基本介紹
- 中文名：分頻器
- 外文名：Dividers
- 法語名：Cloison
用途,原理,種類,被動式,主動式,正弦分頻器,脈衝分頻器,安裝方法,操作方法,技術參數,
用途
分頻器是音箱中的“大腦”，對音質的好壞至關重要。功放輸出的音樂訊號必須經過分頻器中的過濾波元件處理，讓各單元特定頻率的訊號通過。要科學、合理、嚴謹地設計好音箱之分頻器，才能有效地修飾喇叭單元的不同特性，最佳化組合，使得各單元揚長避短，淋漓盡致地發揮出各自應有的潛能，使各頻段的頻響變得平滑、聲像相位準確，才能使高、中、低音播放出來的音樂層次分明、合拍、明朗、舒適、寬廣、自然的音質效果。
原理
從電路結構來看，分頻器本質上是由電容器和電感線圈構成的LC濾波網路，高音通道是高通濾波器，它只讓高頻信號通過而阻止低頻信號；低音通道正好相反，它只讓低音通過而阻止高頻信號；中音通道則是一個帶通濾波器，除了一低一高兩個分頻點之間的頻率可以通過，高頻成份和低頻成份都將被阻止。在實際的分頻器中，有時為了平衡高、低音單元之間的靈敏度差異，還要加入衰減電阻；另外，有些分頻器中還加入了由電阻、電容構成的阻抗補償網路，其目的是使音箱的阻抗曲線心理平坦一些，以便於功放驅動。
分頻器原理
分頻器原理位於功率放大器之後，設定在音箱內，通過LC濾波網路，將功率放大器輸出的功率音頻信號分為低音，中音和高音，分別送至各自揚聲器。連線簡單，使用方便，但消耗功率，出現音頻谷點，產生交叉失真，它的參數與揚聲器阻抗有的直接關係，而揚聲器的阻抗又是頻率的函式，與標稱值偏離較大，因此誤差也較大，不利於調整。
將音頻弱信號進行分頻的設備，位於功率放大器前，分頻後再用各自獨立的功率放大器，把每一個音頻頻段信號給予放大，然後分別送到相應的揚聲器單元。因電流較小故可用較小功率的電子有源濾波器實現，調整較容易，減少功率損耗，及揚聲器單元之間的干擾。使得信號損失小，音質好。但此方式每路要用獨立的功率放大器，成本高，電路結構複雜，運用於專業擴聲系統。
種類
被動式
被動式分頻網路（Crossover Network），國內習慣稱為“分音器”，其設計受到相當多的變數與考量因素所影響，因而是一項很複雜的工作。
分頻器
分頻器被動式分音器“功能、用途”是介於擴大器與喇叭之間，由於單一喇叭無法達到“全頻段回響”（全頻段即是20HZ-20KHZ，為人耳聽覺範圍），因而利用喇叭單體尺寸不同的物理頻寬回響，來達到要求的“全頻段回響”之目的，也因此產生了多種尺寸單體運用在同一聲道上的方式。被動式分音器功能就是負責將擴大器全頻段輸出後，分割成不同頻段的聲音，分別送到不同尺寸喇叭單體上，表現其應有的特質。由此出現的多音路喇叭組合或稱為“分音喇叭”，從一音路喇叭到多音路喇叭均有其用途與多重之選擇。
被動分音器的元件組成：L/C/R，即L電感、C電容、R電阻，依照各元件對頻率分割的特性靈活運用在分頻網路上。
L電感：其特性是阻擋較高頻率，只讓較低的頻率通過，也就稱為“低通濾波器（Low Pass Filter）”。通過較低頻率的多少是由該“L電感”之電感量來決定，其感抗單位為“μH、mH”代表。電感材質常見有：空心電感、鐵淦氧電感、矽鋼片電感等。鐵淦氧電感、矽鋼片電感通常只在需要高電感值而無法由空心電感來獲得低直流電阻的場合下才使用，由於鐵心電感具有磁飽和而在大電流的場合造成失真的天性，所以鐵心電感是一種妥協下的產物。
C電容：其特性與電感剛好相反，也就是阻擋低頻率通過，讓較高的頻率通過，稱為“高通濾波器（High Pass Filter）”。高頻率通過多少由C電容的電容量決定。其單位為“μF”。電容材質種類繁多，但用於被動式分音器中則使用無極性電容。電容在被動式分音器中用於中音域及高音域材質上的考量必須慎重，因為與音質有絕對的相關性，選擇電容的材質通常由喇叭單體特性和電容損失因素、相位損失以及價格而決定。
輸入和輸出部分都清晰可見的套用分頻器
輸入和輸出部分都清晰可見的套用分頻器中高音域不超過30μF的電容可采較佳的材質。
R電阻：並無切割頻率的特性，而套用在被動式分音器中是與電感、電容混和搭配，針對特定的頻率點和頻帶來做修正、等化曲線、靈敏度增減的用途。
喇叭分音器可分為串聯式分音器、並聯式分音器兩種。並聯式分音器以絕對多數成為喇叭分音器最佳的選擇，其優點在於多音路系統中都可視為獨立的個體，而且任何一個元件的改變都可能影響到高通或低通的特性。
被動式分音器常用的斜率可分為4種：一階斜率6dB、二階斜率12dB、三階斜率18dB、四階斜率24dB。
主動式
又稱為主動式電子分音器。因為車內空間形體、喇叭安裝指向，在實務運用上有其無法變更的因素存在，所以由電子分音器靈活的特性可在各類段上之分頻點、相位、Q值變動幾時到最理想的頻段調整，來克服各種車內變數，以達到車內最佳聆聽環境之目的。
電子分音器是由低通、帶通、高通濾波器所組成。
主動式電子分音器裝置於車用主機與擴大器之間，電子分音器可由二音路到多音路型態，但是所分出來的每一音路訊號都不得必須經過一個擴大器，如果音路分得越多，擴大器也就相等增加。
優點
1、提高動態範圍
2、改善暫態表現能力
3、對超低音喇叭得到較佳與擴大器相容性和十足功率
4、喇叭單體間靈敏度不同的問題容易受到控制
5、擴大器工作在固定的頻帶上過截失真可降低許多
6、阻抗變化較低，可得到較佳的分類表現
正弦分頻器
正弦分頻器有兩種實現方法：利用頻率占據現象實現分頻的占據分頻器和利用正反饋原理實現分頻的再生分頻器。
占據分頻
也稱為牽引分頻或同步分頻。一個振盪頻率為fosc的正弦振盪器，在外加頻|<△fP率為fi的電動勢作用下，若|fi—fosc|<△fP，振盪器的振盪頻率能被牽引到fi上，使fosc=fi，這種現象稱為頻率占據。△fp稱為占據頻帶。若fi靠近振盪頻率fosc的N次諧波頻率，且它們的差值 |fi—Nfosc|處在占據頻帶內，則振盪器的振盪頻率就被牽引到fi/N上，產生出所需的分頻電壓。當外加電壓振幅一定時，占據頻帶的大小與分頻次數N有關。N越大，占據頻帶越小，即牽引越困難。因此，占據分頻器只能實現低次（N=2～3）分頻。
再生分頻
圖中所示的為反饋系統實現分頻的電路。若環路設計合理，則能維持圖中各點的頻率關係。環路的輸出信號頻率f0為輸入信號頻率fi的N次分頻值，即f0=fi/N。採用不同倍頻次數的倍頻器，就可實現不同次數的分頻。
圖1脈衝分頻器
利用漢穩態電路的計數功能實現分頻的電路，又稱為數字分頻器。在這種分頻器中，輸入信號脈衝為計數器的計數信號。若計數器的計數模為N，則從其進位輸出端可獲得N次分頻的脈衝信號。從各觸發器輸出端可獲得分頻比小於或等於N的脈衝信號。
改變計數器的計數模（即分頻比），在中規模集成計數器中，可通過不同反饋網路反饋到清零端或置數端等方法實現；在移位暫存器中，可通過反饋到串列輸入端的方法實現。
用單穩態觸發器也可實現分頻。例如，在時刻集成單穩態觸發器被輸入脈衝的下降沿觸發而產生寬度為tw的脈衝。若tw在範圍內（N-1）Ti ~(NTi-tR)範圍內（tR是單穩態觸發器的恢復時間），則輸出分頻比為N的脈衝信號。與此相類似，用輸入脈衝控制多諧振盪器，使它的狀態翻轉時刻與經過若干個周期的輸入脈衝相同步，就能輸出整數分頻比的脈衝信號。此類分頻器可以在不改變電路結構的情況下藉助定時元件參數的調整來改變分頻比，因而又稱為任意分頻器。
在集成分頻器中有程式分頻器和分數分頻器。前者的分頻比可通過預置碼進行程控：後者的每N個輸入脈衝中只有M個脈衝能輸出，因而實現分頻比為f0/fi=M/N的分數分頻（M，N均為正整數），但輸出脈衝往往不是等間隔的。
此外，在通用或專用的數位訊號處理器中用軟體也可實現分頻。
安裝方法
一般車用分頻器上面有8個端子。
分頻器標註的輸入英文是“INPUT”
接低音炮的端子是“WOOFER"
接低音的端子是“BASS”
接中音的端子是“MEDIAN”
接高音的端子是“TREBLE"
其中INPUT 兩個端子、WOOFER兩個端子、TREBLE有四個端子，一個是負極，三個是高音的增益提升及衰減接頭，分別為+3db，0db，-3db。
接法是：
主機進來的輸入信號接 INPUT
低音炮接 WOOFER
低音接 BASS
高音接 TREBLE
正極 看個人試聽的感覺，接+3db，0db，-3db。
操作方法
高保真的音箱多數都是由兩隻或兩隻以上的揚聲器單元構成,要高質量的還原20Hz~20kHz全頻段的音頻信號,必須藉助優質分頻器的協助.由於各自音箱的揚聲器單元不同,分頻器也就不能簡單的代用,必須按照具體揚聲器單元的特性進行製作.總結出一套較為完善的設計、製作、調試方法,只要求製作者備有一張內含20Hz~20kHz純音頻測試信號的《雨果金碟》、一個話筒信號放大電路、一隻話筒和一塊數字萬用表,而不需要專門的測試儀器.
業餘製作音箱,建議選擇兩分頻的方式。
一、分頻點頻率f的選擇
兩分頻音箱的分頻點，可以在2~5kHz之間進行最佳化選擇。一般把分頻點頻率f選在低音單元自上限起一個倍頻程以下，高音單元自下限起一個倍頻程以上的範圍內。
二、分頻器與功率的分配
構成音箱的高、低音單元,各自的標稱功率是不一樣的，而在實際節目信號的功率譜中，高頻、低頻信號的比例也是不一樣的，因此將各種信號統計平均後，就得到了圖1所示的模擬信號功率譜.將圖1的功率譜進行計算，就得到了圖2所示的功率分配曲線.在選擇分頻點時，一定要考慮功率的分配問題,使高音單元留有一定的餘量。圖2表示20Hz~20kHz的總功率規一化為100%，把20Hz至某頻率f所占功率為總功率的百分數，套用舉例如下。
如分頻點為2?5kHz的二分頻系統，由圖2的橫座標2?5kHz到曲線相交，從縱座標讀出百分數，則20Hz~2.5kHz的功率比例為87%，2?5kHz~20kHz的功率比例為13%。當總功率為100W時，則低音功率W低=100×87%=87W，高音功率W高=100×13%=13W。
使用上面的功率分配關係時，還請注意揚聲器單元的功率標準。一般產品標註是額定最大正弦功率(RMS)，而有的製造廠為了商業目的，,標註峰值功率或稱為音樂功率，但數值一般卻是RMS功率的2~4倍。
三、分頻方式的選擇
分頻方式雖然有6dB/oct型、18dB/oct型、3dB降落點交叉型及12dB/oct型、6dB降落點交叉型等數種，但綜合考慮它們的優缺點，建議使用12dB/oct型。
四、分頻網路
設計分頻網路時，如把負載單元加入RC阻抗補償電路，作為恆阻抗進行設計，這樣當然是最好，但筆者查閱大量書刊資料後，發現RC阻抗補償電路的計算方法有多種,而得出的RC值也不相同，讓人不易選擇，只好按頻點電阻法來進行設計。
首先，用圖3所示電路連線，測出高、低音單元在分頻點處的阻值(注意不要用單元標稱阻抗代替，否則誤差會很大，然後進行右上表中的計算和按圖將LC元件連線,即告初步製作完成。高、低音單元的靈敏度不平衡，可用電阻衰減調節(1997年《電子報》第15期有專門文章介紹)，製作時建議使用優質聚丙烯電容，最佳化設計空芯電感，將元件用熱熔膠固定在印製板上，電感可用棉線或塑膠扎扣帶加強固定，用搭棚焊的方法連線，做成高、低音通道各自獨立的分線分音方式。
五、調試方法
根據聲壓級平方反比定律,點聲源在自由空間中,距離增加一倍,聲壓級衰減6dB.利用這一定律,就可以進行下面的實際操作.
把音箱體和揚聲器單元裝好,不接分頻器,用《雨果金碟》測試信號,按正常的放音方式,用固定音量2~3W,重複播放分頻點處頻率f,用圖4自製的簡易聲壓測試儀,在2m處測試聲壓,調節話筒音量電位器使數字萬用表讀數,為一容易記憶的整數,記下備用.然後,接入分頻器低通網路,將聲壓計放在1m處,測試讀數與上次應相同,否則,按讀數大(小)增大(減小)電容量,直到讀數相同(這時分頻點頻率f衰減6dB).然後,將信號重新直接輸入低音單元,將測試信號調節成高於分頻點頻率f的倍頻程信號,用聲壓計在4m處測試聲壓,記下讀數備用.最後,接入分頻器低通網路,將聲壓計放在1m處,讀數與上次相同,否則,稍加微調(這時倍頻程頻率f衰減12dB),這樣,低音網路就調試完畢.高音網路重複以上操作步驟,調節電感,注意第二步輸入低於分頻點頻率f的倍頻程信號.這樣,一套高質量的分頻器就製作和調試完成.
技術參數
一般來說，分頻器包括三個基本參數。
第一個，就是分頻器的分頻點，這個應該不用多說。
第二個，就是所謂分頻器的“路”，也就是分頻器可以將輸入的原始信號分成幾個不同頻段的信號，我們通常說的二分頻、三分頻，就是分頻器的“路”。
第三個，就是分頻器的“階”，也稱“類”。
一個無源分頻器，本質上就是幾個高通和低通濾波電路的複合體，而這些濾波電路的數量，就是上面所說的“路”。但是在每一個濾波電路中，還有更精細的設計，換句話說，在每一個濾波電路中，都可以分別經過多次濾波，這個濾波的次數，就是分頻器的“階”。
分頻器
分頻器一階分頻器也是感容分頻的結構，而二階分頻器中的每一路都經過了兩次濾波，這個“兩次濾波”才是“二階”的真正含義！
實際上，“二階分頻器”這樣的說法也並不規範，因為“階”並非是針對整個分頻器的，而是針對其中的某一“路”的，所以嚴格的說法應該是“雙路分頻器，高低頻皆採用二階濾波”，因為雖然並不多見，但高頻採用二階濾波而低頻採用一階濾波這樣的設計也是有的。
除了一階分頻和二階分頻外，無源分頻器還有三階、四階乃至六階分頻。採用高階分頻的好處在於其濾波衰減斜率更大，分頻效果更好，而且也有利於設計分頻補償電路（因為並不是“分”得越徹底越乾淨的分頻器就是好分頻器，理論上說，分頻後的兩個信號曲線在疊加之後，與原曲線完全一致，這才是真正的好分頻器），但高階分頻的功率損失大，特別是相位影響大，設計不好聲音就會亂了套。所以不是越高階的分頻就越好。
