Garso signalo filtravimas paaiškintas: pasyvūs ir aktyvūs metodai

Garso filtrų supratimas yra būtinas norint projektuoti sistemas, turinčias tikslų garso valdymą.Šie filtrai modifikuoja dažnio kiekį, kad pagerintų aiškumą, sumažintų triukšmą ir pritaikytų tonines charakteristikas.Nuo aukšto pralaidumo iki visų tipų visų tipų kiekvienas vaidina unikalų vaidmenį formuojant garso signalus.Praktinės programos apima namų garsą, tiesioginį garsą ir radijo ryšį.Šis straipsnis suskaido filtro elgseną, grandinės struktūrą ir realaus pasaulio projektavimo strategijas, siūlydamas inžinieriams išsamias rekomendacijas, kaip pasirinkti ir įgyvendinti tinkamą filtrą, kad būtų galima optimaliai garso našumui.

Katalogas

1 paveikslas: Garso sistemos blokinė schema

Įsigykite į garso filtrus

Garso filtras tarnauja kaip sudėtinga elektroninė grandinė, kuri manipuliuoja signalo dažniu, padidindama arba sušvelnindama tam tikrus dažnius, kad pasiektų norimų garso rezultatų.Šios modifikacijos yra būtinos norint išvalyti nepageidaujamus garsus ir padidinti garso kokybę.Filtrai vaidina pagrindinį vaidmenį ryšių sistemose ir elektronikoje, daro didelę įtaką garso išvestims ir padidindami aiškumą.

Garso filtrų veislės

Garso filtrai suskirstomi į skirtingas kategorijas, atsižvelgiant į jų dažnio atsako bruožus.

-Žemų dažnių filtrai palengvina dažnių praėjimą žemiau nustatyto taško, tuo pačiu sumažinant aukštesnius dažnius, paprastai naudojamus, kad būtų sumažintos aukšto dažnio trikdžiai atliekant garso užduotis.

- Aukšto pralaidumo filtrai leidžia per didesnius dažnius, slopindami mažesnius, esminius, mažinant grįžtamąjį ryšį ir riksmą.

- juostų ir pratimų filtrai nukreipiami į konkrečias dažnių juostas, tobulinant atitinkamus signalus ir yra paplitę radijo ryšiuose.

- „Band-Stop“ filtrai arba „Notch“ filtrai pašalina tikslius nepageidaujamus dažnius, tokius kaip garsus 60Hz HUM dėl elektros sutrikimų, stiprinant garso sistemas.

Veikiantys žemo dažnio filtrai

Žemų pralaidų filtrai mato plačiai naudojimą įvairiose aplinkose.Pavyzdžiui, namų garso sąrankose jie reguliuoja boso išvestį, kad išlaikytų harmoningą garsą, filtruodami aukšto dažnio chaosą, kuris gali iškreipti aiškumą.Tiesioginis garso profesionalai taiko šiuos filtrus garso sklaidos kanalams patikslinti, užtikrindami nesugadintą klausymo patirtį.

Aukšto pralaidumo filtrai visuose scenarijuose

Aukšto pralaidumo filtrai „Excel“ yra tiesioginio garso scenarijai, kai žaidžiami keli mikrofonai, labai svarbūs dėl grįžtamojo ryšio ir „Rumble“ ribojimo.Jie taip pat yra neatsiejama mikrofono schema, kad būtų galima kovoti su žemo dažnio trikdžiais, tokiais kaip vėjo triukšmas, išlaikantis vokalinį aiškumą.

Specializuotas juostų ir „Band-Stop“ filtrų naudojimas

Grupės pralaidumo filtrai yra būtini izoliuojant dažnių juostas radijo ryšyje, sustiprindami pasirinktus signalus, tuo pačiu slopindami kitus.Kita vertus, „Notch“ filtrai yra tinkami pašalinti tikslinius dažnius, tokius kaip nuolatinis 60Hz elektrinis HUM, taip padidindami sistemų garso kokybę.

Išsamus filtrų veislių tyrimas

Filtrų struktūriniai ir dažnio bruožai

Filtrus galima atpažinti pagal jų dizainą ir tai, kaip jie tvarko skirtingus dažnius.Struktūriškai yra dvi pagrindinės kategorijos: pasyvūs ir aktyvūs filtrai.Pasyvius filtrus sudaro tokie elementai kaip rezistoriai ir kondensatoriai, veikiantys be išorinių galios šaltinių.Kita vertus, aktyvūs filtrai naudoja tranzistorius ir eksploatacinius stiprintuvus, reikalaujančius nuolatinės srovės energijos šaltinio, tuo pačiu užtikrinant padidėjusį universalumą ir našumą įvairiose programose, o tai gali sukelti žmogaus norą efektyviai ir kompetencijai.

Dažnio atsakas ir funkcionalumas

Filtrų tipai taip pat skiriasi savo dažnio atsako galimybėmis, kiekvienoje išskirtiniuose tikslais apžvelgiami konkretūs dažnio diapazonai.PASS juosta reiškia dažnių diapazoną, kuriame išėjimo įtampa ar galia yra optimali, o šios sąvokos supratimas gali sukelti smalsumo ir atradimo jausmą.Aukšto pralaidumo filtrai įgalina dažnius virš tam tikro slenksčio, kad būtų galima sumažinti, mažindami mažesnius dažnius.Ir atvirkščiai, žemų dažnių filtrai leidžia praeiti mažesni dažniai, ribojantys aukštesnius.

Be to, juostos pralaidumo filtrai leidžia praeiti tam tikrame diapazono dažniuose, silpnindami dažnius už šio laikotarpio ribų.Juostos ir stopon filtrai arba „Notch“ filtrai slopina dažnius tam tikrame diapazone, idealiai tinkamai pašalinti nepageidaujamą triukšmą.„All-Pers“ filtrai palaiko nuoseklią amplitudę tarp dažnių, o ne daugiausia dėmesio skiria skirtingoms fazės ryšiams, siūlant rafinuotumo ir valdymo sluoksnį manipuliuojant signalais.

Filtrai pagal dažnio atsaką

Filtrai gali būti sugrupuoti atsižvelgiant į tai, kaip jie reaguoja į skirtingus dažnius.Spektro skyrius, kurį filtras leidžia praeiti per mažai arba visai neslopinant, yra vadinama „Passband“.Šis regionas yra ten, kur išėjimo įtampa ar galia išlieka palyginti aukšta dažnio atsako kreivėje.

Praktine prasme filtrus galima nustatyti pagal kokį dažnių diapazoną jie leidžia ir kuriuos slopina.Tai apima:

Aukšto praėjimo garso filtras

Aukšto pralaidumo filtras leidžia praeiti signalus, viršijančius tam tikrą ribinį dažnį, ir sumažina žemiau esančių tų, kurie yra žemiau, amplitudę.Ribos taškas paprastai apibrėžiamas ten, kur išėjimo įtampa sumažėja iki 70,7% (arba -3 dB) maksimalios praėjimo juostos vertės.

2 paveikslas: Šiame paveikslėlyje parodytas aukšto pralaidumo garso filtro dažnio atsakas

Atsakymo kreivėje pastebėsite, kad signalai, esantys šiek tiek žemiau ribos, nėra visiškai užblokuoti - jie vis tiek praeina, bet su mažesne padidėjimu.Šis laipsniškas kritimas dažnai vadinamas „riedėjimo“ arba „riedėjimo“ regionu.Realiose grandinėse toks elgesys lemia minkštą filtravimo kraštą, o ne aštrų ribą.

Žemo pralaidumo filtras

Žemų pralaidų filtrai veikia priešingai.Jie perduoda signalus žemiau ribinio dažnio ir sumažina juos virš jo.

3 paveikslas: Šis paveikslas parodo žemo dažnio garso filtro dažnio atsaką

Vėlgi, visiškas silpnėjimas įvyksta tiksliai esant ribai.Aukštesni dažniai palaipsniui susilpnėja, o kai kurie signalai vis tiek gali nutekėti žemu lygiu.Į šį nuolydį reikia atsižvelgti kuriant filtrus, kad būtų užtikrinta garso aiškumas ar garsiakalbių apsauga.

Juostos pralaidumo filtras

Juostos pralaidumo filtras leidžia praeiti tik tam tikrą dažnių juostą.Jis turi du ribinius taškus - vieną žemoje pusėje ir vieną aukštyje.Signalai, esantys už šio diapazono ribų, yra visiškai sumažinami arba užblokuojami.

4 paveikslas: Šiame paveikslėlyje parodytas „S juostos“ garso filtro dažnio atsakas

Koreguodami tokius filtrus, turėsite apibrėžti tiek centrinį dažnį (paprastai ten, kur išėjimas yra stipriausias), tiek pralaidumą (diapazonas tarp apatinio ir viršutinio ribinio dažnio).

„Band-stop“ ir „Notch“ filtrai

„Band-stop“ filtrai pašalina konkretų dažnių diapazoną, eidami signalus iš abiejų pusių.„Notch“ filtras yra siauros juostos versija, skirta pašalinti specifinį, dažnai probleminį, dažnį, pavyzdžiui, 60 Hz HUM garso sistemose.

Šie filtrai yra naudingi praktiniame garso darbe, kai būtina pašalinti trukdžius, nepaveikdami likusio signalo.„Notch“ filtrai turi aukštą „Q“ (kokybės koeficientą), tai reiškia, kad jie smarkiai sušvelnina tik siaurą diapazoną.

Visų pralaidų filtras

Visų pralaidų filtrai leidžia praeiti visus dažnius, tačiau jie įveda fazių poslinkius tarp jų.Šie filtrai nenaudojami tam tikriems signalams blokuoti ar perduoti, o norint ištaisyti laiko derinimus sudėtingose ​​garso sistemose.

5 paveikslas: Šiame paveikslėlyje parodytas SLL-Pass garso filtro fazės pasikeitusio dažnio atsakas

Suderindami visų pralaidų filtrą, stebėsite fazių skirtumus tarp dažnio komponentų.Jie turi būti atidžiai sureguliuoti, kad būtų išvengta fazės atšaukimo artefaktų stereo sistemose.

Išlyginimo filtrai

Šie filtrai nevisiškai praeina ar blokuoja konkrečius dažnius.Vietoj to, jie padidina ar sumažina padidėjimą priklausomai nuo dažnio.Jie yra plačiai naudojami muzikos sistemose, siekiant sureguliuoti tonalinį pusiausvyrą ir ištaisyti akustinę reakciją.

Klasifikacija pagal struktūrą

Filtrai taip pat klasifikuojami pagal tai, ar jiems reikalinga galia ir amplifikacija.Kiekvienas iš jų gali būti aukšto, žemo pralaidumo, juostos ir grupės-stop:

Pasyvus aukšto praėjimo filtras

Šis filtras naudoja rezistorių ir kondensatorių.Kondensatorius blokuoja žemus dažnius, o rezistorius leidžia tęsti aukštesnius.Praktiškai pagrindinę formą sudaro kondensatorius iš eilės su įvesties signalu, po kurio seka rezistorius į žemę.

6 paveikslas: Pirmosios eilės pasyvaus aukšto pralaidumo garso filtro grandinės schema

Ribinis dažnis:

fₕ = 1 / (2πrc)

Koreguodami rezistoriaus ir kondensatoriaus vertes, galite sureguliuoti filtrą, kad blokuotumėte dažnius žemiau pasirinkto taško.Pavyzdžiui, kai r = 10 kΩ ir c = 0,1 µF, ribinė dalis yra apie 160 Hz.Aukščiau esantys dažniai bus perduoti kitam etapui, paprastai garso sistemų tviteriui.

Pasyvūs filtrai yra paprasti, nereikalauja galios ir yra kompaktiški.Tačiau jie negali sustiprinti signalo, o naudodamiesi induktoriais jie daro didelius ir brangius.

Aktyvus aukšto pralaidumo filtras

Tai remiasi pasyviu tipu, pridedant op-amp.OP-AMP yra prijungtas po RC etapo, paprastai neįvertinamos konfigūracijos.

7 paveikslas: Pirmosios eilės aktyvaus garso filtro grandinės schema

OP-AMP suteikia padidėjimą, leidžiantį išėjimo signalą būti stipresnis ir mažiau paveiktas triukšmo.Didelė jo įvesties varža taip pat apsaugo nuo šaltinio pakrovimo, išsaugodamas signalo formą.

Tačiau tokiems filtrams reikalingas nuolatinės srovės maitinimo šaltinis, kad būtų galima pakreipti ir esant ribotam pralaidumui dėl paties OP-AMP dažnio atsako.

Pasyvus žemųjų dažnių filtras

Naudoja RC arba RL tinklus.Kondensatorius (arba induktorius) yra išdėstytas taip, kad jis nustumtų aukštesnio dažnio signalus į žemę, eidami į žemus dažnius.

8 paveikslas: Pirmosios eilės pasyvaus žemo dažnio garso filtro grandinės schema

Ribinis dažnis:

fₗ = 1 / (2πrc)

Šie filtrai yra naudingi siunčiant žemo dažnio signalus garsiakalbiams.Jie nereikalauja energijos ir siūlo tiesioginį dizainą, nors vėlgi, amplifikacija nėra.

Aktyvus žemo dažnio filtras

Sujunkite pasyvų RC filtravimą su OP-AMP, kad gautumėte.OP-AMP padidina žemus dažnius, tuo pačiu atmesdamas aukštesnius.

Šie filtrai yra naudingi, kai prieš siunčiant juos į maitinimo etapus ar garsiakalbius, reikia išsaugoti ar sustiprinti silpnus signalus.Tačiau jiems reikalingas maitinimo šaltinis ir kenčia nuo OP-AMP pralaidumo apribojimų.

Pasyvus juostos pralaidumo filtras

Tai sujungia aukšto ir žemo dažnio filtrą.Gauta išvestis yra persidengimas - dažniai, patenkantys tarp abiejų filtrų perdavimų.

9 paveikslas: Pirmosios eilės pasyvaus juostos dažnio garso filtro grandinės schema

Apatinė riba yra iš aukšto pralaidumo skyriaus;Viršutinė riba yra iš žemo praėjimo.Leidžiami tik dažniai tarp jų.Šie filtrai dažnai naudojami vidutinio nuotolio garsiakalbiams, tačiau dėl komponentų skaičiaus gali tapti dideli.

Aktyvus juostos pralaidumo filtras

Ta pati koncepcija kaip pasyvi versija, tačiau apima OP-AMPS arba tranzistoriaus scenas, kad būtų galima sustiprinti norimą dažnių juostą.OP-AMP pralaidumas turi atitikti filtro tikslinį diapazoną, kad būtų galima optimaliai našumui.

Pasyvus juostos stotelės filtras

Sukurtas iš RLC tinklų, paprastai su lygiagrečia LC grandine per rezistorių.Ši konfigūracija smarkiai susilpnina siaurą juostą ir praeina visus kitus dažnius.

10 paveikslas: Pirmosios eilės pasyvaus juostos stotelės garso filtro grandinės schema

Iš esmės tai yra aukšto pralaidumo ir žemo dažnio filtro derinys, kuriame jų sustojimo juostos sutampa.Šie filtrai taip pat vadinami „T-Notch“ arba juostos reject filtrais.

Aktyvus juostos stotelės filtras

Apima amplifikaciją po pasyvaus skyriaus, kad būtų galima atkurti signalo stiprumą leidžiamuose dažnio diapazonuose.Vėlgi, OP-AMP pralaidumas turi būti tinkamas filtruotam spektrui.

11 paveikslas: Aktyvus juostos stotelės filtras