Фильтр для трёхполосной акустической системы Российский патент 2019 года по МПК H04R3/12 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в акустических системах бытовой или профессиональной звуковоспроизводящей аппаратуры.

Известен фильтр, используемый в акустической системе, содержащей связанные с положительным и отрицательным входами системы низкочастотный, высокочастотный и среднечастотный излучатели, входы системы предназначены для подключения усилителя, конденсаторы с первого по шестнадцатый, сопротивления с первого по шестое и индуктивность, первый вывод низкочастотного излучателя через соединенные параллельно индуктивность и третий конденсатор соединен с положительным входом системы, второй вывод низкочастотного излучателя соединен с отрицательным входом системы, параллельно низкочастотному излучателю подключены соединенные последовательно первый и второй конденсаторы, соединенные последовательно пятое сопротивление и тринадцатый конденсатор, а также двенадцатый конденсатор, параллельно второму конденсатору подключены соединенные последовательно четвертый и пятый конденсаторы, параллельно которым, в свою очередь, подключен шестнадцатый конденсатор, общий вывод первого и второго конденсаторов через соединенные последовательно третье сопротивление, четвертое сопротивление и переключатель соединен с положительным входом системы, соединенные последовательно девятый и восьмой конденсаторы с одной стороны соединены с положительным входом системы, а с другой стороны - с общим выводом третьего и четвертого сопротивлений, первое сопротивление с одной стороны соединено с положительным входом системы, а с другой стороны соединено с общим выводом первого и второго конденсаторов, соединенные последовательно шестой и седьмой конденсаторы соединены с одной стороны с общим выводом третьего и четвертого сопротивлений, а с другой стороны - с общим выводом первого и второго конденсаторов, соединенные параллельно второе сопротивление и десятый конденсатор соединены с одной стороны с общим выводом восьмого и девятого конденсаторов, а с другой стороны - с общим выводом шестого и седьмого конденсаторов, одиннадцатый конденсатор соединен с одной стороны с общим выводом шестого и седьмого конденсаторов, а с другой стороны - с первым выводом низкочастотного излучателя, первый вывод высокочастотного излучателя через пятнадцатый конденсатор соединен с положительным входом системы, второй вывод высокочастотного излучателя соединен с отрицательным входом системы, первый вывод среднечастотного излучателя через шестое сопротивление соединен с положительным входом системы, второй вывод среднечастотного излучателя соединен с отрицательным входом системы, параллельно среднечастотному излучателю подключен четырнадцатый конденсатор (RU 2554273, H04R 3/12, 27.06.15).

Известное техническое решение направлено на повышение точности воспроизведения звука и стабильности технических характеристик. Фильтр в известном техническом решении, состоящий из фильтров нижних, средних и верхних частот помимо выполнения функции разделения сигнала по частотам обеспечивает равномерное распределение нагрузок на каждый излучатель и выравнивание частоты сигнала на каждом излучателе, что позволяет исключить «забивание» одного излучателя частотами другого излучателя, т.е. снизить влияние «чужих» частот на каждый излучатель.

Однако в известном техническом решении не обеспечивается необходимая линейность фазо-частотной характеристики, приводящая в стереопаре акустической системы к размытости локализации кажущихся источников звука и сужению эффекта звучащей сцены.

В качестве прототипа выбран трехполосный фильтр для акустической системы, содержащий LC-фильтр нижних частот, полосовой фильтр, выполненный на LC элементах, и LC-фильтр верхних частот, входы фильтров включены параллельно и соединены с выводами для подключения источника входного сигнала, выходы фильтров предназначены для подключения динамических головок соответственно низкочастотного, среднечастотного и высокочастотного диапазона (http://rcl-radio.ru/?p=6229).

Фильтр для акустической системы состоит из трех независимых параллельно работающих фильтра нижних частот, полосового фильтра и фильтра верхних частот. При реализации такого фильтра образуются как минимум четыре контура, которые приходится попарно состыковывать для обеспечения приемлемой плавности амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик в зонах переходов нижних и средних частот и средних и верхних частот. Контуры, образованные LC элементами фильтра нижних частот и одним из LC звеньев полосового фильтра имеют близкие частоты резонанса, но противоположно направленные АЧХ и ФЧХ. Аналогично контуры, образованные LC элементами фильтра верхних частот и другим из LC звеньев полосового фильтра имеют близкие частоты резонанса и противоположно направленные АЧХ и ФЧХ. Баланс между ними в звуковом поле можно найти только в звуковой камере. Поскольку АЧХ отдельных частей фильтров взаимно пересекаются, то создаются зоны совместной работы, в которых каждый из динамиков работает с другим не согласовано. По этой причине существенным недостатком известного трехполосного фильтра является значительная неравномерность ФЧХ даже при приемлемой неравномерности АЧХ, приводящая в стереопаре акустической системы к размытости локализации кажущихся источников звука и сужению эффекта звучащей сцены.

Технический результат изобретения заключается в повышении линейности фазо-частотной характеристики фильтра при сохранении равномерности его амплитудно-частотной характеристики.

Технический результат достигается тем, что в фильтре для трехполосной акустической системы, содержащем LC-фильтр нижних частот и LC-фильтр верхних частот, выходы которых предназначены для подключения динамических головок соответственно низкочастотного и высокочастотного диапазона, диапазона, первый и второй входные выводы LC-фильтра нижних частот, с которыми соединены соответственно вывод катушки индуктивности и вывод конденсатора этого фильтра, являются входом устройства, согласно изобретению к первому входному выводу LC-фильтра нижних частот подключен вывод катушки индуктивности LC-фильтра верхних частот, а ко второму входному выводу LC-фильтра нижних частот подключен вывод конденсатора LC-фильтра верхних частот, общие выводы катушки индуктивности и конденсатора соответственно в LC-фильтре нижних частот и LC-фильтре верхних частот через частотный фильтр соединены с выводами для подключения динамической головки среднечастотного диапазона, при этом LC-фильтр нижних частот, LC-фильтр верхних частот и частотный фильтр включают в себя корректирующие элементы.

На чертеже представлен один из возможных вариантов принципиальной электрической схемы предлагаемого фильтра для трехполосной акустической системы.

Фильтр для трехполосной акустической системы содержит LC-фильтр 1 нижних частот и LC-фильтр 2 верхних частот, выходы которых предназначены для подключения динамических головок 3 и 4 соответственно низкочастотного и высокочастотного диапазона, первый и второй входные выводы LC-фильтра 1 нижних частот, с которыми соединены соответственно вывод катушки 5 индуктивности и вывод конденсатора 6 этого фильтра 1, являются входом устройства, в этом фильтре 1 показано одно из возможных включений корректирующего элемента (резистора 11), которое может быть иным или вообще отсутствовать, к первому входному выводу LC-фильтра 1 нижних частот подключен вывод катушки 7 индуктивности LC-фильтра 2 верхних частот, а ко второму входному выводу LC-фильтра 1 нижних частот подключен вывод конденсатора 8 LC-фильтра 2 верхних частот, в этом фильтре 2 также показано одно из возможных включений корректирующего элемента (резистора 18), которое может быть иным или вообще отсутствовать, общие выводы катушки индуктивности и конденсатора соответственно 5 и 6 в LC-фильтре 1 нижних частот и 7 и 8 в LC-фильтре 2 верхних частот через частотный фильтр 9 соединены с выводами для подключения динамической головки 10 среднечастотного диапазона.

В предлагаемом фильтре LC-фильтр 1 нижних частот, предназначенный для динамической головки 3 низкочастотного диапазона, выделяет сигналы с частотами, например, ниже 400 Гц как полезные сигналы. Сигналы с частотами выше 400 Гц не пропускаются этим фильтром. LC-фильтр 2 верхних частот, предназначенный для динамической головки 4 высокочастотного диапазона, выделяет сигналы с частотами, например, выше 6 кГц как полезные сигналы. Сигналы с частотами ниже 6 кГц не пропускаются этим фильтром. Суммарный спектр сигналов, которые подавляются LC-фильтрами 1 и 2 нижних и верхних частот, на много шире рабочей полосы частот, которая должна воспроизводится динамической головкой 10 среднечастотного диапазона. Для этого в предлагаемом фильтре к первому входному выводу LC-фильтра 1 нижних частот подключен вывод катушки 7 индуктивности LC-фильтра 2 верхних частот, а ко второму входному выводу LC-фильтра 1 нижних частот подключен вывод резистора, к которому подключен конденсатор 8 LC-фильтра 2 верхних частот. При этом выводы динамической головки 10 среднечастотного диапазона через частотный фильтр 9 подключаются к общим выводам катушки индуктивности и конденсатора соответственно 5 и 6 в LC-фильтре 1 нижних частот и 7 и 8 в LC-фильтре 2 верхних частот и на нее поступает сигнал, спектр которого соответствует среднечастотному диапазону. LC-фильтр нижних частот, LC-фильтр верхних частот и частотный фильтр включают в себя корректирующие элементы, позволяющие точнее распределить суммарную энергию сигнала между всеми динамическими головками и обеспечить высокую линейность фазо-частотной характеристики. В одном из возможных вариантов электрической схемы предлагаемого фильтра резистор 11, включенный последовательно с конденсатором 6 сглаживает начальную АЧХ и ФЧХ низкочастотного звена, а также уменьшает уровень низкочастотной составляющей, проникающий в динамическую головку 10 среднечастотного диапазона. Катушка 12, включенная последовательно с динамической головкой 10 среднечастотного диапазона ограничивает сверху спектр частот сигнала, поступающего на эту динамическую головку, а цепочка Цобеля, состоящая из конденсатора 13 и резистора 14, включенная параллельно цепи, состоящей из динамической головки 10 и катушки 12, выравнивает суммарную ФЧХ. Цепочка Цобеля, включенная параллельно динамической головке 4 высокочастотного диапазона и состоящая из конденсатора 15 и резистора 16 согласует АЧХ и ФЧХ высокочастотного звена. Резисторы 17 и 18 включенные последовательно соответственно с среднечастотным и высокочастотным звеньями согласуют их уровень сигнала.

Из чертежа следует, что на низкой частоте динамическая головка 10 среднечастотного диапазона шунтируется низким сопротивлением катушек 5 и 7 индуктивности LC-фильтров 1 и 2, т.к. их активное и реактивное сопротивления близки к нулю на низкой частоте. На высокой частоте динамическая головка 10 шунтируется малым реактивным сопротивлением конденсаторов 6 и 8 LC-фильтров 1 и 2, т.к. их реактивное сопротивление также близко к нулю на высокой частоте. На средней частоте динамическая головка 10 среднечастотного диапазона подключена к источнику входного сигнала через катушку 5 индуктивности фильтра 1 и конденсатор 8 фильтра 2, суммарное реактивное сопротивление которых не больше половины сопротивления динамической головки 10 среднечастотного диапазона. То есть все условия для ее нормальной работы соблюдаются. При этом для исключения попадания низкочастотной составляющей в высокочастотное звено фильтра, а высокочастотной составляющей в низкочастотное звено фильтра через динамическую головку 10 среднечастотного диапазона, эта динамическая головка 10 подключена к этим звеньям фильтра через частотный фильтр 9.

Известно, что вырождение LC-контура в фильтр происходит при нагрузке обоих реактивных элементов на сопротивление, равное характеристическому сопротивлению контура р. При этом ФЧХ становится горизонтальной прямой. На практике обычно нагружается один из элементов (L или С), а другой остается без нагрузки, что приводит к отклонениям от расчетных параметров. В предлагаемом устройстве сопротивление динамической головки 10 среднечастотного диапазона является такой недостающей нагрузкой как для катушки 5 индуктивности в LC-фильтре 1 нижних частот, так и для конденсатора 8 в LC-фильтре 2 верхних частот, что выравнивает фазовые и переходные характеристики обоих фильтров 1 и 2.

На каждой частоте происходит распределение величины передаваемой энергии в звеньях фильтра, причем практически с нулевым сдвигом фазы. Так как фазовая составляющая практически не изменяется, то все три динамические головки 3, 4 и 10 работают синхронно, как один широкополосный динамик. В этом состоит принципиальное отличие предлагаемого фильтра от аналогов и прототипа, в котором этот переход из одной области в другую проходит в «конкуренции» между смежными звеньями фильтра с разнонаправленной фазовой составляющей. В предлагаемом фильтре этого нет. Звенья фильтра как показано выше включают в себя корректирующие элементы RLC для более точного выравнивания АЧХ и получения более высокой линейности ФЧХ. В фильтре может быть использована достаточно простая регулировка чувствительности динамических головок среднечастотного и высокочастотного диапазонов резистивными делителями (на чертеже не показано) для их подстройки под динамическую головку низкочастотного диапазона. Для настройки возможно использование резисторов 11, 17 и 18.

Таким образом, высокая линейность фазо-частотной характеристики фильтра при сохранении равномерности его амплитудно-частотной характеристики позволяет кардинально расширить зону стереоэффекта, уменьшить размытость локализации кажущихся источников звука, снизить искажения и, тем самым, значительно повысить качество воспроизводимого звука трехполосной акустической системой

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в акустических системах бытовой или профессиональной звуковоспроизводящей аппаратуры. Фильтр для трехполосной акустической системы содержит LC-фильтр нижних частот и LC-фильтр верхних частот, выходы которых предназначены для подключения динамических головок соответственно низкочастотного и высокочастотного диапазона, первый и второй входные выводы LC-фильтра нижних частот, с которыми соединены соответственно вывод катушки индуктивности и вывод конденсатора этого фильтра, являются входом устройства, к первому входному выводу LC-фильтра нижних частот подключен вывод катушки индуктивности LC-фильтра верхних частот, а ко второму входному выводу LC-фильтра нижних частот подключен вывод конденсатора LC-фильтра верхних частот, общие выводы катушки индуктивности и конденсатора соответственно в LC-фильтре нижних частот и в LC-фильтре верхних частот через частотный фильтр соединены с выводами для подключения динамической головки среднечастотного диапазона. LC-фильтр нижних частот, LC-фильтр верхних частот и частотный фильтр включают в себя корректирующие элементы. Технический результат изобретения - повышение линейности фазо-частотной характеристики фильтра при сохранении равномерности его амплитудно-частотной характеристики. 1 ил.

Фильтр для трехполосной акустической системы, содержащий LC-фильтр нижних частот и LC-фильтр верхних частот, выходы которых предназначены для подключения динамических головок соответственно низкочастотного и высокочастотного диапазона, первый и второй входные выводы LC-фильтра нижних частот, с которыми соединены соответственно вывод катушки индуктивности и вывод конденсатора этого фильтра, являются входом устройства, отличающийся тем, что к первому входному выводу LC-фильтра нижних частот подключен вывод катушки индуктивности LC-фильтра верхних частот, а ко второму входному выводу LC-фильтра нижних частот подключен вывод конденсатора LC-фильтра верхних частот, общие выводы катушки индуктивности и конденсатора соответственно в LC-фильтре нижних частот и LC-фильтре верхних частот через частотный фильтр соединены с выводами для подключения динамической головки среднечастотного диапазона, при этом LC-фильтр нижних частот, LC-фильтр верхних частот и частотный фильтр включают в себя корректирующие элементы.