Kaj je križna frekvenca? Kaj počne križanec? Koristen vodnik

Crossoverji so pomembni za odličen zvočni avdio sistem v vašem domu, avtu ali celo čolnu. Toda kaj točno je križna frekvenca?

V tej podrobni objavi bom razložil, kaj so, kako delujejo in še veliko, veliko več na način, ki ga lahko razume vsak. Začnimo!

Infografika – dejstva o navzkrižnih zvokih

Kaj je križna frekvenca? Kaj počne crossover?

Povzetek frekvence križanja in osnov križanja

• Križnice so električna ali elektronska vezja, ki se uporabljajo za spreminjanje ali ločevanje vhodnega glasbenega signala, poslanega enemu ali več izhodom. Ponujajo način za pošiljanje pravilnega obsega zvoka zvočniku s frekvenčnim odzivom, ki je zanj najbolj primeren. (Na primer visokotonci in nizkotonci v 2-steznem sistemu zvočnikov)
• Križni filter deluje na principu pasivnih ali elektronskih filtrov za blokiranje obsega zvoka v zvočnem signalu.
• Mežna frekvenca je zvočna frekvenca, ki deluje kot mejna točka za crossover filtre. To je frekvenčna točka, čez katero se signali zmanjšajo za 3 decibele (predstavljeno kot -3dB) in dlje od te točke.
• Izhodi kretnice so razponi signalov, ki jih je dovoljeno prehajati, kot sta visokoprepustnost (nižje frekvence so blokirane) in nizkoprepustnost (višje frekvence so blokirane)
• Obstajata dve vrsti kretnic:aktivne (elektronske) in pasivne (zvočniki). Obe vrsti sta zelo pogosti v domačih, avtomobilskih stereo napravah in profesionalnem zvoku.

So ključni del dobre zvestobe zvoka. Pravzaprav skoraj nikoli ne boste našli dobro zvenečega sistema zvočnikov, ki ne uporablja ene ali več vrst kretnic.

Obstajata dve vrsti kretnic, ki jih boste uporabljali z domačim ali avtomobilskim avdio sistemom:

• Aktivna kretnica (elektronska)
• Pasivna kretnica (križanje zvočnikov)

Razložene frekvence križanja

Ker visokotonci ne morejo proizvajati nizkofrekvenčnega zvoka, se popačijo in jih močni nizki toni lahko celo poškodujejo. Da bi to preprečili, lahko blokiramo neželene zvoke. (Prikazana je tipična uporabljena frekvenca pri 3500 Hz [3,5 kiloherca]).

Frekvenca križanja je točka zvočne frekvence, pri kateri bodo zvoki po tem močno zmanjšani in jih dejansko blokira . Uporabljamo ga kot referenčno točko, pri kateri se izhod v zvočnik (ali vhod v ojačevalnik pri uporabi aktivnih kretnic) zmanjša za 3 decibele (-3dB).

Včasih se imenuje kotna frekvenca ali mejna frekvenca , se uporablja kot izhodišče v matematičnih izračunih za oblikovanje zvoka.

Kaj pomeni »frekvenca« zvoka?

Frekvenca glasbenega signala je opisana s številom alternativnih valov na sekundo.

Ko govorimo o "frekvenci", mislimo na obseg zvoka, ki ga lahko sliši človeško uho. Po dogovoru se za predstavitev tega uporablja obseg od 20 do 20.000 hercev (20 do 20 kilohercev ali 20 tisoč hercev).

V resnici lahko človeško uho sliši samo do približno 30 Hz in blizu 16 kilohercev, čeprav je to odvisno od slušne sposobnosti osebe.

Hertz se uporablja za predstavitev enot frekvence v ciklih na sekundo. To je zato, ker so zvočni valovi (in tudi elektronski zvočni signali) sestavljeni iz izmeničnih valov, ki se pojavljajo večkrat na sekundo.

»Hz«, »KiloHertz«, »kHz« so krajši načini zapisa (Kilo =tisoč).

Tukaj je nekaj najpogostejših zvočnih razponov, pri katerih so križanja v pomoč:

• Bas: 20–100 Hz ali približno
• Srednji: (vokal, instrumenti in drugo) ~100Hz do okoli 3Khz
• Visoki: (visokofrekvenčni zvoki) Približno 3 kHz do 20 kHz

Kako deluje crossover? Kaj je kretnica zvočnikov?

1. Osnove aktivnega križanja (elektronskega križanja)

Tipičen primer ločene elektronske aktivne kretnice. En komplet izhodnih priključkov zagotavlja izhod visokofrekvenčnega filtra za ojačevalnik za pogon visokotoncev ali para glavnih zvočnikov. 2. par je pogosto frekvenčni izhod za nizkotonec.

Notranji križni del avtomobilskega ojačevalnika je sestavljen iz osnovnih elektronskih komponent:variabilni upori, čipi operacijskega ojačevalnika, kondenzatorji in upori s fiksno vrednostjo. To so v bistvu elektronske kretnice, vgrajene v ojačevalnik, tako da jih ni treba uporabljati posebej.

Elektronske kretnice se včasih imenujejo tudi "aktivne" kretnice, saj za razliko od zvočniških kretnic za delovanje potrebujejo vir energije. Medtem ko se pasivne kretnice povežejo neposredno z močnejšimi izhodnimi priključki ojačevalnika, elektronske kretnice delujejo samo z nizkonapetostnimi signali.

Povezani so na primer z linijskimi priključki RCA ali avtoradio, avtomobilskim ojačevalnikom ali domačim AV sprejemnikom.

Kako delujejo elektronske kretnice

Levo:tipično integrirano vezje operacijskega ojačevalnika (operacijski ojačevalnik) (IC), Texas Instruments TL072. Desno:Primer nizkopasovnega kretnega vezja, ki uporablja operacijski ojačevalnik za filtriranje visokofrekvenčnih zvokov.

Elektronske kretnice se morda slišijo zelo zapletene (in tudi so, vsaj na nek način), vendar dejansko temeljijo na precej osnovnih načelih.

Delujejo z različnimi elektronskimi filtrirnimi vezji, ki temeljijo na zelo pogosti elektronski komponenti:operacijskem ojačevalniku (»op amp«). Operacijski ojačevalniki so majhni večnamenski ojačevalniki, ki so uporabni za ojačanje ali spreminjanje vhodnega signala na več načinov.

Skupaj z upori in kondenzatorji jih je mogoče uporabiti za krmiljenje glasbenega signala.

Shematski prikaz tipičnega elektronskega križanca. V tem primeru je prikazan levi stereo kanal vgrajenega križnega vezja avtomobilskega ojačevalnika Alpine.

Lahko so zasnovani za spreminjanje načinov s stikalom. Pogosto uporabljajo nastavljive uporne številčnice, ki omogočajo spreminjanje mejne frekvence.

Ko je uporabljen vhodni signal, boste glede na vrsto dobili naslednje izhode:

• Visokoprepustni filter:blokira nizke frekvence nizkotonca iz visokotoncev ali iz glavnih zvočnikov. To omogoča večjo glasnost brez popačenja, saj majhni zvočniki ne prenesejo močnih nizkih tonov.
• Nizkofrekvenčni filter:blokira vokale in druge visokofrekvenčne zvoke, ki jih nizkotonec ali nizkotonec ne moreta dobro reproducirati. Imenuje se tudi kanal LFE za izhod globokotonskega zvočnika domačega sprejemnika.
• Pasovni filter:tudi pasovni filter je kombinacija drugega – omejuje izhod samo na srednje frekvence (za uporabo z gonilnikom srednjega tona).

2. Zvočniške (pasivne) kretnice

Zgoraj: Dvosistemske komponentne kretnice za avtomobilske zvočnike. Spodaj: Križnica za domače stereo zvočnike, kot jo lahko najdete v kompletu zvočnikov na policah. Oba uporabljata kondenzatorje in induktorje za filtriranje in krmiljenje zvoka, poslanega visokotonskemu, srednjetonskemu ali nizkotonskemu zvočniku.

Zvočniške kretnice včasih imenujemo "pasivne" kretnice, saj ne potrebujejo zunanjega napajanja. Delujejo s pomočjo pasivnih komponent:kondenzatorjev in induktorjev.

Crossover zvočnika je električno vezje, ki uporablja induktorje in kondenzatorje za filtriranje signala zvočnika in njegovo razdelitev med 1 ali več izhodov. Izhodi so odvisni od frekvenčnega odziva uporabljenih zvočnikov.

Za razliko od elektronskih kretnic so običajno priključene na izhode ojačevalnika in nato z zvočniško žico na vaš komplet gonilnikov zvočnikov, enega za vsak zvočniški kanal.

Tukaj je prikazana kretnica dvosteznega zvočnika 2. reda. Induktorji uporabljajo simbol "L", kondenzatorji pa "C". Vrsta »2. reda« ima drugo stopnjo delov za učinkovitejše filtriranje zvokov kot zasnova prvega reda.

Kondenzatorji in induktorji imajo nekaj zanimivih lastnosti, odvisno od frekvence signala, ki se nanje nanaša:

• Kondenzatorji imajo večjo »odpornost« (imenovano impedanca) na nizkofrekvenčni signal kot na visokofrekvenčni signal. Nižja kot je frekvenca, manj signala lahko preide.
• Induktorji so žične tuljave, ki imajo večjo odpornost proti visokofrekvenčnemu signalu kot nizkofrekvenčni signal. Zato filtrirajo višje zvočne frekvence.

Ko ima kondenzator ali induktor dodan signal, ki presega frekvenco kretnice, se upor poveča, kar zmanjša izhodno napetost zvočnika, ker se izgubi prek kondenzatorja ali induktorja.

To pomeni, da bo zvočnik prejel vedno manj signala zvočnika, ki ga želimo blokirati, bolj ko bo zvočna frekvenca presegla točko križanja. Vrednosti delov so izbrane glede na impedanco zvočnika (Ohmi), s katero bodo uporabljeni, saj to vpliva na njihovo obnašanje.

Opomba: Pretvornike zvočnikov lahko uporabljate samo z impedanco zvočnikov, za katero so zasnovani, sicer ne bodo zvenele enako.

Na primer, uporaba križanca domačega zvočnika 8 Ohm s 4 Ohmskim avtomobilskim zvočnikom ne bo delovala pravilno. To je zato, ker so bile delne vrednosti izbrane samo za eno impedanco. Ko to spremenite, dramatično spremeni frekvenco križanja!

Zvočniške kretnice so zasnovane na več načinov, vendar imajo vse enako osnovno konstrukcijsko strukturo – spremenijo se le podrobnosti.

Pogosto so tudi označeni z imeni, kot so "1. red", -6dB/oktavo, "2. red", -12dB/oktavo itd. Zasnove 2. reda, 3. reda itd. uporabljajo enaka načela, vendar jim je dodanih več stopenj ali »ukazov«, da so še bolj učinkoviti pri bločnem zvoku.

Kaj so decibeli in zakaj jih uporabljamo za zvok?

Križnice (in veliko druge avdio elektronike in opreme) se merijo z decibeli. Decibeli (»dB«) so priročen matematični način obravnavanja števil, ki se pojavljajo kot potence števila 10, za razliko od linearnih števil, ki se pojavljajo v ravni črti. Prikazan je primer ugotavljanja zmanjšanja križanskega izhoda v dB.

V resničnem svetu se veliko meritev ukvarja s stvarmi, ki se ne povečujejo ali zmanjšujejo v ravni liniji (»linearno«), ampak namesto v krivulji (»nelinearno« ali logaritmi).

Ne bom vas dolgočasil s težko matematiko, vendar v svetu zvoka uporabljamo decibele kot matematični način za merjenje glasbenih električnih signalov. To je zato, ker se veliko tega ne zgodi v ravni črti, ampak v krivuljah.

Velik del zvočnega sveta deluje s potencami števila 10 (logaritmi, ki se jih morda spomnite iz tečaja algebre). Zato je treba najti način za spopadanje s temi – tu pride prav predstavitev dB.

In ne samo križanci delujejo z decibeli, ampak tudi vaša lastna ušesa so logaritemska. To pomeni, da način, kako naša ušesa zaznavajo glasnost, deluje na logaritemski lestvici.

Kaj je križni naklon?

Diagram, ki prikazuje naklon ali strmino meje za najpogostejše vrste. Crossoverji imajo »ukaz« – to je 2., 3. ali več stopenj, ki povečajo njihovo sposobnost filtriranja neželenih zvočnih frekvenc.

Naklon je strmina zmožnosti filtriranja križanca. Z drugimi besedami, to je, kako učinkovit je po presečni frekvenci.

Nakloni so tako kot frekvenca kretnice kategorizirani glede na decibele (dB) na oktavo. Negativni simbol se uporablja za prikaz, da predstavlja oslabitev ali zmanjšanje signala.

V svetu zvoka običajno merimo razpon zvočnih frekvenc med dvema točkama z uporabo oktave. Oktava je podvojitev ali razpolovitev frekvenčnega števila. (100Hz, 200Hz, 400Hz itd.)

Ko govorimo o kretnici z mejno vrednostjo -6 dB na oktavo, mislimo, da bo še naprej zmanjševala izhod za dodatnih 6 dB za vsako podvojitev prejšnje frekvence.

Primer:-6dB pri 1KHz, -12dB pri 2KHz, -18dB pri 4KHz, -24dB pri 8KHz, -32dB pri 16KHz, do 20KHz.

Kateri so najpogostejši in najboljši prečni klanci?

Crossoverji so običajno zasnovani kot dober kompromis med kompleksnostjo, ceno in kakovostjo zvoka. Čeprav bi morda mislili, da bi "višje kot je, bolje bi bilo" vedno imejte prav, stvari postanejo bolj zapletene, ko preidete načrte 2. ali 3. reda.

Na splošno je naklon kretnice -12 dB pogosto najboljša izbira in dobro deluje za večino sistemov zvočnikov. Nizkotonec običajno zveni zelo dobro z naklonom 12 dB ali 18 dB.

Eden od razlogov je, da ima razmeroma dostopno in nezapleteno zasnovo, vendar še vedno zagotavlja dobro sposobnost rezanja. To deluje odlično tako za enojne zvočnike kot za 2-stezne zvočnike.

Na splošno so najpogosteje uporabljeni nakloni:

• -6 dB
• -12 dB
• -18 dB

Križnice elektronskih in dvosteznih zvočnikov so običajno -12 dB.

Kaj je dvosmerni zvočnik?

Običajni 2-stezni zvočniki, ki jih boste našli v avtomobilskih ali domačih sistemih zvočnikov. Zelo so si podobni, le da so domači stereo zvočniki običajno nameščeni v ohišju zvočnikov, avtomobilski zvočniki pa so lahko nameščeni ločeno.

Kaj so dvosmerni zvočniki?

Kaj so dvosmerni zvočniki?

• Sistemi dvosmernih zvočnikov uporabljajo dva zvočnika za ustvarjanje celotnega obsega zvoka z boljšo kakovostjo. Zvok iz stereo ojačevalnika je med zvočniki razdeljen z dvosteznim križanjem zvočnikov.
• Dvosistemski zvočniki so najpogostejša vrsta na svetu in mnogi ponujajo nizke stroške z odličnim zvokom.
• Visokotonec proizvaja visoke frekvence, nizkotonec pa srednjetonske in nizkotonske dele glasbe.
• Medtem ko se vrsta kretnice razlikuje od modela do modela, je kretnica 2. reda z naklonom -12 dB na oktavo zelo pogosta. Prav tako se izogne ​​težavi, imenovani fazni premik kar se lahko zgodi pri drugih oblikah.

Vsak zvočnik ima samo obseg zvoka, ki ga lahko dobro proizvede:

• Visokotonci sprejemajo samo visoke frekvence – običajno okoli 3 KHz in več
• Nizkotonci sprejemajo samo nižje frekvence – običajno okoli 3 KHz in manj

Uporabljena frekvenca križanja se razlikuje glede na konstrukcijske potrebe, tako da ni takšne, ki bi delovala v vseh primerih. Poleg tega jih je treba uporabljati s pravilno impedanco (ohmsko oceno) za zvočnike, za katere so zasnovani.

Koaksialni zvočniki so tudi dvosmerni zvočniki. Pravzaprav lahko v primeru, prikazanem tukaj, vidite križance na zadnji strani zvočnika. Tako kot pri ločenih kretnicah so nižje frekvence usmerjene v velik nizkotonec, visoke pa v visokotonec.

Rezultat je celoten razpon zvoka brez popačenja ali slabe zmogljivosti, ki bi ga dobili, če bi poskušali predvajati isti razpon v samo 1 zvočniku. Z drugimi besedami, dvosistemski zvočnik ponuja čist, podroben zvok, ki ga drugače ne bi dobili.

V mnogih primerih za odličen zvok ne potrebujete nujno dragih komponent ali zvočnikov. Tudi nizkocenovni 2-stezni zvočniki lahko zvenijo zelo lepo!

Kaj je dobra križna frekvenca?

Resnica je, da ni popolnega nabora križnih frekvenc, ki bi deloval za vsak zvočnik. Odvisno je od marsičesa. Vendar je tukaj nekaj najpogostejših frekvenc, ki v mnogih primerih dobro delujejo.

To temelji na potrebah večine domačih ali avtomobilskih avdiosistemov, skupaj z mojimi lastnimi izkušnjami pri oblikovanju in namestitvi zvočnikov.

Kakšno križno frekvenco naj uporabim?

Priporočena tabela frekvenc križanja

Vrsta zvočnika/sistema	Prehodna frekvenca &Tip
Nizkotonski zvočniki	70–80 Hz (nizkofrekvenčni) – najboljše za čist, jasen nizkotonski zvok, ki »zadene«.
Glavni avtomobilski zvočniki (celoten obseg)	56–60Hz (visokoprepustni) – Blokira nizke tone, ki povzročajo popačenje ali zvočnike, ki »izstopajo iz dna«.
Visokotonci ali dvosmerni zvočniki	3–3,5 KHz (visokoprepustni ali visoko/nizkoprepustni) – večina dvosmernih ali 1-smernih (visokotonskih) kretnic uporablja frekvenco blizu te
Srednjetonec/nizkotonec	1K-3,5 KHz (nizkofrekvenčni) – Nizkotonci in številni srednjetonski zvočniki ne delujejo dobro nad tem splošnim obsegom.
3-smerni sistem	500Hz in 3,5KHz (točke prehoda nizkotonca/visokotonca) – podobno kot pri 2-steznih sistemih zgornja frekv. bi bilo enako.

Zakaj je kretnica pomembna za dober nizkotonski zvočnik

Pasivni subwoofer crossover se ne more kosati z elektronskim, če želite odličen bas.

Ste se kdaj vprašali, kako imajo nekateri ljudje v avtu čiste, močne base ali zakaj vaš globokotonec za domači kino zveni tako dobro? To je zaradi današnjih elektronskih križancev. Za razliko od zvočnikov polnega razpona jenizkotonski zvočnik še posebej dovzeten za slab zvok, če se skozenj predvajajo srednjetonske frekvence. Čisti nizkotonski zvok, ki ste ga slišali, zahteva dober crossover.

Pravi nizkotonec ima precej omejen frekvenčni odziv (običajno približno 20 do 100 Hz), zato je pomembno, da ga kar najbolje izkoristite.

Medtem ko je z uporabo velike, zajetne in včasih težko dostopne nizkoprepustne induktorske plošče mogoče doseči dokaj spodoben nizkotonski zvok, pogosto nimajo niti približno tako dobrega zvoka kot elektronska kretnica z boljšim rezom, ki lahko blokira vokal in visoki toni.

Nekateri vključujejo tudi funkcijo ojačevanja nizkih tonov za dodajanje dodatnega udarca, ko želite več udarca – to preprosto ni mogoče pri pasivnem. Prav tako ne zmorejo visokih ravni moči brez ogromne in drage induktorske tuljave.

Kako uporabiti crossover za zadnji del

Ena od težav pri stereo zvočnem sistemu, ki uporablja zadnje zvočnike, je ta, da lahko zadnji kanali »potegnejo« stereo sliko za vami in zameglijo zvok. To je zato, ker se višji zvoki uporabljajo kot znaki, da naši možgani vedo, od kod prihajajo. To je eden od razlogov, zakaj ste nagnjeni k obračanju regulatorja faderja bolj naprej kot nazaj.

Ko naša ušesa slišijo, da prihaja od spredaj in zadaj, pogosto ne zveni čisto prav. Pri prostorskih zvočnih sistemih, ki predvajajo prostorski zvok, to ni problem, saj je že mešan posebej za odličen zvok. Vendar pa boste z uporabo satelitskega kompleta zvočnikov s stereo zvokom hitro pokazali težavo.

Za boljše zadnje polnjenje v vašem avtomobilu ali domačem sistemu je preprost trik uporaba nizkoprepustnega filtra za blokiranje srednjih in visokih tonov. Poskusite z nizkoprepustnostjo 1KHz ali 500Hz in poglejte, kaj mislite!

Priporočeno branje

Toplo priporočam znano kuharsko knjigo Loudspeaker Design Cookbook. Je odličen vir informacij, vključno s formulami, ki jih lahko uporabite za izdelavo lastnih avtomobilskih ali domačih avdio projektov profesionalne ravni. Govorim iz izkušenj!

Za nekaj odličnih DIY projektov in vezij si oglejte stran Elliot Sound Products.

Več odličnih člankov

• Naučite se ugotoviti frekvenco kretnice zvočnika.
• Tukaj je vodnik za namestitev in ožičenje kretnic avtomobilskih zvočnikov.
• Želite več podrobnosti? Kaj je križna frekvenca FC in zakaj je pomembna?
• Katera je dobra križna frekvenca za negovalni ali domači zvok?
• Ugotovite, kako nastaviti kretniške frekvence avtomobilskega avdio sistema.