Výpočty výhybky

Účel reproduktorové výhybky je frekvenční rozdělení signálu reproduktorům, které jsou schopné akusticky vyzářit jen určité pásmo. Návrh výhybky je vlastně nejdůležitější na reprosoustavě. Rozdělením signálu přiřazuje reproduktorům co potřebují, tím ochraňuje hlavně vysokotónový reproduktor, protože není zatěžován nízkými kmitočty, které by jej tepelně zničily. Výhybka by měla zajistit takové rozdělení, aby spolu s parametry reproduktorů a celé ozvučnice došlo na akustické straně ke sloučení a reprosoustava hrála jako jeden ideální zářič. Prostě aby se reprodukovaný signál nejvíce podobal tomu, co do soustavy přivádíme. Výsledná kmitočtová charakteristika soustavy by měla být vyrovnaná nejen v akustické ose soustavy, ale pokud možno i mimo ní. Vstupní impedance musí představovat bezpečnou zátěž pro zesilovač a neměla by být příčinou jeho přetížení a selhání.

Stanovení dělicího kmitočtu

Použitá výhybka je pro tuto reprosoustavu dvoupásmová. Signál je tedy rozdělen na dvě pásma dolní a horní propustí. Basový reproduktor má poměrně vyrovnanou kmitočtovou charakteristiku až do 3 kHz, pak je mírně navýšená a od 4,5 kHz do 6 kHz je velký hrb. Na těchto vyšších frekvencích také bude již směrovat. Výškový reproduktor může pracovat již od 2,5 kHz. Byla by lepší vyšší dělicí frekvence pro jeho menší zatěžování, ale s ohledem na basový reproduktor volím frekvenci 2,5 kHz. Také proto u výškového reproduktoru je kompenzace rezonanční frekvence. Dělicí kmitočty mohou být u sousedních filtrů různé. Právě čarování s dělicími kmitočty a rozlaďování výhybky patří mezi největší nástroje, kterými lze korigovat různé akustické nedostatky na elektrické straně. Já jsem volil obě dělicí frekvence shodné, jsou použity stejné hodnoty součástek.

Typ a strmost filtrů

V našem případě jde o filtry typu dolní a horní propusti. Je potřeba zvolit vhodnou aproximaci, tedy jak bude vypadat kmitočtová a fázová charakteristika. V praxi se nejčastěji používají filtry typu Butterworth, Bessel a Linkwitz - Riley. Použití přesně těchto aproximací jde v praxi jen pro odporovou zátěž, neboť reálný reproduktor vykazuje impedanci indukčního charakteru. Máme-li k dispozici kvalitní programové vybavení, je možné výhybku rozlaďovat s uvážením indukčního charakteru impedance reproduktoru. Takovým způsobem lze stanovit hodnoty součástek dle našeho záměru frekv. charakteristiky, mnohdy i s přihlédnutím na tvar frekvenční charakteristiky reproduktoru.

Pokud jde o strmost výhybky, velmi často se používají výhybky se strmostmi 12 dB/oct., které ve většině případů představují nejlepší kompromis z hlediska frekvenční a fázové charakteristiky, oddělení jednotlivých pásem, směrové charakteristiky v oblasti dělicího kmitočtu a výrobních nákladů. Volím čítankový návrh s jednou dělicí frekvencí pro obě propusti se shodnými hodnotami součástek. Dobrý výsledek bude zaručen díky kompenzacím reproduktorů s přispěním děliče ve výškové části, jak je demonstrováno na straně simulace výhybky. Jednoduché výhybky 6 dB/oct. lze použít pouze pro basový reproduktor jako dolní propust, nebo v těch nejlevnějších HIFI reprosoustavách. Taková výhybka totiž vyžaduje velmi kvalitní reproduktor, jehož charakteristika nemá převýšení na horním okraji pásma. U vysokotónových reproduktorů se volí výhybka se strmostí minimálně 12 dB/oct. Výhodou je účinnější potlačení signálu pod dělicím kmitočtem, menší zatížení reproduktoru a nižší zkreslení. Na druhé straně výhybky s velkými strmostmi představují nekontrolovatelné fázové posuny a tím zkreslení. Zvyšování strmosti nám, ale dovoluje snižovat spodní dělící kmitočet.

Filtr typu Linkwitz - Riley

Předpokládejme, že výsledný akustický tlak v celém prostoru je dán jako součet akustických tlaků z obou měničů. To dostatečně přesně platí, pokud je vzdálenost mezi měniči menší než desetina vlnové délky vyzařovaného zvuku. Pokud chceme, aby amplituda výsledného akustického tlaku byla na kmitočtu nezávislá, volíme tento filtr typu Linkwitz - Riley, který má činitel jakosti Q=0,5 a zapojíme měniče navzájem opačnými polaritami. Pokud není splněna podmínka dostatečně malé vzdálenosti měničů, sčítají (připadně odečítají) se akustiské tlaky přesně jen v některých místech. Mimo jiné i na rovině symetrie dvojice měničů a tím i na ose kolmé k čelní stěně případné reprosoustavy. Z hlediska poslechové praxe to není příliš příznivé, protože přesně na ose či rovině symetrie se poslouchá málokdy.
Výpočet hodnot součástek filtru:

Filtr typu Butterworth

Při poslechu v obecném bodě a dostatečně velké vzdálenosti od soustavy se na celkovém dojmu podílí i odražený zvuk v poslechovém prostoru. Odrazy vytvářejí tzv. difúzní pole, jehož intenzita je dána převážně celkovým vyzářeným výkonem. Pokud chceme, aby tato intenzita byla na kmitočtu nezávislá, volíme spíše tento filtr typu Butterworth, který má činitel jakosti Q=0,71. Zde je konstantní celkový příkon, což u kombinace vzdálených měničů znamená i konstantní celkový výkon. Amplitudová charakteristika na ose bude sice vykazovat převýšení 3 dB na dělicí frekvenci, to však může být menší zlo.
Výpočet hodnot součástek filtru:

Výpočet činitele jakosti filtru:

Vypočtené hodnoty součástek filtrů:
Pro dělicí frekvenci 2,5 kHz a impedanci reproduktorů 4 Ohmy vyšly pro filtr typu Butterworth (Q=0,71) tyto hodnoty:
L = 0,36 mH a C = 11,25 uF
Pro dělicí frekvenci 2,5 kHz a impedanci reproduktorů 4 Ohmy vyšly pro filtr typu Linkwitz - Riley (Q=0,5) tyto hodnoty:
L = 0,51 mH a C = 7,96 uF.

Zvolené hodnoty součástek filtrů:

Jistě by šlo se k těmto vypočteným hodnotám přiblížit buď složením více součástek nebo navinutím cívek přesně podle zadání, ale já jsem vybral z katalogu součástky, abych příliš nezvyšoval jejich počet na desce výhybky:
L = 0,39 mH a C = 10 uF
S nimi je činitel jakosti Q = 0,64. Je to mezi oběma typy filtrů, blíže k typu Butterworth.

Vyrovnání citlivosti reproduktorů

Například výškový reproduktor s vysokou citlivostí by bez srovnání citlivosti hrál příliš hlasitě vůči ostatním reproduktorům. Proto se za větev výhybky korigovaného reproduktoru zařazuje odporový dělič, který má za úkol citlivost snížit. Kromě toho plní vlastně i ochrannou funkci. Nevýhodou je ztráta tepelné energie, sice nijak velké ale nezanedbatelné.

Výpočet začíná zadáním zisku A v dB (záporná hodnota) a stejnosměrným odporem kmitačky Re. Po výpočtu R1 a R2 vybereme nejbližší hodnotu z řady. Se skutečnými hodnotami odporů pak zkontrolujeme útlum A.

Celá kombinace útlumový člen + reproduktor pak budou zatěžovat výhybku odporem Rzátěž a ne odporem Re.

Vypočtené hodnoty útlumového členu:
Pro útlum A = -5 dB a pro odpor Re = 4 Ohm vyjdou odpory:
R2 = 5,14 Ohm a R1 = 1,75 Ohm

Zvolené hodnoty odporů útlumového členu:

Vybral jsem dva 10 Ohm odpory paralelně a dva 3,3 Ohm paralelně
R1 = 1,65 Ohm a R2 = 5 Ohm
S nimi je útlum A = -4,82 dB a zátěž pro výhybku Rzátěž = 3,87 Ohm.



Nahoru

Copyright © 2006-2023 marekweb.eu           webmaster@marekweb.eu           webhosting: www.endora.cz