Crossover de Audio
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Crossover de audio. Filtros utilizados en aplicaciones de audio. La mayoría de los circuitos de altavoz individual son incapaces de cubrir todo el espectro de frecuencias bajas a altas frecuencias Un crossover divide la señal de audio en bandas de frecuencia independientes que pueden ser enviados por separado a los altavoces optimizado las bandas de frecuencia.
Los crossover también permiten el procesamiento y amplificación multibanda múltiples en los que se divide la señal de audio en bandas por separado antes de que se mezclen de nuevo. Algunos ejemplos son: la dinámica multibanda (compresión, limitación, de-esser), distorsión multibanda, la mejora de graves, amplificadores de alta frecuencia, y la reducción de ruido (por ejemplo: reducción de ruido dolby.
Sumario
Información general.
La definición de un crossover de audio ideal cambios en relación con la tarea en cuestión. Si las bandas independientes se van a mezclar juntos de nuevo (como en el procesamiento multibanda), entonces el cruce de audio ideal sería dividir la señal de audio entrante en bandas separadas que no se superponen o interactúan y que dan lugar a una señal de salida sin cambios en la frecuencia, en relación los niveles, y la respuesta de fase . Este rendimiento ideal sólo puede ser aproximado. Cómo implementar la mejor aproximación es un asunto de intenso debate. Por otro lado, si el cruce de audio separa las bandas de sonido de un altavoz, no hay ningún requisito para las características matemáticamente ideal dentro de la propia cruzada, como la respuesta de frecuencia y fase de los controladores de altavoces dentro de sus montajes eclipsará los resultados. Salida satisfactoria del sistema completo que comprende el cruce de audio y los controladores de altavoz en su caja es el objetivo de diseño. Tal objetivo se logra a menudo con no ideal, las características del filtro de cruce asimétrico.
Muchos tipos diferentes de cruce se utilizan en audio, pero por lo general pertenecen a una de las siguientes clases.
Clasificación.
Clasificación en función del número de secciones del filtro
En las especificaciones del altavoz, se ven a menudo un orador clasificado como "N-way" de los altavoces. N es un número entero positivo mayor que 1, e indica el número de secciones del filtro. Una vía de cruce 2 consiste en un paso bajo y un paso alto filtro. Un cruce de tres vías se construye como una combinación de paso bajo, paso banda y de paso alto filtros (LPF, BPF y HPF, respectivamente). La sección de BPF es a su vez una combinación de secciones HPF y LPF. 4 (o más) crossovers manera no son muy comunes en el diseño de altavoces, principalmente debido a la complejidad que implica, que generalmente no se justifica por un mejor rendimiento acústico.
Una sección adicional HPF pueden estar presentes en una "N-way", cruce de altavoces para proteger al conductor de menor frecuencia de frecuencias más bajas de lo que pueden manejar. Este cruce tendría un filtro pasa-banda de frecuencias para el conductor más bajo. Del mismo modo, el conductor de mayor frecuencia pueden tener una sección de LPF de protección para evitar daños de alta frecuencia, aunque esto es mucho menos común.
Recientemente, varios fabricantes han comenzado a utilizar lo que se denomina "N.5-way", las técnicas de cruce para los divisores de altavoces estéreo. Esto suele indicar la adición de un segundo altavoz que reproduce la gama de graves mismo que el altavoz principal, pero los rodillos de la medida antes de que el altavoz principal no.
Nota: Las secciones del filtro mencionado aquí es que no debe confundirse con los dos polos del filtro secciones individuales que un orden superior del filtro se compone de.
Clasificación basada en componentes.
Los crossover también se pueden clasificar con base en el enfoque de diseño, por el tipo de componentes utilizados.
Pasivos.
Un crossover pasivo está hecho de componentes pasivos, organizado con mayor frecuencia en una tipología de Cauer para lograr un filtro Butterworth. Los filtros pasivos usan resistencias no reactivas combinado con componentes reactivos, tales como condensadores e inductores. Muchos crossovers pasivos de alto rendimiento tienden a ser más caros que los filtros activos ya que los componentes individuales capaces de buen rendimiento con altos corrientes y voltajes en el que los sistemas de altavoces son conducidos son difíciles de hacer, y caro. Polipropileno, láminas de poliéster metalizado, y los condensadores electrolíticos de papel son comunes. Inductores pueden tener núcleos de aire, los núcleos de polvo de metal, núcleos de ferrita, o núcleos laminados de acero de silicio, y la mayoría son herida con hilo de cobre esmaltado. Algunas redes pasivas incluyen dispositivos tales como fusibles, dispositivos de PTC, bulbos o disyuntores para proteger a los conductores del altavoz. Los crossovers pasivos más modernos incorporan redes de estabilización (por ejemplo, las redes Zobel) que compensan los cambios en la impedancia con la frecuencia inherente en prácticamente todos los altavoces. El tema es complejo, como parte del cambio en la impedancia es debido a los cambios de carga acústica a través de banda de paso del conductor.
En el lado negativo, las redes pasivas pueden ser voluminosos y causar la pérdida de potencia. No son sólo de la frecuencia específica, sino también de la impedancia específica. Esto evita que el intercambio con los sistemas de altavoces de diferentes impedancias. Ideal para filtros de cruce, incluida la compensación de la impedancia y las redes de la igualdad, puede ser muy difícil de diseñar, como los componentes que interactúan de maneras complejas. Un diseñador experto en crossovers Siegfried Linkwitz dijo de ellos que "la única excusa para usar crossovers pasivos es su bajo coste. Sus cambios de conducta con la dinámica de la señal dependiente del nivel de los controladores. Impiden que el amplificador de potencia pueda tomar el máximo control sobre el movimiento de la bobina de voz. Son una pérdida de tiempo, si la exactitud es el objetivo.
Por otra parte, los componentes pasivos pueden ser utilizados para la construcción de circuitos de filtro antes de que el amplificador. Esto se conoce como crossover pasivo de nivel de línea.
Activos.
Un crossover activo contiene componentes activos (es decir, aquellos con ganancia) en sus filtros. En los últimos años, el dispositivo más comúnmente usado activo es un amplificador operacional; Crossovers activos que son operados en los niveles adecuados para entradas del amplificador de potencia en contraste con crossovers pasivos que actúan después de la salida del amplificador de potencia de gran intensidad y en algunos casos de alto voltaje. Por otra parte, todos los circuitos con el aumento de introducir ruido y el ruido tiene un efecto más nocivo cuando se introduce antes de la señal que se amplifica por los amplificadores de potencia. El uso típico de un crossover activo, a través de un filtro pasivo puede ser colocado de manera similar antes de los amplificadores.
Los filtros de cruze activos siempre requieren el uso de amplificadores de potencia para cada banda de salida. Así que, un cruce de 2 vías activa necesita dos amplificadores, uno para el woofer y otro para el tweeter. Esto significa que un sistema de cruce basado en activos a menudo va a costar más que un sistema de cruce de base pasiva, aunque ninguno de los amplificadores se necesita para proporcionar una salida lo más alto para un nivel sonoro equivalente del rango completo de frecuencias, con un amplificador de potencia, lo que reduce los precios. Las desventajas de precio y complicación de filtros activos se compensan con los beneficios siguientes:
- Una respuesta independiente de la frecuencia de los cambios dinámicos en las características eléctricas de un conductor.
- Por lo general, la posibilidad de una manera fácil de modificar o ajustar cada banda de frecuencia a los conductores específico usado. Ejemplos de ello serían la pendiente de cruce, tipo de filtro (por ejemplo, Bessel, Butterworth, etc), los niveles relativos.
- Aislamiento de cada conductor de las señales a cargo de los conductores, lo que reduce la distorsión y las sobrecargas.
- Los amplificadores de potencia están conectados directamente a los controladores de los altavoces, lo que se maximiza la amortiguación del amplificador de control de la bobina móvil del altavoz, lo que reduce las consecuencias de los cambios dinámicos en las características del conductor eléctrico, todos los cuales tienden a mejorar la respuesta transitoria del sistema.
- Reducción en el requerimiento de potencia de salida del amplificador. Sin la energía que se pierde en componentes pasivos, los requisitos de amplificador se reducen considerablemente (hasta 1 / 2 en algunos casos), la reducción de costes y, potencialmente, incrementar la calidad.
Digitales.
Divisores de frecuencia activos pueden ser implementados digitalmente usando un chip o microprocesador DSP entre otros. Se puede usar por lo tanto para aproximaciones digitales a los tradicionales circuitos analógicos, conocido como filtros IIR (Bessel, Butterworth, Linkwitz-Riley, etc), o que utilizan respuesta al impulso finita (FIR) de los filtros. filtros IIR tienen muchas similitudes con filtros analógicos y son relativamente poco exigente de recursos de CPU, filtros FIR por el contrario suelen tener un orden superior y por lo tanto requieren más recursos para las mismas características. Pueden ser diseñados y construidos para que tengan una respuesta de fase lineal, lo que se considera deseable por muchos implicados en la reproducción de sonido. Hay desventajas cuando-con el fin de lograr una respuesta de fase lineal, un tiempo de retardo ya se incurre en lo que sería necesario con un IIR o mínimo filtros FIR de fase. filtros IIR, que son por naturaleza recursiva tienen el inconveniente de que si no es cuidadosamente diseñado que puede entrar en los ciclos límite resultante de la distorsión no-lineal.
Mecánicos.
Este tipo de filtro de cruce es mecánico y utiliza las propiedades de los materiales en un diafragma que controla el filtro. Estos cruces se encuentran comúnmente en los altavoces de rango completo que están diseñados para cubrir la mayor parte de la banda de audio posible. Uno de ellos se construye mediante el acoplamiento del cono del altavoz a la bobina de voz a través de una sección adjuntada un pequeño cono whizzer ligero para la bobina. En esta sección sirve como una estructura compatible con filtro, de modo que el cono principal no se hace vibrar a frecuencias más altas. El cono whizzer responde a todas las frecuencias, pero debido a su menor tamaño sólo da una salida útil a frecuencias más altas, con lo que aplica una función de cruce mecánica. La selección de los materiales utilizados para los elementos de cono, y la suspensión whizzer determina la frecuencia de cruce y la eficacia de la red de cruce. Tales cruces mecánicos son complejos de definir, especialmente si se desea de alta fidelidad. El diseño asistido por ordenador ha sustituido en gran medida el proceso laborioso que se ha utilizado históricamente. Durante varios años, el uso de los materiales puede cambiar, afectando negativamente a la respuesta de frecuencia del altavoz.
Un enfoque más común es emplear la tapa contra el polvo como un radiador de alta frecuencia. La tapa protectora irradia frecuencias bajas, moviéndose en el marco de la asamblea principal, pero debido a la poca masa y la reducción de amortiguación, radia un aumento de la energía en frecuencias más altas. Al igual que con los conos whizzer, una cuidadosa selección de material, forma y posición se necesitan para proporcionar una salida suave y prolongada. la dispersión de altas frecuencias es un poco diferente que para los conos whizzer. Un enfoque relacionado es la forma del cono principal con ese perfil, y de estos materiales, que el área del cuello sigue siendo más rígida, que irradia todas las frecuencias, mientras que las áreas externas del cono son selectivamente disociadas, irradia sólo en las frecuencias más bajas.
Los conos que utilizan estos cruces mecánicos tienen algunas ventajas en la calidad de sonido a pesar de las dificultades de diseño y fabricación de ellos, ya pesar de las inevitables limitaciones de la producción. controladores de rango completo tienen una acústica única, y puede tener un cambio de fase relativamente pequeño. Para un mejor rendimiento en bajas frecuencias, estos conductores exigen un diseño cuidado. Su pequeño tamaño (normalmente 165 a 200 mm) necesita un tamaño de cono de considerable para reproducir bajas de manera efectiva, pero las bobinas de voz necesarias para un rendimiento razonable en alta frecuencia sólo puede moverse en un rango limitado. Sin embargo, dentro de estas limitaciones, el precio y las complicaciones se reducen, ya que no son cruces obligatorios.
Clasificación basada en el orden del filtro o la pendiente.
Al igual que los filtros tienen órdenes diferentes, también lo hacen cruces, dependiendo de la pendiente del filtro que implementan. La pendiente acústica final puede ser completamente determinada por el filtro eléctrico o se puede lograr mediante la combinación de la pendiente del filtro eléctrico con las características físicas del conductor. En el primer caso, el único requisito es que cada conductor tiene una respuesta plana, al menos, hasta el punto donde la señal es de aproximadamente-10dB por debajo de la banda de paso. En este último caso, la vertiente acústica final suele ser más pronunciada que la de los filtros eléctricos utilizados. cruce de un tercer o cuarto orden acústico a menudo tiene sólo un filtro de segundo orden eléctrica. Esto requiere que los controladores de los altavoces se comportan bien de forma considerable la frecuencia de corte nominal, y además, que el conductor de alta frecuencia se puede sobrevivir a una entrada considerable en un rango de frecuencia por debajo de su punto de intersección, difícil en la práctica.
Primer orden.
Filtros de primer orden tiene una pendiente de 6 dB / octava. Todos los filtros de primer orden tienen una característica filtro Butterworth. Filtros de primer orden son considerados por muchos amantes del audio ideales para cruces. Esto se debe a este tipo de filtro es "transitoriamente perfecto", lo que significa que pasa tanto en amplitud y fase sin cambios en toda la gama de intereses. También utiliza la menor cantidad de partes y tiene la menor pérdida de inserción (en caso de pasivos). Un crossover de primer orden permite que más señales de frecuencias no deseadas para obtener a través de la LPF y HPF secciones que hacer mayores configuraciones de orden. Mientras woofers pueden hacer esto , los conductores más pequeños de alta frecuencia tienen más probabilidades de sufrir daños, ya que no son capaces de manejar grandes insumos de energía en las frecuencias por debajo de sus cruces .
En la práctica, los sistemas de altavoces con el fin de la primera verdadera pista acústica son difíciles de diseñar porque requieren de gran ancho de banda de la superposición del conductor, y las pistas de baja, significa que los conductores no coincidentes interferir en un amplio rango de frecuencias y provocar grandes cambios de respuesta fuera de eje.
Segundo orden.
Los filtros de segundo orden tienen 12 dB / octava de pendiente. Filtros de segundo orden puede tener un Bessel, Linkwitz-Riley o característica Butterworth dependiendo de las opciones de diseño y los componentes utilizados. Esta orden se utiliza comúnmente en crossovers pasivos, ya que ofrece un equilibrio razonable entre la complejidad, la respuesta y mayor protección de la frecuencia del controlador. Cuando estén alineados en el tiempo alineados y su colocación física, estos cruces tienen una respuesta polar simétrica, al igual que todos los cruces de orden par. Es común pensar que siempre habrá una diferencia de fase de 180 ° entre las salidas de un (segundo orden) filtro de paso bajo y un filtro de paso alto que tiene la misma frecuencia de cruce. Y así, en un sistema de 2 vías, la salida de la sección de paso alto está generalmente relacionada con el controlador de alta frecuencia 'invertida', para corregir este problema de las fases. Para los sistemas pasivos, el tweeter está conectado con la polaridad opuesta a la del woofer, para filtros activos de paso alto filtro de salida invertida. En los sistemas de tres vías el conductor de gama media o el filtro se invierte. Sin embargo, esto es por lo general sólo es cierto cuando los altavoces tienen una amplia respuesta se superponen y los centros acústicos están alineados físicamente.
Tercer orden.
Los filtros de tercer orden tienen una pendiente de 18 dB / octava. Estos cruces suelen tener características de filtro de Butterworth, la respuesta de fase es muy buena, la suma que el nivel plano y en cuadratura de fase, similar a un filtro de primer orden. La respuesta polar es asimétrica. En el original arreglo de D'Appolito MTM, una disposición simétrica de los conductores se utiliza para crear una respuesta simétrica fuera del eje utilizando las cruces de tercer orden.
De tercer orden cruces acústica se han construido a partir de circuitos de filtro de primer o segundo orden.
Cuarto orden.
Filtros de cuarto orden tienen una pendiente de 24 dB / octava. Estos filtros son complejos de diseño en forma pasiva, como los componentes interactúan entre sí. redes de descenso pronunciado de la pendiente pasivos son menos tolerantes de las desviaciones o tolerancias de las piezas de valor, y más sensible a errores de resolución con un controlador se carga reactiva. Un cruce de 4 º orden con -6 dB punto de cruce y sumando plana también se conoce como un crossover Linkwitz-Riley (el nombre de sus inventores), y se puede construir en forma activa en cascada dos secciones de segundo orden Butterworth filtro. Las señales de salida de este fin de cruce están en fase, evitando así la inversión de la fase parcial si el filtro pasa-banda estén conectados a resumir, ya que estaría dentro de la etapa de salida de un compresor multibanda. Crossover utilizados en el diseño de altavoz no requieren las secciones de filtro para estar en fase: Suavidad de la producción se han logrado utilizando no ideal, las características del filtro de cruce asimétrico de Bessel, Butterworth y Chebyshev son algunas de las topologías de cruce posible.
De orden superior.
Los crossovers pasivos dando pistas acústicas superior de cuarto orden no son comunes debido al costo y complejidad. Filtros de hasta 96 dB por octava están disponibles en crossovers activos y gestión de sistemas de altavoces.
Para mixta.
Los crossover también se puede construir con filtros de orden mezclada. Por ejemplo, un filtro de paso bajo de segundo orden en combinación con un paso alto de tercer orden. Estos son generalmente pasivos y son utilizados por varias razones, a menudo cuando los valores de los componentes se encuentran por la optimización del programa de computadora. Un crossover para tweeter de alta a veces puede ayudar a compensar el desfase de tiempo entre el woofer y tweeter, debido a los no alineados centros acústicos.
Clasificación basada en la topología del circuito.
Paralelo.
Cruces paralelos son con mucho el más común. Eléctricamente los filtros están en paralelo y por lo tanto las secciones de filtro diferentes no interactúan. Esto hace cruces de dos vías más fáciles de diseñar, porque las secciones se pueden considerar por separado, y debido a variaciones de los componentes tolerancia aislar. En los años anteriores modelos de computadora, cruces de tres vías se diseñaron con el mismo valor, pero la llegada de software de diseño iterativo ha enseñado que esta antigua técnica crea un exceso de ganancia y la respuesta de 'pajar' en la salida de rango medio, junto con un menor impedancia de entrada previsto.
Serie.
En esta topología, los filtros individuales están conectados en serie, y una combinación del controlador o el controlador está conectado en paralelo con cada filtro. Para comprender la trayectoria de la señal en este tipo de cruce, se refieren a la "Serie Crossover" figura, y considerar una señal de alta frecuencia que, en un momento determinado, tiene un voltaje positivo en el terminal de entrada superior en comparación con el terminal de entrada inferior. El filtro de paso bajo (LPF) presenta una alta impedancia a la señal, y el tweeter presenta una impedancia baja, lo que la señal pasa a través del altavoz de agudos. La señal continúa hasta el punto de conexión entre el woofer y el filtro de paso alto (HPF). Allí, el HPF presenta una baja impedancia a la señal, por lo que la señal pasa a través de la FPA, y aparece en el terminal de entrada inferior. Una señal de baja frecuencia con una instantánea de tensión similar pasa primera característica a través de la LPF, el altavoz de graves, y aparece en el terminal de entrada inferior.
Derivados.
Cruces derivados incluyen filtros activos en los que una de las respuestas de cruce se deriva de la otra mediante el uso de un amplificador diferencial. Por ejemplo, la diferencia entre la señal de entrada y la salida de la sección de paso alto es una respuesta de paso bajo. Así, cuando un amplificador diferencial se utiliza para extraer esta diferencia, su producción constituye el paso bajo la sección de filtro. La principal ventaja de los filtros de derivados es que producen una diferencia de fase entre el paso alto y paso de secciones de baja en cualquier frecuencia.
Que El pase alto y pase Bajo las Secciones una Menudo Tienen Diferentes Niveles de atenuación en La Parada de Sus bandas, es Decir, sus asimétricas hijo pendientes, que la respuesta de uno o los dos picos secciones cerca de la frecuencia de cruce, o ambas cosas.
En el caso que antecede, la situación habitual es que la respuesta derivada de paso bajo atenúa a un ritmo mucho más lento que la respuesta fijo. Esto requiere el orador al que se dirige a continuar respondiendo a las señales de profundidad en la banda de rechazo en sus características físicas no sea óptima. En el caso de anterior, los dos altavoces se requieren para funcionar a niveles de volumen más alto que la señal se acerca a los puntos de cruce. Esto consume más energía del amplificador y puede conducir a los conos de altavoz en la no linealidad.
Fuentes
