6、无源分频器的设计
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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。
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。
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17W20W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。
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。
测试方法
• • • • • • • • 1、测试话筒位于音箱前1米，对准音箱高低音单元结合部中心。 2、打开SIA软件，进入“转换”测量模式。 3、点击信号发生器 4、选择粉红噪声信号 5、按Auto Sm测量时间 6、按insert delay把测的的时间数据插入测试系统 7、按下phase相位曲线测量 8、按ON开始测量相位曲线及频响曲线
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。
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（μ F） 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） =10μ F 电感量计算 L=（8*1000）/（2*3.14*2000） =0.64mH
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。
一阶分频电容电感量
分频频率（8欧姆） Hz 1000 1200 1500 1800 2000 2200 2500 2800 3000 注意： 电容量 μF 20 16.7 13.3 11 10 9 8 7.2 6.8 16欧姆减半 4欧姆加倍 电感量 mH 1.3 1.0 0.85 0.7 0.64 0.58 0.5 0.45 0.42 16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：ButterWorth Q=0.707 Bessel Q=0.6 Linky-Raily Q=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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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。
衰减网络阻值计算
衰减量（dB) K值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1.12 1.26 1.41 1.58 1.78 2.0 2.24 2.52 2.82 3.16 R1算法 8*0.11 8*0.21 8*0.29 8*0.37 8*0.44 8*0.5 8*0.55 8*0.6 8*0.65 8*0.68 R2算法 8/0.12 8/0.26 8/0.41 8/0.58 8/0.78 8/1 8/1.24 8/1.52 8/1.82 8/2.16 R1阻值 0.88 1.68 2.32 2.96 3.52 4 4.4 4.8 5.2 5.44 R2阻值 67 31 20 14 10 8 6.5 5.3 4.4 3.7
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。
二阶分频电容电感量
分频频率（8欧姆） Hz 1000 1200 1500 1800 2000 2200 2500 2800 3000 注意： 电容量 μF 14 11.6 9.3 7.7 7 6.3 5.6 5 4.7 16欧姆减半 4欧姆加倍 电感量 mH 1.8 1.5 1.2 1.0 0.9 0.8 0.7 0.64 0.6 16欧姆加倍 4欧姆减半
• 在主要的频率范围之内，相位曲线要连贯，如果不连贯，通过 调整单元极性，让相位曲线尽可能连贯。
2800
3000
0.23
0.21 16欧姆加倍
0.35
0.32 4欧姆减半
9.5
8.8 4欧姆加倍
4.7
4.4 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/K R2=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。
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。
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250V400V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。
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 频谱或频响曲线，试听，选择曲线较为平坦的接线方式。
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。
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。
三阶分频电容电感量
分频频率 Hz 1000 1200 1500 1800 2000 2200 2500 L1 mH 0.64 0.53 0.42 0.35 0.32 0.29 0.25 L2 mH 0.96 0.8 0.63 0.53 0.48 0.44 0.38 C1 μF 26.5 22 17.7 15 13 12 10.6 C2 μF 13.3 11 8.8 7.5 6.5 6 5.4
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÷3 • PTC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。
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。
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。
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17W20W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。
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。
测试方法
• • • • • • • • 1、测试话筒位于音箱前1米，对准音箱高低音单元结合部中心。 2、打开SIA软件，进入“转换”测量模式。 3、点击信号发生器 4、选择粉红噪声信号 5、按Auto Sm测量时间 6、按insert delay把测的的时间数据插入测试系统 7、按下phase相位曲线测量 8、按ON开始测量相位曲线及频响曲线
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。
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（μ F） 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） =10μ F 电感量计算 L=（8*1000）/（2*3.14*2000） =0.64mH
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。
一阶分频电容电感量
分频频率（8欧姆） Hz 1000 1200 1500 1800 2000 2200 2500 2800 3000 注意： 电容量 μF 20 16.7 13.3 11 10 9 8 7.2 6.8 16欧姆减半 4欧姆加倍 电感量 mH 1.3 1.0 0.85 0.7 0.64 0.58 0.5 0.45 0.42 16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：ButterWorth Q=0.707 Bessel Q=0.6 Linky-Raily Q=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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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。
衰减网络阻值计算
衰减量（dB) K值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1.12 1.26 1.41 1.58 1.78 2.0 2.24 2.52 2.82 3.16 R1算法 8*0.11 8*0.21 8*0.29 8*0.37 8*0.44 8*0.5 8*0.55 8*0.6 8*0.65 8*0.68 R2算法 8/0.12 8/0.26 8/0.41 8/0.58 8/0.78 8/1 8/1.24 8/1.52 8/1.82 8/2.16 R1阻值 0.88 1.68 2.32 2.96 3.52 4 4.4 4.8 5.2 5.44 R2阻值 67 31 20 14 10 8 6.5 5.3 4.4 3.7
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。
二阶分频电容电感量
分频频率（8欧姆） Hz 1000 1200 1500 1800 2000 2200 2500 2800 3000 注意： 电容量 μF 14 11.6 9.3 7.7 7 6.3 5.6 5 4.7 16欧姆减半 4欧姆加倍 电感量 mH 1.8 1.5 1.2 1.0 0.9 0.8 0.7 0.64 0.6 16欧姆加倍 4欧姆减半
• 在主要的频率范围之内，相位曲线要连贯，如果不连贯，通过 调整单元极性，让相位曲线尽可能连贯。
2800
3000
0.23
0.21 16欧姆加倍
0.35
0.32 4欧姆减半
9.5
8.8 4欧姆加倍
4.7
4.4 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/K R2=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。
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。
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250V400V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。
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 频谱或频响曲线，试听，选择曲线较为平坦的接线方式。
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。
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。
三阶分频电容电感量
分频频率 Hz 1000 1200 1500 1800 2000 2200 2500 L1 mH 0.64 0.53 0.42 0.35 0.32 0.29 0.25 L2 mH 0.96 0.8 0.63 0.53 0.48 0.44 0.38 C1 μF 26.5 22 17.7 15 13 12 10.6 C2 μF 13.3 11 8.8 7.5 6.5 6 5.4
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÷3 • PTC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。