一次搞清楚分频器、分频点和设置的规则

http://www.audio.hc360.com2019年04月19日11:04 来源:网络T|T

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     慧聪音响灯光网报道   

  长期以来,人们对分频器有一些错误的认识,不知道分频器是什么和在多功放扩声系统中怎么使用。过去,只有专业设计人员才能更改处理器的设置,而今天,可设置的DSP 处理器则允许普通用户调整其参数。可不幸的是,在音响系统中,仅对厂家的推荐设置做微小的改变,就可能对其系统性能产生巨大的影响。

  这篇文章试图解释一些分频器的细节并指出一些严重影响音质的常见操作错误。

  什么是分频器?

  分频器可定义为:将输入的电信号分离成两路单独的信号,且使每一路信号的带宽均小于原始信号的带宽,这种由一对或多对滤波器构成的装置就称为分频器。也可称为“频率分配网络”。

  分频器通常由高通(低切)滤波器(简称为HPF)和低通(高切)滤波器(简称为LPF)组成。滤波器是一种频率选择器件,可以通过被选择的频率而阻碍其他的频率通过。滤波器通常有以下三个参数:截止频率,网络类型,斜率。截止频率是指滤波器的响应在低于它的较大电平时跌落到某点的频率,通常为较大电平的0.707 倍或0.5 倍,或下降3dB 或6dB时的频率。

  网络类型是指滤波器的频率响应曲线在截止频率附近的形状,近些年来,人们设计了很多种类型的滤波器,常见的滤波器类型有:巴特沃夫,林克威兹,贝塞尔等,图一为各种滤波器的的频率响应曲线,斜率定义为滤波器的频率响应曲线中下降到截止频率时的倾斜程度,单位为dB/倍频程,通常斜率为每倍频程6,12,18 和24dB。也可以称为‘滤波器斜率’或‘滤波器阶数’,滤波器阶数每增加一阶,则其斜率增加6dB/倍频程,也就是,一阶滤波器有6dB/倍频程的斜率,二阶滤波器则有12dB/倍频程的斜率。那么,24dB/倍频程的巴特沃夫滤波器就相当于4 阶的巴特沃夫滤波器。

  

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  图1:红色-2KHz 24dB 林克威兹–瑞利高通滤波器,橙色-2KHz 24dB 巴特沃夫高通滤波器,棕色-2KHz 24dB贝塞尔高通滤波器,绿色-“-3dB”,蓝色-“-6dB

  由于喇叭单元不会有相同的声级、全频带的输出,分频器必须用于全频范围的扬声器系统。低频单元用来再现低频信号,高频单元用来再现高频信号,分频器将适当的频率信号传输到适当的喇叭单元。

  通常分频器分为主动式和从动式,总体上说:从动式分频器分离功放后的音频信号(扬声器电平),常被做在扬声器内部。而主动式的分频器,则分离放大器放大之前的音频信号(线路电平),通常是独立的电子装置,位于信号源与放大器之间。信号经过分频器最终流入对应的喇叭单元,喇叭单元用来再现声音频谱的适当部分。当分频器被设计好后,各个喇叭单元的信号可以叠加,并能精细的再现原始的输入信号。分频器还将影响一些其他的参数,如:功率,带宽,这些都必须在设计时加以考虑。

  相位

  在某个特定的频率处,如果两个信号的频率响应有相似的幅值和斜率,信号将会加在一起,形成一个新的信号。我们可以通过相位响应来解释两个信号在相位的不同或时间上的不同。

  如果两个滤波器的相位响应相似,他们输出的信号将会相加;反之,则会相互削减。我们在上面讨论的不同类型和斜率的滤波器都有其独特的相位响应曲线,如图1所示。

  以下的示例图片是一些在扬声器系统中常见的相位变化图,这种测量方式在声学测量系统中有广泛应用,例如SIA Smaart。观察图2中两个滤波器的相位响应曲线,特别是下降部分曲线,

  

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  图2:两个同样的滤波器。橙色-正常,蓝色-极性反转。

  尽管这两个滤波器在幅值响应上是相同的,但他们在相位响应上有着明显的区别。仔细观察就会发现他们在斜率是相同的,相位上相差180度,刚好是倒相的关系。对一个简单的180度相移,这应该不会感到困惑,并可以在一个单个的频率上出现,在图3中作为一个例子。

  

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  图3:两个同样的滤波器。橙色-被延时,蓝色-正常。

  斜率和相位的差异并不是固定的,而是随着频率的变化而改变的。这个时间上偏移或延迟的特性可以用来指示两个设备之间的不同,这个偏移量可以通过下面这个公式计算:

  这个等式表明时间的偏移量等于在某个频率处的相位差的值除以对应频率与360之积。

  假定取频率为500Hz ,根据图形显示,在500Hz处,蓝色曲线的相位为-90,橙色曲线的为-180,两者之间的相位差为90,根据公式可得,两个信号之间的时间差为:

  Ts=90/(360*500Hz) = 0.5ms 。这个计算公式可以使用于任何频率,其结果都是相同的。

  通常我们需要注意的是相位曲线外面的包络线。曲线中Y轴的范围从-270到90度,一般的相位曲线都在360度的范围内,像0~360,—180~180等范围。你不可以直观的看出相位曲线是一直下降或是上升的,图中橙色曲线在2KHz处居然是-630,(一次在包络线处为700,从700到2居然又降了360度)这些相位值必须代入上面公式才能得出正确的结果。

  分频点

  分频点通常定义为两个分频器的响应(一般由一个LPF 和一个HPF 组成)互相交叉处的频率,可能是两个电子分频器(从动或主动式)电学特性上的分频点,或者是两个声学滤波器上的分频点。任何喇叭单元实质上都是一个滤波器,每一个都有他们内部所固有的高通和低通滤波器,以及固有的截止频率,斜率,网络类型。

  人们经常会问:“对某个系统来说分频点是什么?”其实他们想知道的是对这个系统来说总体声学分频点在哪里?一个系统的总体声学分频点取决于这个系统中电子滤波器与喇叭单元频率响应的数学组合,当一个电子滤波器添加到一个声学滤波器系统时,他们的频率响应将叠加,形成一个全新的响应曲线。如图4 中例子所示。

  

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  图4:红色-高频单元响应,棕色-电子高通滤波器,橙色-合成响应。

  系统举例

  看下面这个例子 ,图5 所示曲线为安装在箱体内的一个高频器件和一个低频器件的实际频率响应:

  

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  图5:两个单元的原始声学响应。红色-低频,棕色-高频,分频点在大约613Hz。

  两个不同单元之间的声级/灵敏度差异,及高频器件的相位滞后都是显而易见的。高频部分很可能被固定在一个长喉管的号筒上,因此产生相对于低频扬声器的延迟,为了更好地使系统重现信号,较新发展的分频器要求能够平滑频率响应曲线。按图6 所示的处理后得到图7所示的结果。

  图6:电子分频器的响应。绿色-低频,橙色-高频。分频点在大约1.8KHz

  

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  图7:加上分频器的系统的总体声学响应。粉红色-低频,蓝色-高频,红色-总体。分频点在大约1.3KHz

  我们可以注意到在整个频率响应曲线中,平坦的部分是从50Hz到20kHz(-3dB),高频部分和低频部分的相位响应在分频点附近有相似的斜率,且相位差不超过90度。这是通过给低频部分的延时使它校准于高频部分。我们应该意识到这仅仅是一种可行的分频方案,还有很多其他的方案也同样可行。可以看到在图7中1.3kHz的声学分频点和在低频部分的截止频率为944Hz的低通滤波器,及高频部分的截止频率为2053Hz的高通滤波器没有任何相关性。

  此外,它也不对应于原始状态下单元的分频点(图5),也不对应于电子滤波器的分频点(图7)。

  啥使用不对称的滤波器?

  我们注意到在上面的例子中,把12dB的巴特沃夫滤波器用在在高频部分,把24dbB的贝塞尔滤波器用在低频部分,像这样使用斜率和类型都不对称的滤波器是非常常见的,这是因为几乎没有喇叭单元拥有和分频器相同的斜率和网络类型。我们再回到图5中,可以发现高频部分和低频部分所固有的斜率和网络类型是不相同的,系统全频声学响应取决于分频器的电学响应与变频器的声学响应的组合。若要使电子滤波器的特性对称,则必须使喇叭单元的特性也对称,但这是无法实现的,因此我们用不对称的电子滤波器来完善变频器的不对称特性。

  不幸的是只有极少数昂贵的电子分频器允许使用不对称的斜率或网络类型,许多便宜的分频器有一个简单的标有频率的旋钮,允许拨一个合适的频率值。尽管在这些单元中只有一个参数可调,但这很可能是分频点的所在。通常这些器件会采用对称的24dB林克威兹–瑞利高通或低通滤波器,它们在给定的频率处有高的截止斜率和相同的相位响应。就如图8所示。

  

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  图8:24dB林克威兹–瑞利高通和低通滤波器,在1.3KHz。注意相位响应的重合,所以蓝色相位图不可见

  我们可以看到用了这些分频器件后的效果,以图5中所描述的系统为例,效果如图9中所示。

  

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  图 9:用1.3KHz 24dB 林克威兹–瑞利高通和低通滤波器代替图6 中的高通和低通滤波器处理后的图示,粉红色-低频,蓝色-高频,红色-总体。注意相位响应的不同。

  图中曲线显示了和图6做一样处理的系统全频响应,不同的是这里将高通和低通滤波器替换为对称的分频点在1.3kHz的24dB林克威兹–瑞利滤波器。1.3kHz是图7中所描述的系统的分频点,所以这里采用1.3kHz作为分频点。

  我们下面再来看一下其他两种可能,其一为消除在前一个例子中所说的设置中的延时,因为一些廉价的分频器不具有延时的调整,或无法做0.5ms的精细调整,图10展示了系统没有延时的效果。

  

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  图10:系统描述在图9中,没有延时

  另一种值得考虑的方案是把对称的24dB林克威兹–瑞里滤波器的分频点设置在1.8kHz,这与图4中的电子滤波器的分频点是相同的,这将产生0.5ms的延时,结果如图11所示。

  

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  图11:系统显示在图10中,加上分频点设置到1.3KHz。红色-加0.5ms延时,绿色-没有延时。

  最后,我们考虑在图9中使用对称的24dB林克威兹–瑞里滤波器的原例,这个系统需要固定一个外部的参数或图形均衡器,我们来具体研究怎样才能使系统的响应曲线变得平坦。

  

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  图9中相位响应显示在分频点附近的相位差可以达到180度,就像前面所规定的一样,是可计算的极性倒置。图12中展示了高频信号极性倒置后对系统的影响,然后使用了一个附加的在1.49KHZ的均衡器。此外,现有的均衡器需要精细的调节使之得到平坦响应的结果,但这种调节不能靠直觉,在没有使用合适的测量设备情况下,用户很难做出精细的调节。

  若采用ISO标准频率的图形均衡器,在1.49kHz处实现低Q值是很困难的,也是毫无意义的。同样令人遗憾的是均衡器需要被用来削减在分频点处过多的叠加,在高通滤波器和低通滤波器频率分开时或许可能(降低低通滤波器的截止频率并且升高高通滤波器的截止频率)。此外,我们还不知道这些改变将会对系统的其他参数造成什么样的影响,像承受功率,偏轴响应,波束宽度等等。

  

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  图12:橙色,系统用24dB对称的林克威兹–瑞里滤波器加高频反转。红色,最后系统加上增加的参量均衡

  这些设置图例的变化如图6所示。红色的参数是改变过的,蓝色的参数是增加的

  

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  该用多大的增益?

  长期以来,分频器输出通道的增益是为了适应房间声学特性等而改变的,无论是在放大器还是在处理器上,一个通道的增益的改变同样会改变分频点。

  

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  图13:蓝色/棕色-低通滤波器在0dB,高通滤波器在-6dB,蓝色/红色-低通滤波器和高通滤波器增加6dB的增益变化在高通滤波器上,分频点现在在1.5KHz,注意红色和棕色相位响应的重合,所以棕色相位图不可见

  从上面图中可看到,在幅值响应上增益发生变化时相位响应上并没有变化,因此,若是分频点发生了变化,两个滤波器的相位关系不会发生变化。也有可能在适当的叠加没有发生时,相位关系会不一致。例如,有一些区域的相位响应和从1.6kHz到1.9kHz区域的有相同的曲线,在这个区域允许有适当的叠加,在这个区域以外,相位响应有很大的不同。把分频点移到1.6kHz以下和1.9kHz以上都不会产生适当的叠加。尽管这些通常在系统设计时被考虑进去,但不是所有的系统都能适应同样的弹性标准。警告不要单独调整单个通道的幅值。这个例子再一次证明系统分频点不是仅有的不完整信息,更在系统参数有微小的改变时将发生巨大的变化。

  参数均衡

  系统设置一个非常重要的方面就是参数均衡器,参数均衡器是一种滤波器,它在一些频率范围内增益不为零,而在这个范围以外的部分其增益均为零。从先前的例子中可以看到,均衡器用于削减在喇叭单元响应中的非线性特性。一个参数均衡器定义了三个参数:Q值或带宽,中心频率,和增益。Q值或带宽定义了滤波器的宽度,通常有很多种方法计算Q值和带宽,这些方法中并没有明显的标准,在这里我们不对这些方法进行讨论。简单来说,一个低Q值或高带宽的滤波器覆盖了很宽的频率范围,反之一个高Q值或低带宽的滤波器只覆盖较窄的频率范围。滤波器的增益用dB表示,定义为在中心频率处提升或衰减其幅度的值

  图14所示的为一些参数滤波器的例子。

  

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  图14:两个参数均衡,100Hz,-10dB的增益,6.3的Q值;4KHz,+6dB的增益,0.67的Q值。注意伴随着幅值变化的相位改变。

  这里有两个参数均衡器,100Hz的滤波器描述的是高Q值低带宽的情况,相反的,4kHz则用来描述低Q值高带宽的情况,下面是这些均衡器的真实的设置:

  

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  可以看到相位随着均衡器参数而发生变化,这个变化说明在处理器中任何参数都可能引起在分频器的相位响应的改变,因此有时候必须进行折衷处理,另一方面,这些有时候又成为设计者的优势。把一个高Q值,负增益的滤波器放在或接近分频点,产生足够的相位或大的改变使叠加更易进行。不过,我们不要利用参数均衡器来提升频率以减缓在分频器响应中的扭曲。很多次,就像这篇文章所说的,发生在两个器件间不合适的相位校准会导致频率响应中在分频点处的扭曲,一个参数均衡器很难去修复这样的扭曲,如果可以的话,这个系统的声音将几乎不可能变得好听。

  总结

  这篇文章尝试给我们说明一些在扬声器处理器设置方面的棘手的复杂的东西,建议我们对任何一个音响系统尽可能早的做出分频器的选择,无论结果如何,我们可以更好地从多方面接近一个分频器的设计,厂家为他们的扬声器提供较好的设置,长时间的设计论证,采用专业级的测量工具,这些都为空前的较优化的性能提供了保证。如果没有测量设备的基础知识,我们强烈推荐用户使用厂家的推荐设置,以实现扬声器的较佳性能。

责任编辑:曾燕平

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