无源分频器的设计

无源分频器的设计概述选定合适的分频频率后，需要通过分频器来实现频段的分割与衔接。一般的全频音箱都采用内置的无源分频器进行分频。无源分频器主要采用电感和电容器元件，利用其不同的特性形成高通及低通滤波器完成对频段的分割。电感的特性-低通滤波器电感的特性：电感线圈对于频率较低的信号允许其通过而阻止较高频率的信号通过。电感线圈串接在信号通道里，形成低通滤波器。通过改变电感线圈的电感量，可以选择允许通过的信号频段。电感的类型对低音效果的影响较大，分频器常用的电感有空心电感和铁芯电感。铁芯电感成本较低，但大功率状态下容易产生磁饱和导致低频音质变差。空心电感没有铁芯，要获得足够的电感量需要更多的匝数，使用的铜线较长，容易导致电感自身直流电阻变高，损耗功率并降低阻尼系数，若要降低电阻，需要采用较粗的线径，导致成本高。电容的特性-高通滤波器电容的特性：电容器对于频率较高的信号允许其通过而阻止较低频率的信号通过。将电容器串接在信号通道里，则形成高通滤波器。通过选择不同的电容量，可以选择让不同频段的信号通过。分频器要使用无极性电容实际应用中，电容器的要使用耐压250V-400V的，以免在大功率状态下电容被击穿导致单元无声或损坏。电容量的误差率有10%和5%，越小好，但误差越小，价钱越高。无源分频器的种类无源分频器按阶数分一阶、二阶、三阶、四阶等几种。阶数越高，分频斜率越高，分频越干净。但阶数越高，相位失真越大，容易让人感觉声音“怪”。设计分频器，如果单元特性较好，尽量使用低阶分频器。在专业扩声产品上一般常用的为二阶或三阶分频器。根据音箱的单元配置情况，无源分频器一般分二分频和三分频两种。分频器的Q值分频器按滤波器的Q值划分，常用的有linky-Raliy、ButterWorth和Bessel三种。ButterWorth的Q值最高，约为0.707,linky-Raliy最低，Q值约为0.5，Bessel的Q值约为0.6。Q值越高，分频曲线形成的交叉区凹陷宽度越窄，反之越宽。ButterWorth和Bessel分频曲线在分频频率上的衰减量为-3分贝，linky-Raliy分频曲线在分频频率上的衰减量为-6分贝。一阶二分频器分频电路如图电容量和电感量的计算电容量C=1000000/(2π*f*Z)单位：微法（μF）电感量L=（Z*1000）/(2π*f)单位：毫亨（mH)其中f为分频频率值，Z为单元阻抗值，π为圆周率数值3.14。如单元阻抗8Ω，分频频率2000Hz,分频电容电容量计算：C=1000000/（2*3.14*2000*8）=10μF电感量计算L=（8*1000）/（2*3.14*2000）=0.64mH一阶分频电容电感量分频频率（8欧姆）Hz电容量

μF电感量mH1000201.3120016.71.0150013.30.851800110.72000100.64220090.58250080.528007.20.453000注意：6.816欧姆减半4欧姆加倍0.4216欧姆加倍

4欧姆减半二阶二分频器分频电路如图电容及电感量计算C=Q*1000000/(2π*f*Z)

L=Z*1000/(2π*Q*f）Q值在0.5-1.0之间选择其中：ButterWorthQ=0.707BesselQ=0.6Linky-RailyQ=0.5采用ButterWorth，Q值较高，可以降低使用电容和电感的容量和电感量，降低成本。二阶分频电容电感量分频频率（8欧姆）Hz电容量

μF电感量mH1000141.8120011.61.515009.31.218007.71.0200070.922006.30.825005.60.7280050.643000注意：4.716欧姆减半4欧姆加倍0.616欧姆加倍

4欧姆减半二阶三分频器分频电路如图电容电感量计算C1=Q*1000000/(2π*f1*Z1)C2=Q*1000000/(2π*f1*Z2)C3=Q*1000000/(2π*f2*Z2)

C4=Q*1000000/(2π*f2*Z3)

L1=Z1*1000/(2π*Q*f1）L2=Z2*1000/(2π*Q*f1）L3=Z2*1000/(2π*Q*f2）L4=Z3*1000/(2π*Q*f2）其中f1为低频与中频的分频频率，f2为中频和高频的分频频率。Z1为低音单元阻抗，Z2为中音单元阻抗，Z3为高音单元阻抗。三阶二分频器分频电路如图电容量电感量计算：L1=Z*1000/(4π*f）L2=(3*Z)*1000/(8π*f)C1=2*1000000/(3π*f*Z)C2=1*1000000/(3π*f*Z)其中3C2为该电容的电容量是C2电容量的3倍3L1为该电感的电感量是L1电感量的3倍。三阶分频电容电感量分频频率HzL1mHL2mHC1μFC2μF10000.640.9626.513.312000.530.8221115000.420.6317.78.818000.350.53157.520000.320.48136.522000.290.4412625000.250.3810.65.428000.230.359.54.730000.210.328.84.416欧姆加倍4欧姆减半4欧姆加倍16欧姆减半衰减网络现实中高音单元的声压级往往会高于低音单元。为了让高音和低音单元的声压级协调，需要对高音做衰减处理。常用的衰减网络为L型电阻衰减网络。衰减网络使用的电阻与衰减量的计算方法：R1=(K-1)*Z/KR2=Z/(K-1)Z为单元阻抗值K=10的G/20次方G为需要衰减的分贝数值例：如需要衰减3分贝，单元阻抗8欧姆。则K=10的0.15次方=1.41,计算得出：R1=2.32Ω,R2=20Ω使用金属电阻的效果优于水泥电阻，但成本较高。衰减网络阻值计算衰减量（dB)K值R1算法R2算法R1阻值R2阻值11.128*0.118/0.120.886721.268*0.218/0.261.683131.418*0.298/0.412.322041.588*0.378/0.582.961451.788*0.448/0.783.521062.08*0.58/14872.248*0.558/1.244.46.582.528*0.68/1.524.85.392.828*0.658/1.825.24.4103.168*0.688/2.165.443.7调整分频器交叉衰减量常用的ButterWorth分频器在分频频率上的信号衰减量是-3dB，有时，为了一些要求（比如感觉中频过强，需要衰减），可以将分频点上的衰减量调整为-6dB。此时要将低通滤波器的分频频率降低1.3倍左右，把高通滤波器的分频频率提高1.3倍左右。针对低通滤波器（低音通道）上的电容量和电感量在原计算基础上增大1.3倍，而把高通滤波器（高音通道）上的电容和电感量减小1.3倍。高音保护电路概述音箱中的高音单元因自身功率小，振膜轻薄、脆弱的原因，在输入功率过大时，相对于低音单元容易导致损坏。针对一些操作人员控制能力不高的应用场合，为保证音箱中高音单元不容易损坏，可以在分频器电路上增加高音保护装置。常用的高音保护装置一般有采用利用灯泡分流或PTC自恢复保险元件分流保护等措施。注意：因灯泡或PTC元件点亮或断开均需要一定的时间，无论用什么保护方式，对于瞬间出现的大信号均无法启动保护。灯泡保护灯泡一般采用24V50W的汽车灯泡或照明用的碘钨灯泡。电阻阻值=单元阻抗值的1-3倍电阻功率=灯泡功率值/3例如，单元阻抗8欧，灯泡功率50W，电阻则选择8-24欧姆17W-20W的规格。用灯泡与分流电阻并联的方式，在保护期间声音不会中断。但这种方式由于在保护时灯泡点亮，容易给人不适感。PTC保护保护装置的电阻值=单元阻抗值1-3倍，电阻功率=单元功率÷3PTC元件根据单元的功率和阻抗计算出电流值，选择对应电流的品种。如：高音单元功率为30瓦，阻抗8欧，满载时电流=根号下（功率/阻抗）=1.9A，那么可以选择保护电流电流为1.8-2A的PTC自恢复保险。注意：采用PTC的方式，在其启动时，高音的音量会逐渐减弱，并要经过一段恢复时间待PTC元件恢复导通，单元才会正常发声。如直接串接PTC元件不加分流电阻保护，可能会出现启动保护时无声的现象。实操进行单元测试根据单元频响范围测试得到的结果，确认衔接区在衔接区的频率范围内，使用电子分频器寻找最佳分频点。按照选定的分频频率，使用二阶分频器butterworth形式计算电容量和电感量，搭建一个分频器电路。根据试听感觉和测试结果计算并设置衰减电路。用SIA测量分频器特性。连接分频器，测量音箱频响曲线和相位曲线并试听。选择一个合适的分频器在高音和低音通道上，可以使用同阶分频电路也可以使用不同阶的分频电路。建议首先使用同阶分频电路，常用的是二阶分频电路。使用同阶分频电路，单元之间的相位干扰比较好控制，而采用不同阶的分频电路，如果有相位干扰，相对比较难控制。当然，事情都不是绝对的，在掌握分频器的电路原理之后，可以尝试不同的方式，以达到最佳效果为最终目的。本课程使用最常用的二阶分频器教学。制作分频器根据选定的分频频率搭建一个分频器

例如：确定分频频率为2000赫兹，使用2阶分频。分频器电路如图：测试分频器制作好分频器在使用之前首先进行测试。测试方法:分频器加上假负载。分频器低音输出接声卡IN1，高音输出接声卡IN2，声卡输出OUT1接功放输入，功放输出接分频器输入。进入SIA频谱测量模式，选择粉红噪声信号。开始测量，频谱显示的两个滤波器的交叉点即为分频频率。注意：分频器输出接声卡输入端要串接一个1000欧姆电阻，以防输出电压过高损坏声卡。测量准确后，将分频器与喇叭相连接。相位及频响曲线测量有时因为音箱结构或高音号角的原因，高音和低音单元之间可能存在相位差异，可以通过改变高音单元的极性调整。并利用SIA软件进行相位曲线测量，调整高音单元正接或反接，使整个音箱的相位曲线连贯不要出现跳转。同时用SIA测试整个音箱的频谱或频响