Звук не прощает небрежности. Стоит отдать низкочастотный динамик без фильтра на весь диапазон, и он начинает воспроизводить частоты, на которых попросту не способен работать корректно: диффузор перегружается, звуковая катушка греется, а средний регистр превращается в размытую кашу. Это знакомо каждому, кто хоть раз всерьёз занимался акустикой своими руками. Фильтр разделения частот, или кроссовер, решает эту задачу радикально и без компромиссов.
Частота 200 Гц как точка разделения выбирается не случайно. Именно здесь проходит граница между глубоким басом и нижней серединой, между тем, что должен воспроизводить крупный низкочастотный динамик, и тем, что обязан взять на себя среднечастотник или широкополосный динамик малого диаметра. Правильно рассчитанный и собранный LC-фильтр на этой частоте делает систему управляемой, живой и технически грамотной.
Физика процесса, которую нельзя игнорировать
Принцип работы пассивного LC-фильтра строится на фундаментальном свойстве двух реактивных элементов. Катушка индуктивности ведёт себя как частотно-зависимое сопротивление, которое растёт вместе с частотой. На низких частотах она почти прозрачна для сигнала, а выше частоты среза начинает блокировать прохождение тока. Конденсатор работает зеркально, его сопротивление убывает с ростом частоты. Это даёт возможность использовать катушку в цепи низкочастотного динамика и конденсатор в цепи высокочастотного.
Реактивное сопротивление катушки рассчитывается по формуле XL = 2πFL, где F это частота в Гц, L это индуктивность в Гн. Аналогично для конденсатора: Xc = 1 / (2πFC), где C это ёмкость в Фарадах. На частоте среза реактивное сопротивление каждого элемента должно быть равно сопротивлению нагрузки, то есть импедансу динамика. Из этого условия и выводятся рабочие формулы для расчёта.
Фильтры первого порядка содержат по одному элементу в каждом плече и дают крутизну среза 6 дБ на октаву. Это мягкий, плавный спад, который слабо изолирует динамики от лишних частот. Фильтры второго порядка удваивают количество элементов и дают 12 дБ на октаву, что уже достаточно для большинства бытовых применений. Именно второй порядок, известный также как фильтр Баттерворта, принят за разумный стандарт в самостоятельном конструировании.
Расчёт номиналов на частоту 200 Гц
Для двухполосной схемы с частотой раздела 200 Гц и динамиками импедансом 8 Ом расчёт по формулам первого порядка даёт следующие значения. Для фильтра нижних частот, то есть для НЧ-динамика: индуктивность катушки L = R / (2πF) = 8 / (6,28 × 200) ≈ 6,37 мГн. Для фильтра верхних частот, то есть для среднечастотного или широкополосного динамика: ёмкость конденсатора C = 1 / (2πFR) = 1 / (6,28 × 200 × 8) ≈ 99,5 мкФ, на практике берётся ближайший стандартный номинал 100 мкФ.
Для фильтра второго порядка по аппроксимации Баттерворта значение индуктивности умножается на коэффициент 1,414, а ёмкость умножается на 0,707. Получаем для ФНЧ второго порядка при 8 Ом катушку около 9 мГн и конденсатор около 70 мкФ, а для ФВЧ второго порядка катушку около 4,5 мГн и конденсатор около 140 мкФ. Оба плеча получают по два компонента, каждый из которых включается определённым образом в схему.
Если динамики имеют импеданс 4 Ом, все значения пересчитываются пропорционально: индуктивности уменьшаются вдвое, ёмкости увеличиваются вдвое. Это принципиально важно, потому что 200 Гц при 4-омной нагрузке требует катушки уже около 3,2 мГн для первого порядка, а ёмкости конденсатора около 200 мкФ. Подставлять готовые номиналы без учёта реального импеданса динамика ошибочно и ведёт к сдвигу частоты среза.
Выбор компонентов, где цена ошибки слышна
Катушка для фильтра нижних частот на 200 Гц с индуктивностью порядка 6-9 мГн должна быть намотана проводом достаточного сечения, чтобы её активное сопротивление DCR не превышало 0,5-1 Ом. Большее сопротивление снижает демпфирование НЧ-динамика и ухудшает воспроизведение баса. Воздушный сердечник здесь является оптимальным выбором для двухполосных схем: он не вносит нелинейных искажений от насыщения магнитопровода, которые характерны для катушек с железными и ферритовыми сердечниками. Катушки на железе уместны в трёхполосных системах на НЧ-канале, где большая индуктивность требует компактного исполнения.
Для намотки воздушной катушки в 6 мГн из провода диаметром 1 мм потребуется порядка 40-50 витков на каркасе диаметром 3-4 см. Чем толще провод, тем ниже активное сопротивление и тем лучше катушка держит токовую нагрузку при работе с реальными мощными сигналами. Проволочные катушки следует располагать взаимно перпендикулярно, если их в схеме несколько: соосное расположение создаёт паразитную индуктивную связь между плечами фильтра, что деформирует амплитудно-частотную характеристику в зоне среза.
С конденсаторами картина не менее интересная. Полярные электролитические конденсаторы категорически не годятся для работы в цепях переменного сигнала: это прямой путь к деградации и отказу компонента. Биполярные электролиты применяются как компромисс там, где большая ёмкость при малых габаритах важнее качества. Лучшим выбором для кроссовера остаются плёночные полипропиленовые конденсаторы серий MKP: они обладают минимальными диэлектрическими потерями, высокой стабильностью характеристик во времени и при изменении температуры. Лавсановые конденсаторы (MKT, PET) несколько хуже по параметру диэлектрических потерь, но вполне приемлемы для НЧ-ветви фильтра, где точность менее критична.
Почему частота 200 Гц требует особого внимания при монтаже
Многие недооценивают один простой факт: реальный динамик, в отличие от расчётной модели, не является чисто активной нагрузкой. Его импеданс изменяется с частотой и проходит через резонансный пик вблизи собственной резонансной частоты. Для типичного 20-сантиметрового НЧ-динамика эта частота лежит в диапазоне 30-80 Гц, а подъём импеданса на резонансе достигает 30-50 Ом при номинальных 8 Ом. Кроме того, выше 200-500 Гц начинает расти индуктивная составляющая звуковой катушки.
Всё это означает, что реальная частота среза фильтра, рассчитанного по формуле с номинальным импедансом, сдвигается относительно расчётной. Для трезвой оценки результата необходимо снять кривую зависимости импеданса динамика от частоты, используя звуковую карту и соответствующее программное обеспечение, и уже на основе этих данных уточнять номиналы компонентов. Частота разделения в 200 Гц именно из-за близости к резонансной зоне НЧ-динамиков особенно чувствительна к этому эффекту.
Есть и ещё один нюанс, который обнаруживается при первом прослушивании готовой схемы. Фильтр второго порядка по Баттерворту вводит фазовый сдвиг 180 градусов между НЧ и СЧ каналами. На частоте раздела они движутся в противофазе, что порождает провал в суммарной амплитудно-частотной характеристике. Классическое решение, применяемое повсеместно, состоит в переполюсовке одного из динамиков. Достаточно поменять местами провода на клеммах, скажем, среднечастотного динамика, и проблема устраняется.
Сборка и типичные ошибки
Практика показывает, что большинство неудач при самостоятельной сборке фильтра связаны не с неправильным расчётом, а с ошибками монтажа. Пайка компонентов должна быть чистой, без "холодных" соединений. Контакт через скрутку со временем окисляется и вносит непредсказуемое дополнительное сопротивление в цепь. Соединительные провода внутри корпуса колонки от кроссовера к динамикам выбираются с сечением не менее 1,5 квадратных миллиметров, чтобы не ограничивать токовый запас при пиках сигнала.
Конденсатор большой ёмкости, который требуется для НЧ-ветви при 200 Гц, нередко набирают из нескольких меньших номиналов, включённых параллельно. Это правильный подход: параллельное включение складывает ёмкости и одновременно снижает суммарное эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), что идёт на пользу качеству. Последовательного включения для получения нужной ёмкости лучше избегать, оно уменьшает результирующую ёмкость и увеличивает суммарный ESR.
Ещё один момент, о котором говорят реже, чем следует. При замене компонентов в уже готовом заводском кроссовере важно учитывать, что производитель при настройке системы мог опираться на конкретный ESR старых электролитов. Переход на плёночные конденсаторы с практически нулевым ESR без коррекции номиналов иногда меняет тональный баланс системы в сторону подъёма верхнего регистра. В таких случаях в цепь добавляют небольшой резистор порядка 0,2-0,5 Ом последовательно с конденсатором, воспроизводя исходные условия.
Что стоит за правильно собранным фильтром
Хорошо рассчитанный и аккуратно собранный LC-фильтр не создаёт заметного окраса звука и не отнимает ощутимой мощности при правильно выбранных компонентах с низкими потерями. Это невидимый элемент системы, который работает строго по своей задаче: каждый динамик получает именно тот участок спектра, на котором он физически способен работать хорошо. Бас остаётся упругим и контролируемым, середина освобождается от гулкого подраса снизу, а весь диапазон начинает складываться в единое целое.
Граница в 200 Гц требует уважения именно потому, что она стоит на стыке двух физически разных миров, мира длинных волн, где работает объём корпуса и жёсткость подвеса, и мира коротких волн, где начинает проявляться направленность излучения и роль фазовых соотношений. Правильный фильтр в этой точке не просто делит частоты. Он удерживает акустическую систему как единый инструмент, в котором каждая часть делает ровно то, для чего она создана.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube