淺談電子分音器

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淺談電子分音器 by hn702906


電子分音器在DS的長程計劃中是非常重要的一環，也因為如此，
我們希望透過以下文章，能讓更多網友可以更加了解何為電子分音器。


先介紹分音器的種類，我們大致上可以分成二種:


1.主動式分音
2.被動式分音


在一般大多數喇叭中，放在喇叭箱內由電阻電容電感等被動元件組成的分音器，
統稱為被動式分音器。


被動分音器的優點如下:

1.不用插電。
2.電阻電容電感取得容易。
3.成本大大節省。

但是也不是沒有缺點，被動分音器的缺點如下:

1.消耗更多的功率，使喇叭效率降低。
2.喇叭的頻率特性受到被動元件影響巨大。
3.體積較大。

而主動式分音器的優點剛好是被動式分音器的相反，在以前，DIYer以省錢為前提下，那被動式分音器是最好的選擇，
高通用一個電容就搞定了，整個分音器做起來大約只要幾百元就可以有不錯的效果，但是現在來看，
普通的被動元件已經沒有辦法滿足每天都在求進步的Diyer，以之前我們推出的AVALON喇叭來說，
有的網友將分音器全部都用上超補的補料，所費不茲。


撇開成本的考量，主動式分音器的精準分頻，不影響單體頻率響應的特性
正是我們需要的功能，更別說各單體之間的互相影響(互調失真)能降到最低，
喇叭效率可以獲得最大化，更能改變整體系統的暫態響應。



好，稍微介紹分音器的種類之後，我們來談談分音器的工作方式:


在這之前，我們假設是以2 Way喇叭舉例(例如R3.8)，所謂的2 Way則是
信號只分為高音及中低音,而3 Way則是分為高音,中音,低音三個單體



上圖:2 Way電子分音



上圖:3 Way電子分音


在以往，被動式分音器是放在喇叭單體與後級的中間，
也就是說，後級放大信號後進入被動分音器，而分音器將信號分成高音，中低音，
然後分給各單體去發出各自的頻率，達到發聲的效果。


而主動式分音器則是在前級與後級的中間，也就是前級信號放大後進入電子分音器，
而電子分音器將此信號分成高音及中低音，然後交由後級各自放大，
高音使用一台專門放大高音的後級，中低音使用一台專門放大中低音的後級使用，
然後再送進喇叭單體各自發聲。


所以說來，各自單體的分離度會比被動分音好上太多，因為高音從前級後就已經被獨立出來，
我們可以用一台小管機放專門接高音，而中低音所需功率較大，
那我們就使用一台較大的晶體後級來推動中低音單體。


介紹完2 Way及3 Way的分別之後，我們來說說分頻點:


設計分音器最重要的就是分頻點的計算，但在此我們並不想說複雜的分頻公式，
我只是先讓大家能夠了解到分頻點應該如何取，
後面的計算可以交給網路上許多的計算軟體就行。


先以一個高音及中低音組成的喇叭來舉例:


假設我們今天拿到了一個高音及一個中低音，那我們要做分音器，
就是先取得這二個單體的SPL圖，一般是長這樣:



上圖:高音單體的SPL圖


大家可以看到，這張高音的SPL圖從1K開始，到30K結束，
而我們要讓這高音單體工作在最線性的區域，也就是2K開始到最高右邊結束。



上圖:那我們要取的分頻點就如上圖


而中低音單體也是如此,以下以Scan的8545為例:



上圖: Scan的18W/8545中低音單體



上圖:取200Hz開始,到2K結束,如果沒有低音單體的話,
那200Hz就直接忽略不計


接起來會變成這樣:

上圖:高音接上中低音


看到沒有?中低音單體接上高音單體剛好是一段很平直的頻率響應,
這也是我們要的結果,以此類推,我們可以從重低音--低音--中音--高音--超高音
組成一個5Way的電子分音器.


如果用被動式分音器,那麼越多Way的單體,將會消耗越多的功率,
加上每個單體的效率並不一致,所以必須再加上增益放大或是衰減
如果是用電子分音,那這些問題將可以獲得完美的解決.


大致上介紹了分頻點的選擇後,再來談談甚麼叫做"階"


常聽人說,這分音器是幾階的,然後如何如何,
聽起來霧沙沙,其實"階"就是在說SPL上面的斜率.
用下圖就可以解釋一切:



上圖:各階斜率表示



上圖:套用在SPL圖(高音為例)上的斜率分怖.


要知道信號的切割並不是垂直的,但是我們希望讓這斜率越直越好,
所以我們算出來每"階"大致上每8度音以6dB/Oct滾降(慢慢滑下),
若是越多階,那滾降也會越快,也就是上圖每個顏色的斜率都不同.


越多階的斜率是越快下降,斜率越高,但是在實做上會造成的優缺點也各有不同,
要看設計上角度,例如一階是最簡單,成本最便宜(一個小電容就可以),
但是二個單體的斜率重複後產生的問題也較大(例如互調失真較大等等...)


在被動分音器上,一般都是一階或是二階,想要使用三階甚至是四階的分音器,
那就非電子分音莫數.

admin

上篇稍微介紹了被動分音及主動分音的不同，也談到了分頻點的選擇，
然後稍微提了斜率，若是有興趣的朋友，可以參考維基百科:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%88%86%E9%9F%B3%E5%99%A8


當然，分音器是一門專業的學問，以上我們寥寥數語根本無法將這門學問介紹於萬一，
不過此篇在於讓大家在Diy時可以了解到分音器的設計，有了方向之後，
可以自己去參考許多的文獻，對於充實自己有很大的益處。


好，再來我們來介紹分音器的三種做法:


貝賽爾濾波Bessel
巴特沃斯Butterworth
林奎次-瑞利Linkwitz-Riley


這三個方式都是非常有名的分音器，其中以巴特沃斯為最久(發表於1930年)，
以喇叭內的被動分音器來說，有很大部份的都是採用巴特沃斯式分音。


林奎次-瑞利是較新的設計方式，他解決了巴特沃斯的緩慢滾降特性，
對於不同單體之間的互相影響可以達到最小。


談公式相信有很多人會看不下去，那看圖吧，直覺式的比較好理解，
以下介紹的必須舉例，請看上一篇的高音及中低音分頻點的介紹，
我們思緒就從從那邊開始接。

請看下圖,這就是一個3Way的分音器設計,由低音(綠線),中音(藍線),及高音(紅線)
組成,我們現在要看的,就是互相交叉的部份,然後告訴大家,巴特沃斯Butterworth和
林奎次-瑞利Linkwitz-Riley有何不同?




上圖:3 Way分音器



上圖:林奎次-瑞利相接的部份將會產生一個-6dB的凹陷


而巴特沃斯將會產生一個-3dB的凹陷,那有人會說,那這樣是不是-3dB的會比較好?


其實不是的,這只是前段,還有後段呢!!
當信號經過時,這段線將會產生變化,原本-6dB的林奎次-瑞利將會被填滿,
變成直的,而-3dB的巴特沃斯將會隆起+3dB成一個突起.


綜合起來會變成以下的圖:



上圖:二種濾波器的比較.


看到了吧?LR2為林奎次-瑞利的縮寫,大家可以看到,
原本紅線-6dB的交點會變成平直的青色(LR2 Sum),
而藍色的巴特沃斯會變成一個+3dB的隆起(粉紅線).



在我們要求平直的頻率響應之下,林奎次-瑞利比較適合我們使用.
而貝賽爾濾波則是位於這二種濾波的中間.


看到這,有人會問:那到底那一種比較好?


我的回答是:二種都很棒!!


舉例來說,在一般二階被動分音器的設計上,
可以透過一些方式利用巴特沃斯的緩慢滾降特性將+3dB隆起給補平.
所以並沒有想像的那麼恐怖啦!!


而林奎次-瑞利我個人認為,要利用他的4階比較適合高音使用.
因為高音功率一般較小,若用此將除去了不必要的頻率,加上減少被動分音器的消耗,
高音整體的表現將會有大幅的進步.


也就是說,更換了電子分音器之後
你家裏的現役喇叭將會有一個質的飛躍.

admin

雖然前面的二篇有點枯燥,有些圖表及專門名詞需要慢慢了解,
但是對於規畫加入目前現有的電子分音系統將會有許多的幫助.
所以還是請多看幾遍.


好,那接下來我們來聊聊DS即將要開發這電子分音器的套件.


首先我們要面對的問題,就是分頻點的設計,
因為每個網友的現役喇叭分頻點都是不同的,
有的是二音路(2 Way),有的是三音路(3 Way)
更有的希望是用到四音路(4 Way)甚至是五音路(5 Way)


要面面俱到似乎不可能,但是參考過許多銘機電子分音後,
我們發現各廠家的解決辦法都不太相同,在此拿出來與大家討論.

各家的頻率選擇大致上分成二種:

1.先將各種分頻網路做在PCB上,然後用選擇開關去選
2.將各分頻網路模組化,要甚麼分頻網路裝上即可


我們先來看看將分頻網路固定在PCB上,然後用選擇開關切換的:

ARC EC3:



上圖:ARC的EC3電子分音器



上圖:EC3內部,可以看到在訊號選擇後方有許多電容可以選擇



上圖:EC3的線路圖



然後我們看Heath Kit的XO1電子分音器,一樣也是用訊號選擇切換不同分頻網路



上圖:XO1的外觀



上圖:XO1的線路圖


這樣做的好處是隨選隨有,反正已經都做在上面了,尤其以Heath Kit的XO1,
分頻網路有七種可以選,這在當時已經可以滿足大部份喇叭的需求.


但是當初的喇叭單體組合比較固定,所以在分頻網路上的選擇也比較少,
大部份也都是做2 Way的選擇,大部份也是12dB/oct或是18dB/cot
二階或是三階,別說現在可以到24dB/oct的四階分音.


再讓我們看看利用模組代換的電子分音器代表作:

Accuphase-F25


Accuphase F25從F15之後,就增加了可以用許多的模組替換功能,由原本的2 Way到
現在可以增加模組最大到4 Way,只要抽換模組,就可以增加或是減少Way數,
每個模組的分頻網路小卡更可以更換到適合自己的分頻點.




上圖:Accuphase F25電子分音




上圖:面板加上模組各自控制增益及階數




上圖:F25的模組化PCB及分頻網路PCB



比較了上面的不同做法之後,我們也比較喜歡利用模組化抽換或是插卡的方式來規劃DS電子分音套件,
因為Diyer只要將分頻網路小PCB做好後,插入母板,就可以達到不同的效果,如果是都做好在大PCB上用選擇開關
選擇的方式,如果遇到沒有PCB板上面的分頻點,那豈不是要把整片PCB都拆下後修改?


決定了利用抽換方式來改變分頻點之後,再來的選擇就是:
真空管或是晶體(OP或是Mosfet)?


有人說真空管好聽,有的是說OP精準,例如F25就是OP,
但是ARC和Helath Kit都是真空管.


要我說的話,那就做混合的,管晶都有,在真空管的部份,將會做在電子分音器的前面,
也就是Buffet的位置,我們利用陰極隨藕器來當一個輸入緩衝級,這部主要是調音,
後面的分頻網路採用林奎次-瑞利全24階分頻,基本為2 Way,可以利用模組化增加到3 Way


我相信這樣規劃一定能滿足到許多的用家,搭配線上計算器可以計算分頻網路,
大家可以調整分頻小PCB來改變分頻點,一兼二顧.


輸出增益調整也是必須的,畢竟每個單體的效率並不一樣,
每Way都可以獨立調整,高音可以視情況增減,中低音也是如此,
當全部都固定之後,改變前級的音量就可以一起增加或是減少信號放大率.

adamkao

所以後面的分頻網路是用晶體(JFET)?還是OP呢?
另外輸出增益調整能否不要只用一個VR放在輸出端,因為這樣會增加輸出阻抗

admin

是的,VR一定是放前面,每Way前面都有一個
可以參考ARC的EC4:



至於是用OP還是JFET?
我個人認為,用OP會比較省事,何況OP的特性會比JFET好,
在分頻網路中,其實這些主動元件對於分頻的影響並不大.
相對的OP會好做一點.

admin

4階就是24dB/oct

photo400

有沒有考慮也出全真空管的版本?

admin

有的,其實很掙扎要出那一種版本?OP?或是真空管?

想了幾天,乾脆二種都LAYOUT,大家也可以比較其中的不同

真空管和OP的LAYOUT角度都不一樣的,若是要模組化就是OP.
而真空管的就無法模組化(體積的問題)

admin

想了幾天,電路圖改了又再改,初步決定的是以下:
然後朝這方面去努力吧!!

1.一片電源及I/O母板+緩衝Buffer
緩衝有三種可選:OP緩衝,真空管緩衝,Bypass可透過面板切換.

2.所有中音及低音分頻電路板各自獨立,只要固定之後插上就可以改變

3.2Way,3Way可增加.


還沒畫完的MB(電源的部份):

adamkao

一直還是期望有真空管組成的分頻網路
其實我之前的系統也是三音路的電子分音
OP,JEFT的組成都玩過
目前是使用JEFT版本也用得最久
期待有真空管版本出現(自己搭棚太辛苦了)

admin

這是我們初步決定的PCB尺寸及擺位:


上圖: DS分音器主PCB的擺位

高音,中音,及低音是另外用分頻子卡插板式.

主板通用OP分頻及真空管分頻,
並且內建指撥開關選擇切換OP緩衝及真空管緩衝,
也可以透過面板的開關將緩衝開啟/關閉.

高音,中音,低音各自調整音量,可以各自調整分頻點.
可以說市面上高階分音器的功能都有了.

Peleus

我有興趣，只是...先前說的相位可調，目前還有規畫進來嗎？

我算是有點〞退步〞的玩法，先前有搞過數位式的分音，結果因為master volume 搞不定，機子都買了說，還是算了！

adamkao

我也贊成要有相位可調

我現ˋ在的作法是移動高中低音喇叭之間的前後距離來調整相位

admin

加個移相電路並不是很困難的事,我會在OP分頻子卡上加上去.

不過在此藉這個機會,我也順便對相移這部份做些簡單的介紹,
大家也可以順便聽一聽,若是有興趣的話,也可以自行Google資料來看.

相移,是指電壓與電流經過濾波網路後產生的落後/前移的現像.



上圖:相移


上圖可以看到,黃線比紅線落後了一些.
至於落後了多少?這段距離將會以角度來表示.
為何要用角度表示呢?有一張圖可以很好的說明:



上圖:其實這張圖是在說明傅立葉,方波的產生是由無數的弦波組成的.


不過沒關係,我們只看最上面的大圈圈,當左邊的大圈圈轉一圈之後,
一個正弦波就產生了,也因為這圈圈轉了360度之後,
距離剛好是一個正弦波的長度(時間).


所以對照第一張圖,當黃線落後紅線的距離,也相對照了左邊圈圈繞行的角度.


這就是相移.


那在分音器上面的相移如何產生的呢?又對音響產生了甚麼影響?
我們先來談談被動式分音器的相移問題.


一般來說,被動式分音器(就是目前很多很多喇叭做的分音器)很少會去提到相移的問題,
因為被動式分音器產生的相移會比電子式的分音器大很多,真的很多.


而造成被動式分音器所產生的相移,是由電容,電阻,電感本身的特性產生的,
當一個信號進來,若是經過電容,那電容的充放電特性會將這個頻率產生延遲,
不同頻率經過不同的被動元件產生的結果並不一樣,所以到達喇叭之後,
每個單體發聲的時間也不一樣,也因為如此,許多廠家對於改善相移就把腦筋動到
喇叭單體對於聆聽者的距離上面.


也就是有的喇叭是做斜面,有的是高音擺前面一點,或是改變相對位置.
因為位置不同,對於補償每個發聲的時間也會有改善.


同時,階數對於相移也有很大的影響,在此舉個例子,
有家叫做THIEL Audio的喇叭廠,他們堅持使用的就是一階分音.
因為一階分音可以達到最小的相位失真.


但是一階分音也有其缺點,為此,THIEL在分音器上設計了補償網路來改善這個問題.
所以分音器就變成很大一個.


總的來說,被動式分音器的相移可透過擺位來改善,
這麼說吧,你家裏現在覺得很好聽的喇叭,其實是相移後的結果.


現在回頭來聊聊電子分音器對於相移的產生會有甚麼影響?


電子分音器因為每個頻段都是獨立的"聲道",也就是我們在最上面說的Way,
同時電子分音器所用的電容及電阻都遠遠小於被動式分音器上面的數值,
所以信號進入電子分音之後,他們之間所產生相移也會非常的小.


而相移已經非常的小的情況下,再加上移相電路去改善,我個人覺得那並不是一個很好的Idea.
但話說回來,加個移相電路並不困難,但是有其可玩性,同時大家可以轉轉看
並且比較其不同,或許有相移的才會覺得好聽呢.


最後,我推薦大家二篇文章,雖都是說傅立葉轉換的,
但是前面的一些說明可以讓大家更了解到時域及頻域.

傅立葉轉換-1

傅立葉轉換

admin

先睹為快,電子分音器母板:

photo400

感覺很棒!!但是小弟有一疑問'就是板子的右邊感覺很空曠'這樣板子的面積就變很大'就需要更大的機箱來裝它'小弟總感覺是否可以把板子的面積縮小'不然裝箱後就變龐然大物了!還是站長覺得有它的必要性?另外'請教一下'未來如果要擴展成5way甚至是6way可以嗎?

admin

右邊的位置是留給子卡用的,因為子卡有二種,一種是OP的,一種是真空管的.
那位置就是讓真空管可以放的下.

要擴充成5Way或是6Way也可以,多一片母板就6Way了
不過在實際的應用上面,4Way就已經很罕見了.

admin

母板PCB樣品來啦!!做黑色的,子卡來做金色的.這樣搭配起來一定很好看呢!!

admin

安裝很簡單,每個零件的排列也很整齊,看起來就很清爽呢!!

photo400

小弟覺得還蠻漂亮的!!另外'請問站長'這板子是不是內建穩壓電源供應?可以有設計可以外接穩壓嗎?這樣就可以用自己心目中的穩壓電源'或是站長可以規劃另一個穩壓電源來供給分音器用?

admin

是有內建穩壓,也同時建了OP緩衝,及真空管Buffer(用指撥開關擇一),同時也可以關掉二者都不用.
要外接穩壓的話就從金手指處接入给子卡即可,很方便的.

admin

進度有點慢,主要是要忙805PP和一些出貨的事,
今天將OP子卡的Layout差不多了,大家看看.
雖然還有些小部份地方需要修改,也還沒鋪銅,
但已經看出有點雛型了.

sevro168

aadaad 發表於 2016-10-22 02:25 AM
密切期待、

這裏的穩壓不需要大電流，有沒考慮並聯式的穩壓，diyAudio很紅的Salas reguator 並聯式穩壓前端在加上CRC濾波，用在op上的穩壓蠻多人喜歡的。

admin

二款子卡LAY的差不多了,只剩鋪銅,
將二種的子卡圖片貼上來讓大家看一下.


DS在OP子卡上加上了移相電路,也就是相位可180度的調整.
也可以透過Jump將移相電路給Disable關掉.


但是真空管分頻子卡則沒有移相電路,
主要原因是我覺得分頻點的選擇比起相位重要多了,
而移相電路放在OP子卡上比較合適.


綜上所述,這樣光分頻就可以有四種組合方式:

1.全OP分頻.(相位可調)
2.全真空管分頻.
3.高音OP分瀕(相位可調)+中低音真空管分頻
4.高音真空管分頻+中低音OP分頻(相位可調)


更別說前方的緩衝級(電源板上)有OP緩衝或是真空管緩衝或是二者皆無的選擇,
若再搭配自己要的Way數,就有更多變化,例如:


3Way喇叭:
高=OP分頻(相位可調+精準24階讓高音分離度更佳)
中=真空管分頻(真空管的人聲密度及甜度的優點)
低=OP分頻(相位可調,低音層次感及量感Q度)



上圖:OP分頻子卡.



上圖:真空管分頻子卡.


在實際的應用上,我會建議將高音使用OP子卡,而中低音使用真空管子卡,
進而達成管晶混合電子分音的目的.


這部電子分音可以搭配的真太多了,
足以榨出手上不同效率單體搭配喇叭的潛力.


在這段時間內,我也建議大家可以翻上去看看電子分音的說明,
電子分音看起來似乎很複雜,但是只要了解電子分音的基礎知識,
對於自己喇叭有些許了解,都可以將自己喇叭的潛力發揮出來.

admin

一般分頻點可調的都是在PCB板上做出幾個固定的分頻網路,
然後用開關去切換而達成分頻點可調的目的.


而我們是會用換卡的方式,這樣選擇不僅多樣,
也可以針對自己手上不同的喇叭來做出屬於自己專屬的分頻子卡.

Ps:板上高手眾多,實在不敢被稱為"李老輸"阿~~

dodo

admin 發表於 2016-10-23 12:46 PM
二款子卡LAY的差不多了,只剩鋪銅,
將二種的子卡圖片貼上來讓大家看一下.

請問李大:

有高中低都是OP分頻的選項嗎?

在沒實際試過真空管分頻前

我寧願選擇分頻點精準,特性一致(銜接也較好)就好

以免混搭水土不服弄巧成拙

sevro168

admin 發表於 2016-10-24 08:58 AM
一般分頻點可調的都是在PCB板上做出幾個固定的分頻網路,
然後用開關去切換而達成分頻點可調的目的.

早上網站好像進不了，不知發生了什～
好棒的高、中、低音規劃。
不知裏面的穩壓是用哪種的？

admin

dodo 發表於 2016-10-24 05:57 PM
請問李大:

有高中低都是OP分頻的選項嗎?

有阿,我上面只是舉例,實際上也可以是全OP,或是全真空管

子卡配售的方式比較簡單,一面母板配上各三片的子卡(OP,真空管各三片)
以一般的家用2Way或是3Way喇叭來說已經綽綽有餘.

當然,子卡也會另外上架,用來供應有其他需要的朋友.

admin

sevro168 發表於 2016-10-24 10:53 PM
早上網站好像進不了，不知發生了什～
好棒的高、中、低音規劃。
不知裏面的穩壓是用哪種的？ ...

關於穩壓,這款電子分音的穩壓主要是要供給以下三個所需:

1.OP的正負電源
2.真空管燈絲6.3V
3.真空管高壓B+

OP的穩壓是使用LM317T三端子穩壓,也可以用LT1085來直接取代.
真空管燈絲6.3V也是使用LM317T,同樣也可以使用LT1085取代.
真空管的B+電壓則是參照了Audio-research電子分音中的穩壓線路.


其中LM317T已經足以應付我們電子分音中所需的電流.但是LT1085則能提供更大的電流.


當然,如果要加入自己喜歡的穩壓,則可以在母板上面的原本穩壓位置都不要裝零件,
然後將自己的穩壓模組放上去,將電壓接入插槽的相對位置就可以了.


以我個人認為,如果不是用在複雜線路的後級推動級上或是前級線路,
樓上網兄所述的Sigma穩壓用在電子分音真是大材小用了.
OP是一種集成線路的半導體放大器產品,它們對於穩壓的要求相對寬鬆
(OP電壓從5V~15V都會動),而換不同OP所帶來的變化會比換OP穩壓的變化來的更明顯.


MOSFET或是BJT晶體所構成的線路對於穩壓的效果有著較嚴苛的需求,
此時將Sigma穩壓去搭配是會比較好的,(這跟些主動零件本身的特性有關),
OP或是真空管和MOSfet及BJT晶體對於穩壓的要求各有不同.
以DS這次的電子分音為例,我們規劃的三端子穩壓線路就足以應付所需.


其實與其探討穩壓的更換,倒不如將重點放在手上喇叭分頻點的選擇,
將自己手上的單體型號放上Google查詢後,自己試算一下分頻點,
(分頻點的試算請看樓上的討論),除了能更直觀的了解到自己手上喇叭之外,
也可以從中學習到新的知識.

總而言之,分頻點的更換一定會比換穩壓的效果來的變化更大.

更換分頻點>更換OP>更換OP穩壓

dodo

請問要如何驗證組好的子板

就是我們所要的分頻點數值?

admin

我們會列出一張表,上面會有詳細的分頻點資訊,
懶的算的朋友可以直接參照上面的數值即可.

要自己算的話網路上有很多的資料,例如:
http://xaudio.metavert.com/

sevro168

版大你真是好棒棒呀，分析好，懂得真多。
另請教版大，大概這套件什時會完成？價位約多少？
還有各單體的分頻點的資料有沒什網站可查的到嗎？謝謝！