用LspCAD进行分频器辅助设计

用LspCAD进行分频器辅助设计本文介绍利用LspCAD5.25版进行音箱分频器辅助设计的过程，主要以2路高级无源滤波器为例进行说明，并简单介绍2路简易无源滤波器的使用。一、测试数据进行分频器设计需要用到的数据分别是低音单元和高音单元的频率响应曲线以及阻抗曲线，这些数据都可以用LspCAD自带的JustLMS软件进行测量。在频率响应测量时需要注意：1、话筒应放在高低音单元的正中（或按实际听音位置确定话筒高度）；2、测试距离60-100cm；3、高低音单元采用相同的补偿距离（Offset）。测试好以后，将数据“导出”为txt文件供LspCAD使用。测试数据：下面是低音单元的频率响应曲线和阻抗曲线，单元已装箱并加了Zobel补偿网络。Zobel补偿网络是并联在单元上的RC串联电路，可以补偿因音圈电感而造成的高频段阻抗上升，图中可以看出补偿效果是比较理想的。因为这两个元件的作用已在测试数据中体现，因此在后面的分频器设计中不再考虑这个网络的影响。下面是高音单元的频率响应曲线和阻抗曲线。二、2路高级无源滤波器新建一个2路高级无源滤波器，选并联结构。主菜单上选“扬声器-网络1”，对应的是低音单元的数据。在弹出的窗口中输入Re、Le和有效振动半径（用于计算指向性等指标，不输入也可）。然后选择SPL数据文件和阻抗数据文件（就是用JustLMS测试后导出的频率响应文件和阻抗文件）。同样输入“扬声器网络2”即高音单元的相关数据。主菜单上选“分频网络-网络1”，对应的是低音单元的低通滤波线路。在弹出的窗口中点击“示意图”按钮（或从主菜单上选择“窗口”-“图表/纵览”），可以看到“图表/纵览”窗口中显示出了分频电路结构。在这个电路中，可以添加若干组和扬声器单元串联或并联的元件（串联还是并联可以选择，缺省是按串联-并联-串联-并联…的顺序排列），每组元件可以是单一的R、L或C，也可以是R、L、C的串并联组合。双击“电路01”等，在弹出式菜单中选择所需的元件。比如低通滤波器，第一组元件一般是串联的电感，就选择“4，R1+L”（R1为电感的直流电阻），于是“电路01”项下就出现了R1011、L1011两个元件，元件的数值可以通过双击修改。把所有需要的元件都逐一加上去，可以在网络中空出一些节点，以备增加元件。同样设置一下“分频网络2”即对应高音单元的高通滤波线路。分频网络配置好以后，可以按“网络1”或“网路2”窗口中的“总频率响应”按钮（或从主菜单上选择“窗口”-“合成频率响应”），看看分频后的合成效果。同样可以按“网络1”或“网路2”窗口中的“阻抗”按钮（或从主菜单上选择“窗口”-“输入阻抗”）看看合成后的阻抗曲线。在“网络1”或“网路2”窗口中还有几个比较有用的勾选项。“分离”是把相应的网络分离出去，可用于查看单一网络（高音或低音）的效果；“无元件”是取消相应网络中分频元件的作用，用于查看单元的固有频率响应或阻抗；“极性反转”是把对应网络的相位移动180度，相当于将单元反接。三、分频器模拟和调整1、理论公式使用LspCAD软件进行模拟时，可以从理论分频公式开始。双击低通滤波网络中的“电路01”，在弹出窗口中选择“HP/LP滤波器向导”。在新打开的“高级网络向导”中，输入“低通部件”的滤波阶数、分频点和额定负载。以滤波阶数=2、分频点=2500Hz为例，额定负载可以取单元在分频点的阻抗，这里取7.2欧。因为是低通滤波，无需高通部件，所以“高通部件”的滤波阶数保持缺省值0就可以了。设置好后，按“计算”按钮，程序自动把计算好的分频参数添入网络中。高通滤波网络也可以用同样的方法进行计算，只是需要把“低通部件”保持为0阶，“高通部件”选用2阶，分频点还是2500Hz，额定负载用高音单元在分频点的阻抗6.3欧。2、调整通过上面理论计算得出的分频器的分频效果如下图所示：可以看出，由于单元的灵敏度不同，实际分频点并非预期的2500Hz，要对高音单元灵敏度进行衰减。用恒定阻抗衰减公式计算，高音衰减4db，线路如下图：滤波效果如下图：高低音的灵敏度差不多平衡了，但在1000-3000Hz出现了隆起，看来还要对分频数据进行调整。根据经验，一是要加大低音通道的电感值，以抑制1000Hz以上的隆起；二是可以减小高音通道的电感值，改变一下频率响应曲线形状。这是调整后的分频网络：这是调整后的频率响应曲线，已经比较平直了，实际分频点在2100Hz，高音灵敏度还有点高，可以继续调整。3、其他在上面的分频结构中，高低音单元是同向连接的，再来看看反接的情况高音反接的合成频响如图所示，在1k-4kHz的范围内出现了一个最深达-20db的凹陷。在几乎所有的理论公式中，高音都是要求反接的，但在实际系统中，因为单元的位置差所引起的相位差等因素，高音却是不能反接的。四、2路简易无源滤波器“2路简易无源滤波器”的原理和上面是一样的，但只能在相对固定的分频网络结构上进行调整，灵活性不如2路高级无源滤波器，无法使用一些高级线路，当然优点也是很明显的，那就是简单、直观，适合刚接触这款软件的用户使用。首先新建一个2路简易无源滤波器，按上面同样的方法读入高低音单元的频响曲线和阻抗曲线数据。在主菜单中选择“分频网络”-“低音”，弹出低音单元分频网络设计界面。假设还是用二阶分频，分频点为2500Hz，于是在窗口中选择滤波阶数“N=2”及分频点“2500”Hz。按边上的“计算”按钮，程序自动计算出二阶网络的L11、C12数值。注意，低音网络中已经自动给出了补偿网络的数据（R18、C18），上面说了，测试数据中已经包括了Zobel补偿网络的影响，因此在这里无需再进行补偿，可以把R18、C18都置为0（即undef.）。如果测试之前没有接入补偿网络，则这里就需要根据单元的电感量及直流电阻来调整数值，比如置R18=10欧，C18=10u。同样计算高音单元的分频网络数据。高音单元暂时不考虑使用补偿网络，因此要把R38、C38都改为0（undef.）在主菜单中选择“窗口”-“合成频率响应”，这时就可以看到合成频率响应曲线了。同样，高音单元的灵敏度太高了，要进行衰减，比如准备衰减3db，就在“高音网络”窗口中衰减器Att.中输入3db，按下面的“计算”按钮，程序自动计算出R36、R37的数值。这是恒定阻抗式高音衰减，也就是说R36、R37和高音单元构成的网络的阻抗和高音单元的阻抗基本保持一致，分频点不会有大的变化。曲线已经有点样子了，但1k-2k有点隆起，12k以上则有点上翘。先对高音网络进行一下调整，根据经验把R36改为5欧，R37取消（设为0，即undef.）。这是种非常规的衰减高音灵敏度的方式，因为改变了分频电路的负载阻抗（变成了高音单元和5欧电阻的串联电路），会导致分频点变低。高音段已经平直多了，但上一步的修改使得-3db频率已经低于2kHz了，合成曲线的1k-3kHz更加隆起。没关系，把高音的分频点提高一点就行了，下图是分频点取为3200Hz后的合成频率响应曲线（实际-3db频率约在2500Hz）。高音网络调整得差不多了，接着对低音网络进行一下调整。从曲线上看，需要降低分频器的Q值，方法是增大L11。把L11增大到1.2mh，看看下面的频响曲线：这个样子就已经很不错了，实际分频点约在2.1KHz，如果精益求精的话，还可以再做一些微调。因为很早就把补偿网络直接焊接在单元上了，所以后来的测试数据就没有对未加补偿的单元进行。这里补几张阻抗补偿前后的对比图片。下图是VifaC17的原始阻抗曲线：这是加了Zobel补偿后的模拟曲线，单元上并联了R+C电路，R、C数值根据公式计算，R=7.13欧，C=13.49μ。大家留心的话，会发现Zobel网络的计算公式有好几种，这就说明R、C实际上都有一定的取值范围，并不唯一。模拟一下就能看出数值调整对阻抗曲线的影响。因为按上面用公式计算出的值来找元件的话很麻烦，所以实际用的值是R=10欧，C=10μ，阻抗曲线如下图所示。简单来说，Q值（品质因素）是一个反映分频滤波器在分频点附近的频率响应（当然也包括相位响应）曲线形状的物理量，和分频器的阶数无关，和音箱的Q值是一个概念。Q=0.707时，对应Butterworth响应，是分频器设计中最常用的一种目标响应。在通带内有很平坦的幅频特性，略有非线性相位响应，对阶跃函数有过冲和振铃现象，过渡区衰减比下面两种滤波器陡峭。但在用于二阶、四阶等偶数阶分频滤波时，合成频率响应在分频点会有3db的隆起。Q=0.577时，对应Bessel响应，有很好的线性相位特性，对阶跃函数过冲极小，有最小的时间延迟特性。Q=0.5时，对应Linkwitz-Riley响应。这种响应用于偶数阶滤波时，可以在分频点得到平坦的合成频率响应。上述目标响应均可用于分频器设计，但在实际使用中，由于存在扬声器固有响应曲线和阻抗曲线不平坦等因素，必须对根据理论计算出的分频网络数值进行一些调整，也就是调整分频网络的Q值。但一定要避免使Q值过高或过低，否则即使合成的频率响应平坦，声音效果也会劣化