本文介紹利用LspCAD5.25版進行音箱分頻器輔助設計的過程,主要以2路高級無源濾波器為例進行說明,并簡單介紹2路簡易無源濾波器的使用。
進行分頻器設計需要用到的數(shù)據(jù)分別是低音單元和高音單元的頻率響應曲線以及阻抗曲線,這些數(shù)據(jù)都可以用LspCAD自帶的JustLMS軟件進行測量。在頻率響應測量時需要注意:
1、話筒應放在高低音單元的正中(或按實際聽音位置確定話筒高度);
2、測試距離60-100cm;
3、高低音單元采用相同的補償距離(Offset)。
測試好以后,將數(shù)據(jù)“導出”為txt文件供LspCAD使用。
測試數(shù)據(jù): 測試數(shù)據(jù).rar (19.31 KB)
下面是低音單元的頻率響應曲線和阻抗曲線,單元已裝箱并加了Zobel補償網(wǎng)絡。Zobel補償網(wǎng)絡是并聯(lián)在單元上的RC串聯(lián)電路,可以補償因音圈電感而造成的高頻段阻抗上升,圖中可以看出補償效果是比較理想的。因為這兩個元件的作用已在測試數(shù)據(jù)中體現(xiàn),因此在后面的分頻器設計中不再考慮這個網(wǎng)絡的影響。


下面是高音單元的頻率響應曲線和阻抗曲線。


新建一個2路高級無源濾波器,選并聯(lián)結構。

主菜單上選“揚聲器-網(wǎng)絡1”,對應的是低音單元的數(shù)據(jù)。在彈出的窗口中輸入Re、Le和有效振動半徑(用于計算指向性等指標,不輸入也可)。然后選擇SPL數(shù)據(jù)文件和阻抗數(shù)據(jù)文件(就是用JustLMS測試后導出的頻率響應文件和阻抗文件)。

同樣輸入“揚聲器網(wǎng)絡2”即高音單元的相關數(shù)據(jù)。
主菜單上選“分頻網(wǎng)絡-網(wǎng)絡1”,對應的是低音單元的低通濾波線路。在彈出的窗口中點擊“示意圖”按鈕(或從主菜單上選擇“窗口”-“圖表/縱覽”),可以看到“圖表/縱覽”窗口中顯示出了分頻電路結構。

在這個電路中,可以添加若干組和揚聲器單元串聯(lián)或并聯(lián)的元件(串聯(lián)還是并聯(lián)可以選擇,缺省是按串聯(lián)-并聯(lián)-串聯(lián)-并聯(lián)…的順序排列),每組元件可以是單一的R、L或C,也可以是R、L、C的串并聯(lián)組合。
雙擊“電路01”等,在彈出式菜單中選擇所需的元件。比如低通濾波器,第一組元件一般是串聯(lián)的電感,就選擇“4,R1 L”(R1為電感的直流電阻),于是“電路01”項下就出現(xiàn)了R1011、L1011兩個元件,元件的數(shù)值可以通過雙擊修改。把所有需要的元件都逐一加上去,可以在網(wǎng)絡中空出一些節(jié)點,以備增加元件。

同樣設置一下“分頻網(wǎng)絡2”即對應高音單元的高通濾波線路。
分頻網(wǎng)絡配置好以后,可以按“網(wǎng)絡1”或“網(wǎng)路2”窗口中的“總頻率響應”按鈕(或從主菜單上選擇“窗口”-“合成頻率響應”),看看分頻后的合成效果。
同樣可以按“網(wǎng)絡1”或“網(wǎng)路2”窗口中的“阻抗”按鈕(或從主菜單上選擇“窗口”-“輸入阻抗”)看看合成后的阻抗曲線。
在“網(wǎng)絡1”或“網(wǎng)路2”窗口中還有幾個比較有用的勾選項?!胺蛛x”是把相應的網(wǎng)絡分離出去,可用于查看單一網(wǎng)絡(高音或低音)的效果;“無元件”是取消相應網(wǎng)絡中分頻元件的作用,用于查看單元的固有頻率響應或阻抗;“極性反轉”是把對應網(wǎng)絡的相位移動180度,相當于將單元反接。
使用LspCAD軟件進行模擬時,可以從理論分頻公式開始。
雙擊低通濾波網(wǎng)絡中的“電路01”,在彈出窗口中選擇“HP/LP濾波器向導”。

在新打開的“高級網(wǎng)絡向導”中,輸入“低通部件”的濾波階數(shù)、分頻點和額定負載。以濾波階數(shù)=2、分頻點=2500Hz為例,額定負載可以取單元在分頻點的阻抗,這里取7.2歐。因為是低通濾波,無需高通部件,所以“高通部件”的濾波階數(shù)保持缺省值0就可以了。

設置好后,按“計算”按鈕,程序自動把計算好的分頻參數(shù)添入網(wǎng)絡中。
高通濾波網(wǎng)絡也可以用同樣的方法進行計算,只是需要把“低通部件”保持為0階,“高通部件”選用2階,分頻點還是2500Hz,額定負載用高音單元在分頻點的阻抗6.3歐。
通過上面理論計算得出的分頻器的分頻效果如下圖所示:

可以看出,由于單元的靈敏度不同,實際分頻點并非預期的2500Hz,要對高音單元靈敏度進行衰減。用恒定阻抗衰減公式計算,高音衰減4db,線路如下圖:

濾波效果如下圖:

高低音的靈敏度差不多平衡了,但在1000-3000Hz出現(xiàn)了隆起,看來還要對分頻數(shù)據(jù)進行調整。根據(jù)經(jīng)驗,一是要加大低音通道的電感值,以抑制1000Hz以上的隆起;二是可以減小高音通道的電感值,改變一下頻率響應曲線形狀。
這是調整后的分頻網(wǎng)絡:


這是調整后的頻率響應曲線,已經(jīng)比較平直了,實際分頻點在2100Hz,高音靈敏度還有點高,可以繼續(xù)調整。

在上面的分頻結構中,高低音單元是同向連接的,再來看看反接的情況。

高音反接的合成頻響如圖所示,在1k-4kHz的范圍內出現(xiàn)了一個最深達-20db的凹陷。在幾乎所有的理論公式中,高音都是要求反接的,但在實際系統(tǒng)中,因為單元的位置差所引起的相位差等因素,高音卻是不能反接的。
“2路簡易無源濾波器”的原理和上面是一樣的,但只能在相對固定的分頻網(wǎng)絡結構上進行調整,靈活性不如2路高級無源濾波器,無法使用一些高級線路,當然優(yōu)點也是很明顯的,那就是簡單、直觀,適合剛接觸這款軟件的用戶使用。
首先新建一個2路簡易無源濾波器,按上面同樣的方法讀入高低音單元的頻響曲線和阻抗曲線數(shù)據(jù)。
在主菜單中選擇“分頻網(wǎng)絡”-“低音”,彈出低音單元分頻網(wǎng)絡設計界面。假設還是用二階分頻,分頻點為2500Hz,于是在窗口中選擇濾波階數(shù)“N=2”及分頻點“2500”Hz。按邊上的“計算”按鈕,程序自動計算出二階網(wǎng)絡的L11、C12數(shù)值。
注意,低音網(wǎng)絡中已經(jīng)自動給出了補償網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)(R18、C18),上面說了,測試數(shù)據(jù)中已經(jīng)包括了Zobel補償網(wǎng)絡的影響,因此在這里無需再進行補償,可以把R18、C18都置為0(即undef.)。如果測試之前沒有接入補償網(wǎng)絡,則這里就需要根據(jù)單元的電感量及直流電阻來調整數(shù)值,比如置R18=10歐,C18=10u。
同樣計算高音單元的分頻網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。高音單元暫時不考慮使用補償網(wǎng)絡,因此要把R38、C38都改為0(undef.)
在主菜單中選擇“窗口”-“合成頻率響應”,這時就可以看到合成頻率響應曲線了。

同樣,高音單元的靈敏度太高了,要進行衰減,比如準備衰減3db,就在“高音網(wǎng)絡”窗口中衰減器Att.中輸入3db,按下面的“計算”按鈕,程序自動計算出R36、R37的數(shù)值。這是恒定阻抗式高音衰減,也就是說R36、R37和高音單元構成的網(wǎng)絡的阻抗和高音單元的阻抗基本保持一致,分頻點不會有大的變化。

曲線已經(jīng)有點樣子了,但1k-2k有點隆起,12k以上則有點上翹。先對高音網(wǎng)絡進行一下調整,根據(jù)經(jīng)驗把R36改為5歐,R37取消(設為0,即undef.)。這是種非常規(guī)的衰減高音靈敏度的方式,因為改變了分頻電路的負載阻抗(變成了高音單元和5歐電阻的串聯(lián)電路),會導致分頻點變低。

高音段已經(jīng)平直多了,但上一步的修改使得-3db頻率已經(jīng)低于2kHz了,合成曲線的1k-3kHz更加隆起。沒關系,把高音的分頻點提高一點就行了,下圖是分頻點取為3200Hz后的合成頻率響應曲線(實際-3db頻率約在2500Hz)。

高音網(wǎng)絡調整得差不多了,接著對低音網(wǎng)絡進行一下調整。從曲線上看,需要降低分頻器的Q值,方法是增大L11。把L11增大到1.2mh,看看下面的頻響曲線:

這個樣子就已經(jīng)很不錯了,實際分頻點約在2.1KHz,如果精益求精的話,還可以再做一些微調。