分频网络的设计与制作

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在高保真放声系统中,分频网络是保证组合音箱正常有效工作的重要环节。功率分频器因其无源,且可与音箱装成一体,使用方便而得到广泛采用。

功率分频器将经过功率放大的整个音频信号按频率高低分成若干个频段,使各放音单元得到适当频段的信号功率且起到保护高音扬声器的作用。分成两个频段的分频器称为二分频器,分成三个频段的分频器称为三分频器。其网络特性分别示于图1和图2。

图1
图1 🔍原图 (637×388)
图2
图2 🔍原图 (630×380)

功率分频器按其每倍频程衰减率一般可分为一阶(-6dB/oct)、二阶(-12dB/oct)及三阶(-18dB/oct)。网络阶数越高,衰减率越高,分频越彻底,音质越好。但由于元件数量增多,成本增加,调整困难,而且插入损耗及相移也随之增加。通常情况下,结合成本与效果考虑,多选用二阶分频网络。

分频器根据其连接方式又分为串联式和并联式。串联式在阻带时对扬声器有较好的阻尼,而并联式制作调整方便,故两种方式都常采用。

一、分频点的选取

分频点的选取应根据所选用的系统及扬声器单元的综合要求来确定。

首先,分频点的选取应使低、中、高音扬声器工作在其有效频率范围且选择频响最平直的段落,尽量避开峰谷段落。

分频点的选择还应合理分配低、中、高音扬声器的功率。一般,低音承受的功率最大,约占系统总功率的50~80%;中音承受的功率小于50%,可选为低音的一半;高音承受的功率在二分频系统中应小于总功率的30%,在三分频系统中应在总功率的15%以下。

此外还应考虑扬声器的指向性要求,应保证系统指向性达到水平±60°(-6dB),垂直±20°(-6dB)。这就要求选择分频点时要考虑扬声器的口径、功率等因素,对二分频系统更应注意,此时有

f≤140/a

式中a为扬声器音盆等效半径(m),f为分频频率(Hz)。

例如,对于口径为Φ200mm的扬声器(a= 0.085m)要满足指向性要求,则分频频率f≤1650Hz。

一般来说,对于二分频系统,分频点可选在800~3000Hz之间,而对于三分频系统,第一分频点可选在300~800Hz之间,第二分频点可在3000~5000Hz之间选择。

二、分频器的设计

1.一阶分频器(-6dB/oct)

(1)二分频网络

典型电路如图3所示,其中(a)为并联式,(b)为串联式。

图3
图3 🔍原图 (585×238)

图中各元件参数的计算如下:

L=R\(_{L}\)/(2πfC),C=1/(2πf\(_{C}\)RL)

式中R\(_{L}\)为扬声器阻抗,各频道应一致;fC为分频频率。

(2)三分频网络

典型电路如图4所示,其中(a)为并联式,(b)为串联式。

图4
图4 🔍原图 (716×348)

图中各元件参数的计算如下:

L\(_{1}\)=RL/(2πf\(_{1}\)),C1=1/(2πf\(_{1}\)RL)

L\(_{2}\)=RL/(2πf\(_{2}\)),C2=1/(2πf\(_{2}\)RL)

式中R\(_{L}\)为扬声器阻抗,各频道应一致;f1为低音与中音之间的分频频率(第一分频点);f\(_{2}\)为中音与高音之间的分频频率(第二分频点)。

2.二阶分频器(-12dB/oct)

(1)二分频网络

典型电路如图5所示,其中(a)为并联式,(b)为串联式。

图5
图5 🔍原图 (671×240)

图中各元件参数的计算如下:

L=R\(_{L}\)/(\(\sqrt{2}\)πfC),C=1/(22πf\(_{C}\)RL)

L'=R\(_{L}\)/(2\(\sqrt{2}\)πfC),C'=1/(2πf\(_{C}\)RL)

式中R\(_{L}\)为扬声器阻抗,各频道应一致;fC为分频频率。

(2)三分频网络

典型电路如图6所示,其中(a)为并联式,(b)为串联式。

图6
图6 🔍原图 (891×318)

图中各元件参数的计算如下:

L\(_{1}\)=RL/(\(\sqrt{2}\)πf\(_{1}\)),C1=1/(22πf\(_{1}\)RL)

L\(_{2}\)=RL/(\(\sqrt{2}\)πf\(_{2}\)),C2=1/(22πf\(_{2}\)RL)

L'\(_{1}\)=RL/(2\(\sqrt{2}\)πf\(_{1}\)),C'1=1/(2πf\(_{1}\)RL)

L'\(_{2}\)=RL/(2\(\sqrt{2}\)πf\(_{2}\)),C'2=1/(2πf\(_{2}\)RL)

式中R\(_{L}\)为扬声器阻抗,各频道应一致;f1为第一分频点;f\(_{2}\)为第二分频点。

三、分频器的制作

1.电容器的选择

分频器中的电容要选择无极性电容。要求较高时可选用钽电容或聚丙烯电容,但这类电容一般容量较小,有时需多只并联,成本较高。要求不高时可选用聚酯电容或金属化纸介电容。对于高保真音箱应尽量避免使用电解电容,这种电容损耗较大,电流容量小,易损坏,功率不大时采用这种电容可将其成对串接成无极性的,只要串接点为同极性即可。

2.电感的制作

分频器中的电感,必须使用空心线圈,若用磁心虽可降低匝数,但易产生磁饱和而失真。为减小分频器的插入损耗,电感线圈绕组应选择尽可能粗一些的导线,整个绕组的直流电阻应小于扬声器额定阻抗的十分之一,考虑到体积、重量、成本因素,选择0.8~1.5mm直径的漆包线较为适宜。

图7
图7 🔍原图 (496×362)

线圈的绕制要先选择胶木板、硬纸板或塑料板做成一个空心骨架,漆包线层层密绕,如图7所示。

图中D\(_{0}\)=20~40mm,b=30mm,C为绕组厚度。其电感量可用电感电桥测量,也可由如下经验公式估算:

L=80n\(^{2}\)d2×10\(^{-}\)9/(3d+9b+10c)(mH)

式中n为匝数;d为线圈内外径平均直径(cm),b为绕组宽度(cm),c为绕组厚度(cm)。

分频器的各元件应牢固地安装在强度足够的线路底板上,再固定在音箱下部。注意多个线圈时要彼此垂直放置以减小互感。

四、设计分频器应注意的问题

1.阻抗校正

分频器的参数都是以扬声器的额定阻抗来计算的,而实际上扬声器的阻抗是随着频率变化的。为使其阻抗近似保持恒定,需在分频器的输出端并联一个RC串联网络,对扬声器阻抗进行校正,其参数应满足如下关系:

R=R\(_{L}\),C=L/R\(^{2}\)L

式中R\(_{L}\)为扬声器额定阻抗,L为扬声器音圈电感。

2.衰减器的引入

当高、中、低音扬声器的灵敏度不一致时,要在分频器的中、高频输出端加上适当的衰减器以调整中、高音扬声器的灵敏度。常用的衰减器有固定式衰减器,可调式衰减器和抽头式衰减器。

3.相位问题

分频器与扬声器连接时一定要注意按规定相位接,不可接反。否则会引起频响混乱,影响音质。

4.分频器的调整

分频器制作好后,若要调整,只需改变电容的大小,即通过串、并联电容器,可以方便地改变分频点的高低及分频曲线的形状。(刘玉明)