解析媒体矩阵_mediamatr_省略_device的原理和使用_12_兆翦

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1、专业音响口 兆剪解析媒体矩阵(MediaMatrix)(十四)DEVICE的原理和使用(12)分频 器是我们在模拟音响设备中最常用的周边设备之一,其英文名称是Cre ss over或者X一Ov er,其用途是为工作在不同频 段的扬声 器单元(或音箱)提供一个合适带宽的滤波器电路。常见的分频器从设计上 可分为被动式和 主动式两类:被动 式常被安装在音箱箱体中,采用无源L、C、R元件构 成一个多分频 网络,这种分频器设计由于受到造价、功耗、体积、工作方式等多方面的影 响无法做到准确的调整,但是对于用户 的应用却是非常简 便的;主动式分频器也称为电子有源分频 器,由于其核心是 精密的组合滤波电路,所

2、以可以方便而 且精确地对后级设 备进行调整和控制。归根结底,分频器还是属于滤波器的一种,所以要正确的使用分频器就必须了解滤波器的特性。在模拟电子分频器 中,一般只有f 0(分频 点)和G(滤波器增 益)两个参数可以让音响师调整,而象滤波器类型、斜 率等参数,音响师是无法控制 的。要知道不 同斜率的滤波器对输出端的相位和瞬态响应影响是非常大的,所以面对近几年市 场上 出现 的高档数字处理的电子分频器,很多音响师觉得无从下手,对于那些“多出来”的很多参 数不 解其 中的含 义。本期“解析媒 体矩阵”所涉及的分频器虽然是以MWa re设计为主导,但是具有很强 的普遍性,使用方法和理论基础可以推广 到

3、很多其他品牌的类似电路中。图1分频器各部件含义用最广。不同种类的滤波器 搭配不同的滚降斜率,会对最后声音的不失真重放起着 至关重要的作用。在音响领域还有一种 叫做C hebyshev(切比雪夫)的滤波器,其特性主要适用于模拟一数字转换器(ADC)电路,所以我们在分频器的滤波器选项里看不见它。对于分频器通常的调整(分频 点与频段增益)和模拟设备无太大差 异。但是对于滤波器类型、斜 率甚至频段相位的调整,则 需要详细了解不同滤波 器之间的相互差异之后,再做统一说明。Butterworth与Be ss el渡波册分顿路参数舍义(圈1所示)图1例举例的是一个三分频器,除了我们在模拟分频器中遇到的参数以

4、外,没见过的就是 滤波 器类型 的设定了。媒体矩 阵给出了林奎茨一瑞利、巴特沃兹和贝塞尔 三种不 同的滤 波器,这些滤 波器的名称都是以发 明人的名字命名的,在 音频分频器 中应我们通常认 为,滤波器的上升和下降沿 越“陡峭”,则越接近理想 滤波器,也就是说“拐点”要尽量地接近直 角,我 们从Butterwo rth与Be s sel滤 波器的幅度频率特性曲线上做个比较,见 图2:两 种滤波器在通带 内都具有很好的平坦特 性,但 在阻 带内,Bu tte rwor th滤波器具有更好的滚降特性而 不会“夹带出”更多 的频率。Be ss el滤波器要想达到Bu t-t erwo r t h的滚降

5、特性就必须 采用 更高阶数的滤波音响技术3一3 7专业音响(a)5阶Burte、。 rrh低通滤波器(b)5阶Be s s el低通滤波器0二一产诌二cA口口口二二丁丁丁 下下丽丽】 吓吓吓吓吓入入 可可可可可 盯盯盯盯盯 I I I I I I I - - I - I - - - -、一一 盯盯盯盯盯、 叮叮叮可可可口口口口而而而 口口即即即门门门门门丽丽队队 朋朋朋朋朋冈冈 而而而而而而可可可可可可即即即即即即即即即即即即盯盯盯盯盯盯可可可可可可性,如图4。从图4我们可以看出,3 2阶滤波器几乎接近“垂直”,而一阶滤波器却只有一6dR/氏t的衰减。0 0 0 0 0 0 0 0 0111勺

6、门J4哎J了07一一一一一一一1 00- - l 0- - 2 0- - 3 0 - - 4 0 - - 5 0- - 6 0 - - 7 0幅值d Bn为阶数冲1二2归一化频率(Hz)图25阶But terwo rth和Bes sel 滤波器的频率响应曲线器,有关阶数对滚降特性的影 响我们稍候再作分析。但如果我们从幅度时间特性 曲线 上看(信号的时阂特性与频 阑特性都是电信号的固有特性。有 时为了研究方便,必 须从不 同的角度去看 待 同一个波形,从而更全面的分 析它。如果 在三维信号响应分析仪上,我们可以同时看到时 阂和频闹的形状。数学上,可以对时阂波形进行 傅立 叶变换而直接得到频 阑图

7、形),则Be s s el滤 波 器具有非 常 好的阶跃响应,见图3。0 刀 I0, 0 01n=3 2幅值应响1.0归一化频率(a)5阶Butte、or th低通滤波器( h)5阶Bes sel低通滤波器日日日时间(S)图35阶But te rworth和Be s sel 滤 波器 的时间 响应曲线图3(a)中的Butte rworth低通 滤波器在上升和下降沿的末端,都有明 显 的过冲和振 荡的存在,而Be sse l滤波器则 小得 多。对于高频瞬态信号来说,这种过冲会加大瞬态失真;而对于低频信号,虽然可以有很好的频率衔 接特性,但是同样会产生低频 瞬态失真(低频信号的过冲会因为人耳本 身

8、的迟 钝而变的不明显)。有关阶跃相应 及对应 的过 冲和振荡的概念在下面讲述。图4多 阶 滤波器的滚降特性由于低阶滤波器在电路上 只由一个电容和一个电阻构成,所以其电容的冲、放电时 间比较短,也 就是响应 时间短;而 3 2阶滤 波器则需 要1 6个运算放大器、3 2个电容和 至少3 2个电阻构成,尽管 其滚降特性优异,但是它的响应时间却很长,会有强烈的过冲和振荡,在分频 器上,会影响高频信号 的瞬态响应。其实对于滤波器 电路,滤波带宽和响应时间(也就是瞬态响应时间,含义同)是一个矛盾,它们 之间一、_.,_1.、._一_、.一存在近似反比的规律:B、立式 中B表示 滤 波器带T宽,B越小,滤

9、波 器的下 降沿 越 陡峭,此时的反 应时间T一定会变大,而我们最需要 的是一个 窄带宽,快反应的滤波器。也正是因为这个矛盾,我们在 选择滤波器斜率时就要作一个折 中,自己要衡量一下是滚降斜率更重要还是响应时间更重要。我们在后面继续研究具体的瞬态响应时 间。在选择滤波器的时候,除了要注意响应时间以外,还有一个更要命的东西就是相位,我们在后面会重点谈论这个问题。幅值( d B )L inkwitz一Riley渡波路 (以下简称L -R滤波器)速波路阶数对滚 降特性的俄响通常,单极点滤波器(一阶滤波器)能产生一6dB /欣t的衰减(每倍频程衰减6分贝),这样的滚降斜率通常是不够用的,所以我们要 串

10、联出二阶、三阶甚至十几、几十阶的多阶滤波器,目的就是获得更陡峭的衰减特“林奎茨一瑞 利”是L inkwit二Riley的中文译 名。L inkwitz - -Riley滤 波器是由SiegfriedL inkwitz和同事R ilc y两人在1 97 6年设计 完成的。这种 滤波器在现代音响分频器电路中应用非常广泛,它在 通带内具有很好的频率响应特性。它 的滚降特性和边 沿上3一8音响技术专业音响月侧督习褥惬巾冲、振荡 等 特性 是介于Butterwo rth和Be s sel滤波器之间,可以说 就 是在 这 两 种滤波器之 间 的斜率响应上做了一个折 中。从电路上,L一R滤波器可以由两 阶B

11、e s s el滤波器 串联 获得,这也就意味着 L - -R滤波器 的阶数必须是2倍于Be sse l滤 波 器:Bes se l滤波器的滚降斜率是按照一6dB/O c t为单位步 进的,可以选择一6dB/Oet、一12dB/Oet、一18dB/Oet、一24dB/Oet、一3OdB/Oet、一36dB/Oet、一40dB/Oet和一48dB/Oet几种,但是 L - -R滤波器却只能按照一1 2dB/O c t的规律下降,可选一2 4dB /Oet、一3 6dB /Oet和一48dB/Oet四种。而Butterwo rth滤波器的滚降斜率的选择和Be ss el相同。频率(Hz)截止顿率点

12、交设定截止频率(CutO ffFr equeney)就是我们说的分频 点在这几 种 滤 波器中是 不 同的。对于Be s s el和Butterwo rth滤波 器,都 是采用一3dB点对 接的,见图6不同的截止频率点,合成电平不同wo rt h滤波 器那样 具 有恒 定 的相移特 性,所以MWar e在Bes sel滤波器中既给出了一6d B的交 叉点选项,也给出一个一3dB交叉 点选项(见 图1),这就是因为对于不同的负载 特性,Be se el滤 波器的相移特性也是不同的,而不 同 的相移特 性合成的矢量幅值是不同的,所以其使用必须结合 实际的负载 特性曲线才能进行准确设计。我们在后面将

13、讲述不同滤波器的相移特性及 负载音箱的极性调整。B峨to r,o rth滤波器、Be: s el诸波器在一3曲交 叉L一只游波器在-6d B交叉- - -厮厮人人(,止 歹歹-、门门口口 叮叮叮叮叮一) ) )丽丽肛肛才丫丫丫 一 服服服服服二牙z z z、了了了了了一一丁叮- - -_ _ _ _ _二- - - 一 洲洲下下一冬冬冬_ 一 一一于于了了- - -一一一一洲 川川川、 一一一一厂厂厂厂i l _ _ _ 一一不不不不/ 、一一一 阶致与分顿姗的瞬充响应 (Tr an sientResPo n se)所谓阶数的增加,在软件上我们就是调整 图1中的滚降斜率,每一 增加一阶,就是多

14、增加一个一6d B/O ct的衰减。例如选择2 4的含义就是滤波器 具有一2 4d B/氏t的衰减斜率,而这个滤波器就是一个4阶滤波器。按照上面的介绍,我们知道:LR类型的滤波器必须使用偶数阶山n 那a r e中下降率只有只有1 2、2 4、3 6和48四种可选,它们对应的滤波器阶数就是2 .、4、6、8阶。阶数越高,截止频率处下降得就越快,所对应的两只扬声器在频率上混叠的越少,见图7。电)裸埃带洲份、:下万、令 /丫褪 龟沁3 Q赵薯奄图5截止频率的交叉点图5。而只有L -R滤 波器是 设定在一6dB点交叉。通常我们使用 的Bu tte rwo rt h滤 波器 的截止频 率点是取在0.70

15、 7的位置(一3d B,也就是滤波器的有效值),而 L - -R滤 波器是两倍的Bu tterwo rt h长度,所以截止频率在0.70 7又o,70 70.5有效值的位置(一6dB)。对于电平传输设 备来说,两个一6dB的电平叠加刚好是odB,而使用一3 dB作为截止频率点,其合成电平会提 升十3dB,见 图6。图6中“3”表示滤波器的滚降下沿,当分频器在一3dB点交叉时,两个通道的合成电平会 提升3dB,而出现一个“鼓 包”(曲线2);当在一6 dB交叉时,合成功率曲线为平坦曲线。尽管Butterworth和Be ssel滤波器通常都是在一3dB点 交叉,但 是Bes s el滤波 器 并不象Butte r-频革 月2 )f o:中心频车图7分频器不同斜率的比较音响技术3一,专业音响高通滤波器输出响应(阶脚向应):脉冲后归零一甜f o - s -一。洁而;- - 一不漏;- 一仁抓犷-一艺偏瞬态响应时间:毫秒图8不同类型、滚降斜率的滤波器输出瞬态响应尽管我们需要非常陡峭的斜率,但是在 中高频分频点上的瞬态响应时间是绝对不能忽视的,见图8。图8的含义就是从分频 器输人端输人一个一IV一+IV的跳变直流电压,在输出端接人示波器观察输出端