كروس صوتي
تعد أجهزة التقاطع الصوتية نوعًا من دوائر التصفية الإلكترونية التي تقسم إشارة الصوت إلى نطاقين تردديين أو أكثر، بحيث يمكن إرسال الإشارات إلى برامج تشغيل مكبر الصوت المصممة للعمل ضمن نطاقات تردد مختلفة. يمكن أن تكون مرشحات التقاطع نشطة أو سلبية . [1] غالبًا ما يتم وصفها بأنها ثنائية الاتجاه أو ثلاثية الاتجاه ، مما يشير، على التوالي، إلى أن جهاز التقاطع يقسم إشارة معينة إلى نطاقين تردديين أو ثلاثة نطاقات ترددية. [2] تُستخدم أجهزة التقاطع في خزانات مكبرات الصوت ومكبرات الطاقة في الإلكترونيات الاستهلاكية ( أجهزة الصوت عالية الدقة وصوت السينما المنزلية وصوت السيارة ) ومنتجات مكبرات الصوت الاحترافية والآلات الموسيقية. بالنسبة للسوقين الأخيرين، تُستخدم أجهزة التقاطع في مكبرات الصوت الجهير ومكبرات لوحة المفاتيح وعلب مكبرات الصوت الجهير ولوحة المفاتيح ومعدات نظام تعزيز الصوت (مكبرات الصوت PA ومكبرات الصوت للشاشات وأنظمة مكبرات الصوت الفرعية وما إلى ذلك).
تُستخدم أجهزة التقاطع لأن معظم برامج تشغيل مكبرات الصوت الفردية غير قادرة على تغطية طيف الصوت بالكامل من الترددات المنخفضة إلى الترددات العالية بحجم نسبي مقبول وغياب التشويه . تستخدم معظم أنظمة مكبرات الصوت عالية الدقة وخزائن مكبرات الصوت لنظام تعزيز الصوت مجموعة من برامج تشغيل مكبرات الصوت المتعددة، كل منها يلبي نطاق تردد مختلف . يوجد مثال بسيط قياسي في خزائن أنظمة الصوت عالية الدقة ونظام مكبر الصوت العام التي تحتوي على مكبر صوت للترددات المنخفضة والمتوسطة ومكبر صوت عالي التردد للترددات العالية. نظرًا لأن مصدر إشارة الصوت، سواء كان موسيقى مسجلة من مشغل أقراص مضغوطة أو مزيج فرقة حية من وحدة تحكم صوتية ، يحتوي على جميع الترددات المنخفضة والمتوسطة والعالية مجتمعة، يتم استخدام دائرة التقاطع لتقسيم إشارة الصوت إلى نطاقات تردد منفصلة يمكن توجيهها بشكل منفصل إلى مكبرات الصوت أو مكبرات الصوت عالية التردد أو الأبواق المُحسَّنة لتلك النطاقات الترددية.
ربما تكون أجهزة التقاطع السلبية [3] هي النوع الأكثر شيوعًا من أجهزة التقاطع الصوتية. وهي تستخدم شبكة من المكونات الكهربائية السلبية (مثل المكثفات والمحثات والمقاومات) لتقسيم إشارة مكبرة قادمة من مكبر طاقة واحد بحيث يمكن إرسالها إلى اثنين أو أكثر من برامج تشغيل مكبر الصوت (مثل مكبر الصوت المنخفض التردد ومكبر الصوت الفرعي منخفض التردد للغاية ، أو مكبر الصوت المنخفض التردد ومكبر الصوت عالي التردد ، أو مزيج مكبر الصوت المنخفض التردد ومكبر الصوت عالي التردد).
تتميز أجهزة التقاطع النشطة عن أجهزة التقاطع السلبية في أنها تقسم إشارة صوتية قبل مرحلة تضخيم الطاقة بحيث يمكن إرسالها إلى اثنين أو أكثر من مكبرات الطاقة، كل منها متصل بمحرك مكبر صوت منفصل. [4] [2] تستخدم أنظمة الصوت المحيطي 5.1 للسينما المنزلية جهاز تقاطع يفصل الإشارة ذات التردد المنخفض للغاية، بحيث يمكن إرسالها إلى مكبر صوت فرعي ، ثم إرسال الترددات المنخفضة والمتوسطة والعالية المتبقية إلى خمسة مكبرات صوت موضوعة حول المستمع. في تطبيق نموذجي، يتم تقسيم الإشارات المرسلة إلى خزائن مكبرات الصوت المحيطة باستخدام جهاز تقاطع سلبي إلى مكبر صوت منخفض/متوسط المدى ومكبر صوت عالي المدى. تأتي أجهزة التقاطع النشطة في كل من الأنواع الرقمية والتناظرية.
غالبًا ما تتضمن عمليات التقاطع النشطة الرقمية معالجة إضافية للإشارة، مثل التحديد والتأخير والمعادلة. تسمح عمليات التقاطع للإشارة بتقسيم إشارة الصوت إلى نطاقات تتم معالجتها بشكل منفصل قبل خلطها معًا مرة أخرى. بعض الأمثلة هي الضغط متعدد النطاقات ، والتحديد ، وإزالة الهمس ، والتشويه متعدد النطاقات ، وتعزيز الجهير، ومثيرات التردد العالي، وتقليل الضوضاء مثل تقليل الضوضاء Dolby A.
ملخص
إن تعريف التقاطع الصوتي المثالي يتغير بالنسبة للمهمة وتطبيق الصوت في متناول اليد. إذا كان من المقرر إعادة خلط النطاقات المنفصلة معًا مرة أخرى (كما هو الحال في المعالجة متعددة النطاقات)، فإن التقاطع الصوتي المثالي سيقسم إشارة الصوت الواردة إلى نطاقات منفصلة لا تتداخل أو تتفاعل وتؤدي إلى إشارة خرج لا تتغير في التردد والمستويات النسبية واستجابة الطور . لا يمكن تقريب هذا الأداء المثالي إلا. إن كيفية تنفيذ أفضل تقريب هي مسألة نقاش حيوي. من ناحية أخرى، إذا كان التقاطع الصوتي يفصل نطاقات الصوت في مكبر الصوت، فلا يوجد متطلب لخصائص مثالية رياضيًا داخل التقاطع نفسه، حيث أن استجابة التردد والطور لمشغلات مكبر الصوت داخل حواملها ستحجب النتائج. إن الناتج المرضي للنظام الكامل الذي يشتمل على التقاطع الصوتي ومشغلات مكبر الصوت في حاوية (حاويات) الخاصة بهم هو هدف التصميم. غالبًا ما يتم تحقيق مثل هذا الهدف باستخدام خصائص مرشح التقاطع غير المثالية وغير المتماثلة. [5]
يتم استخدام العديد من أنواع التقاطع المختلفة في الصوت، ولكنها تنتمي عمومًا إلى إحدى الفئات التالية.
تصنيف
التصنيف على أساس عدد أقسام الفلتر
غالبًا ما يتم تصنيف مكبرات الصوت على أنها "N-way"، حيث N هو عدد السائقين في النظام. على سبيل المثال، مكبر الصوت الذي يحتوي على مكبر صوت منخفض التردد ومكبر صوت عالي التردد هو نظام مكبر صوت ثنائي الاتجاه. عادةً ما يحتوي مكبر الصوت N-way على تقاطع N-way لتقسيم الإشارة بين السائقين. يتكون التقاطع ثنائي الاتجاه من مرشح تمرير منخفض ومرشح تمرير عالي . يتم إنشاء التقاطع ثلاثي الاتجاهات كمزيج من مرشحات التمرير المنخفض والنطاق الترددي والتمرير العالي ( LPF وBPF وHPF على التوالي). قسم BPF هو بدوره مزيج من أقسام HPF وLPF. لا تعد عمليات التقاطع ذات 4 (أو أكثر) طرق شائعة جدًا في تصميم مكبر الصوت، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى التعقيد المتضمن، والذي لا يبرره عمومًا الأداء الصوتي الأفضل.
قد يكون هناك قسم HPF إضافي في مكبر صوت "N-way" لحماية مكبر الصوت ذي التردد الأدنى من الترددات التي لا يمكنه التعامل معها بأمان. سيكون لمثل هذا المكبر بعد ذلك مرشح نطاق ترددي لمكبر الصوت ذي التردد الأدنى. وبالمثل، قد يكون لمكبر الصوت ذي التردد الأعلى قسم LPF وقائي لمنع تلف الترددات العالية، على الرغم من أن هذا أقل شيوعًا.
في الآونة الأخيرة، بدأ عدد من المصنعين في استخدام ما يسمى غالبًا بتقنيات "N.5-way" لتقاطعات مكبرات الصوت الاستريو. يشير هذا عادةً إلى إضافة مكبر صوت ثانٍ يلعب نفس نطاق الجهير مثل مكبر الصوت الرئيسي ولكنه ينخفض قبل مكبر الصوت الرئيسي بوقت طويل.
ملاحظة: لا ينبغي الخلط بين أقسام الفلتر المذكورة هنا وأقسام الفلتر الفردية ثنائية القطب التي يتكون منها الفلتر ذو الدرجة الأعلى.
التصنيف على أساس المكونات
يمكن أيضًا تصنيف عمليات الانتقال بناءً على نوع المكونات المستخدمة.
سلبي
يقوم التقاطع السلبي بتقسيم إشارة صوتية بعد تضخيمها بواسطة مضخم طاقة واحد ، بحيث يمكن إرسال الإشارة المكبرة إلى نوعين أو أكثر من أنواع السائقين، كل منها يغطي نطاقات تردد مختلفة. تتكون هذه التقاطعات بالكامل من مكونات ودوائر سلبية؛ ويعني مصطلح "سلبي" عدم الحاجة إلى مصدر طاقة إضافي للدوائر. يحتاج التقاطع السلبي فقط إلى التوصيل عن طريق الأسلاك بإشارة مضخم الطاقة. يتم ترتيب التقاطعات السلبية عادةً في طوبولوجيا Cauer لتحقيق تأثير مرشح Butterworth . تستخدم المرشحات السلبية المقاومات المدمجة مع المكونات التفاعلية مثل المكثفات والمحثات . من المرجح أن تكون التقاطعات السلبية عالية الأداء أكثر تكلفة من التقاطع النشط نظرًا لأن المكونات الفردية القادرة على الأداء الجيد عند التيارات والجهد العاليين التي تعمل بها أنظمة مكبرات الصوت يصعب صنعها.
قد تستخدم منتجات الإلكترونيات الاستهلاكية غير المكلفة ، مثل حزم المسرح المنزلي ذات الأسعار المعقولة في صندوق وصناديق الازدهار منخفضة التكلفة ، كروس أوفر سلبية منخفضة الجودة، وغالبًا ما تستخدم شبكات مرشح منخفضة الترتيب مع مكونات أقل. قد تستخدم أنظمة مكبرات الصوت وأجهزة الاستقبال عالية الدقة باهظة الثمن كروس أوفر سلبية عالية الجودة، للحصول على جودة صوت محسنة وتشويه أقل. غالبًا ما يتم استخدام نفس نهج السعر / الجودة مع معدات نظام تعزيز الصوت ومكبرات الصوت للآلات الموسيقية وخزائن مكبرات الصوت؛ ستستخدم خزانة مكبر الصوت منخفضة السعر أو مكبر الصوت PA أو مكبر الصوت الجهير عادةً كروس أوفر سلبية منخفضة الجودة ومنخفضة السعر، في حين تستخدم الخزائن عالية الجودة وعالية السعر عادةً كروس أوفر أفضل جودة. قد تستخدم كروس أوفر السلبية مكثفات مصنوعة من البولي بروبلين ورقائق البوليستر المعدنية والورق وتكنولوجيا المكثفات الكهروليتية . قد تحتوي المحاثات على نوى هوائية أو نوى معدنية مسحوقة أو نوى فيريت أو نوى من الفولاذ السليكوني الرقائقي ، ومعظمها ملفوفة بسلك نحاسي مطلي بالمينا .
تتضمن بعض الشبكات السلبية أجهزة مثل الصمامات وأجهزة التحكم الإيجابي في الجهد والمصابيح أو قواطع الدوائر لحماية برامج تشغيل مكبر الصوت من الإفراط العرضي (على سبيل المثال، من الطفرات المفاجئة أو الارتفاعات). تتضمن أجهزة التقاطع السلبية الحديثة بشكل متزايد شبكات معادلة (على سبيل المثال، شبكات زوبل ) تعوض عن التغيرات في المعاوقة بالتردد المتأصل في جميع مكبرات الصوت تقريبًا. المشكلة معقدة، حيث أن جزءًا من التغيير في المعاوقة يرجع إلى تغييرات التحميل الصوتي عبر نطاق تمرير برنامج التشغيل.
من عيوب الشبكات السلبية أنها قد تكون ضخمة وتتسبب في فقدان الطاقة. فهي ليست محددة بالتردد فحسب، بل إنها محددة أيضًا بالمعاوقة (أي أن استجابتها تختلف وفقًا للحمل الكهربائي الذي تتصل به). وهذا يمنع قابليتها للتبادل مع أنظمة مكبرات الصوت ذات المعاوقات المختلفة. يمكن أن يكون تصميم مرشحات التقاطع المثالية، بما في ذلك شبكات تعويض المعاوقة والمعادلة، أمرًا صعبًا للغاية، حيث تتفاعل المكونات بطرق معقدة. قال خبير تصميم التقاطع سيغفريد لينكويتز عنها أن "العذر الوحيد للتقاطعات السلبية هو تكلفتها المنخفضة. يتغير سلوكها مع ديناميكيات السائقين المعتمدة على مستوى الإشارة. إنها تمنع مكبر الطاقة من السيطرة القصوى على حركة ملف الصوت. إنها مضيعة للوقت، إذا كانت دقة الاستنساخ هي الهدف". [6] بدلاً من ذلك، يمكن الاستفادة من المكونات السلبية لبناء دوائر مرشح قبل مكبر الصوت. يُطلق على هذا التنفيذ التقاطع السلبي على مستوى الخط.
نشيط
يحتوي التقاطع النشط على مكونات نشطة في مرشحاته، مثل الترانزستورات ومكبرات الصوت التشغيلية. [1] [2] [7] في السنوات الأخيرة، أصبح مكبر الصوت التشغيلي هو الجهاز النشط الأكثر استخدامًا . وعلى النقيض من التقاطع السلبي، الذي يعمل بعد خرج مكبر الصوت عند تيار مرتفع وفي بعض الحالات جهد مرتفع ، يتم تشغيل التقاطع النشط عند مستويات مناسبة لمدخلات مكبر الصوت. من ناحية أخرى، تُدخل جميع الدوائر ذات الكسب ضوضاء ، وهذه الضوضاء لها تأثير ضار عند إدخالها قبل تضخيم الإشارة بواسطة مكبرات الصوت.
تتطلب عمليات التقاطع النشطة دائمًا استخدام مكبرات طاقة لكل نطاق خرج. وبالتالي، يحتاج التقاطع النشط ثنائي الاتجاه إلى مكبرين - أحدهما لمكبر الصوت منخفض التردد والآخر لمكبر الصوت عالي التردد . وهذا يعني أن نظام مكبر الصوت الذي يعتمد على عمليات التقاطع النشطة غالبًا ما يكلف أكثر من النظام القائم على التقاطع السلبي. وعلى الرغم من عيوب التكلفة والتعقيد، فإن عمليات التقاطع النشطة توفر المزايا التالية على التقاطع السلبي:
- استجابة تردد مستقلة عن التغيرات الديناميكية في الخصائص الكهربائية للسائق (على سبيل المثال من تسخين الملف الصوتي)
- عادةً، إمكانية وجود طريقة سهلة لتغيير أو ضبط كل نطاق ترددي وفقًا للسائقين المحددين المستخدمين. ومن الأمثلة على ذلك منحدر التقاطع، ونوع المرشح (على سبيل المثال، Bessel ، وButterworth، وLinkwitz-Riley، وما إلى ذلك)، والمستويات النسبية، وما إلى ذلك.
- عزل أفضل لكل سائق عن الإشارات التي يتم التعامل معها بواسطة السائقين الآخرين، وبالتالي تقليل تشوه التعديل المتبادل والقيادة الزائدة
- يتم توصيل مكبرات الصوت مباشرة بمحركات مكبر الصوت، مما يزيد من التحكم في تخميد مكبر الصوت لملف صوت مكبر الصوت، مما يقلل من عواقب التغييرات الديناميكية في الخصائص الكهربائية للسائق، وكل هذا من المرجح أن يحسن الاستجابة العابرة للنظام
- انخفاض متطلبات خرج مكبر الطاقة. مع عدم فقدان الطاقة في المكونات السلبية، يتم تقليل متطلبات مكبر الصوت بشكل كبير (حتى 1/2 في بعض الحالات)، مما يقلل التكاليف، ويزيد الجودة بشكل محتمل.
رقمي
يمكن تنفيذ عمليات التقاطع النشطة رقميًا باستخدام معالج إشارة رقمي أو معالج دقيق آخر . [8] إما أنها تستخدم تقريبات رقمية للدوائر التناظرية التقليدية ، والمعروفة باسم مرشحات IIR ( Bessel و Butterworth و Linkwitz-Riley وما إلى ذلك)، أو أنها تستخدم مرشحات الاستجابة النبضية المحدودة (FIR) . [9] [10] تحتوي مرشحات IIR على العديد من أوجه التشابه مع المرشحات التناظرية وهي غير متطلبة نسبيًا لموارد وحدة المعالجة المركزية؛ من ناحية أخرى، عادةً ما يكون لمرشحات FIR ترتيب أعلى وبالتالي تتطلب المزيد من الموارد لخصائص مماثلة. يمكن تصميمها وبناؤها بحيث يكون لها استجابة طور خطية ، وهو أمر مرغوب فيه من قبل العديد من المشاركين في إعادة إنتاج الصوت. ومع ذلك، هناك عيوب - من أجل تحقيق استجابة طور خطية، يتم تكبد وقت تأخير أطول مما قد يكون ضروريًا مع مرشحات IIR أو مرشحات FIR ذات الطور الأدنى. مرشحات IIR، والتي هي بطبيعتها متكررة، لها عيب أنه إذا لم يتم تصميمها بعناية، فقد تدخل دورات حدية، مما يؤدي إلى تشويه غير خطي.
ميكانيكي
هذا النوع من الكروس أوفر ميكانيكي ويستخدم خصائص المواد في غشاء المحرك لتحقيق الترشيح اللازم. [11] توجد مثل هذه الكروس أوفر عادةً في مكبرات الصوت ذات النطاق الكامل والمصممة لتغطية أكبر قدر ممكن من نطاق الصوت. يتم إنشاء أحد هذه مكبرات الصوت عن طريق ربط مخروط مكبر الصوت ببكرة الملف الصوتي من خلال قسم مرن وربط مخروط ويزر خفيف الوزن مباشرةً بالبكرة. يعمل هذا القسم المرن كمرشح مرن، لذلك لا يهتز المخروط الرئيسي عند الترددات الأعلى. يستجيب مخروط ويزر لجميع الترددات، ولكن نظرًا لحجمه الأصغر، فإنه يعطي خرجًا مفيدًا فقط عند الترددات الأعلى، وبالتالي ينفذ وظيفة الكروس أوفر الميكانيكية. يحدد الاختيار الدقيق للمواد المستخدمة في المخروط والويزر وعناصر التعليق تردد الكروس أوفر وفعالية الكروس أوفر. مثل هذه الكروس أوفر الميكانيكية معقدة التصميم، خاصة إذا كانت الدقة العالية مطلوبة. لقد حل التصميم بمساعدة الكمبيوتر إلى حد كبير محل أسلوب التجربة والخطأ الشاق الذي كان مستخدمًا في الماضي. فمع مرور عدة سنوات، قد تتغير مرونة المواد، مما يؤثر سلبًا على استجابة التردد للمكبر الصوتي.
إن النهج الأكثر شيوعًا هو استخدام غطاء الغبار كمشع عالي التردد. يشع غطاء الغبار ترددات منخفضة، ويتحرك كجزء من التجميع الرئيسي، ولكن نظرًا للكتلة المنخفضة والتخميد المنخفض، فإنه يشع طاقة متزايدة عند الترددات الأعلى. وكما هو الحال مع مخاريط whizzer، فإن الاختيار الدقيق للمواد والشكل والموضع مطلوب لتوفير خرج سلس وممتد. إن التشتت عالي التردد مختلف إلى حد ما في هذا النهج عن مخاريط whizzer. وهناك نهج ذو صلة يتمثل في تشكيل المخروط الرئيسي بمثل هذا الملف الشخصي، ومن هذه المواد، بحيث تظل منطقة الرقبة أكثر صلابة، وتشع جميع الترددات، بينما يتم فصل المناطق الخارجية من المخروط بشكل انتقائي، وتشع فقط عند الترددات المنخفضة. يمكن نمذجة ملفات تعريف المخاريط والمواد باستخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة ويتم التنبؤ بالنتائج بتسامحات ممتازة.
تتمتع مكبرات الصوت التي تستخدم هذه التقاطعات الميكانيكية ببعض المزايا فيما يتعلق بجودة الصوت على الرغم من الصعوبات التي تكتنف تصميمها وتصنيعها وعلى الرغم من القيود الحتمية على الناتج. تتميز مكبرات الصوت ذات النطاق الكامل بمركز صوتي واحد ويمكن أن يكون لها تغير طور متواضع نسبيًا عبر طيف الصوت. للحصول على أفضل أداء عند الترددات المنخفضة، تتطلب هذه مكبرات الصوت تصميمًا دقيقًا للغلاف. يتطلب حجمها الصغير (عادةً من 165 إلى 200 مم) انحرافًا مخروطيًا كبيرًا لإعادة إنتاج الجهير بشكل فعال. ومع ذلك، لا يمكن للملفات الصوتية القصيرة، والتي تعد ضرورية للأداء المعقول للترددات العالية، أن تتحرك إلا على نطاق محدود. ومع ذلك، في ظل هذه القيود، يتم تقليل التكلفة والمضاعفات، حيث لا تكون هناك حاجة إلى التقاطع.
التصنيف على أساس ترتيب الفلتر أو المنحدر
كما أن للمرشحات ترتيبات مختلفة، كذلك الأمر بالنسبة للتقاطعات، وذلك اعتمادًا على ميل المرشح الذي تنفذه. يمكن تحديد المنحدر الصوتي النهائي بالكامل بواسطة المرشح الكهربائي أو يمكن تحقيقه من خلال الجمع بين ميل المرشح الكهربائي والخصائص الطبيعية للمحرك. في الحالة الأولى، يكون المتطلب الوحيد هو أن يكون لكل محرك استجابة مسطحة على الأقل إلى النقطة التي تكون فيها إشارته أقل بمقدار −10 ديسيبل تقريبًا من نطاق التمرير. في الحالة الثانية، يكون المنحدر الصوتي النهائي أكثر انحدارًا عادةً من المنحدر الصوتي للمرشحات الكهربائية المستخدمة. غالبًا ما يكون للتقاطع الصوتي من الدرجة الثالثة أو الرابعة مرشح كهربائي من الدرجة الثانية فقط. يتطلب هذا أن يكون سلوك مكبرات الصوت جيدًا على مسافة كبيرة من تردد التقاطع الاسمي، علاوة على ذلك أن يكون المحرك عالي التردد قادرًا على البقاء على قيد الحياة عند إدخال كبير في نطاق تردد أقل من نقطة التقاطع الخاصة به. من الصعب تحقيق ذلك في الممارسة الفعلية. في المناقشة أدناه، تتم مناقشة خصائص ترتيب المرشح الكهربائي، تليها مناقشة للتقاطعات التي لها هذا المنحدر الصوتي ومزاياها أو عيوبها.
تستخدم أغلب أجهزة التقاطع الصوتية مرشحات كهربائية من الدرجة الأولى إلى الرابعة. ولا يتم تنفيذ الترتيبات الأعلى بشكل عام في أجهزة التقاطع السلبية لمكبرات الصوت، ولكنها توجد أحيانًا في المعدات الإلكترونية في ظل ظروف يمكن تبرير تكلفتها وتعقيدها الكبيرين.
الطلب الأول
تتمتع المرشحات من الدرجة الأولى بميل 20 ديسيبل/ عقد (أو 6 ديسيبل/ أوكتاف ). تتميز جميع المرشحات من الدرجة الأولى بخاصية مرشح باتروورث. يعتبر العديد من محبي الصوت المرشحات من الدرجة الأولى مثالية للتقاطعات. وذلك لأن هذا النوع من المرشحات "مثالي مؤقت"، مما يعني أن مجموع مخرجات الترددات المنخفضة والعالية يمرر كل من السعة والطور دون تغيير عبر النطاق المطلوب. [12] كما أنه يستخدم أقل عدد من الأجزاء ولديه أقل خسارة في الإدخال (إذا كان سلبيًا). يسمح التقاطع من الدرجة الأولى بمرور المزيد من محتوى الإشارة المكون من ترددات غير مرغوب فيها في أقسام LPF وHPF مقارنة بالتكوينات ذات الدرجة الأعلى. في حين يمكن لمكبرات الصوت التعامل مع هذا بسهولة (بصرف النظر عن توليد التشويه عند ترددات أعلى من تلك التي يمكنها إعادة إنتاجها بشكل صحيح)، فإن مكبرات الصوت ذات التردد العالي الأصغر (خاصة مكبرات الصوت عالية التردد) أكثر عرضة للتلف، لأنها غير قادرة على التعامل مع مدخلات الطاقة الكبيرة عند ترددات أقل من نقطة التقاطع المقدرة.
في الممارسة العملية، من الصعب تصميم أنظمة مكبرات الصوت ذات المنحدرات الصوتية الحقيقية من الدرجة الأولى لأنها تتطلب نطاق ترددي كبير متداخل للسائق، والمنحدرات الضحلة تعني أن السائقين غير المتزامنين يتداخلون على نطاق تردد واسع ويسببون تحولات استجابة كبيرة خارج المحور.
الترتيب الثاني
تتمتع المرشحات من الدرجة الثانية بميل 40 ديسيبل/عقد (أو 12 ديسيبل/أوكتاف). يمكن أن تتمتع المرشحات من الدرجة الثانية بخاصية Bessel أو Linkwitz-Riley أو Butterworth اعتمادًا على خيارات التصميم والمكونات المستخدمة. يستخدم هذا الترتيب عادةً في عمليات الانتقال السلبية لأنه يوفر توازنًا معقولاً بين التعقيد والاستجابة وحماية السائق ذي التردد الأعلى. عند تصميمها بوضع مادي متوافق مع الوقت، تتمتع عمليات الانتقال هذه باستجابة قطبية متناظرة، كما هو الحال مع جميع عمليات الانتقال ذات الترتيب الزوجي.
من المعتقد بشكل عام أنه سيكون هناك دائمًا فرق طور بمقدار 180 درجة بين مخرجات مرشح الترددات المنخفضة (من الدرجة الثانية) ومرشح الترددات العالية الذي له نفس تردد التقاطع. وبالتالي، في نظام ثنائي الاتجاه، يتم توصيل خرج قسم الترددات العالية عادةً بمحرك الترددات العالية "مقلوبًا"، لتصحيح مشكلة الطور هذه. بالنسبة للأنظمة السلبية، يتم توصيل مكبر الصوت عالي التردد بقطبية معاكسة لمكبر الصوت منخفض التردد؛ بالنسبة لعمليات التقاطع النشطة، يتم عكس خرج مرشح الترددات العالية. في الأنظمة ثلاثية الاتجاه، يتم عكس محرك الترددات المتوسطة أو المرشح. ومع ذلك، لا ينطبق هذا بشكل عام إلا عندما يكون لدى مكبرات الصوت تداخل استجابة واسع وتكون المراكز الصوتية محاذية فعليًا.
الترتيب الثالث
تمتلك المرشحات من الدرجة الثالثة ميلًا يبلغ 60 ديسيبل/عقد (أو 18 ديسيبل/أوكتاف). عادةً ما تتمتع عمليات التقاطع هذه بخصائص مرشح باتروورث؛ استجابة الطور جيدة جدًا، حيث يكون مجموع المستويات مسطحًا وفي تربيع الطور ، على غرار عملية التقاطع من الدرجة الأولى. الاستجابة القطبية غير متماثلة. في ترتيب D'Appolito MTM الأصلي ، يتم استخدام ترتيب متماثل للسائقين لإنشاء استجابة متناظرة خارج المحور عند استخدام عمليات التقاطع من الدرجة الثالثة. غالبًا ما يتم بناء عمليات التقاطع الصوتية من الدرجة الثالثة من دوائر مرشح من الدرجة الأولى أو الثانية.
الترتيب الرابع
تحتوي المرشحات من الدرجة الرابعة على ميل 80 ديسيبل/عقد (أو 24 ديسيبل/أوكتاف). هذه المرشحات معقدة نسبيًا في التصميم في شكل سلبي، لأن المكونات تتفاعل مع بعضها البعض، ولكن برامج تصميم تحسين التقاطع بمساعدة الكمبيوتر الحديثة يمكن أن تنتج تصميمات دقيقة. [13] [14] [15] الشبكات السلبية ذات المنحدر الحاد أقل تسامحًا مع انحرافات قيمة الأجزاء أو التسامحات، وأكثر حساسية للإنهاء الخاطئ بأحمال التشغيل التفاعلية (على الرغم من أن هذه أيضًا مشكلة مع التقاطع من الدرجة المنخفضة). يُعرف التقاطع من الدرجة الرابعة بنقطة تقاطع −6 ديسيبل ومجموع مسطح أيضًا باسم تقاطع Linkwitz-Riley (سمي على اسم مخترعيه [7] )، ويمكن إنشاؤه في شكل نشط عن طريق توصيل قسمين من مرشح Butterworth من الدرجة الثانية. تكون إشارات الخرج ذات التردد المنخفض والعالي من نوع كروس لينكويتز-رايلي في الطور، وبالتالي تتجنب الانعكاس الجزئي للطور إذا تم جمع نطاقات تمرير التقاطع كهربائيًا، كما هو الحال في مرحلة الخرج لضاغط متعدد النطاقات . لا تتطلب عمليات التقاطع المستخدمة في تصميم مكبر الصوت أن تكون أقسام المرشح في الطور؛ غالبًا ما يتم تحقيق خصائص الخرج السلس باستخدام خصائص مرشح التقاطع غير المثالية وغير المتماثلة. [5] تعد Bessel و Butterworth و Chebyshev من بين طوبولوجيات التقاطع المحتملة.
تواجه مثل هذه المرشحات شديدة الانحدار مشاكل أكبر مع تجاوز الحد والرنين [16] ولكن هناك العديد من المزايا الرئيسية، حتى في شكلها السلبي، مثل إمكانية وجود نقطة تقاطع أقل وزيادة التعامل مع الطاقة لمكبرات الصوت عالية التردد، جنبًا إلى جنب مع تداخل أقل بين السائقين، مما يقلل بشكل كبير من تحول الفص الرئيسي لنمط إشعاع نظام مكبر الصوت متعدد الاتجاهات مع التردد، [7] أو غيرها من التأثيرات غير المرغوب فيها خارج المحور. مع تداخل التردد الأقل بين السائقين المتجاورة، يصبح موقعهم الهندسي بالنسبة لبعضهم البعض أقل أهمية ويسمح بمزيد من الحرية في مستحضرات التجميل لنظام مكبر الصوت أو قيود التثبيت العملية (الصوت داخل السيارة).
مرتبة أعلى
لا تعد عمليات التقاطع السلبية التي تعطي منحدرات صوتية أعلى من الدرجة الرابعة شائعة بسبب التكلفة والتعقيد. تتوفر مرشحات بمنحدرات تصل إلى 96 ديسيبل لكل أوكتاف في عمليات التقاطع النشطة وأنظمة إدارة مكبرات الصوت.
طلب مختلط
يمكن أيضًا إنشاء أجهزة التقاطع باستخدام مرشحات مختلطة الترتيب. على سبيل المثال، يمكن دمج مرشح الترددات المنخفضة من الدرجة الثانية مع مرشح الترددات العالية من الدرجة الثالثة. تكون هذه المرشحات سلبية بشكل عام وتُستخدم لعدة أسباب، غالبًا عندما يتم العثور على قيم المكونات من خلال تحسين برنامج الكمبيوتر. يمكن أن يساعد جهاز التقاطع عالي الترتيب في بعض الأحيان في تعويض الإزاحة الزمنية بين مكبر الصوت ومكبر الصوت عالي التردد، والتي تسببها مراكز الصوت غير المحاذية.
محززة
توجد فئة من مرشحات التقاطع التي تنتج استجابات خالية في مخرجات التردد العالي والمنخفض عند ترددات قريبة من تردد التقاطع. داخل نطاقات التوقف الخاصة بكل منها، تتمتع المخرجات بمعدل أولي مرتفع من التوهين، في حين أن مجموع مخرجاتها له استجابة تمرير كاملة مسطحة. يحافظ مخرجاها على فرق طور صفري ثابت عبر الانتقال، وبالتالي تعزيز أداء الفصوص مع برامج تشغيل مكبر الصوت غير المتزامنة. [17]
التصنيف على أساس طوبولوجيا الدائرة
موازي
تعد عمليات التقاطع المتوازية الأكثر شيوعًا. كهربائيًا، تكون المرشحات متوازية وبالتالي لا تتفاعل أقسام المرشح المختلفة. وهذا يجعل تصميم عمليات التقاطع ثنائية الاتجاه أسهل لأنه من حيث المعاوقة الكهربائية، يمكن اعتبار الأقسام منفصلة ولأن اختلافات تحمل المكونات ستكون معزولة ولكن مثل جميع عمليات التقاطع، يعتمد التصميم النهائي على أن يكون خرج السائقين مكملاً صوتيًا وهذا بدوره يتطلب مطابقة دقيقة في سعة وطور التقاطع الأساسي. تتمتع عمليات التقاطع المتوازية أيضًا بميزة السماح بتوصيل سائقي السماعات بسلكين ، وهي ميزة يتم التنازع بشدة على فوائدها.
مسلسل
في هذه الطوبولوجيا، يتم توصيل المرشحات الفردية على التوالي، ويتم توصيل محرك أو مجموعة محركات بالتوازي مع كل مرشح. لفهم مسار الإشارة في هذا النوع من التقاطع، راجع الشكل "التقاطع التسلسلي"، وفكر في إشارة عالية التردد لها، خلال لحظة معينة، جهد موجب على طرف الإدخال العلوي مقارنة بطرف الإدخال السفلي. يقدم مرشح الترددات المنخفضة معاوقة عالية للإشارة، ويقدم مكبر الصوت عالي التردد معاوقة منخفضة؛ لذلك تمر الإشارة عبر مكبر الصوت عالي التردد. تستمر الإشارة إلى نقطة الاتصال بين مكبر الصوت منخفض التردد ومرشح الترددات العالية. هناك، يقدم مرشح الترددات العالية معاوقة منخفضة للإشارة، لذلك تمر الإشارة عبر مرشح الترددات العالية، وتظهر عند طرف الإدخال السفلي. تمر إشارة منخفضة التردد ذات خاصية جهد لحظية مماثلة أولاً عبر مرشح الترددات المنخفضة، ثم مكبر الصوت منخفض التردد، وتظهر عند طرف الإدخال السفلي.
مشتق
تتضمن عمليات التقاطع المشتقة عمليات تقاطع نشطة حيث يتم اشتقاق إحدى استجابات التقاطع من الأخرى من خلال استخدام مكبر تفاضلي. [18] [19] على سبيل المثال، الفرق بين إشارة الإدخال وإخراج قسم التمرير العالي هو استجابة تمرير منخفض. وبالتالي، عندما يتم استخدام مكبر تفاضلي لاستخراج هذا الفرق، فإن خرجه يشكل قسم مرشح التمرير المنخفض. الميزة الرئيسية للمرشحات المشتقة هي أنها لا تنتج فرق طور بين أقسام التمرير العالي والمنخفض عند أي تردد. [20] العيوب هي إما:
- أن أقسام الترددات العالية والمنخفضة غالبًا ما يكون لها مستويات مختلفة من التوهين في نطاقات التوقف الخاصة بها ، أي أن منحدراتها غير متماثلة، [20] أو
- أن استجابة أحد القسمين أو كليهما تبلغ ذروتها بالقرب من تردد التقاطع، [19] [21] أو كليهما.
في حالة (1) أعلاه، يكون الوضع المعتاد هو أن استجابة الترددات المنخفضة المشتقة تضعف بمعدل أبطأ بكثير من الاستجابة الثابتة. وهذا يتطلب من مكبر الصوت الذي يتم توجيهه إليه الاستمرار في الاستجابة للإشارات في عمق نطاق التوقف حيث قد لا تكون خصائصه الفيزيائية مثالية. في حالة (2) أعلاه، يتعين على كلا مكبري الصوت العمل بمستويات صوت أعلى مع اقتراب الإشارة من نقاط التقاطع. وهذا يستخدم المزيد من طاقة مكبر الصوت وقد يدفع مخاريط مكبر الصوت إلى عدم الخطية.
النماذج والمحاكاة
يمكن للمحترفين والهواة الوصول إلى مجموعة من أدوات الكمبيوتر التي لم تكن متاحة من قبل. تتيح أدوات القياس والمحاكاة المعتمدة على الكمبيوتر هذه إنشاء نماذج وتصميم افتراضي لأجزاء مختلفة من نظام مكبر الصوت مما يعمل على تسريع عملية التصميم وتحسين جودة مكبر الصوت بشكل كبير. تتراوح هذه الأدوات من العروض التجارية إلى العروض المجانية. كما يختلف نطاقها. قد يركز البعض على تصميم مكبر الصوت/الخزانة والقضايا المتعلقة بحجم الخزانة والمنافذ (إن وجدت)، بينما قد يركز البعض الآخر على استجابة التردد والتقاطع. على سبيل المثال، تحاكي بعض الأدوات استجابة خطوة الحاجز فقط.
في الفترة التي سبقت ظهور النمذجة الحاسوبية التي جعلت من محاكاة التأثيرات المجمعة للسائقين والتقاطعات والخزائن أمرًا ميسور التكلفة وسريعًا، كان هناك عدد من المشكلات التي قد تمر دون أن يلاحظها مصمم مكبر الصوت. على سبيل المثال، تم تصميم التقاطع الثلاثي البسيط كزوج من التقاطع ثنائي الاتجاه: قسم مكبر الصوت عالي التردد/المدى المتوسط والآخر قسم مكبر الصوت متوسط المدى/مضخم الصوت. وقد يؤدي هذا إلى زيادة في الكسب واستجابة "كومة القش" في خرج المدى المتوسط، إلى جانب معاوقة إدخال أقل من المتوقع. كما قد تمر مشكلات أخرى مثل عدم مطابقة الطور بشكل صحيح أو النمذجة غير المكتملة لمنحنيات معاوقة السائق دون أن يلاحظها أحد. لم يكن من المستحيل حل هذه المشكلات ولكنها تتطلب المزيد من التكرارات والوقت والجهد مقارنة بما تتطلبه اليوم.
انظر أيضا
- إدارة الجهير
- الخصائص الكهربائية لمكبر الصوت الديناميكي
- مكبر صوت كامل النطاق
- حاوية مكبر الصوت
- مكبر صوت متوسط المدى
- مكبرات صوت تعمل بالطاقة
- مكبر الصوت الفرعي
- مكبر صوت فائق التردد
- تويتر
- مكبر صوت
مراجع
- ^ ab Ashley, J. Robert; Kaminsky, Allan L. (1971). "المرشحات النشطة والسلبية كشبكات تقاطع مكبرات الصوت". مجلة جمعية هندسة الصوت . 19 (6): 494-502.
- ^ abc Caldwell, John (2013). "Analog, Active Crossover Circuit for Two-Way Loudspeakers" (PDF) . Texas Instruments. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2016-04-18 . تم الاسترجاع في 2021-07-24 .
- ^ Thiele, Neville (1997). "شبكات التقاطع السلبي الدقيقة التي تتضمن معلمات مشغل مكبر الصوت". مجلة جمعية هندسة الصوت . 45 (7/8): 585-594.
- ^ ألين، فيليب إي. (1974). "الاعتبارات العملية لتصميم المرشح النشط". مجلة جمعية هندسة الصوت . 22 (10): 770-782.
- ^ ab Hughes, Charles . "استخدام عمليات الانتقال في العالم الحقيقي". تصميم وخدمات الصوت Excelsior.
- ^ Linkwitz, Siegfried (2009). "Crossovers" . تم الاسترجاع في 2021-07-24 .
- ^ abc Linkwitz, Siegfrid H. (1978). "شبكات التقاطع النشطة للسائقين غير المتزامنين". مجلة جمعية هندسة الصوت . 24 (1): 2–8.
- ^ ويلسون، آر جيه؛ آدامز، جي جيه؛ سكوت، جي بي (1988). تطبيق المرشحات الرقمية على شبكات التقاطع بين مكبرات الصوت . طبعة ما قبل الطباعة 2600، مؤتمر AES الرابع والثمانين، 1-4 مارس.
- ^ شوك، بيتر إل.؛ كلواك، جريج (1988). مرشحات الأشعة تحت الحمراء الرقمية لشبكات التقاطع مع مكبرات الصوت . طبعة ما قبل الطباعة 2702، مؤتمر AES الخامس والثمانين، 3-6 نوفمبر.
- ^ ويلسون، روندا؛ آدامز، جلين؛ سكوت، جوناثان (1989). "تطبيق المرشحات الرقمية على شبكات التقاطع لمكبرات الصوت". مجلة جمعية هندسة الصوت . 37 (6): 455-464.
- ^ كوهين، أبراهام ب. (1957). "خصائص التقاطع الميكانيكي في مكبرات الصوت ذات الحجاب الحاجز المزدوج". مجلة جمعية هندسة الصوت . 5 (1): 11-17.
- ^ أشلي، ج. روبرت (1962). "حول الاستجابة العابرة لشبكات التقاطع المثالية". مجلة جمعية هندسة الصوت . 10 (3): 241-244.
- ^ Adams, Glyn J.; Roe, Stephen P. (1982). "Computer-Aided Design of Loudspeaker Crossover Networks". مجلة جمعية هندسة الصوت . 30 (7/8): 496–503.
- ^ شوك، بيتر إل. (1986). "تصميم شبكات كروس أوفر مكبرات الصوت المحسنة باستخدام جهاز كمبيوتر شخصي". مجلة جمعية هندسة الصوت . 34 (3): 124-142.
- ^ Waldman, Witold (1988). "محاكاة وتحسين أنظمة مكبرات الصوت متعددة الاتجاهات باستخدام جهاز كمبيوتر شخصي". مجلة جمعية هندسة الصوت . 36 (9): 651-663.
- ^ Bohn, Dennis (2005). "Linkwitz-Riley Crossovers: A Primer (RaneNote 160)" (PDF) . Rane. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2009-10-16 . تم الاسترجاع في 2023-09-21 .
- ^ Thiele, Neville (2000). "Loudspeaker Crossovers with Notched Responses". مجلة جمعية هندسة الصوت . 48 (9): 786–799 . تم الاسترجاع في 2024-09-19 .
- ^ تشالوبا، رودولف (1986). "تطبيق طرحي لتصميم كروس أوفر لينكويتز-رايلي". مجلة جمعية هندسة الصوت . 34 (7/8): 556-559.
- ^ ab Elliot, Rod (2017). "Subtractive/'Derived' Crossover Networks". Elliot Sound Products. مؤرشف من الأصل في 2020-01-21 . تم الاسترجاع في 2021-06-25 .
- ^ ab Bohn, D. (محرر). Audio Handbook . National Semiconductor Corporation, Santa Clara, CA 95051, 1977, §5.2.4.
- ^ Crawford, D. (1972). "Build a Room Equalizer" (PDF) . مجلة الصوت (سبتمبر): 18–22. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2020-07-29 . تم الاسترجاع في 2021-07-24 .
