高保真扬声器分频器设计，分频网络设计
关键词：分频器设计
分频器的英文单词是Crossover Network，直译应该是“重叠网络”。中文按照惯例翻译成了分频器。不过我之前写过一篇文章提出异议。其实“分频器”的翻译，从实用的角度来说，并不是很合适。也许“合成器”或“合成器”会更合适。当然，分频器的翻译已经家喻户晓，想改也改不了。为什么要叫“频率合成器”而不是“分频器”？主要原因是，虽然从电路上看是由高、低滤波器组成，看似具有分离高、低频并进行划分的功能，但本质上，其功能是将高、低(或加中音)单元有机结合起来，回放整个音频频段。这也是由于目前无法用一个单元回放整个20-20K音频频段，这是不得已而为之。虽然“分频器”或“频率合成器”只是一个名词，但关键是要指出它真正的作用。近年来，由于“分频器”这个名称，大部分人很自然地把“分频器”的功能理解为分离高低频，却没有意识到其本质功能是组合高低频单元，从而导致了一个关于低阶分频器好还是高阶分频器好的长期纠结。作者提出了阴阳和谐的观点，在哲学层面上分析了分频器的作用，即高低单位就像阴阳对立统一的关系。它有它的反面，通过分频器有机统一成一个整体，而分频器的作用就是分而治之，达到阴阳交融的目的。所以从它的用途来说，“合成器”或者“频率合成器”会更合适。一开始就讲上述的理念和分频器的作用，并不是无意义的空谈，而是在理解了分频器的本质之后，才能很好的掌握分频器整体设计的关键。分频器的总体设计是指高低频滤波器的分频点和阶数的选择。首先，综合考虑高低频单元的幅频承受能力、失真和方向性来选择分频点。总的原则是先考虑高音，选择高音单元共振频率三四倍的交叉点比较好，可以有效避免高音单元过载，声音“断裂”甚至烧坏高音。而且分频点选的越高，采用低阶高通分频的可行性就越大。其次，考虑到低音单元，必须选在幅频响应平坦的区域。一般情况下，幅频响应开始下降的频段意味着分裂振动等不良因素开始起作用，失真会更大。一般留一定的平坦频段比较好。除了单位的选择，还有一个确定分频点的原则，就是平衡原则。选择分频点，不要让某个单位的负担相对太重。比如分频点为5KHz，高音就只承担5-20KHz和两个八度，而低音单元从50Hz开始就有六个八度，这样低音单元负担过重，互调失真会明显增加。一般来说，当分频为二时，分频会增加。对于三分频来说，选择分频点是非常优雅的。其中一个重要的原则就是两个交叉点之间的距离要足够大，高档音箱一般取10倍为宜，比如300和3K，500和5K，以避免两个交叉点之间的干扰和打架，一般音箱建议至少取5倍。作者提倡低阶设计，但不一定是阶越低越好。前面说了，是分而治之的手段，达到阴阳一体的目的。分而治之就是去掉高低单位不协调的部分和缺点，保留各自的优势，以达到互补整合的目的。
所以找两个单元比较理想，可以互补，不需要分频器(零阶分频器)。当然，这在实践中是不可能的。实际上，根据所选的单位，只能采用较低阶的分频器。具体来说，首先根据选择的高低频单元选择合适的分频点，一般在2-4 kHz之间，然后根据分频点以上低音单元的频响曲线、相位响应、失真等。如果分频点以上的频率响应较差，不均匀，失真过大，就要用二阶或三阶滤波，把影响降到最低。如果分频点以上的频率响应较好，尽量使用一阶滤波，以达到高低音阴阳交融的最佳效果。高通滤波主要考虑高音单元的谐振频率、幅频响应特性、功率容差、失真等问题。如果谐振频率比分频点低两个八度以上，高音单元的功率承受和失真特性好，优先选择一阶滤波，否则只能选择二阶滤波和三阶滤波，单元越差，阶数越高。以上只是大致定义了一个范围，低音是孤立分析的。考虑到整个音箱的相频响应是平坦的，我们不得不考虑相位设计，即通过测量低音单元和低音单元的相频响应，并在交叉频率处取它们之间的相位差，可以进一步确定高低滤波的最终阶数，以及高音单元的连接方式(反相或同相)。其实就是一句话，目的是让低音和低音单元在分频点的相位差如下。这样，同相接法(对应0)或反相接法(对应180)都可以实现分频点处相频曲线的平直。滤波器引起的相移可以看成n (/2)，其中n是滤波器的阶数，低通为正，高通为负。当然，这只是一个粗略的概念。实际上，由于单元阻抗的复杂性，上述N (/2)并不是一个准确的值，必须以实测的相频响应为基础。根据上述原理确定分频点和各滤波器阶数后，可以进一步设计各滤波器的组成。下面的公式可以参考。以上公式仅供参考，实际使用中需要根据单元的特点和单元间的水平、垂直距离进行调整。如上所述，出于相位设计和分频点附近幅频响应曲线上升或下降的考虑，不一定是高低通用同阶滤波器。而且即使使用相同阶的高低通滤波，也要根据需要灵活调整。对于二阶分频，即使单元的相频响应和幅频响应很优秀，不需要考虑，也需要根据经验对上述公式进行适当的修正，并对高低通滤波的重叠点，如巴特沃斯分频点进行修正。如果不考虑元件本身的特性，那么根据公式计算-3dB点高低通重叠。目前国际上的做法是采用-6dB重叠，即将低通滤波的频率降低1.3倍，这样前述公式就变成了：其他二阶分频器也存在这个问题，Q值越高，偏移越大，相当于L-R分频器为1，贝塞尔分频器为1.1，巴特沃斯分频器为1.3，Q=1时为1。分频器的设计还包括各单元的阻抗补偿和各单元灵敏度不同而加入的衰减网络。首先说说阻抗补偿，它包括两个方面。一种是由于音圈电感的影响，扬声器阻抗随频率上升，使用RC电路补偿音圈电感，以保证滤波器有足够的衰减斜率。另一个是高低音单元在谐振频率处具有阻抗峰值。其中，音圈电感的补偿是比较常见的
以上两种补偿，电感补偿比较常见，主要用于低音单元的阻抗补偿，但目前设计无补偿也很常见。个人认为，如果音圈的电感不是很大，换句话说，单元的阻抗上升不是很陡，完全没有必要补偿，否则最好补偿，因为这样不仅可以降低分频低通滤波器中的电感，还可以得到理想的滚降曲线，补偿后单元(和扬声器)的阻抗曲线会更平坦，也有利于与功放的匹配，可以提高功放的控制功率。但单元的阻抗峰值补偿并不多见，只在一些中高音穹顶单元中使用，一般只在单元谐振频率过于接近分频点时使用。但在这里我要提醒读者的是，上述阻抗补偿在不使用时可以少用，并且时刻记住一个原则，补偿总比少用好，永远不要过度补偿以至于单位阻抗曲线的任何一部分低于未补偿时的最低点Zmin。其次说说高音(或中音)单元的灵敏度衰减网络。一般在选择单元时，每个单元的灵敏度不可能完全相同。设计师总是按照高音单元灵敏度高于低音单元的原则来选择单元。一方面，这是因为它有助于保护高音不会因为功率过载而被烧坏；另一方面，更重要的原则是更容易衰减高音，而衰减低音会严重影响日后功放对音箱的控制。高音衰减通常有两种方式，一种是串联单个电阻，另一种是使用L型双电阻网络。如图，单个电阻的衰减很少用到，一般只在衰减很小，只用一欧姆的时候才会看到。大多数情况下，选择双电阻L形网络。原因有二。第一，单个电阻的衰减会增加阻抗，不利于分频器的设计和功放的控制。其次，由于单阻衰减的衰减对单位阻抗的变化比较敏感，会对高音单元的频响曲线产生很大的影响，高音单元阻抗的不一致会带来很大的音质差异。这不利于批量生产中的质量控制。下面的例子说明了第二点。如果一个单元的阻抗曲线为8(2KHz)，直线上升到16(20K Hz)，其幅频响应平坦90dB，例如2 khz衰减3dB时，单电阻3.3W L型网络R2=19.3W，R1=2.344W衰减到20K，就变成：1.63dB，2.05dB，说明L型网络对单元的阻抗变化有很强的适应性。L形衰减网络的计算公式如下：其中：z是单元的阻抗，A是要衰减的dB数(A=3表示衰减3dB)。调试分频器至关重要。一般都是要先设计再测试，再调整再测试，最后听听声音，做最后的微调。不过也有可能听完声音就重新来过，主要是分频器设计的变化因素太多。如幅频响应、失真特性、指向性、阻抗特性、单元声中心之间的水平距离、垂直距离等等。目前国际上比较先进的方法是采用计算机辅助设计(CAD)或计算机辅助工程CAE。目前世界上最著名的计算机辅助设计声学软件是LEAP，但是它的价格相当高。这里我推荐另外一个便宜又好的软件，LspCAD，只要2000块钱，但是还挺实用的。后面会有一篇关于计算机辅助测试和计算机辅助设计的专题文章。
