一种音响系统中电子三分频滤波器的设计方法
编者按：音乐信号频率覆盖了20Hz到20kHz的范围，音响系统为高质量的还原音乐信息，一般将其分为高、低两个频率段或高、中、低三个频率段后，分别送给两分频音箱或三分频音箱去重放。如果分频器位于功率放大器之前，我们称之为电子分频系统;如果分频器在功率放大器之后，我们称之为功率分频系统，电子分频系统成本虽高然而音质更佳。本文所介绍是，在巴特沃斯滤波器的基础上，找到一种前级电子三分频器电路的设计方法，经过仿真、实物验证，这种方法设计的分频器，在滤波器的交叉区域，同一个音乐频率在通过高、中、低三个滤波器之后的时间延迟是一
3 基于巴特沃斯滤波器的音响三分频的创新设计方法
通过上面的讨论可知，我们所希望的分频器，它们幅频特性叠加后应该是总体平坦的一条线，即在高中低三个频段内的幅度大小基本相同。同时，在特性曲线交叉区域，两个通道里会输出同一个频率的信号，那么它们之间的相位应该是相同的，如果两个分频点比较靠近，有时候甚至会出现一个信号同时出现在三个通道里，那么它们之间的相位也应该是相同的。
设计思路：为了相位一致性,选两级不同参数的巴特沃斯滤波器串联，如图10所示，在低频通道中，先设计1kHz的低通滤波器，后面再串联一级4kHz的低通滤波器，显然1kHz低通是真正起作用的低通滤波器。4kHz低通在此起什么作用呢?因为后面两个通道里设有4kHz的低通及高通滤波器，故这里再串联一级看起来“多余”的滤波器，完全是为了通道之间输出同一个交叉信号时，保证他们之间相位的一致性而设置的。
从图10的设计思路中可以看出，每个通道都由两级巴特沃斯基础滤波器串联而成，前级分频点是1kHz，后级分频点是4kHz，这样做的目的是解决相位问题。另外为了解决三个特性曲线叠加后整体曲线趋于平坦。每一级又用完全相同的两级滤波器串联，因为这样处理以后，幅频特性趋于一条直线，性能非常好。
幅频特性基本是一条平坦的直线，到了高频端略有下降，从曲线形状可以预测，真正使用中通过高音音量电位器的衰减与提升，可以弥补高频段幅度略降及缺陷。
相频特性中，粗实线为高频相位曲线，左边细实线为中频曲线，它与高频通道出现相位不同时两者的幅度均已衰减到零了，所以不影响性能。右边细实线为低频曲线，自然它与高频通道相位不一致时，幅度也早已衰减为0了。下面给出f1=500Hz及f2=4kHz时三通道输出的波形。
4 元器件参数别的选择
上述电路参数及性能分析是纯理论的，也是理想化的，那么实际制作过程如何实现呢?电容量一般选取常用的系列值，而电阻值就不行了，相关书籍在介绍电阻值的选取时说，先按理论计算，之后尽量向系列之靠近。这样的方法用于设计其它用途滤波器是可以的。但是本文讨论的是4阶滤波器，要求分频点要尽量准确。假如设计低通时偏大了些，设计高通时偏小了些，这一大一小的误差造成两个通道不在一个分频点上，它们输出同一信号时的相位就彼此错开了，即(φ1-φ2)或者(φ2-φ3)不等于零，这样的设计即为失败的。因此为提高电阻的阻值精度，可以用固定电阻再串联可调电位器的方法。比如13.452欧姆可近似为13.45欧姆，用12欧姆的固定电阻，串联一个2K高精度的可调电位器就可以解决。当然增加了制作或者生产的成本，但是与其所带来的音质的提高相比较，这样的付出是值得的。
5 结语
高保真音响系统中的三分频器，在进行幅度分频的同时要保证相位不会产生错位，直接用巴特沃斯滤波器是不够完美的，应该在巴特沃斯滤波器的基础上，对滤波器电路进行再设计与组合，力求达到最佳结果。本篇文章推出了一种设计方法，用户可以轻松设计出理想的前级电子分频器的特性曲线。通过这些措施，使得音频信号从信号源到扬声器之间的通道中既不产生幅度失真也不产生相位失真，这样的音响系统才真正接近高保真。
参考文献：
[1]Ray Alden. 扬声器系统设计与制作进阶[M].北京：人民邮电出版社，2013
[2]Douglas Self. 音频功率放大器设计手册[M].北京：人民邮电出版社，2009
[3]刘南平.电子产品设计与制作技术[M].北京：科学出版社，2009
[4]李新平.实用电子技术与仿真[M].北京：机械工业出版社，2003
[5]王兴亮, 洪琪, 达新宇, 栾华东. 现代音响与调音技术[M].西安：西安电子科技大学出版社,2002
[6]电子报合订本[M].成都：电子科技大学出版社,2001
[7]D.E约翰逊，J.L希尔伯恩.有源滤波器的快速实用设计[M].北京：人民邮电出版社，1986.
加入微信
获取电子行业最新资讯
搜索微信公众号：EEPW
或用微信扫描左侧二维码
