Tin tức
Thiết Kế Của Mạng Phân Chia Tần Số Bị Động (Phân Tần) – Phần 1
Th6
1.0. Giới Thiệu
Trong khi có nhiều bài báo ở nơi khác thảo luận về thiết kế phân tần thụ động, không phải tất cả đều tuân theo một cách tiếp cận khoa học. Có một số thiết kế ‘độc đáo’ rải rác trên Internet là một trường hợp điển hình, và trừ khi có khoa học thực sự được mô tả trong bất kỳ bài báo nào bạn thấy, thì tốt nhất bạn nên tránh.
Bài đọc được khuyến khích cao là Project 82 – Kiểm tra Loa. Điều này sẽ làm cho khá nhiều thử nghiệm được mô tả dưới đây trở nên thừa và bạn sẽ có thể xem nhanh mạng nào phù hợp nhất với trình điều khiển của mình. Mặc dù vậy, nó không có bộ lọc notch, vì vậy đây là thứ mà bạn có thể vẫn cần xác định bằng toán học (hoặc chỉ gian lận và sử dụng bảng tính)
Hầu hết những người đã đọc các trang của tôi sẽ biết rằng tôi không phải là một fan hâm mộ của phân tần thụ động. Tuy nhiên, đôi khi đó là cách tiếp cận hợp lý duy nhất, hoặc cần thiết vì cân nhắc tài chính hoặc chỉ vì đơn giản. Trước khi quyết định sử dụng bộ phân tần thụ động thay vì chủ động, bài viết sau đây sẽ khiến bạn ngạc nhiên – thậm chí có lẽ đủ để khiến bạn quyết định chuyển sang chủ động.
Khi sử dụng passives, tôi thích đơn vị 6dB / quãng tám đơn giản hơn, nhưng trong nhiều trường hợp, điều này là không thể – phổ biến nhất là do tốc độ cuộn thấp, có thể gây ra quá nhiều điện năng được phân phối trong dải dừng. Điều này có thể kích thích tần số cộng hưởng của loa tweeter và có thể gây ra tiếng ‘honkiness’ ở âm trung trên – thường là tinh tế, nhưng dù sao thì nó cũng có thể nghe được.
Bộ lọc Butterworth 12dB / quãng tám thông thường cho đến nay vẫn là bộ phân tần phổ biến nhất, nhưng hiện đang bị đe dọa bởi sự liên kết Linkwitz-Riley. Loại thứ hai có tần số chéo trong đó đầu ra của mỗi bộ lọc giảm xuống 6dB, và điều này có lợi thế là đầu ra tăng bằng không ở tần số chéo. Bộ lọc chéo ‘thông thường’ giảm 3dB ở tần số phân tần và đầu ra tổng hợp cho thấy một đỉnh nhỏ là 3dB ở tần số phân tần. Hiện tượng này xảy ra với cả crossover điện tử và thụ động sử dụng căn chỉnh Butterworth. Mặc dù có thể sửa đổi tần số hoặc độ dốc của phần vượt qua cao hoặc thấp để bù đắp (thường bằng cách thao tác với cả phản ứng biên độ và pha), điều này không phổ biến trong các thiết kế ngân sách và không tồn tại đối với bộ phân tần có sẵn mạng lưới.
Tất cả các mạng chéo đều có vấn đề. Một số có nhiều hơn những người khác. Loa lý tưởng là một nguồn điểm duy nhất (tức là nhỏ so với tất cả các bước sóng quan tâm) tái tạo tất cả các tần số. Một trình điều khiển như vậy là không thể với bất kỳ công nghệ nào hiện có, vì vậy (như mọi khi) chúng tôi phải thỏa hiệp.
Giải pháp phổ biến nhất là sử dụng hai (hoặc nhiều) loa, mỗi loa được tối ưu hóa cho dải tần mà nó phải bao phủ. Vì rất không mong muốn các trình điều khiển dành cho tần số cao phải chịu tần số thấp (và ngược lại), tín hiệu âm thanh được phân tách thành các dải bằng mạng chéo – điện tử hoặc thụ động, hoặc kết hợp cả hai.
Trong bài viết này, tôi đã tập trung vào một mạng chéo hai chiều. Ba chiều (trở lên) sẽ trở thành một cơn ác mộng nếu bạn phải sử dụng các giao cắt bị động trong suốt quãng đường. Khuyến nghị của tôi là tất cả các bộ phân tần tần số thấp nên hoạt động, và nếu bạn phải sử dụng mạng thụ động, thì nó chỉ nên dành cho phần tần số trung đến cao. Các nguyên tắc cơ bản áp dụng cho tất cả các trình điều khiển bất kể dải tần số, vì vậy không khó để ngoại suy các ví dụ được đưa ra cho các mạng tần số thấp.
Mục đích của bài viết này là giải thích cách đạt được hiệu suất tốt nhất có thể từ mạng chéo thụ động và tránh những cạm bẫy lớn đang chờ đợi chúng ta trong những nỗ lực của mình. Crossover không hề đơn giản. Các thiết bị điện tử đòi hỏi chúng ta phải có nhiều bộ khuếch đại (một bộ cho mỗi trình điều khiển loa), và các thiết bị thụ động áp đặt các ràng buộc và hạn chế khác – không phải tất cả đều được các nhà sản xuất loa giải quyết thỏa đáng (bao gồm một số thành phần ‘cao cấp’).
Cụ thể, điều này liên quan đến sự thay đổi tần số bộ lọc và sự căn chỉnh xảy ra khi cuộn dây loa nóng. Vì tín hiệu âm nhạc sẽ không bao giờ đạt được nhiệt độ hoạt động ổn định, nên sẽ có tần số phân tần thay đổi liên tục và đáp ứng tần số đạt đỉnh trong đó biên độ phụ thuộc vào công suất tại bất kỳ thời điểm nào. Đây không thể được coi là một tình huống khả quan, và có thể là một trong những lý do thuyết phục nhất để sử dụng những chiếc crossover chủ động bất cứ khi nào có thể.
Bài viết sau đây yêu cầu bạn phải rất quen thuộc với việc sử dụng bảng tính hoặc máy tính khoa học. Có rất nhiều phép tính và phép đo phải được thực hiện để làm cho nó đúng – nhưng kết quả cuối cùng sẽ rất xứng đáng với nỗ lực.
Hình 1.1 – Thiết lập kiểm tra loa
Bạn sẽ cần thiết lập thiết bị thể hiện trong Hình 1.1 để thực hiện bất kỳ thử nghiệm nào trên loa. Milivoltmeter có thể là kỹ thuật số, nhưng chỉ khi bạn chắc chắn rằng nó có đáp ứng tần số đủ tốt (nhiều máy đo kỹ thuật số trở nên không chính xác cao trên 1-2kHz hoặc hơn). Một máy đo tần số cũng rất hữu ích, nhưng không cần thiết nếu bộ dao động được hiệu chỉnh tốt. Nếu sử dụng bộ khuếch đại lớn hơn 10W, hãy đảm bảo rằng bạn luôn giảm âm lượng – hầu hết các thử nghiệm sẽ yêu cầu tối đa 1V RMS, vì vậy, ngay cả bộ khuếch đại 1W cũng là đủ.
Một bảng tính có sẵn để thực hiện các phép toán cho bạn. Bạn vẫn cần đo các trình điều khiển, nhưng sau khi đã đo, bạn có thể chỉ cần chèn các giá trị vào bảng tính để có được điểm xuất phát của mình. Bảng tính không thể bù đắp cho tất cả các khả năng và hầu như luôn cần một số thử nghiệm để đi đến giải pháp tối ưu.
Khi bạn sử dụng bảng tính, bạn phải sử dụng trở kháng thực tế đo được của loa ở tần số quan tâm, thay vì trở kháng danh định được trích dẫn. Sử dụng bộ thử nghiệm hiển thị ở trên làm cho việc này trở nên khá dễ dàng.
Hãy nhớ rằng một Zobel hoặc bộ lọc khi được xác định cho một trình điều khiển, nó sẽ trở thành một phần của điều khiển của trình điều khiển. Mạng và trình điều khiển phải được coi là một, vì mục tiêu của mạng được loại bỏ một số đặc tính khó chịu của trình điều khiển được đính kèm – các biến thể trở nên không mong muốn phổ biến nhất.
Để sử dụng bộ thử nghiệm, hãy làm theo các bước sau …
- Ngắt kết nối loa và đặt điện áp ở mức thuận tiện (giả sử 1V)
- Kết nối loa và quét tần số để xác định vị trí trung tâm của dải ‘phẳng’, nơi điện áp không thay đổi đáng kể
- Đo điện áp
Trở kháng có thể được tính toán dựa trên điện áp đầu vào đã biết và điện áp đo qua loa. Sử dụng đường dài (vì nó dễ dàng hơn) …
Vr = Vin – Vs Trong đó Vr là điện áp trên điện trở, Vin là điện áp không tải, Vs là điện áp qua loa I = Vr / R Trong đó I là dòng điện và R là giá trị của điện trở – 10 ohms được đề xuất Z = Vs / I
Giả sử đầu vào là 1V, R = 10 ohms và Vs = 400 mV
Vr = Vin – Vs 1 – 0.4 0.6 V I = Vr / R 0.6 / 10 0.06 A Z = Vs / I 0.4 / 0.06 6.67 Ohms
Tính toán này cũng được thực hiện bởi bảng tính.
2.0. Các loại bộ lọc
Việc so sánh các căn chỉnh của bộ lọc được thực hiện theo thứ tự để người đọc chưa có kinh nghiệm trong những vấn đề như vậy sẽ biết tôi đang nói về vấn đề gì. Có ba cách căn chỉnh bộ lọc chính có thể được sử dụng và chúng chỉ khác nhau về hệ số giảm chấn (hoặc ‘Q’). Q, hay ‘hệ số chất lượng’ là một thuật ngữ trừu tượng được áp dụng cho nhiều thành phần thụ động trong nhiều ứng dụng và có hiệu quả là nghịch đảo của hai lần hệ số tắt dần (thường được hiển thị dưới dạng ζ). Như vậy …
Q = 1 / 2 × d hoặc…
d = 1 / 2 × Q
Một đoạn mạch dao động tắt dần 0,5 có Q là 1 và một đoạn mạch dao động tắt dần 0,707 cũng có Q là 0,707. Một mạch Q cao (theo định nghĩa) có độ tắt dần thấp và ngược lại. Các đặc điểm chung của bộ lọc được trình bày trong bảng sau.
| Bộ lọc | Đặc điểm chính | Các đặc điểm khác | Q |
| Butterworth | Biên độ phẳng tối đa | – | 0.707 |
| Bessel | Pha phẳng tối đa | Thời gian giải quyết nhanh nhất | 0.5 to 0.7 (typ.) |
| Chebyshev | Rolloff nhanh nhất | Đỉnh / giảm nhẹ | 0.8 to 1.2 (typ.) |
Table 1 – Filter CharacteristicsMột bộ lọc Bessel thực sự có Q là 0,57, tuy nhiên có nhiều cách căn chỉnh ‘gần như Bessel’ đang được sử dụng phổ biến cũng đánh vần là Tchebychev trong một số văn bản
Một trong những con số ‘ma thuật’ trong điện tử là √2, hoặc 1.414, và nghịch đảo của nó, 0.707, và con số sau có thể được nhìn thấy trong bảng như hình cung cấp đáp ứng tần số ‘tối đa bằng phẳng’. Điều này có nghĩa là đáp ứng trong dải tần bằng phẳng nhất có thể, cho đến khi đạt đến tần số cắt (-3dB). Điều này tạo thành bộ lọc Butterworth cổ điển đã trở thành trụ cột của gần như tất cả các hệ thống phân tần đang được sử dụng phổ biến.
Bộ lọc Bessel có phản hồi chậm hơn và ‘cẩu thả hơn’, bắt đầu giảm xuống tốt trước tần số cắt, nhưng có độ lệch pha tối thiểu (và phản hồi thoáng qua tốt nhất) và tương đối nhẹ nhàng. Bộ lọc bậc nhất (6dB / quãng tám) không phải là cá hay gà – tức là chúng có thể được coi như một Bessel kém, Butterworth và Chebyshev đều cuộn thành một và có Q là 0,5 – điều này không thể thay đổi bởi bất kỳ cấu trúc liên kết nào, bất kể liệu điện tử của crossover thụ động có được sử dụng hay không.
Bộ lọc Chebyshev được đặc trưng bởi các đỉnh và / hoặc giảm trong phản ứng của nó, và thường có biên độ tăng (nhẹ) ngay trước tần số cắt, độ lớn của tần số này được xác định bởi Q. Q càng cao, đỉnh càng lớn. trong phản hồi. Tùy thuộc vào thứ tự của bộ lọc Chebyshev, nó có thể có độ sâu cũng như đỉnh. Nhiều loa siêu trầm có lỗ thông hơi sử dụng phản hồi Chebyshev để điều chỉnh cổng, cũng như một số thùng loa kín. Q thường sẽ là khoảng 0,8, do đó biên độ tăng nhỏ hơn 1dB, nhưng một số sẽ sử dụng Q cao tới 1,0 để làm cho loa phát ra âm thanh như thể nó có nhiều âm trầm hơn.
Các bộ lọc Chebyshev hiếm khi được sử dụng trong các dòng crossover – một số dòng crossover điện tử đã sử dụng chúng, nhưng những bộ lọc này không phổ biến nhất. Sự liên kết này sẽ không được thảo luận thêm (ngoại trừ trường hợp nó xảy ra một cách tình cờ do các biến thể trở kháng).
3.0 Hiệu ứng loa trên phản hồi bộ lọc
Biên độ và pha của bộ lọc dễ dàng được vẽ bằng phương pháp mô phỏng mạch. Đáp ứng biên độ có thể được đo bằng cách sử dụng bộ tạo tín hiệu đơn giản, bộ khuếch đại công suất nhỏ (đối với bộ lọc phân tần của loa) và vôn kế AC, phải có băng thông bao phủ phổ âm thanh – không phải tất cả đều làm được, đặc biệt là các máy đo kỹ thuật số và tương tự giá rẻ. Rất khó đo độ lệch pha nếu không có máy hiện sóng. Máy hiện sóng kỹ thuật số có thêm lợi thế là con trỏ có thể được sử dụng để đọc chính xác độ trễ thời gian ở bất kỳ tần số nhất định nào và độ lệch pha có thể được tính toán từ đó.
May mắn thay, một khi được trang bị đủ thông tin, các phép đo dịch pha nói chung không cần thiết. Điều này đơn giản hóa đáng kể quá trình thiết kế, vì sự dịch chuyển pha của bất kỳ loại bộ lọc nhất định nào sẽ được biết trước.
Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét một số ảnh hưởng có thể có (hoặc có thể có) ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của mạng chéo. Một số trong số này nổi tiếng và được phục vụ cho nhiều (nhưng không phải là tất cả) loa thương mại và sở thích (DIY). Những người khác ít được biết đến hơn và bị hầu như tất cả các nhà sản xuất loa bỏ qua – có lẽ có lý do chính đáng, có lẽ không.
3.1 Trở kháng loa
Một lĩnh vực mà phép đo là điều cần thiết khi thiết kế bộ phân tần thụ động, là bản thân trình điều khiển loa. Thường có rất ít thông tin trong dữ liệu của nhà sản xuất giúp bạn chuẩn bị cho hoạt động của sự kết hợp mạng loa / mạng chéo và những dữ liệu này thường được lấy theo kinh nghiệm. Trong một số trường hợp, độ tự cảm của cuộn dây thoại sẽ được trích dẫn, và nếu vậy, đây có thể là một phần thưởng, như sẽ được trình bày ngay sau đây.
Khi thiết kế mạng phân tần thụ động, phải luôn bao gồm các sơ đồ hiệu chỉnh trở kháng được chỉ ra, trừ khi thử nghiệm nghiêm ngặt chỉ ra rằng trở kháng của trình điều khiển là bằng phẳng trên toàn bộ vùng phân tần (tức là ~ 2 quãng tám trên và dưới tần số chéo thực). Điều này hầu như không bao giờ xảy ra với các trình điều khiển loa trầm / trung trầm, nhưng một số loa tweeter có đường cong trở kháng phẳng.
Một trong những lợi thế lớn của hệ thống chủ động là các mạng này không bắt buộc phải có, và chi phí của các bộ phận thụ động có thể dễ dàng đủ để mua các bộ phận cần thiết để chế tạo một bộ khuếch đại tweeter nhỏ. Trong bất kỳ mạng thụ động nào (trừ trường hợp có thể có một chuỗi giao nhau nối tiếp thứ tự đầu tiên (6dB / quãng tám)), chi phí của các tụ điện tương đối lớn có thể cao hơn mức bạn mong đợi.
3.1.1 Woofers và trình điều khiển tầm trung
Trong hầu hết mọi trường hợp, tần số phân tần được chọn cho trình điều khiển loa trầm và loa trung sẽ ở tần số mà độ tự cảm của cuộn dây giọng nói là đáng kể. Khi tần số tăng lên, ảnh hưởng của điện cảm cuộn dây thoại là làm tăng trở kháng của trình điều khiển, và điều này ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của mạng phân tần.
Hình 3.1 – Mạch tương đương của loa
Kiểm tra trình điều khiển tần số thấp mô phỏng được mô tả trong Hình 1, cho thấy một đỉnh lớn khi cộng hưởng và một phần tương đối nhỏ nơi trở kháng bằng phẳng. Điều này tương đương với trở kháng danh định của loa, nhưng như hình dưới đây, điều này bao gồm một dải tần số giới hạn. Vấn đề lớn nhất đối với bộ phân tần không phải là sự cộng hưởng (ít nhất là đối với loa trầm), mà là sự gia tăng trở kháng khi điện kháng cảm ứng của cuộn dây thoại bắt đầu trở nên đáng kể so với trở kháng danh định.
Hình 3.2 – Đường cong trở kháng của loa mô phỏng
Đường màu xanh lục trên biểu đồ trên biểu thị ‘độ bán cảm’ của cuộn dây thoại. Bởi vì cuộn dây được bao quanh bởi kim loại dẫn điện (thép), độ tự cảm của nó không tuyến tính với tần số. Điều này tạo ra một cuộn cảm suy hao, và như vậy nó thực sự không thể đạt được mức tăng trở kháng 6dB / quãng tám (20dB / thập kỷ) mà người ta thường mong đợi. Sự gia tăng thực tế thay đổi từ trình điều khiển này sang trình điều khiển tiếp theo và không thể được mô phỏng theo các thuật ngữ chung – nó phải được đo lường. Trở kháng thực sự tăng lên do điện cảm cuộn cảm (hoặc bán cảm) thường nằm trong khoảng từ 3 đến 5dB / quãng tám. Đối với phạm vi tần số mà chúng ta cần quan tâm đối với mạng chéo, lỗi được đưa vào các công thức sau đây là tối thiểu và có thể được bỏ qua.
Điều này được khắc phục dễ dàng nhất với mạng Zobel (Hình 3.3), được kết nối song song với loa. Khi điện kháng cảm ứng tăng lên, điện trở điện dung giảm xuống và điện trở thường bằng với điện trở một chiều của cuộn dây thoại. Kết quả thực là một đường cong trở kháng phẳng, như trong Hình 3.4. Điều này hoàn toàn cần thiết cho hoạt động thích hợp của mạng chéo, nhưng đáng buồn là nó không được sử dụng trong nhiều thiết kế. Kết quả là sự thay đổi tần số giao nhau và đáp ứng pha không chính xác lý tưởng. Bộ phân tần có thể được thiết kế để hoạt động với trở kháng thực sự được trình bày bởi trình điều khiển, trong trường hợp đó, nó sẽ không đối xứng, có điện cảm và điện dung khác với các giá trị lý thuyết mà người ta có thể mong đợi.
Trong trường hợp của loa được hiển thị ở trên, ở tần số phân tần điển hình có lẽ là 3kHz, trở kháng (như mô phỏng) là hơn 28 Ohms một chút, hoặc khoảng 22 Ohms đối với bán cảm – hãy tưởng tượng lỗi nếu một bộ phân tần được thiết kế cho 8 Ohms đã được sử dụng mà không cần chỉnh sửa! Chà, nếu bạn mua một mạng chéo làm sẵn, đó chính xác là thứ bạn sẽ gặp phải. Thậm chí nhiều bộ dụng cụ dự án cũng sẽ rơi vào bẫy tương tự, cũng như một số hệ thống hoàn chỉnh (thậm chí khá đắt tiền) từ cửa hàng hi-fi địa phương của bạn.
Hình 3.3 – Bổ sung mạng Zobel hiệu chỉnh trở kháng
Mạng Zobel sẽ làm phẳng trở kháng của loa, nhưng với chi phí tiêu hao công suất và trở kháng tổng thể thấp hơn một chút so với dự kiến. Đương nhiên, điện năng tiêu tán bởi điện trở được biến thành nhiệt, không phải âm thanh, làm giảm hiệu suất hiệu quả. Trở kháng thấp hơn có thể gây ra một số căng thẳng cho một số bộ khuếch đại nhất định, nhưng hầu hết sẽ có thể đối phó với tải phụ nhẹ. Cần phải hiểu ngay từ đầu rằng đường cong trở kháng phẳng không làm cho loa hoạt động tốt hơn (hoặc thậm chí khác) ở các tần số cao hơn – mục đích duy nhất của mạng Zobel là đảm bảo rằng trở kháng được cung cấp cho mạng phân tần về cơ bản vẫn là không đổi trong phạm vi tần số trong đó các biến thể sẽ gây ra biến thể đáp ứng tần số không thể chấp nhận được trong mạng bộ lọc. Việc xác định các giá trị cần thiết cho mạng Zobel được thực hiện dễ dàng nhất bằng phép đo và thử nghiệm. Lưu ý rằng điều này giả định một bộ khuếch đại ‘thông thường’ có trở kháng đầu ra thấp.
Sau khi được xác định, mạng Zobel được coi như một phần của loa. Tất cả các phép đo hoặc tính toán cho mạng phân tần phải bao gồm mạng Zobel và trình điều khiển loa kết hợp. Nếu được thực hiện chính xác, sự kết hợp của cả hai sẽ tạo ra trở kháng phẳng và ổn định có thể chấp nhận được trên toàn bộ vùng phân tần. Điều này sẽ dẫn đến một bộ lọc chéo với lỗi tối thiểu có thể.
Nếu đã biết độ tự cảm của cuộn dây thoại, thì giá trị điện dung thích hợp có thể được tính toán khá dễ dàng. Điều đầu tiên cần xác định là tần số mà điện kháng cảm ứng bằng điện trở một chiều của cuộn dây loa …
fo = Re / ( 2 × π × Le )
Where …
fo tần số Re Điện trở của cuộn dây loa Le Điện cảm của cuộn dây loa
Khi con số này được tìm thấy, việc tính toán điện dung cho mạng Zobel là một vấn đề đơn giản …
C = 1 / ( 2 × π × fo × Re )
Sử dụng loa mô phỏng ở trên làm ví dụ, chúng ta đã biết rằng Re là 6,2 ohms, vì vậy …
fo = 6.2 / ( 2 × π × 1.5m ) 658Hz C = 1 / ( 2 × π × 658 × 6.2 ) 39µF
Sẽ không có gì ngạc nhiên khi đây gần như chính xác là giá trị được tìm thấy bằng mô phỏng, vì vậy chúng ta có thể yên tâm giả định rằng công thức hoạt động và đủ dễ sử dụng. Điện trở sẽ xấp xỉ bằng điện trở của cuộn dây giọng nói – trong một số trường hợp có thể thấy rằng cần có một sự thay đổi nhỏ, nhưng điều này không chắc là đáng kể.
Mặc dù tụ điện không nhất thiết phải có chất lượng ‘audiophile’ và có thể sử dụng chất điện phân lưỡng cực, nhưng vấn đề chính của tụ điện lưỡng cực là chúng không ổn định theo thời gian. Tôi khuyên bạn nên sử dụng nắp đậy bằng polyester, polypropylene hoặc giấy có chứa dầu, và đề xuất rằng bạn sẽ phải đối mặt với một khoản chi phí không nhỏ để thực hiện kế hoạch này đúng cách. Nó có đáng không? Chắc chắn rồi!
Hình 3.4 – Đường cong trở kháng của ổ / Zobel
Dấu màu đỏ cho thấy trở kháng chưa điều chỉnh và dấu màu xanh lá cây cho thấy trở kháng với mạng hiệu chỉnh tại chỗ. Đương nhiên, điều quan trọng là bộ phân tần được thiết kế cho trở kháng thực tế (chứ không phải danh nghĩa) do trình điều khiển trình bày ở tần số phân tần. Một loa 8 ohm hiếm khi là 8 ohm trong thực tế, và điều này đặc biệt đúng khi sử dụng mạch điều chỉnh trở kháng.
Như đã nói ở trên, người ta cũng có thể thiết kế bộ phân tần cho trở kháng thực sự được trình bày ở tần số phân tần, nhưng điều này thay đổi theo tần số. Trừ khi trở kháng không đổi một cách hợp lý trong ít nhất 2 – 2,5 quãng tám ở trên và dưới tần số giao nhau, mạng không thể được mong đợi để cung cấp một phản ứng có thể dự đoán được. Kết quả trực tiếp của điều này là bộ phân tần thụ động 6dB / quãng tám ở (giả sử) 300Hz (đối với trình điều khiển tầm trung) hầu như không được chấp nhận vì đỉnh trở kháng của loa trầm. Mặc dù có thể cân bằng đỉnh trở kháng của loa trầm, các thành phần cần thiết sẽ rất lớn (về điện và vật lý), và sẽ rất đắt tiền.
Nếu loa được lắp đặt trong một hộp có lỗ thông hơi, thì sẽ có hai đỉnh trở kháng để cân bằng – điều này có thể trở nên rất tẻ nhạt và sẽ tốn kém để thực hiện. Thường sẽ thu được rất ít thông tin bằng cách cân bằng các đỉnh trở kháng của loa trầm, và nếu sử dụng mạng phân tần điện tử thì hoàn toàn không có lý do gì để làm như vậy.
Khi bạn đã hoàn thành mạng, hãy kết nối nó (và loa) với thiết lập kiểm tra được hiển thị trong Hình 1.1 và đo phản ứng. Nó phải khá bằng phẳng (trong vòng 1dB) cho đến tần suất quan tâm cao nhất.
Lưu ý rằng không nhất thiết phải hiệu chỉnh trở kháng để phù hợp với giá trị đo được thấp nhất như đã trình bày ở trên. Ví dụ: nếu mạng Zobel sử dụng điện trở 10 ohm và nắp 22µF, trở kháng sẽ nằm trong khoảng 0,5 ohm từ 2kHz, do đó, trở kháng hiệu dụng là 10 ohm ở 2kHz trở lên, và đó là những gì bạn sẽ thiết kế các thành phần phân tần. Ưu điểm là tổn thất công suất thấp hơn và trở kháng cao hơn được trình bày cho bộ khuếch đại, nhưng trở kháng cao hơn cần nhiều điện cảm hơn và ít điện dung hơn trong mạng phân tần. Đương nhiên, phản ứng và hiệu quả của người nói không bị thay đổi bởi điều này.
Tuy nhiên, bản thân mạng giao nhau sẽ không còn có thể sử dụng các giá trị thành phần giống nhau cho các phần vượt qua cao và thấp, làm cho nó phức tạp hơn khi bạn thu thập các phần cần thiết. Nếu bạn thực sự may mắn, bạn có thể chỉ cần thêm một điện trở nối tiếp có giá trị phù hợp vào loa tweeter để làm suy giảm, do đó làm cho trở kháng của loa trầm (với mạng Zobel) và loa tweeter như nhau. Rất có thể bạn sẽ bỏ qua mưu đồ này, đặc biệt nếu bạn sử dụng loa tweeter làm ẩm chất lỏng ferro không cho thấy đỉnh trở kháng cộng hưởng đáng kể và trở kháng phẳng trên một quãng tám (hoặc hơn) ở hai bên của tần số phân tần.
3.1.2 Trình điều khiển tầm trung và Tweeter
Hầu hết các loa tweeter và trình điều khiển tầm trung có thể được hưởng lợi từ việc sử dụng mạch bù ở tần số cộng hưởng của chúng khi sử dụng bộ phân tần thụ động. Điều này đặc biệt đúng nếu bạn đang sử dụng mạng chéo có tốc độ di chuyển chậm hoặc tần số quá gần với tần số cộng hưởng của trình điều khiển. Với bộ lọc 6dB / quãng tám, tôi đề xuất mức tối thiểu tuyệt đối khoảng 1,5 quãng tám giữa cộng hưởng của trình điều khiển và tần số chéo. Do đó, một loa tweeter có cộng hưởng 900Hz nên được vượt qua ở mức tối thiểu là 2.500Hz, nhưng tốt hơn là cao hơn. Nếu bạn sử dụng sự phân tách tần số tối thiểu có thể, sẽ có một đỉnh nhỏ khi cộng hưởng của loa tweeter – đây là sự kết hợp của bản thân cộng hưởng của loa tweeter và thực tế là bộ phân tần không thể duy trì điểm cuộn chính xác nếu trở kháng tải thay đổi.
Mặc dù có những công thức được cho là để tính toán các giá trị cần thiết để tạo ra một mạng có trở kháng hoàn toàn trái ngược với đỉnh cộng hưởng, tôi đề nghị rằng chúng chỉ được sử dụng tối thiểu trong thực tế. Một cái mà tôi đã thấy yêu cầu các thông số Thiele / Small và những thông số này hiếm khi có sẵn cho các tweeter nói riêng. Người ta có thể đo các thông số, nhưng nỗ lực làm như vậy bằng (hoặc lớn hơn) nỗ lực cần thiết để thử nghiệm với một vài giá trị đã chọn. Với kinh nghiệm, điều này sẽ trở nên khá dễ dàng – mặc dù hơi tẻ nhạt.
Hình 3.5 – Cộng hưởng Tweeter
Thử nghiệm được thực hiện dễ dàng hơn với quy trình sau đây. Yêu cầu đầu tiên là vẽ biểu đồ trở kháng của loa tweeter hoặc trình điều khiển tầm trung, điều này cần được thực hiện với độ chính xác hợp lý. Điện trở được sử dụng trong mạng sẽ bằng với điện trở DC của cuộn dây thoại – ít nhất là khá đơn giản. Với quy trình được giải thích dưới đây, cuối cùng tôi đã đến được mạng được hiển thị trong Hình 3.6 – đây là một mạch điện khó thực hiện, đặc biệt là với một điện dung tương đối lớn. Một lần nữa, tụ điện không nhất thiết phải có chất lượng ‘audiophile’, do đó, một điện phân lưỡng cực cũng có thể được sử dụng trong mạch này – nhưng các lưu ý tương tự cũng áp dụng như với mạch bù điện cảm của loa trầm. Một chất điện phân lưỡng cực sẽ thay đổi giá trị theo thời gian và hiệu suất của mạch bù sẽ kém đi khi điện dung giảm theo tuổi tác.
Có một trường hợp mạnh mẽ cho các nhà sản xuất trình điều khiển loa trung và loa tweeter để cung cấp phiên bản bù của trình điều khiển của họ, điều này sẽ đơn giản hóa quy trình đáng kể. Ít nhất, các tham số cần thiết phải được cung cấp để cho phép chúng tôi tính toán các giá trị cần thiết. Rất tiếc, tôi chưa bao giờ nhìn thấy các thông số hoặc một mạch đề xuất với các thông số kỹ thuật cho bất kỳ loa tweeter nào – IMHO đây là điều ít nhất mà các nhà sản xuất có thể làm để giúp chúng tôi về điều này. Thay vào đó, chúng tôi được để cho các thiết bị của riêng mình để xác định mạng bằng cách thử và sai. Tôi thấy điều này hơi khó chịu.
Hình 3.6 – Mạch bù và mạch tương đương của Tweeter
Thật không may, rất khó để có được thông tin chi tiết cần thiết cho hầu hết các tweeter. Sự cộng hưởng hầu như luôn luôn được trích dẫn, nhưng hầu hết thời gian rất khó để tìm ra độ tự cảm của cuộn dây thoại, chưa nói đến Qts và Vas, cho phép người ta tính toán mạng cần thiết. Các giá trị tôi sử dụng trong mô phỏng được giả định và tạo ra sự cộng hưởng ở tần số phù hợp – thực tế (tất nhiên) sẽ khác, và thậm chí sẽ khác xa hơn từ loa tweeter này sang loa tweeter khác. Một số phép đo cơ bản trên một số tweeter đã xác nhận rằng mô phỏng không quá xa, mặc dù nó có thể rộng hơn một chút so với một số tweeter.
Hãy nhớ rằng điện trở của cuộn cảm phải được trừ khỏi điện trở được sử dụng trong mạng bù. Trong ví dụ hiển thị ở trên, điện trở cuộn cảm là 1,1 ohms, do đó, điện trở yêu cầu là 4,7 ohms. Đây là một nơi mà cuộn cảm có điện trở cao không phải là một bất lợi, và nó có thể tiêu tán điện năng dễ dàng vì nó sẽ lớn về mặt vật lý. Cần biết rằng nếu cuộn cảm bị nóng khi sử dụng bình thường, thì điện trở của nó sẽ tăng lên!
Q của mạch bù phải giống với Q cộng hưởng, hoặc nó sẽ đơn giản tạo thành một rãnh nhọn ở giữa đỉnh cộng hưởng (Q quá cao) hoặc một rãnh rộng kéo dài cộng hưởng (Q quá thấp). Thật không may, điều này không dễ dàng như lần đầu xuất hiện, nhưng nó thực sự không khó khi bạn biết phải làm gì.
Theo ước tính đầu tiên, hãy tìm tần số cộng hưởng (thực tế) của loa tweeter. Bạn sẽ cần một bộ khuếch đại nhỏ và điện trở khoảng 10 ôm. Nối tiếp điện trở 10 ohm với đầu ra bộ khuếch đại và loa tweeter. Giữ điện áp đầu ra càng thấp càng tốt (dưới 1V RMS). Thay đổi tần số của bộ dao động âm thanh một cách từ từ và lưu ý tần số mà điện áp trực tiếp trên các đầu cực của loa tweeter ở mức tối đa. Giảm tần số từ từ cho đến khi mức giảm 3dB (tức là 0,707 mức trước đó). Từ đó, bạn có thể tính toán điện dung cần thiết sẽ làm vô hiệu thành phần cảm ứng của đỉnh cộng hưởng.
Lưu ý rằng loa tweeter sử dụng ferro chất lượng trong khoảng trống ống âm thanh sẽ bị giảm xóc rất tốt và có thể hiển thị ít hoặc không có đỉnh cộng hưởng. This condition is not need to offset. Bạn vẫn cần phải chạy thử nghiệm để chắc chắn, nhưng nếu bạn không thể đo được đỉnh cộng hưởng, thì không có lý do gì để cố gắng bù đắp cho nó. Tương tự như vậy, áp dụng cho ruy-băng tweeter (cả dải ‘true’ và dải) và một lần nữa, thường không cần bồi thường.
Đo điện trở DC của cuộn dây thoại và lưu ý tần số cộng hưởng (fo) và -3dB (f3) – bạn sẽ cần cả hai cho các bước tiếp theo.
Điện dung và độ tự cảm được tính từ các công thức …
C = 1 / ( 2 × π × Re × f3 ) L = 1 / ( 4 × π² × fo² × C )
Các chi tiết của loa tweeter mô phỏng là …
Re 5.8 Ohms fo 907 Hz f3 635 Hz
Thay thế loa tweeter của chúng tôi, chúng tôi sẽ nhận được những điều sau …
C = 1 / ( 2 × π × 5.8 × 635) 43 µF L = 1 / ( 4 × π2 × 9072 × 43µ ) 716 µH
Các giá trị này sẽ khó lấy, và việc thay thế 40µF và 800µH gây ra một lỗi nhỏ đến mức ít gây hậu quả (nó thực sự cải thiện vấn đề một chút). Hãy nhớ rằng bạn phải đo điện trở DC của cuộn cảm và trừ điện trở đó khỏi điện trở nối tiếp, nếu không tổng trở sẽ quá cao. Không có lý do gì để làm cho cuộn cảm này với dây đo nặng – điện trở của nó là hữu ích và giúp phân tán công suất. Nếu bạn rất may mắn, thậm chí có thể tạo ra cuộn cảm với dây có điện trở mong muốn. Tuy nhiên, hãy đảm bảo rằng điện trở của cuộn cảm bằng hoặc nhỏ hơn điện trở cần thiết cho mạch bù. Bạn có thể thêm sức đề kháng bên ngoài, nhưng bạn không thể làm cho sức đề kháng biến mất.
Lưu ý rằng quy trình này chỉ nhằm mục đích bắt đầu và bạn gần như chắc chắn sẽ cần phải thử nghiệm nếu bạn muốn trở kháng bằng phẳng nhất có thể. Các biến thể nhỏ sẽ không gây ra sai số đáng kể, vì vậy sẽ không có lợi khi đi đến các cực đoan.
Một lần nữa, khi bạn đã hoàn thành mạng, hãy kết nối nó (và loa tweeter) với thiết lập thử nghiệm được hiển thị trong Hình 1.1 và đo phản hồi. Nó phải khá bằng phẳng (trong vòng 1dB) trên tần số cộng hưởng. Trong khi bạn đang làm việc này, hãy đặc biệt lưu ý về trở kháng chính xác ở tần số phân tần và đảm bảo rằng nó không thay đổi đáng kể trong ít nhất một quãng tám (tốt hơn là nhiều hơn) ở hai bên của tần số phân tần. Bạn phải sử dụng trở kháng thực tế của loa tweeter (bao gồm cả mạng bù) khi tính toán mạng phân tần.
Hình 3.7 – Trở kháng Tweeter với mạch hiệu chỉnh
Trở kháng bây giờ là bằng phẳng đáng khen ngợi, nhưng với chi phí của trở kháng tổng thể, được giảm từ 8 ohms danh nghĩa xuống trở kháng thực của loa tweeter – trong trường hợp này là khoảng 6 ohms. Hình này phải được sử dụng khi mạng chéo được thiết kế – không phải trở kháng danh nghĩa 8 ôm. Đây là một lỗi rất phổ biến đối với những người mới làm quen, và từ những gì tôi đã thấy, khá nhiều chuyên gia cũng mắc phải. Trở kháng danh nghĩa chỉ là danh nghĩa. Khi thiết kế bộ phân tần, phải sử dụng trở kháng thực tế đo được
Hình 3.8 cho thấy kết quả của sự giao nhau có và không có mạng hiệu chỉnh. Điều này được mô phỏng bằng bộ lọc Bessel 12dB và như bạn có thể thấy, có một sự khác biệt sâu sắc. Đây chỉ là đáp ứng biên độ AC – đáp ứng tần số thực tế (dB SPL) sẽ khá khác nhau trong hầu hết các trường hợp, nhưng sẽ phản ánh (ở mức độ khiêm tốn) các vấn đề rõ ràng ngay lập tức từ biểu đồ.
Một loa tweeter không bù (hoặc bù một phần) thực sự có thể được sử dụng trong bộ lọc 12dB với ít sự khác biệt về âm thanh, miễn là có đủ khoảng cách tần số giữa tần số phân tần và cộng hưởng. Tuy nhiên, nếu bạn đang gặp khó khăn đó để xây dựng hệ thống loa ‘tối tân’, bạn cũng có thể đi thêm dặm (km?) Và làm đúng.
Như đã lưu ý ở trên, các loa tweeter được làm ẩm bằng chất lỏng ferro thường sẽ có trở kháng thay đổi rất ít nên không cần bù. Dù vậy, loa tweeter nên được đo để đảm bảo rằng nó sẽ không làm xáo trộn mạng phân tần. Ngoài bất cứ điều gì khác, bạn phải biết trở kháng thực tại tần số phân tần. Nếu nó xảy ra phù hợp với trở kháng danh định đã được công bố, rất có thể đó là do tình cờ chứ không phải do thiết kế.
Hình 3.8 – Phản hồi của bộ lọc 12dB Có (a) và Không có (b) Bồi thường
Rõ ràng ngay lập tức, phản ứng điện với một loa tweeter không bù còn một chặng đường dài so với những gì bạn thường mong đợi. Hiệu ứng tồi tệ hơn nhiều với bộ lọc 6dB, và điều này được thể hiện trong Hình 3.9. Lưu ý sự cộng hưởng của loa tweeter – nó hoàn toàn không bị dập và sự suy giảm của bộ lọc 6dB rõ ràng là không đủ để giảm công suất xuống mức thấp đáng kể, mặc dù tần số phân tần được đặt thành 3kHz.
Hình 3.9 – Phản hồi bộ lọc 6dB Có (a) và Không có (b) Bồi thường
Như bạn có thể thấy trong (a), tín hiệu của loa tweeter chỉ giảm khoảng 10dB khi cộng hưởng và phiên bản không bù lại tệ hơn rất nhiều. Hơi ngạc nhiên (một phần nào đó ??), hiệu ứng âm thanh không tệ như những biểu đồ này chỉ ra, nhưng chắc chắn rằng đối với một hệ thống chất lượng cao, hiệu ứng sẽ được nghe thấy – bạn chỉ cần biết nghe để làm gì. Các đồ thị phản hồi được hiển thị chứng minh hành vi điện và đầu ra âm thanh không liên quan trực tiếp. Tuy nhiên, nếu hiệu suất điện kém, thì hiệu suất âm thanh không thể được mong đợi là đặc biệt tốt – luôn có mối quan hệ giữa hai yếu tố này, nhưng hiệu quả phụ thuộc vào từng trình điều khiển.
3.2 Trở kháng bộ khuếch đại
Nếu trở kháng của loa có ảnh hưởng đến hiệu suất phân tần, thì theo đó trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại cũng sẽ có ảnh hưởng. Với phần lớn các amply bán dẫn, đây không phải là một vấn đề, nhưng amp van thực sự rất khác.
Hầu hết các ampe van có trở kháng đầu ra ít nhất là một vài ohms, và vì lợi ích của bài tập, chúng tôi sẽ giả định trở kháng là 4 ohms.
Trong bộ phân tần trước đây hoàn toàn bằng phẳng khi được điều khiển từ nguồn không ohm (bộ lọc 12dB ‘sub-Bessel’ với Q là 0,5), có một đỉnh 1,5dB (xấp xỉ) ở tần số phân tần khi trở kháng nguồn là tăng lên 4 ohms. Hiệu ứng này ít rõ rệt hơn so với sự thay đổi trở kháng của loa, nhưng dù sao cũng có thể bị coi là phản cảm.
Một lần nữa, điều này không được phép đối với bất kỳ diễn giả nào mà tôi biết. Nếu một loa có thể được điều khiển bằng van hoặc amp bán dẫn, thì cần có một công tắc để sửa đổi bộ phân tần cho phù hợp với trở kháng nguồn. Mọi tuyên bố về hiệu suất ‘audiophile’ đều bị phủ nhận nếu loa không thể khớp chính xác với bộ khuếch đại sẽ điều khiển nó.
Điều này cũng phá hủy lập luận ‘khả năng nghe của dây cáp’, vì những người có thể “nghe rõ sự khác biệt” giữa hai dây cáp có chất lượng tương đương, dường như hiếm khi nghe thấy đỉnh phản ứng xảy ra khi họ sử dụng van so với bộ khuếch đại bóng bán dẫn. Một trong những hiệu ứng này rõ ràng hơn nhiều so với hiệu ứng kia – tôi sẽ để nó cho người đọc quyết định xem cái nào có khả năng dễ nghe hơn.
Một lời cảnh báo là đáng giá ở đây. Không bao giờ vận hành bộ khuếch đại vào mạng chéo khi các trình điều khiển đã bị ngắt kết nối. Có thể hấp dẫn khi nhìn vào phản ứng, nhưng ở tần số bằng tần số cộng hưởng nối tiếp của cuộn cảm và tụ điện, mạng có thể xuất hiện gần như ngắn mạch chết đối với bộ khuếch đại (tùy thuộc vào loại bộ lọc – bộ lọc bậc hai là rủi ro lớn nhất).
Dòng điện chỉ bị giới hạn bởi điện trở nối tiếp và các điện áp nguy hiểm có thể được phát triển trên tụ điện và cuộn cảm. Những thứ này có thể đủ để làm hỏng tụ điện (do quá điện áp) và có thể khiến bạn bị điện giật rất khó chịu. Bộ khuếch đại cũng có thể không tồn tại được sự lạm dụng này, vì vậy nó thực sự có thể là một sự cám dỗ rất tốn kém.
Chỉ với 10V RMS được áp dụng ở tần số cộng hưởng của bộ lọc 3kHz ‘điển hình’ (và giả sử tổng điện trở nối tiếp là 1 ohm), bộ khuếch đại sẽ cung cấp 8,3A RMS và sẽ có 98V RMS trên cuộn cảm và tụ điện. Với điều kiện mạng Zobel âm trầm (hoặc âm trung trầm) được giữ nguyên, cộng hưởng sẽ bị giảm thiểu và giảm rủi ro.
3.3 Nhiệt độ
Trong trường hợp bạn đang thắc mắc, nhiệt độ cuộn dây loa được sử dụng trong các ví dụ dưới đây (150 ° C) không quá cao như bạn có thể tưởng tượng. Vì loa có hiệu suất thường từ 1% trở xuống, điều này có nghĩa là 99% công suất truyền đến loa phải được tiêu tán dưới dạng nhiệt. Mặc dù có một số chuyển động không khí qua khe hở cuộn dây thoại, nó không thể giữ nhiệt độ xuống đủ thấp để đảm bảo rằng các hiệu ứng được mô tả sẽ không làm ảnh hưởng đến hoạt động của mạng phân tần. Hiệu suất 1% chỉ hơn 92dB / m / W, một con số khá đáng nể trong thế giới loa phóng thanh!
Đồng có hệ số nhiệt điện trở sao cho điện trở của nó tăng 0,395% mỗi ° C (được liệt kê đa dạng từ 0,39% đến 0,43% trên các trang web khác nhau). Chúng ta có thể giả định một cách an toàn rằng trở kháng dựa trên “nhiệt độ phòng”, thường sẽ theo thứ tự là 20 ° C. Khi nguồn điện (dưới dạng âm nhạc hoặc tín hiệu thử nghiệm) được cấp vào loa, nhiệt độ cuộn dây thoại phải tăng lên. Với một cuộn dây thoại 6,6 ohm (DC) điển hình cho loa danh nghĩa 8 ohm, ở 150 ° C, riêng thành phần điện trở sẽ tăng lên 10 ohms – và đương nhiên trở kháng phải lớn hơn một chút so với con số này.
Khi đó, tải trên mạng chéo hoàn toàn khác với hình thiết kế cơ bản là 8 ôm hoặc bất kỳ trở kháng nào đã hiệu chỉnh thu được bằng cách sử dụng mạng Zobel. Vấn đề thực sự ở đây là bạn hầu như không thể làm gì với nó, vì vậy tải trên mạng phân tần sẽ khác nhau tùy thuộc vào mức độ lớn của loa!
Bạn có thể đã đọc các bài đánh giá trong đó hệ thống loa được mô tả là trở nên ‘sắc sảo’ hoặc ‘giòn’ ở các cấp độ cao hơn. Điều này có thể là do bộ khuếch đại bị cắt, nhưng nó cũng có thể là kết quả của cái được gọi là ‘nén công suất’. Các loa trầm đặc biệt dễ bị hiện tượng này, vì chúng được cho là sẽ xử lý nhiều năng lượng hơn các loa tweeter. Nhiều loa tweeter sử dụng chất lỏng sắt trong khoảng cách cuộn dây giọng nói, điều này không chỉ cải thiện khả năng giảm chấn và giảm cộng hưởng mà còn mang lại khả năng xử lý công suất cao hơn. Điều này có nghĩa là mức tăng nhiệt độ của cuộn dây giọng nói thường sẽ thấp hơn nhiều so với loa trầm, vì vậy hiệu suất tương đối (tính bằng dB / m / W) từ các loa tweeter vẫn giữ nguyên và của loa trầm giảm xuống (vì nó phải có nếu trở kháng tăng).
Tất nhiên, một số loa có thể đã được tối ưu hóa cho mức độ nghe cao hơn mức trung bình và những loa này có thể nghe hơi buồn tẻ ở mức độ nghe ‘bình thường’.
Việc trở kháng thay đổi theo mức công suất không phải là phỏng đoán, đó là một thực tế, và các hiệu ứng có thể được chứng minh trong các cuộc biểu tình và bằng phép đo – sự biến đổi này được quy định bởi các định luật vật lý và không có nhà sản xuất loa nào có thể phá vỡ các định luật đó .
Có thể sử dụng một điện trở nhiệt (một điện trở đặc biệt có điện trở thay đổi theo nhiệt độ), nhưng việc kết hợp các đặc tính nhiệt của nó với cuộn dây giọng nói sẽ là một nhiệm vụ khó khăn. Vì nhiệt điện trở theo định nghĩa là một thiết bị phi tuyến tính, nó cũng có thể gây ra sự biến dạng của chính nó – một kết quả ít hơn mong muốn. Một lựa chọn khác là sử dụng DSP (bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số) hoặc một máy tính tương tự ‘đơn giản’ để ước tính (hoặc đo) trở kháng của cuộn dây thoại và cung cấp hiệu chỉnh cho các hiệu ứng nhiệt. Điều này không đặc biệt khó, nhưng thật khó để biện minh cho một hệ thống thụ động vì bạn cần một hộp ‘bổ trợ’ để thực hiện các phép tính. Điều này sẽ không được hầu hết người dùng hoan nghênh và nó thực sự chỉ là một lựa chọn cho các hệ thống hoạt động mạnh mẽ với một bộ phân tần điện tử.
Trong trường hợp này không chỉ nén công suất ở các mức tương đối – tần số phân tần sẽ thay đổi theo âm lượng! Nó thực sự không có sự lựa chọn, vì cuộn dây thoại sẽ thay đổi trở kháng và tần số phân tần (và bộ lọc giảm chấn) được xác định bởi tải – loa và bất kỳ mạng bổ sung nào bạn sử dụng để cân bằng phản ứng của nó.
Hình 3.10 – Hiệu suất bộ lọc ở nhiệt độ môi trường (Z = 8 Ohms)
Ví dụ, giả sử rằng một loa có đường cong trở kháng phẳng và chính xác là 8 ôm. Bộ phân tần Butterworth có thể được thiết kế để có tần số -3dB là 3kHz (Hình 3.10). Nếu trở kháng tăng lên 11 ohms (như trong ví dụ trước về nhiệt độ cuộn dây thoại 150 ° C), tần số -3dB sẽ tăng lên hơn 3,8Hz và hình dạng bộ lọc được thay đổi. Một bộ lọc Bessel sẽ trở thành Butterworth, hoặc một bộ lọc Butterworth bây giờ sẽ là Chebyshev! Điều này được thể hiện trong Hình 3.11, và đỉnh điển hình trước khi ngừng hoạt động của đáp ứng bộ lọc Chebyshev có thể dễ dàng nhìn thấy – cũng như dịch tần số.
Hình 3.11 – Hiệu suất bộ lọc ở nhiệt độ cao (Z = 11 Ohms)
Trong khi đó, do công suất tương đối thấp trong loa tweeter và có thể do ảnh hưởng của chất lỏng sắt thép, sự tăng nhiệt độ của nó có thể khiến trở kháng chỉ tăng lên 9 ohms (chỉ ví dụ). Ngay cả điều này cũng đủ để làm cho tần số phân tần giảm xuống khoảng 2,7kHz, và cũng sẽ thay đổi hình dạng bộ lọc (nhưng ở mức độ thấp hơn).
Hình 3.12 – Đáp ứng chéo kết hợp ở nhiệt độ cao
Một bộ phân tần mà ở nhiệt độ môi trường xung quanh có tần số phân tần đẹp, ổn định (và được xác định rõ), là 3kHz, bây giờ có sự chồng chéo 1,1kHz! Không cần phải nói, nếu loa tweeter có mức tăng nhiệt độ tương đương, thì vùng chồng lấn sẽ lớn hơn và đỉnh cao hơn – biên độ sẽ tương đối không bị ảnh hưởng, nhưng đỉnh sẽ rộng hơn khi hai loa đang tái tạo cùng một tần số. Các tác động lên pha và độ phân tán tương đối ít có thể dự đoán được, nhưng chúng ta có thể yên tâm giả định rằng kết quả sẽ không mong muốn! (Nói một cách nhẹ nhàng.)
Một điều cần cân nhắc thêm (mặc dù có thể là do hậu quả nhỏ ngoại trừ trong những trường hợp khắc nghiệt) là loa tweeter bây giờ sẽ hấp thụ nhiều điện hơn một chút, khiến nhiệt độ cuộn dây giọng nói của nó tăng thêm, do đó giảm tần số phân tần và cho phép nhiều công suất hơn, do đó tăng nhiệt độ đồng đều xa hơn (v.v.). Điều này có thể đạt đến mức độ phá hủy hay không là điều đáng nghi ngờ trong bất kỳ hệ thống hi-fi nào – nhưng đối với các hệ thống công suất cao, điều này gần như được đảm bảo nếu hệ thống được điều khiển đặc biệt khó khăn. Một bộ khuếch đại bị đẩy vào hiện tượng méo tiếng trong thời gian dài có thể dễ dàng dẫn đến hành vi tự hủy hoại này (giả sử rằng loa tweeter vẫn tồn tại ở mức công suất trung bình cao để bắt đầu).
Hành vi này có thể biến mất hoàn toàn khi sử dụng bộ phân tần điện tử. Điều này sẽ đòi hỏi quá trình xử lý tinh vi để đảm bảo rằng tất cả các trình điều khiển được bảo vệ chống lại việc làm hỏng các mức công suất liên tục, đồng thời cho phép thực hiện đầy đủ nhất thời mà không thay đổi.
Mặc dù các chi tiết không liên quan đến bài viết này, một bộ xử lý tín hiệu có thể được điều chỉnh để điều chỉnh mức độ nhằm bù cho việc nén công suất trong các trình điều khiển. Theo hiểu biết của tôi, điều này chưa bao giờ được thực hiện ¹. Sự thật là, điều này ít có vấn đề hơn khi sử dụng bộ phân tần điện tử – quá trình nén công suất vẫn xảy ra, nhưng không có sự dịch chuyển của sườn bộ phân tần, vì vậy ảnh hưởng chỉ ở mức tương đối chứ không phải tần số phân tần được thiết kế. Điều đơn giản là điều chỉnh đầu ra tương đối của bộ phân tần điện tử để phù hợp với công suất trung bình sẽ được sử dụng, vì vậy người ta có thể có một công tắc, được đánh dấu ‘Mềm’, ‘Bình thường’ và ‘Lớn’ nếu muốn.
Nếu mọi người nghe ở mức rất cao (> 100dB SPL), hiệu suất của tai ở mức SPL cao như vậy sẽ trở thành yếu tố hạn chế chính. Những thay đổi về phản ứng trở nên ít nghe hơn khi tai người đang áp dụng ‘lực nén’ sinh lý nhằm giảm tổn thương thính giác.
Cũng cần lưu ý rằng khi được sử dụng ở mức công suất quá cao, công suất nén có thể là thứ duy nhất để ngăn sự cố gắng. Khi tăng trở kháng, công suất được phân phối ít hơn và điều đó có thể đủ để cho phép ổ đĩa tồn tại. Đừng mong đợi điều này để bảo vệ tweeter, bởi vì nó không!
3.4 Thay đổi khí quyển
Tải trọng trên mũ loa, và do đó các thông số Thiele / Small của nó, cũng sẽ thay đổi theo những thay đổi trong điều kiện khí quyển. Độ ẩm, độ cao hoặc nhiệt độ cao làm cho không khí ít đặc hơn – những thay đổi như vậy sẽ gây ra những thay đổi đối với tải trên hình nón và do đó các thông số của loa.
Trong thực tế, những điều này là tương đối nhỏ, ngoại trừ ở những điểm cực đoan. Ngay cả ở những mức cực đoan, tác động sinh lý đối với người nghe có thể sẽ lớn hơn nhiều so với tác động khí quyển lên loa, nhưng tôi biết chưa có thử nghiệm nào được thực hiện để đo những thay đổi mà bất kỳ trình điều khiển nào trải qua với các điều kiện khí quyển khác nhau.
Tôi nghi ngờ rằng có sự khác biệt lớn, nhưng đó là một sự cân nhắc bổ sung đáng để nghiên cứu thêm – tốt nhất là bởi một người nào đó có quyền tiếp cận với một phòng thử nghiệm môi trường. Dựa vào sự thay đổi thất thường của thời tiết và nhanh chóng thực hiện một số phép đo khó có thể mang lại kết quả có ý nghĩa.
May mắn thay, không có khả năng hiệu suất của bộ phân tần thụ động sẽ bị ảnh hưởng đến bất kỳ mức độ âm thanh nào do các biến đổi bình thường trong điều kiện khí quyển.
