一種音響系統(tǒng)中電子三分頻濾波器的設計方法

3 基于巴特沃斯濾波器的音響三分頻的創(chuàng)新設計方法

　　通過上面的討論可知，我們所希望的分頻器，它們幅頻特性疊加后應該是總體平坦的一條線，即在高中低三個頻段內的幅度大小基本相同。同時，在特性曲線交叉區(qū)域，兩個通道里會輸出同一個頻率的信號，那么它們之間的相位應該是相同的，如果兩個分頻點比較靠近，有時候甚至會出現(xiàn)一個信號同時出現(xiàn)在三個通道里，那么它們之間的相位也應該是相同的。

　　設計思路：為了相位一致性,選兩級不同參數(shù)的巴特沃斯濾波器串聯(lián)，如圖10所示，在低頻通道中，先設計1kHz的低通濾波器，后面再串聯(lián)一級4kHz的低通濾波器，顯然1kHz低通是真正起作用的低通濾波器。4kHz低通在此起什么作用呢?因為后面兩個通道里設有4kHz的低通及高通濾波器，故這里再串聯(lián)一級看起來“多余”的濾波器，完全是為了通道之間輸出同一個交叉信號時，保證他們之間相位的一致性而設置的。

　　從圖10的設計思路中可以看出，每個通道都由兩級巴特沃斯基礎濾波器串聯(lián)而成，前級分頻點是1kHz，后級分頻點是4kHz，這樣做的目的是解決相位問題。另外為了解決三個特性曲線疊加后整體曲線趨于平坦。每一級又用完全相同的兩級濾波器串聯(lián)，因為這樣處理以后，幅頻特性趨于一條直線，性能非常好。

　　幅頻特性基本是一條平坦的直線，到了高頻端略有下降，從曲線形狀可以預測，真正使用中通過高音音量電位器的衰減與提升，可以彌補高頻段幅度略降及缺陷。

　　相頻特性中，粗實線為高頻相位曲線，左邊細實線為中頻曲線，它與高頻通道出現(xiàn)相位不同時兩者的幅度均已衰減到零了，所以不影響性能。右邊細實線為低頻曲線，自然它與高頻通道相位不一致時，幅度也早已衰減為0了。下面給出f₁=500Hz及f₂=4kHz時三通道輸出的波形。

4 元器件參數(shù)別的選擇

　　上述電路參數(shù)及性能分析是純理論的，也是理想化的，那么實際制作過程如何實現(xiàn)呢?電容量一般選取常用的系列值，而電阻值就不行了，相關書籍在介紹電阻值的選取時說，先按理論計算，之后盡量向系列之靠近。這樣的方法用于設計其它用途濾波器是可以的。但是本文討論的是4階濾波器，要求分頻點要盡量準確。假如設計低通時偏大了些，設計高通時偏小了些，這一大一小的誤差造成兩個通道不在一個分頻點上，它們輸出同一信號時的相位就彼此錯開了，即(φ1-φ2)或者(φ2-φ3)不等于零，這樣的設計即為失敗的。因此為提高電阻的阻值精度，可以用固定電阻再串聯(lián)可調電位器的方法。比如13.452歐姆可近似為13.45歐姆，用12歐姆的固定電阻，串聯(lián)一個2K高精度的可調電位器就可以解決。當然增加了制作或者生產的成本，但是與其所帶來的音質的提高相比較，這樣的付出是值得的。

5 結語

　　高保真音響系統(tǒng)中的三分頻器，在進行幅度分頻的同時要保證相位不會產生錯位，直接用巴特沃斯濾波器是不夠完美的，應該在巴特沃斯濾波器的基礎上，對濾波器電路進行再設計與組合，力求達到最佳結果。本篇文章推出了一種設計方法，用戶可以輕松設計出理想的前級電子分頻器的特性曲線。通過這些措施，使得音頻信號從信號源到揚聲器之間的通道中既不產生幅度失真也不產生相位失真，這樣的音響系統(tǒng)才真正接近高保真。

參考文獻：

　　[1]Ray Alden. 揚聲器系統(tǒng)設計與制作進階[M].北京：人民郵電出版社，2013

　　[2]Douglas Self. 音頻功率放大器設計手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009

　　[3]劉南平.電子產品設計與制作技術[M].北京：科學出版社，2009

　　[4]李新平.實用電子技術與仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003

　　[5]王興亮, 洪琪, 達新宇, 欒華東. 現(xiàn)代音響與調音技術[M].西安：西安電子科技大學出版社,2002

　　[6]電子報合訂本[M].成都：電子科技大學出版社,2001

　　[7]D.E約翰遜，J.L希爾伯恩.有源濾波器的快速實用設計[M].北京：人民郵電出版社，1986.