一種音響系統(tǒng)中電子三分頻濾波器的設(shè)計方法

摘要：音樂信號頻率覆蓋了20Hz到20kHz的范圍，音響系統(tǒng)為高質(zhì)量的還原音樂信息，一般將其分為高、低兩個頻率段或高、中、低三個頻率段后，分別送給兩分頻音箱或三分頻音箱去重放。如果分頻器位于功率放大器之前，我們稱之為電子分頻系統(tǒng);如果分頻器在功率放大器之后，我們稱之為功率分頻系統(tǒng)，電子分頻系統(tǒng)成本雖高然而音質(zhì)更佳。本文所介紹是，在巴特沃斯濾波器的基礎(chǔ)上，找到一種前級電子三分頻器電路的設(shè)計方法，經(jīng)過仿真、實物驗證，這種方法設(shè)計的分頻器，在濾波器的交叉區(qū)域，同一個音樂頻率在通過高、中、低三個濾波器之后的時間延遲是一樣的，即相位延遲大小一樣，提高了保真度，且高、中、低幅頻特性疊加后基本上是一條直線，幅頻特性優(yōu)良。

1 理想的三分頻電路特性曲線

　　假設(shè)信號源輸入相同幅度而不同頻率的交流信號，經(jīng)過電子分頻電路后，分為高頻段μ1∠φ1、中頻段μ2∠φ2及低頻段μ3∠φ3，如圖1、圖2所示。理想的幅頻特性，三通道信號疊加后在每個頻率點上，(μ1+μ2+μ3)的大小應(yīng)該是一樣的，如圖3所示，否則就產(chǎn)生了幅度失真。相頻特性，從圖1、圖2可以看出，分頻點附近的同一個信號，在兩個通道里(有時候甚至三個通道里)都有輸出，顯然它們之間的相位應(yīng)該一致。即三個通道輸出信號初相之差(φ1-φ2)及(φ2-φ3)應(yīng)該是0，如圖4所示，否則它們之間產(chǎn)生了相位錯位，喇叭紙盆推動空氣產(chǎn)生的聲波也會相互錯位甚至抵消，而原本它們是同一個信號，所以從某種程度上講，這也是一種相位失真。

2 一般意義上的分頻器

　　分頻器電路種類繁多，有以模擬電路為基礎(chǔ)的，也有以數(shù)字技術(shù)為核心的。巴特沃斯濾波器就是一種被廣泛使用的模擬電路。本文以1kHz-4kHz為例，用常用的兩種辦法按巴特沃斯濾波器來設(shè)計三分頻電路。

　　第一種方法，先把信號按1kHz分為高、低兩個頻率段，之后再把高頻段按4kHz分為中、低兩個頻段，這樣就完成了三分頻的任務(wù)。

　　在圖6的幅頻曲線中，粗線為三個通道幅頻曲線的疊加結(jié)果，細實線分別為高、中、低三個頻段的幅頻特性。從圖6可知疊加后的曲線不平坦，如果嘗試用音量電位器將任意一個頻率段的幅度衰減，疊加后的結(jié)果仍然不好。再看相頻特性，粗實線為高頻特性，它和中頻相位特性曲線基本重合，但是低音頻率段的相位特性與中、高頻率段在重疊區(qū)就不同了。例如圖6中可以看出，中、低音交叉區(qū)同一個信號經(jīng)過兩個通道后它們之間的相位是不同的，圖7是2kHz信號經(jīng)過低、中兩個通道后的波形圖。

　　第二種方法，就是1kHz低通，4kHz高通，1k-4k帶通分別設(shè)計。圖8是電路圖，圖9是特性曲線。顯然它們的幅頻特性和通道之間的相位關(guān)系都不能滿足高保真的要求。