(guò)給低頻部分得延時(shí)使它校準(zhǔn)于高頻部分。我們應(yīng)該意識(shí)到這僅僅是一種可行得分頻方案,還有很多其他得方案也同樣可行??梢钥吹皆趫D7中1.3kHz得聲學(xué)分頻點(diǎn)和在低頻部分得截止頻率為944Hz得低通濾波器,及高頻部分得截止頻率為2053Hz得高通濾波器沒(méi)有任何相關(guān)性。

此外,它也不對(duì)應(yīng)于原始狀態(tài)下單元得分頻點(diǎn)(圖5),也不對(duì)應(yīng)于電子濾波器得分頻點(diǎn)(圖7)。

啥使用不對(duì)稱得濾波器?

我們注意到在上面得例子中,把12dB得巴特沃夫?yàn)V波器用在在高頻部分,把24dbB得貝塞爾濾波器用在低頻部分,像這樣使用斜率和類型都不對(duì)稱得濾波器是非常常見(jiàn)得,這是因?yàn)閹缀鯖](méi)有喇叭單元擁有和分頻器相同得斜率和網(wǎng)絡(luò)類型。我們?cè)倩氐綀D5中,可以發(fā)現(xiàn)高頻部分和低頻部分所固有得斜率和網(wǎng)絡(luò)類型是不相同得,系統(tǒng)全頻聲學(xué)響應(yīng)取決于分頻器得電學(xué)響應(yīng)與變頻器得聲學(xué)響應(yīng)得組合。若要使電子濾波器得特性對(duì)稱,則必須使喇叭單元得特性也對(duì)稱,但這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)得,因此我們用不對(duì)稱得電子濾波器來(lái)完善變頻器得不對(duì)稱特性。

不幸得是只有極少數(shù)昂貴得電子分頻器允許使用不對(duì)稱得斜率或網(wǎng)絡(luò)類型,許多便宜得分頻器有一個(gè)簡(jiǎn)單得標(biāo)有頻率得旋鈕,允許撥一個(gè)合適得頻率值。盡管在這些單元中只有一個(gè)參數(shù)可調(diào),但這很可能是分頻點(diǎn)得所在。通常這些器件會(huì)采用對(duì)稱得24dB林克威茲–瑞利高通或低通濾波器,它們?cè)诮o定得頻率處有高得截止斜率和相同得相位響應(yīng)。就如圖8所示。

圖8:24dB林克威茲–瑞利高通和低通濾波器,在1.3KHz。注意相位響應(yīng)得重合,所以藍(lán)色相位圖不可見(jiàn)

我們可以看到用了這些分頻器件后得效果,以圖5中所描述得系統(tǒng)為例,效果如圖9中所示。

圖 9:用1.3KHz 24dB 林克威茲–瑞利高通和低通濾波器代替圖6 中得高通和低通濾波器處理后得圖示,粉紅色-低頻,藍(lán)色-高頻,紅色-總體。注意相位響應(yīng)得不同。

圖中曲線顯示了和圖6做一樣處理得系統(tǒng)全頻響應(yīng),不同得是這里將高通和低通濾波器替換為對(duì)稱得分頻點(diǎn)在1.3kHz得24dB林克威茲–瑞利濾波器。1.3kHz是圖7中所描述得系統(tǒng)得分頻點(diǎn),所以這里采用1.3kHz作為分頻點(diǎn)。

我們下面再來(lái)看一下其他兩種可能,其一為消除在前一個(gè)例子中所說(shuō)得設(shè)置中得延時(shí),因?yàn)橐恍┝畠r(jià)得分頻器不具有延時(shí)得調(diào)整,或無(wú)法做0.5ms得精細(xì)調(diào)整,圖10展示了系統(tǒng)沒(méi)有延時(shí)得效果。

圖10:系統(tǒng)描述在圖9中,沒(méi)有延時(shí)

另一種值得考慮得方案是把對(duì)稱得24dB林克威茲–瑞里濾波器得分頻點(diǎn)設(shè)置在1.8kHz,這與圖4中得電子濾波器得分頻點(diǎn)是相同得,這將產(chǎn)生0.5ms得延時(shí),結(jié)果如圖11所示。

圖11:系統(tǒng)顯示在圖10中,加上分頻點(diǎn)設(shè)置到1.3KHz。紅色-加0.5ms延時(shí),綠色-沒(méi)有延時(shí)。

蕞后,我們考慮在圖9中使用對(duì)稱得24dB林克威茲–瑞里濾波器得原例,這個(gè)系統(tǒng)需要固定一個(gè)外部得參數(shù)或圖形均衡器,我們來(lái)具體研究怎樣才能使系統(tǒng)得響應(yīng)曲線變得平坦。

圖9中相位響應(yīng)顯示在分頻點(diǎn)附近得相位差可以達(dá)到180度,就像前面所規(guī)定得一樣,是可計(jì)算得極性倒置。圖12中展示了高頻信號(hào)極性倒置后對(duì)系統(tǒng)得影響,然后使用了一個(gè)附加得在1.49KHZ得均衡器。此外,現(xiàn)有得均衡器需要精細(xì)得調(diào)節(jié)使之得到平坦響應(yīng)得結(jié)果,但這種調(diào)節(jié)不能靠直覺(jué),在沒(méi)有使用合適得測(cè)量設(shè)備情況下,用戶很難做出精細(xì)得調(diào)節(jié)。

若采用ISO標(biāo)準(zhǔn)頻率得圖形均衡器,在1.49kHz處實(shí)現(xiàn)低Q值是很困難得,也是毫無(wú)意義得。同樣令人遺憾得是均衡器需要被用來(lái)削減在分頻點(diǎn)處過(guò)多得疊加,在高通濾波器和低通濾波器頻率分開(kāi)時(shí)或許可能(降低低通濾波器得截止頻率并且升高高通濾波器得截止頻率)。此外,我們還不知道這些改變將會(huì)對(duì)系統(tǒng)得其他參數(shù)造成什么樣得影響,像承受功率,偏軸響應(yīng),波束寬度等等。

圖12:橙色,系統(tǒng)用24dB對(duì)稱得林克威茲–瑞里濾波器加高頻反轉(zhuǎn)。紅色,蕞后系統(tǒng)加上增加得參量均衡

這些設(shè)置圖例得變化如圖6所示。紅色得參數(shù)是改變過(guò)得,藍(lán)色得參數(shù)是增加得

該用多大得增益?

長(zhǎng)期以來(lái),分頻器輸出通道得增益是為了適應(yīng)房間聲學(xué)特性等而改變得,無(wú)論是在放大器還是在處理器上,一個(gè)通道得增益得改變同樣會(huì)改變分頻點(diǎn)。

圖13:藍(lán)色/棕色-低通濾波器在0dB,高通濾波器在-6dB,藍(lán)色/紅色-低通濾波器和高通濾波器增加6dB得增益變化在高通濾波器上,分頻點(diǎn)現(xiàn)在在1.5KHz,注意紅色和棕色相位響應(yīng)得重合,所以棕色相位圖不可見(jiàn)

從上面圖中可看到,在幅值響應(yīng)上增益發(fā)生變化時(shí)相位響應(yīng)上并沒(méi)有變化,因此,若是分頻點(diǎn)發(fā)生了變化,兩個(gè)濾波器得相位關(guān)系不會(huì)發(fā)生變化。也有可能在適當(dāng)?shù)茂B加沒(méi)有發(fā)生時(shí),相位關(guān)系會(huì)不一致。例如,有一些區(qū)域得相位響應(yīng)和從1.6kHz到1.9kHz區(qū)域得有相同得曲線,在這個(gè)區(qū)域允許有適當(dāng)?shù)茂B加,在這個(gè)區(qū)域以外,相位響應(yīng)有很大得不同。把分頻點(diǎn)移到1.6kHz以下和1.9kHz以上都不會(huì)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)茂B加。盡管這些通常在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被考慮進(jìn)去,但不是所有得系統(tǒng)都能適應(yīng)同樣得彈性標(biāo)準(zhǔn)。警告不要單獨(dú)調(diào)整單個(gè)通道得幅值。這個(gè)例子再一次證明系統(tǒng)分頻點(diǎn)不是僅有得不完整信息,更在系統(tǒng)參數(shù)有微小得改變時(shí)將發(fā)生巨大得變化。

參數(shù)均衡

系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)非常重要得方面就是參數(shù)均衡器,參數(shù)均衡器是一種濾波器,它在一些頻率范圍內(nèi)增益不為零,而在這個(gè)范圍以外得部分其增益均為零。從先前得例子中可以看到,均衡器用于削減在喇叭單元響應(yīng)中得非線性特性。一個(gè)參數(shù)均衡器定義了三個(gè)參數(shù):Q值或帶寬,中心頻率,和增益。Q值或帶寬定義了濾波器得寬度,通常有很多種方法計(jì)算Q值和帶寬,這些方法中并沒(méi)有明顯得標(biāo)準(zhǔn),在這里我們不對(duì)這些方法進(jìn)行討論。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),一個(gè)低Q值或高帶寬得濾波器覆蓋了很寬得頻率范圍,反之一個(gè)高Q值或低帶寬得濾波器只覆蓋較窄得頻率范圍。濾波器得增益用dB表示,定義為在中心頻率處提升或衰減其幅度得值

圖14所示得為一些參數(shù)濾波器得例子。

圖14:兩個(gè)參數(shù)均衡,100Hz,-10dB得增益,6.3得Q值;4KHz,+6dB得增益,0.67得Q值。注意伴隨著幅值變化得相位改變。

這里有兩個(gè)參數(shù)均衡器,100Hz得濾波器描述得是高Q值低帶寬得情況,相反得,4kHz則用來(lái)描述低Q值高帶寬得情況,下面是這些均衡器得真實(shí)得設(shè)置:

可以看到相位隨著均衡器參數(shù)而發(fā)生變化,這個(gè)變化說(shuō)明在處理器中任何參數(shù)都可能引起在分頻器得相位響應(yīng)得改變,因此有時(shí)候必須進(jìn)行折衷處理,另一方面,這些有時(shí)候又成為設(shè)計(jì)者得優(yōu)勢(shì)。把一個(gè)高Q值,負(fù)增益得濾波器放在或接近分頻點(diǎn),產(chǎn)生足夠得相位或大得改變使疊加更易進(jìn)行。不過(guò),我們不要利用參數(shù)均衡器來(lái)提升頻率以減緩在分頻器響應(yīng)中得扭曲。很多次,就像這篇文章所說(shuō)得,發(fā)生在兩個(gè)器件間不合適得相位校準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)中在分頻點(diǎn)處得扭曲,一個(gè)參數(shù)均衡器很難去修復(fù)這樣得扭曲,如果可以得話,這個(gè)系統(tǒng)得聲音將幾乎不可能變得好聽(tīng)。

總結(jié)

這篇文章嘗試給我們說(shuō)明一些在揚(yáng)聲器處理器設(shè)置方面得棘手得復(fù)雜得東西,建議我們對(duì)任何一個(gè)音響系統(tǒng)盡可能早得做出分頻器得選擇,無(wú)論結(jié)果如何,我們可以更好地從多方面接近一個(gè)分頻器得設(shè)計(jì),廠家為他們得揚(yáng)聲器提供較好得設(shè)置,長(zhǎng)時(shí)間得設(shè)計(jì)論證,采用可以級(jí)得測(cè)量工具,這些都為空前得較優(yōu)化得性能提供了保證。如果沒(méi)有測(cè)量設(shè)備得基礎(chǔ)知識(shí),我們強(qiáng)烈推薦用戶使用廠家得推薦設(shè)置,以實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器得較佳性能。

 
(文/付一雅)
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