Что такое фильтр нижних частот?

Частотный преобразователь низких и высоких частот для сабвуфера

Хорошая и громкая музыка в машине – это то, чего хотят многие автолюбители, особенно молодежь. Но есть проблема, не все автомобили уже оснащены качественной аудиосистемой. Поэтому в этой статье мы постараемся полно и доходчиво объяснить, как можно самостоятельно подключить сабвуфер к уже имеющемуся у вас основному блоку, установленному производителем.

Я действительно хочу высказать свое мнение прямо сейчас. А что, если вы решите выполнить все работы самостоятельно и подключить активный сабвуфер? Тогда ответственность ляжет на вас лично. Но не нужно испытывать лишние опасения, если руки могут держать отвертку и пассатижи, то подключение усилителя к головному устройству будет в пределах досягаемости.

Низкочастотная акустическая система предназначена для воспроизведения определенной части звукового диапазона. Этот участок находится ближе к нижним границам зоны слышимости и колеблется от 20 до 100-200 Гц НЧ-динамик представляет собой цельный ящик, в котором установлены один или два мощных динамика.

Благодаря особенностям воспроизведения низких частот диффузоры имеют большой диаметр, а подвес обеспечивает большую амплитуду колебаний звуковой катушки и диффузора. Для предотвращения попадания дополнительных частот в звуковую катушку НЧ-динамика на входе системы ставится пассивный или активный кроссоверный фильтр. Вы можете купить фильтр для сабвуфера или сделать его самостоятельно.

Блок фильтров низкой частоты

ФНЧ отсекает ненужные частоты, пропуская на входной канал усилителя только низкочастотные колебания звуковой частоты. Многие фильтры обрезают сигналы ниже 20 Гц и выше 200 Гц, оставляя басы исходящими от сабвуфера.

Базовые виды фильтров низких частот:

• Активный;
• Пассивный;

Фильтр пассивного типа включает в себя только резисторы и емкости.

Фильтры не содержат компонентов усиления. Основным преимуществом фильтра является его конструктивная простота, малое количество компонентов.

Фильтры нижних частот имеют отрицательную сторону. Звук, проходящий через фильтр, уменьшает громкость, оставляя слабый сигнал, который необходимо усилить. Для усиления такого сигнала используется усилитель, после чего сигнал поступает на основной усилитель.

Фильтры пассивного типа производятся в первую очередь. На втором этапе фильтрации нет смысла, так как звуковой сигнал тогда уменьшается в десять раз.

Фильтры активного типа включают в себя пассивный фильтр и усилитель звуковой частоты, который компенсирует потери в фильтре и усиливает звук на выходе. ФНЧ можно сделать на одном транзисторе. Фильтры выполнены на микросхемах, применены маломощные усилители звука.

Основным преимуществом ФНЧ является обеспечение высокого выходного сигнала для управления частотами в необходимом диапазоне. Фильтры подключаются к источнику питания. На основном трансформаторе создается фильтрующая силовая обмотка.

Большое количество радиодеталей, сложная схема – второй недостаток фильтров низких частот.

Предназначение

Рассматриваемое устройство предназначено для улучшения звука, его часто называют кроссовером.

Цель состоит в том, чтобы повысить эффективность воспроизведения нужной частоты.

Поэтому некачественные динамики могут звучать намного лучше.

Для сабвуфера установлены различные фильтры нижних частот для достижения хорошего качества звучания аудиосистемы. Поэтому необходимо выбрать наиболее подходящий продукт. Если вы не нашли в продаже подходящий кроссовер для сабвуфера, его можно изготовить самостоятельно. Динамики автоаудиосистемы также могут быть оснащены сумматором.

Активный фильтр низких частот (ФНЧ) для сабвуфера

Такой фильтр был сделан для мощного автомобильного сабвуфера. Представленная схема представляет собой активный ФНЧ, отсекающий все лишние полосы, оставляя только НЧ. Затем сигнал усиливается и подается на вход усилителя сабвуфера. Именно благодаря такому ФНЧ голова играет на низких частотах (в обиходе называемых БАС).

На плате, помимо ФНЧ, имеется еще и сумматор, который предназначен для сложения сигнала обоих каналов. На вход этого блока подается двухканальный (стерео) сигнал, попадая на сумматор, сигнал становится одиночным, это позволяет получить дополнительное усиление. После суммирования сигнал фильтруется и обрезаются частоты ниже 16 Гц и выше 300 Гц. Фильтр регулятора отсекает сигнал от 35 Гц до 150 Гц.

Таким образом, мы получаем низкочастотный сигнал с возможностью регулировки в заданных пределах. Также имеется фазовый регулятор, который позволяет настроить сабвуфер под акустику автомобиля.

В схеме ФНЧ я использовал только пленочные конденсаторы, говорят они лучше керамических в усилителях, но с керамическими работают очень хорошо, разница не слишком большая.

Сборка происходит на печатной плате, созданной методом ЛУТ, вытравленной раствором лимонной кислоты и перекиси водорода.

Питается такой сабвуфер от двухполярного блока питания (+/-15 вольт), так как работает в связке с мощным усилителем по схеме Lanzar. Если у вас есть только один источник питания для питания блока усилителя и фильтра (как в моем случае), то блоку фильтра нижних частот нужен биполярный стабилизатор напряжения. Такой блок сумматора и ФНЧ может работать буквально с любым усилителем мощности. Три ручки, одна из них предназначена для регулировки громкости, другая для обрезания низких частот, третья — плавная регулировка фазы (как было сказано выше).

В моем случае были куплены только микросхемы, все остальные пассивные компоненты были сняты со старых плат. Пленочные конденсаторы на входе ФНЧ были выпаяны из старого телевизора, одним словом стоимость такого блока минимальна, не более 3$, взамен можно гордиться тем, что используется аналогичный фильтр используется в современных автомобильных усилителях по цене около 400 долларов$.

Виды фильтров для низких частот (НЧ)

По реализации

• Аналоговые схемы.
• Цифровые устройства
• Программные фильтры.

Пишет

• Активный фильтр для сабвуфера (так называемый кроссовер, обязательным атрибутом любого активного фильтра является дополнительный блок питания)
• Пассивный фильтр (такой фильтр для пассивного сабвуфера только фильтрует нужные низкие частоты в определенном диапазоне, не усиливая сигнал).

Вниз по склону упадка

• Первый порядок (6 дБ/октава.)
• Второй порядок (12 дБ/октава.)
• Третий порядок (18 дБ/окт.)
• Четвертый порядок (24 дБ/октава.)

Основные характеристики фильтров:

• Bandwidth (полоса пропускаемых частот).
• Полоса заграждения (значительный диапазон подавления сигнала).
• Частота среза (переход между полосами пропускания и полосы заграждения нелинейный. Частота, при которой передаваемый сигнал ослабляется на 3 дБ, называется частотой среза).

Дополнительные параметры для оценки фильтров акустических сигналов:

• Наклон падения АЧХ (амплитудно-частотная характеристика сигнала).
• Пульсация полосы пропускания.
• Резонансная частота.
• Добротность

Линейные фильтры электронных сигналов отличаются друг от друга видом кривых (зависимостью от показателей) АЧХ.

Разновидности таких фильтров чаще всего называют по именам ученых, выявивших эти закономерности:

• Фильтр Баттерворта (гладкая АЧХ в полосе пропускания),
• Фильтр Бесселя (характеризуется плавной групповой задержкой),
• Фильтр Чебышева (резкое падение АЧХ),
• Эллиптический фильтр (пульсация АЧХ в полосах пропускания и задерживания),

Другой.

Простейший ФНЧ для сабвуфера второго порядка выглядит так: индуктивность (катушка), подключенная последовательно к динамику, и емкость (конденсатор), подключенная параллельно. Это так называемый LC-фильтр (L — обозначение индуктивности в электрических цепях, а C — емкость).

Принцип работы следующий:

1. Сопротивление дросселя прямо пропорционально частоте и поэтому катушка пропускает низкие частоты и задерживает высокие (чем выше частота, тем выше сопротивление дросселя).
2. Сопротивление емкости обратно пропорционально частоте сигнала, поэтому высокочастотные колебания на входе громкоговорителя затухают.

Этот тип фильтра является пассивным. Более сложными в реализации являются активные фильтры.

Основные определения

Амплитудно-частотный (АЧХ): указывает на изменение амплитуды сигнала в зависимости от его частоты. В одном он может быть одинаковым на входе и выходе. С другой будем уменьшать амплитуду входного сигнала.

Частота среза — это частота, при которой выходные колебания падают в пределах 0,7 от входных колебаний.

Наклон частотной характеристики: Когда частотная характеристика изменяется на выходе, это указывает на резкость изменения выходного сигнала. Лучше, когда это снижение происходит быстрее.

Фильтры представляют собой электрические цепи. В состав могут входить один или несколько элементов, имеющих разную силу действия. Существуют различные схемы и устройства фильтров нижних частот.

Для звукового сигнала изменение сопротивления этих фильтров зависит от его частоты и называется реактивным. Они снабжены катушками индуктивности и конденсаторами, благодаря которым получаются фильтры различных частот.

Являются обязательной частью усилителей. Они в основном размещены рядом с электрической катушкой.

Пропускная способность является одной из его основных характеристик.

Низкие частоты часто используются при изготовлении сабвуферов, где изменяются волны высоких частот.

Фильтр – сумматор для сабвуфера, схема

При сборке автомобильных усилителей на микросхемах TDA 7293 или TDA 7294 иногда необходим компактный фильтрующий блок, желательно, чтобы он был простым и понятным, а также имел нормальные характеристики и при этом был сумматором. Именно в этой статье я привожу такую ​​поделку и схему.

Схема фильтра для сабвуфера показана на рисунке. Работает на базе двух операционных усилителей У1-У2 (NE5532). Первый отвечает за добавление и фильтрацию сигнала, а второй обеспечивает его кеширование.

Входной стереосигнал поступает на разъем GP1, а затем через конденсаторы С1 (470нФ) и С2 (470нФ), резисторы R3 (100к) и R4 (100к) поступает на инвертирующий вход усилителя У1А. В этом элементе реализован сумматор сигналов с регулируемым коэффициентом усиления, собранный по классической схеме. Резистор R6 (27к) вместе с Р1 (50к) позволяют регулировать усиление в диапазоне от 0,5 до 1,5, что позволит подобрать усиление сабвуфера в целом.

Резистор R9 (100к) улучшает стабильность U1A и обеспечивает его правильную поляризацию при отсутствии входного сигнала.

Сигнал с выхода усилителя поступает на активный фильтр нижних частот второго порядка, построенный на U1B. Это типичная архитектура Саллена-Ки, позволяющая получать фильтры с разными наклонами и амплитудами. На форму этой характеристики непосредственно влияют конденсаторы С8 (22 нФ), С9 (22 нФ), резисторы R10 (22 кОм), R13 (22 кОм) и потенциометр Р2 (100 кОм). Логарифмическая шкала потенциометра позволяет добиться линейного изменения частоты среза при вращении ручки. Широкий частотный диапазон (до 260 Гц) достигается путем полного поворота потенциометра P2 по часовой стрелке, что приводит к уменьшению полосы пропускания до 50 Гц.На следующем рисунке показана измеренная амплитудная характеристика всей цепи для двух крайних и средних положений потенциометра. П2.В каждом случае потенциометр P1 был помещен в среднее положение, что давало усиление 1 (0 дБ).

полезное: Схема многоканального пульта дистанционного управления по кабелю или радиоканалу

Выходной сигнал фильтра обрабатывается усилителем U2. Элементы С16 (10пФ) и R17 (56к) обеспечивают стабильную работу м/с У2А. Резисторы R15-R16 (56к) определяют коэффициент усиления U2B, а С15 (10пФ) повышают его стабильность. Оба выхода схемы используют фильтры, образованные элементами R18-R19 (100 Ом), C17-C18 (10 мкФ/50 В) и R20-R21 (100 кОм), через которые сигналы подаются на выходной разъем GP3. Благодаря такой конструкции мы получаем два сигнала, сдвинутых по фазе на 180 градусов, что позволяет напрямую подключать два усилителя и мостовой усилитель.

В фильтре используется простой двухполярный блок питания на стабилитронах D1 (BZX55-C16V), D2 (BZX55-C16V) и двух транзисторах T1 (BD140) и T2 (BD139). Резисторы R2 (4,7к) и R8 (4,7к) являются ограничителями тока стабилитронов и были подобраны так, чтобы при минимальном напряжении питания ток был около 1мА, а при максимальном безопасно для D1 и D2.

Элементы R5 (510 Ом), C4 (47 мкФ/25 В), R7 (510 Ом), C6 (47 мкФ/25 В) представляют собой простые сглаживающие фильтры напряжения на основе Т1 и Т2. Резисторы R1 (10 Ом), R11 (10 Ом) и конденсаторы С3 (100 мкФ/25 В), С7 (100 мкФ/25 В) также являются фильтром напряжения питания. Разъем питания — GP2.

Что такое сумматор

В общем смысле сумматор — это любое устройство, которое складывает что-то вместе и выводит сумму этих эффектов. Сумматор можно представить в виде неизвестного нам кадра, в котором поступают входные воздействия и выдается их сумма на выходе указанного кадра.

В электронике сумматоры делятся на две группы:

• сумматоры аналоговых сигналов
• сумматоры цифровых сигналов

В этой статье мы разберем аналоговые сумматоры.

Как сделать своими руками

Самый простой способ — сделать пассивный фильтр нижних частот. Это связано с тем, что он изготовлен с использованием всего нескольких элементов. Среди особенностей выполнения работы своими руками отметим следующие:

• Выполняются подробные расчеты. Повысить удобство можно с помощью специальных калькуляторов, с помощью которых рассчитываются параметры основных элементов изделия.
• Выбирается наиболее подходящая схема. Он предполагает использование специального сепаратора, который выполнен в виде сумматора. В этом случае качественного звука добиться не удастся, зато устройство прослужит долго.

Простой фильтр для двухполосного усилителя легко настроить. Инструкции по работе следующие:

1. На вход ОУ подается сигнал.
2. Сигнал отправляется на MC2.
3. С выхода ФНЧ сигнал поступает на МС2.
4. Блок стабилизации напряжения создан на основе резистора, конденсатора и стабилизатора.
5. При напряжении питания менее 15 В резистор R11 исключается из схемы. На компонентах R1, R2, C1, C2 собран сумматор входных сигналов. Этот элемент отключен, когда на вход подается монофонический сигнал. Источник сигнала напрямую подключается ко второму контакту.
6. Конденсатор С7 предназначен для фильтрации выходного сигнала. Регулятор сигнала выполнен на R9, R10, C8.
7. Для получения устройства вам понадобится печатная плата. Можно сделать своими руками из стеклотекстолита, рекомендуемый размер листа 2 на 4 см.
8. Поверхность полируется до блеска, после чего обезжиривается. Печатный рисунок переносится на поверхность.
9. Гравировка осуществляется с помощью специального состава. Излишки меди растворяются, после чего поверхность промывается чистой водой.

Сварка осуществляется для соединения отдельных элементов. При правильной сборке схемы она должна работать сразу, без необходимости дополнительной настройки. Если звука нет, нужно будет проверить надежность всех соединений. В процессе эксплуатации есть вероятность повреждения основных элементов.

Процесс изготовления

Чтобы сделать простейший ФНЧ своими руками, нужно использовать магнитную сетку. Он должен располагаться после резисторов. Преселектор действует как проводник. Тип конденсатора влияет на захват сигнала.

В последнее время широкое распространение получили полевые модели. Они позволяют воздействовать на коротковолновые импульсы, оказывая на них стабилизирующее действие.

Осуществление расчетов

Они выполнены с учетом частоты среза и коэффициента передачи постоянного сигнала. При изготовлении активных фильтров учитывается емкость конденсаторов.

Передаточная функция рассчитывается отдельно. Постоянный коэффициент усиления сигнала будет положительным, если частота входящего сигнала выше исходной спецификации.

Активный фильтр

Активный фильтр сабвуфера получил широкое распространение. Такая схема имеет следующие особенности:

• Активный элемент не нагружает акустическую систему.
• Входной сигнал фильтруется. За счет этого удается устранить шум.
• При правильном подходе можно гибко настроить усилитель.
• Исходный спектр часто делится на несколько каналов. Схема активного фильтра позволяет выделить низкие и средние, высокие частоты.

Сделать активный фильтр можно самостоятельно, для этого не требуется специального оборудования.

Активный фильтр для сабвуфера своими руками

По сравнению с пассивными схемами активная схема сглаживает частотную характеристику низкочастотного сигнала, корректируя пики и провалы, которые негативно влияют на качество прослушивания. Из простого самодельного фильтра сабвуфера можно сделать малошумящий операционный усилитель.

Схема фильтра нижних частот для самодельного сабвуфера состоит из двух операционных усилителей и небольшого количества дискретных элементов. В качестве основного элемента используется интегральная схема LM324, которая содержит четыре операционных усилителя с однополярным питанием, что особенно удобно, если сабвуфер будет использоваться в автомобиле. Активное устройство подавляет высокочастотную часть звукового диапазона, начиная со 120 Гц.Существует множество схем разного уровня сложности, выполненных на микросхемах или транзисторах. ИС требуют меньшего количества деталей и не критичны к изменениям напряжения питания.

Более качественную схему можно сделать на специализированной микросхеме RT2351. Сигналы с выходов стереоусилителя поступают на входные каскады, микшируются и подаются на активный блок спада низких частот. Начальная точка подавления высокочастотной части спектра определяется номиналом конденсаторов С3 и С7. Буферный каскад позволяет подключить устройство напрямую к акустической системе.

Двухканальный сигнал от стереоусилителя подается через RC-цепи на соответствующие входы интегральной схемы. Благодаря стабилизатору микросхема может питаться от любого однополярного источника постоянного тока напряжением до 20 вольт. Порог отсечки активного устройства составляет примерно 70 Гц. Для некоторых динамиков этот уровень подавления может быть слишком низким. Для значения подавления 200 Гц номиналы конденсаторов должны быть следующими:

• С1 — 0,47 мкФ
• С2 — 0,47 мкФ
• С3 — 0,047 мкФ
• С7 — 0,068 мкФ

Активный блок ограничения высокочастотной части звукового диапазона можно использовать как для домашней аудиосистемы, так и в автомобиле. Недостатком этой схемы является отсутствие плавной регулировки полосы пропускания, но для работы звукового комплекса это не столь важно.

Пассивный фильтр

Пассивное устройство проще в изготовлении, но имеет менее привлекательные характеристики. Его характеристики следующие:

• Предназначен для устранения низких частот в определенном диапазоне.
• Он не усиливает сигнал.

На рынке существует множество пассивных фильтров. Они могут длиться долго и относительно малы.

Пассивный фильтр НЧ для сабвуфера схема

Пассивный фильтр низких частот для сабвуфера можно сделать своими руками в кратчайшие сроки. Схема не содержит дефицитных деталей и правильно собрана, не требует настройки. Простой фильтр нижних частот для сабвуфера состоит всего из двух частей. Это катушка индуктивности и конденсатор. Для определения электрических величин этих элементов лучше всего использовать онлайн-калькулятор. Для этого наберите в строке поиска «Расчет фильтров LC. Онлайн калькулятор. Далее в окне вы должны найти следующую таблицу.

Здесь достаточно указать желаемую частоту среза, сопротивление нагрузки и нажать «Рассчитать». Например, при сопротивлении динамика 4 Ом и частоте среза 220 Гц калькулятор выдаст емкость конденсатора 255,7 мкФ и индуктивность 4,09 миллигенри. При сопротивлении головы 8 Ом и подавлении «высоких» от 250 Гц данные будут 112,5 мкФ и 7,2 мГн. Вы можете сделать фильтр нижних частот для сабвуфера на простой печатной плате или использовать плату с контактными площадками.

В качестве конденсаторов используется ближайшая по номиналу емкость. В частотном фильтре для сабвуфера можно использовать электролитические конденсаторы, но лучше поставить бумажные типа «МБГО», К73-16 или полипропиленовые емкости К78-34, специально предназначенные для акустических систем. Чтобы получить желаемый номинал, конденсаторы можно соединить параллельно. Катушки индуктивности можно приобрести в готовом виде или намотать самостоятельно.

Аналоговый сумматор

Я думаю, вы все помните форму волны постоянного напряжения

Если, например, цена нашего квадрата 1 В, то на этой картинке мы видим постоянное напряжение с амплитудой 1 В. Суммировать постоянное напряжение одно удовольствие. Для этого просто добавьте амплитуды этих сигналов в любое время.

На следующем рисунке мы видим два сигнала A и B и сумму этих сигналов: A+B. Если сигнал А = 2 В, сигнал В = 1 В, то сумма этих сигналов будет 3 В.

То же самое относится к сигналам с отрицательной полярностью

Как видите, складывая сигналы одинаковой амплитуды, но разной полярности, мы получаем в сумме 0. То есть эти два сигнала компенсируют друг друга: 1 + (-1) = 0. Все становится намного веселее, если мы начнем добавление сигналов, изменяющихся во времени, то есть переменных сигналов. Они могут быть как периодическими, так и непериодическими.

Сначала рассмотрим самый простой пример. Пусть у нас есть два синусоидальных сигнала с одинаковыми амплитудами, частотами и фазами. Давай покормим гадюку. Что произойдет в конце?

Получаем синусоиду с вдвое большей амплитудой. Как ты получил это? Расчеты достаточно просты. Каждая точка синусоиды А+В является суммой одновременно точек синусоиды А и В. Для наглядности возьмем 3 точки: t1, t2 и t3 .

Как видите, в момент времени t1 амплитуда сигнала А была 1 В, амплитуда сигнала В тоже была 1 В. В сумме ваш результат в момент времени t1 будет 2 В, что мы и видим в сигнале А+В В момент времени t2 амплитуда сигнала A была равна 0 В, амплитуда сигнала B также была равна 0 В. Как вы можете догадаться, 0+0=0, что мы и видим в сигнале A+B в момент времени t2. Итак, в момент времени t3 амплитуда сигнала A = -1 В, амплитуда сигнала B = -1 В, в итоге их сумма -1 + (-1) = — 2 В, которую мы только что посмотрели синусоида A + B в момент времени t3. Отсюда следует вывод: для сложения сигналов необходимо складывать амплитуды сигналов в одни и те же моменты времени.

И изменим фазу одного из сигналов на 180 градусов относительно другого, но при этом амплитуды и частоты сигналов останутся неизменными. Такие сигналы называются противофазными. Как вы думаете, какой будет их сумма? Недолго думая, сдвигаем второй сигнал на 180 градусов и складываем их амплитуды в каждый момент времени. Нетрудно догадаться, что их сумма будет равна нулю, что мы и видим на следующем рисунке.

Сборка

Давайте рассмотрим инструкцию, как правильно сделать простой фильтр

Сначала нужно отшлифовать стеклохолст наждачной бумагой и обезжирить. Перенести чертеж платы методом ЛУТ.

Возможно, вам придется покрасить дорожки лаком.

Раствор для травления готовят из лимонной кислоты и перекиси водорода (1:3). В качестве катализатора используется щепотка соли.