Πηνία, πυκνωτές, αντιστάσεις, φίλτρα και εν τέλει crossover | ΜΕΡΟΣ ΤΡΙΤΟ

Του Μιχάλη Μαρμαρά

Ξέρω σας υποσχέθηκα να μιλήσουμε για τα crossover και μέχρι να φτάσετε ως εδώ έχετε ήδη ξεχάσει (από τη φλυαρία μου) ότι στα Ελληνικά λέγονται “Δικτυώματα διαχωρισμού συχνοτήτων”.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΤΟ ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ ΕΔΩ
ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΤΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ ΕΔΩ

Ας αρχίσουμε με το όνομα στα αγγλικά:

Γιατί “crossover”; Η λέξη είναι …του δρόμου.

Ναι, ακριβώς απ’ τους δρόμους μας έρχεται: crossover στα αγγλικά σημαίνει διασταύρωση. Και τι συμβαίνει με ένα δρόμο όταν φτάνει σε μία διασταύρωση;

Η ροή της κίνησης στο δρόμο αυτόν μπορεί να διαμοιραστεί στους δρόμους με τους οποίους συναντιέται (διασταυρώνεται).

Έτσι λοιπόν αν μετά τη διασταύρωση έχουμε δύο δρόμους τότε η ροή των οχημάτων μπορεί να έχει διαμοιρασμό “δύο δρόμων”, αν μετά τη διασταύρωση έχουμε τρεις δρόμους, η ροή των οχημάτων μπορεί να έχει διαμοιρασμό “τριών δρόμων”, κ.ο.κ.

Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με τη μουσική:

Όταν το μουσικό σήμα εισέλθει από την είσοδο ενός crossover, διαμοιράζεται σε τόσους “δρόμους” όσες είναι οι έξοδοι του crossover. Και αν το κριτήριο για τον διαμοιρασμό της ροής της κίνησης στο δρόμο είναι η κατεύθυνση, στη μουσική είναι η συχνότητα.

Έτσι σε ένα crossover διαμοιράζουμε τον ήχο σε δύο, τρία ή και περισσότερα τμήματα με στόχο να ξεχωρίσουμε τους χαμηλότερης συχνότητας ήχους από εκείνους με υψηλότερη συχνότητα, επιλέγοντας 1 συγκεκριμένη συχνότητα για να κάνουμε το διαχωρισμό δύο δρόμων, ή 2 συχνότητες για να κάνουμε διαχωρισμό τριών δρόμων, κ.ο.κ.

Με αυτό τον τρόπο “κόβουμε” τη μουσική σε “κομμάτια” (με βάση τη συχνότητα) και στέλνουμε σε κάθε μεγάφωνο το κομμάτι εκείνο το οποίο θα μπορέσει να αναπα-ράγει ευκολότερα, καλύτερα, χωρίς παραμορφώσεις και ει δυνατόν στο ίδιο επίπεδο στάθμης με τα υπόλοιπα.

Ποιος είπε ότι είναι εύκολη η δουλειά ενός crossover;

Και πως το κάνουν αυτό τα crossover; Μα με τα φίλτρα συχνοτήτων, δηλαδή με τα πηνία, τους πυκνωτές και τις αντιστάσεις.

Τι νομίζετε, τζάμπα σας τα έγραφα και εσείς τα διαβάζατε όλα αυτά μέχρι τώρα; Όλα όσα έχουμε πει για τα μεμονωμένα εξαρτήματα (πηνία, πυκνωτές, αντιστάσεις) ισχύουν στο ακέραιο και για τα crossover, αλλά στο λίγο (έως πολύ) πιο περίπλοκο.

Βλέπετε ένα crossover αποτελεί τον συνδυασμό δύο ή περισσότερων φίλτρων που μπορεί να έχουν την ίδια ή διαφορετική συχνότητα αποκοπής, ίδια ή διαφορετική τάξη, την ίδια ή διαφορετική ευθυγράμμιση γύρω από τις συχνότητες αποκοπής.

Καλά μη τρομάζετε, δεν θα σας πάω στα πολύ βαθιά.

Θα μείνουμε σε αυτά που θα συναντήσετε στα περισσότερα ηχεία για το σπίτι ή το αυτοκίνητο, αφήνοντας τις εξεζητημένες (και πανάκριβες) σχεδιάσεις για τους λίγους εκείνους που μάλλον δεν έχουν ανάγκη να διαβάσουν αυτό το σημείωμα.

Πριν προχωρήσω να υπενθυμίσω κάτι που είχαμε πει στην αρχή και πιθανόν χρειάζεται να υπενθυμίσουμε: Τα όσα λέμε αναφέρονται στο κόσμο των παθητικών σχεδιάσεων, δηλαδή των σχεδιάσεων που δεν έχουν ανάγκη τροφοδοσίας με ρεύμα (άρα δεν χρειάζονται τροφοδοτικό) για να λειτουργήσουν.

Έτσι το μουσικό σήμα το οποίο φτάνει στους ακροδέκτες των ηχείων μας για να πάει στα μεγάφωνα τους μέσω των κρυμμένων στο εσωτερικό τους δικτυωμάτων διαχωρισμού συχνοτήτων, είναι ήδη ενισχυμένο (μερικές δεκάδες volt) και καθαρισμένο από παράσιτα και παρεμβολές σε σημείο που να μη μας απασχολούν αυτά εμάς και επίσης παίρνουμε σα δεδομένο ότι τα ηχεία στο σαλόνι μας είναι κοντά στον ενισχυτή μας, σε απόσταση (ας πούμε) που δεν ξεπερνά τα δύο μέτρα από τον ενισχυτή για το κάθε ηχείο και τα τρία μέτρα μεταξύ των ηχείων μας. Πάμε λοιπόν:

A) First Order High-pass CROSSOVER – Υψηλοπερατό δικτύωμα συχνοτικού διαχωρισμού πρώτης τάξης.

Εδώ πρόκειται για crossover ενός δρόμου, που αποτελείται από ένα μόνο φίλτρο συχνοτήτων το οποίο υλοποιείται με ένα πυκνωτή.

Ένα φίλτρο λοιπόν υψηλής διέλευσης έχουμε ήδη πει πως λειτουργεί αφήνοντας να περάσουν οι ήχοι που έχουν υψηλότερη συχνότητα προς το συνδεδεμένο ηχείο και εξασθενεί τους ήχους που έχουν χαμηλότερη συχνότητα, διότι όπως έχουμε εξηγήσει όσο χαμηλώνει η συχνότητα τόσο αυξάνει η σύνθετη (χωρητική) αντίσταση του πυκνωτή, μειώνοντας την ένταση του ρεύματος που διέρχεται με αποτέλεσμα τη συνεχή μείωση της τάσης εξόδου προς το ηχείο.

B) First Order Low-pass CROSSOVER – Χαμηλοπερατό δικτύωμα συχνοτικού διαχωρισμού πρώτης τάξης.

Εδώ πρόκειται για crossover ενός δρόμου, που αποτελείται από ένα μόνο φίλτρο συχνοτήτων το οποίο υλοποιείται με ένα πηνίο.

Ένα φίλτρο λοιπόν χαμηλής διέλευσης έχουμε ήδη πει πως λειτουργεί αφήνοντας να περάσουν οι χαμηλότερες συχνότητες στο συνδεδεμένο ηχείο και εξασθενεί τις υψηλότερες συχνότητες, διότι όπως έχουμε εξηγήσει όσο αυξάνει η συχνότητα τόσο αυξάνει η σύνθετη (επαγωγική) αντίσταση του πηνίου, μειώνοντας την ένταση του ρεύματος που διέρχεται με αποτέλεσμα τη συνεχή μείωση της τάσης εξόδου προς το ηχείο.

C) 2-way First Order CROSSOVER – Δύο δρόμων δικτύωμα διαχωρισμού συχνοτήτων πρώτης τάξης

Εδώ έχουμε ένα “πλήρες” crossover που αποτελείται από δύο φίλτρα, ένα υψηλοπερατό και ένα χαμηλοπερατό.

Αν και για τα δύο φίλτρα χρησιμοποιήσουμε την ίδια συχνότητα αποκοπής, τότε αυτή ονομάζεται συχνότητα διαχωρισμού ή συχνότητα cross ή Fc.

Αυτά τα crossover αποτελούνται από τουλάχιστον δύο στοιχεία, ένα πηνίο και ένα πυκνωτή, συχνά και με κάποια αντίσταση (τα παθητικά δίκτυα φίλτρων διασταύρωσης για μεγάφωνα πολλαπλών κατευθύνσεων απαιτούν γενικά τερματισμό με αντίσταση για βέλτιστη απόδοση), με μικρή μεν κλίση (μόνο 6dB/oct), έχουν όμως ευθυγράμμιση καμπύλης γύρω από τη συχνότητα διαχωρισμού, Butterworth με ομαλή αλλά και “πιο επίπεδη” απόκριση συχνότητας στην αποκοπή, και με μικρή μετατόπιση φάσης.

Στην συχνότητα διαχωρισμού έχουμε κέρδος στάθμης 3dB, κάτι που συνήθως αντιμετωπίζεται με μικρή μετατόπιση προς την αντίθετη κατεύθυνση της πραγματικής συχνότητας αποκοπής στο ένα ή και τα δύο φίλτρα, κάτι που εξαρτάται βέβαια και από τα επί μέρους χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων μεγαφώνων και από τον τύπο της καμπίνας του συγκεκριμένου ηχείου.

Πριν προχωρήσουμε παρακάτω να επισημάνουμε κάποια πράγματα:

Τα crossover έχουν τάξεις και κλάδους.

Οι κλάδοι (ή δρόμοι) καθορίζουν το σε πόσα κομμάτια θα “τεμαχίσουν” τον ήχο και η τάξη καθορίζει το πόσο απότομο θα είναι το κάθε τεμάχισμα (πόσο έντονο θα είναι το roll-off γύρω από τη συχνότητα διαχωρισμού).

Έτσι σε ένα crossover δύο δρόμων η συχνότητα διαχωρισμού που το χαρακτηρίζει, διαιρεί το ηχητικό φάσμα σε δύο τμήματα, ένα αυτό με τις υψηλότερες συχνότητες το οποίο το crossover κατευθύνει προς τη μονάδα αναπαραγωγής υψηλών συχνοτήτων (tweeter) και ένα με τις χαμηλότερες το οποίο το οδηγεί προς τη μονάδα αναπαραγωγής των χαμηλών συχνοτήτων (woofer).

Η τάξη του crossover (και άρα το απότομο της κλήσης αποκοπής) καθορίζεται από το πλήθος των στοιχείων που αποτελείται το κάθε ένα φίλτρο των δρόμων του (και όχι από το πλήθος των στοιχείων κάθε δρόμου -που είναι εν πολλοίς προκαθορισμένο- όπως εκ πρώτης όψεως θα νόμιζε κάποιος).

Ας το εξηγήσουμε:

Αν έχουμε ένα ηχείο δύο δρόμων, δύο μεγαφώνων, του οποίου το crossover, όπως μας πληροφορεί ο κατασκευαστής του είναι δεύτερης τάξης.

Τότε το crossover του ηχείου στην απλούστερή του μορφή θα αποτελείται από 4 στοιχεία μοιρασμένα στους δύο κλάδους:

Στον κλάδο (δρόμο) high pass, ένα πυκνωτή συνδεδεμένο σε σειρά στο κύκλωμα και ένα πηνίο μετά από αυτόν συνδεδεμένο παράλληλα, ενώ στον κλάδο low pass, ένα πηνίο συνδεδεμένο σε σειρά στο κύκλωμα και ένα πυκνωτή μετά από αυτό συνδεδεμένο παράλληλα (Σχήμα 1).

Αν έχουμε ένα ηχείο δύο δρόμων, τριών μεγαφώνων, του οποίου το crossover, όπως μας πληροφορεί ο κατασκευαστής του είναι δεύτερης τάξης. Τότε το crossover του ηχείου μπορεί:

Α] Να αποτελείται από 4 στοιχεία μοιρασμένα στους δύο κλάδους: Στον κλάδο (δρόμο) high pass, ένα πυκνωτή συνδεδεμένο σε σειρά στο κύκλωμα, που να καταλήγουν στο tweeter και ένα πηνίο μετά από αυτόν συνδεδεμένο παράλληλα, ενώ στον κλάδο (δρόμο) low pass, ένα πηνίο συνδεδεμένο σε σειρά στο κύκλωμα και ένα πυκνωτή μετά από αυτό συνδεδεμένο παράλληλα, που να καταλήγουν στο ζευγάρι των woofer (που εδώ θεωρούμε ότι είναι ίδια) τα οποία μπορεί να είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους είτε παράλληλα [οπότε μειώνεται η σύνθετη αντίσταση του σετ των 2 woofer στο μισό], είτε σε σειρά [οπότε η σύνθετη αντίσταση του σετ των 2 woofer διπλασιάζεται] (Σχήμα 2).

Β] Μπορεί όμως ο κλάδος του low pass να είναι διπλός με ξεχωριστά φίλτρα low pass για κάθε woofer, τα οποία μπορεί να είναι ακριβώς τα ίδια (δηλαδή να έχουν τις ίδιες αξίες το πηνίο και ο πυκνωτής κάθε ενός, L2=L3 & C2=C3), μπορεί όμως τα δύο αυτά φίλτρα να διαφέρουν ως προς το ότι επενεργούν σε διαφορετικές μεταξύ τους συχνότητες οπότε οι τιμές των υλικών που αποτελούνται θα είναι διαφορετικές [L2≠L3 & C2≠C3 Δείτε τα σχετικά διαγράμματα].

Αυτό μπορεί να συμβαίνει για διάφορους λόγους π.χ. το ένα woofer ακτινοβολεί στην πίσω πλευρά και πιθανόν και να είναι διαφορετικό απ’ το άλλο, κ.λπ. (Σχήμα 3).

Αν έχουμε όμως ένα ηχείο 3 δρόμων, 3 μεγαφώνων (tweeter, midrange, woofer), του οποίου το crossover, όπως μας πληροφορεί ο κατασκευαστής του είναι δεύτερης τάξης τότε, για τους κλάδους του tweeter και του woofer, ισχύουν ακριβώς όσα έχουμε πει παραπάνω στο ηχείο των δύο δρόμων, στον κλάδο όμως του midrange θα έχουμε τα διπλάσια στοιχεία (τέσσερα): ένα πηνίο σε σειρά & ένα πυκνωτή παράλληλα για τον δια-χωρισμό του από το tweeter ΚΑΙ ένα πυκνωτή σε σειρά & ένα πηνίο παράλληλα για τον διαχωρισμό του από το woofer.

Στην πραγματικότητα δηλαδή για το midrange χρησιμοποιούμε ζωνοπερατό φίλτρο, οπότε για τα 3 μεγάφωνα (tweeter, midrange, woofer) έχουμε με τη σειρά τη χρήση 3 φίλτρων: high-pass, Band-pass & low-pass με 8 συνολικά στοιχεία στο crossover και όχι 6.

Δεν θέλω να σας κουράσω περισσότερο γι’ αυτό ας κάνουμε ένα διάλειμμα για ανακεφαλαίωση.

Crossover μπορούμε να έχουμε (όπως ακριβώς και στα φίλτρα) πρώτης, δεύτερης, τρίτης και (σπανιότερα) τέταρτης τάξης ή και ανάμικτης τάξης αν για παράδειγμα ο ένας κλάδος είναι πρώτης και ο άλλος δεύτερης τάξης.

Crossover μπορούμε να έχουμε ενός, δύο, τριών, τεσσάρων ή και περισσότερων δρόμων, με την πλέον συνηθισμένη περίπτωση να είναι αυτή των δύο δρόμων, την οποία προτιμούν οι κατασκευαστές των ηχείων ακόμη και όταν χρησιμοποιούν περισσότερα του ενός woofer.

Δεν είναι λίγες οι περιπτώσεις που έχουμε υλοποιήσεις ηχείων με ένα tweeter και περισσότερα του ενός woofer (δύο ή τρία ή τέσσερα ή και περισσότερα) που όμως είναι υλοποιήσεις δύο δρόμων καθώς όλα τα woofer καλούνται να αναπαράγουν την ίδια ομάδα συχνοτήτων.

Αυτό γίνεται συνήθως για να ενισχυθεί η στάθμη αναπαραγωγής των χαμηλών συχνοτήτων από την αύξηση του εμβαδού των μονάδων των χαμηλών συχνοτήτων όταν ο κατασκευαστής έχει χρησιμοποιήσει μικρής διαμέτρου woofer που εκ κατασκευής έχουν χαμηλή ευαισθησία και έκταση στα μπάσα, αλλά ταχύτερη αντίδραση στις μεταβολές του σήματος.

Υπάρχει όμως και μία άλλη παραλλαγή που αφορά περισσότερο τα ηχεία και λιγότερο τα crossover, αλλά καλό νομίζω είναι να την αναφέρουμε διότι αλλάζει και το crossover: Πολλοί κατασκευαστές ενώ χρησιμοποιούν 3 μεγάφωνα (κατά κανόνα tweeter, midwoofer & woofer) δεν ονομάζουν τις υλοποιήσεις τους 3 δρόμων αλλά 2,5 δρόμων.

Γιατί; Διότι ειδικά για το μεσαίο μεγάφωνο δεν χρησιμοποιούν band-pass φίλτρα, αλλά low-pass, απλά αυτή η low-pass αποκοπή γίνεται σε υψηλότερη συχνότητα από την αντίστοιχη του woofer.

Μακρηγορήσαμε αλλά έχουμε αναφέρει τα σημαντικότερα που θα έπρεπε να αναφερθούν για να γίνει κατανοητό ποια είναι η μορφή των crossover, πως λειτουργούν, πως επηρεάζουν την απόδοση του ηχείου και πόσο σημαντικός είναι ο ρόλος τους στο ηχητικό αποτέλεσμα.

Θα κάνουμε όμως μια λίγο πιο αναλυτική αναφορά στα crossover δύο δρόμων, δεύτερης τάξης που αποτελούν τη συγκριτική πλειοψηφία των crossover που θα συναντήσει ο υποψήφιος αγοραστής ηχείων σπιτιού ή αυτοκινήτου στο τέταρτο και τελευταίο μέρος.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΤΟ ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ ΕΔΩ
ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΤΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ ΕΔΩ