Αν ασχολείστε με την κατασκευή ηχείων, σίγουρα θα έχετε βρεθεί αντιμέτωποι με το δυσεπίλυτο πρόβλημα του υπολογισμού και της κατασκευής των φίλτρων διαχωρισμού συχνοτήτων ή αλλιώς γνωστότερα και ως φίλτρα crossover. Ανατρέχοντας σε εγχειρίδια για υπολογισμούς των στοιχείων των συγκεκριμένων φίλτρων, θα έχετε παρατηρήσει ότι υπάρχουν πολύπλοκες εξισώσεις σχεδιασμού που απαιτούν πολλούς και δύσκολους υπολογισμούς. Προκειμένου να απλοποιήσουμε τα πράγματα και να σας διευκολύνουμε, σχεδιάσαμε ορισμένα απλά πρότυπα φίλτρα crossover 2 και 3ων δρόμων, κατάλληλα για ηχεία 4 ή 8 Ωμ με κλίση 12 ή 18db ανά οκτάβα, για να τα χρησιμοποιήσετε σε οποιοδήποτε ηχείο κατασκευάσετε. Τα φίλτρα μας συνοδεύονται από απλές «συνταγές» υπολογισμού που θα σας βοηθήσουν να τα προσαρμόσετε επακριβώς στις ανάγκες σας.

Τα πρότυπα και οι απλοποιημένες εξισώσεις σχεδιασμού που παραθέτουμε παρακάτω αφορούν αποκλειστικά το σχεδιασμό φίλτρων διαχωρισμού συχνοτήτων τύπου Butterworth. Η επιλογή του συγκεκριμένου τύπου έγινε διότι τα φίλτρα Butterworth εισάγουν ελάχιστη μετατόπιση φάσης και επιπλέον παρουσιάζουν σταθερή απόκριση – δίχως κυμάτωση – εντός της ζώνης διέλευσής τους.

Ανατρέχοντας στα σχηματικά των προτύπων θα διαπιστώσετε ότι αυτά είναι πανομοιότυπα με πολλά σχηματικά φίλτρων διαχωρισμού που πιθανότατα έχετε συναντήσει στη βιβλιογραφία. Η επιλογή των τιμών των εξαρτημάτων είναι αυτή που τους προσδίδει τον τύπο (Butterworth στην περίπτωση μας) και τα ιδιαίτερά τους χαρακτηριστικά (περιοχή συχνοτήτων – αντίσταση εισόδου, εξόδου).

Προτού περάσουμε στο σχεδιασμό θα αναφέρουμε κάποια εισαγωγικά στοιχεία για τα φίλτρα διαχωρισμού συχνοτήτων (φίλτρα cross-over) που πιθανότατα θα φανούν αρκετά χρήσιμα γι αυτούς που ενδεχομένως είναι νέοι χομπίστες – ηλεκτρονικοί ή έχουν απορίες σχετικά με τα συγκεκριμένα φίλτρα και τη χρήση τους.

Γιατί χρειαζόμαστε φίλτρα διαχωρισμού;

Οι ακουστικές συχνότητες, δηλαδή οι συχνότητες που μπορούν να γίνουν αντιληπτές από τους ανθρώπους και που αναπαράγονται από συστήματα υψηλής πιστότητας (Hi-Fi) εκτείνονται σε ένα αρκετά μεγάλο φάσμα. Στην πράξη, τα ηχοσυστήματα αναπαράγουν ή επεξεργάζονται συχνότητες ξεκινώντας από το ελάχιστο όριο των 15-20Hz και μπορούν να φθάσουν στο ανώτατο όριο των 20000 με 25000 Hz. Είναι γεγονός ότι ο μέσος ενήλικας μπορεί να ακούσει απλούς ήχους (τόνους μίας συχνότητας) έως περίπου τα 15000Hz (15ΚΗz) και δεν αντιλαμβάνεται απλούς ήχους υψηλότερης συχνότητας (οι δύσπιστοι μπορούν να κάνουν  το τεστ με μία γεννήτρια συχνοτήτων). Γι αυτό ίσως φαίνεται παράδοξο που τα συστήματα ήχου υψηλής πιστότητας αναπαράγουν έως τα 20 ή 25KHz. Όμως, υπάρχει λόγος που γίνεται αυτό. Παραδόξως, ενώ δεν μπορούμε να αντιληφθούμε τους απλούς ήχους πολύ υψηλών συχνοτήτων (πρακτικά πάνω από τα 15KHz), μπορούμε και αντιλαμβανόμαστε και τις πολύ υψηλές συχνότητες όταν αυτές είναι μέρος σύνθετων ήχων, δηλαδή όταν συνοδεύονται κι από ήχους χαμηλότερων συχνοτήτων ή είναι αρμονικές αυτών και είναι αυτές οι υψηλές συχνότητες που προσδίδουν την ιδιαίτερη χροιά του ήχου.

Για να ακουστούν όλες αυτές οι συχνότητες, ακόμη και αν έχουμε τέλειο ηλεκτρονικό εξοπλισμό, θα πρέπει το ηλεκτρικό ακουστικό σήμα από την έξοδο του ενισχυτή μας να εφαρμοστεί σε μεγάφωνα που θα μετατρέψουν όλες αυτές τις συχνότητες του σήματος σε μηχανικές δονήσεις (ηχητικές δονήσεις). Τα μεγάφωνα θα πρέπει να κάνουν τέλεια μετατροπή, δηλαδή να αποκρίνονται το ίδιο σε όλες τις συχνότητες. Στην πράξη όμως κανένα μεγάφωνο από μόνο του δεν μπορεί να ανταποκριθεί εξίσου καλά σε όλο το φάσμα των ακουστικών συχνοτήτων. Το γούφερ (woofer) το οποίο είναι ένα μεγάφωνο με μεγάλο κώνο, κατορθώνει να αναπαράγει πιστά μόνο τις χαμηλότερες συχνότητες από το ακουστικό φάσμα (τα μπάσα) και δεν αποκρίνεται καλά έως καθόλου σε υψηλές συχνότητες. Τα μεγάφωνα που έχουν μέσο μέγεθος κώνου (midranges) αποκρίνονται σωστά σε συχνότητες που βρίσκονται περίπου στο μέσο του ακουστικού φάσματος και δεν αποκρίνονται καλά ούτε στα μπάσα αλλά ούτε και στις πολύ υψηλές συχνότητες (πρίμα). Απεναντίας, το tweeter που είναι ένα σχετικά μικρό σε μέγεθος μεγάφωνο μπορεί και αναπαράγει σωστά τις υψηλές συχνότητες (πρίμα) αλλά δεν αποκρίνεται καλά στις μεσαίες και καθόλου στα μπάσα.

Ο μόνος τρόπος για να αναπαράγουμε πιστά όλο το ακουστικό φάσμα είναι να χρησιμοποιήσουμε περισσότερα από ένα μεγάφωνα. Συνήθως χρησιμοποιούμε δύο ή τρία μεγάφωνα. Για τέλεια αναπαραγωγή χρησιμοποιούμε ένα woofer, ένα μεγάφωνο μεσαίων (midrange) και ένα twitter. Για να αποδίδει σωστά το κάθε μεγάφωνο και για να μην προκαλούνται ανεπιθύμητα φαινόμενα παραμόρφωσης, θα πρέπει σε κάθε μεγάφωνο να αποστέλλονται μόνο οι συχνότητες στις οποίες αυτό ανταποκρίνεται σωστά και μόνο αυτές. Ο ρόλος του φίλτρου cross-over έγκειται ακριβώς σε αυτό το σημείο, δηλαδή το φίλτρο διαχωρίζει τις συχνότητες του σήματος από την έξοδο του ενισχυτή σε μπάσα, μεσαίες και πρίμα και αποστέλλει ξεχωριστά τα διαφορετικά φάσματα σε κάθε αντίστοιχο ηχείο.

Γιατί να κάνουμε διαχωρισμό συχνοτήτων;

Στο σημείο αυτό ίσως κάποιος αναρωτηθεί γιατί να κάνουμε διαχωρισμό συχνοτήτων και γιατί δεν συνδέουμε απλώς το woofer, το midrange και το tweeter παράλληλα μεταξύ τους στην έξοδο του ενισχυτή; Ούτως ή άλλως το κάθε ηχείο είναι ένα φίλτρο από μόνο του και θα αναπαράγει καλά την αντίστοιχη περιοχή συχνοτήτων για την οποία έχει φτιαχτεί. Η σκέψη μοιάζει λογική εκ πρώτης όψεως δεδομένου ότι κάθε ηχείο ανταποκρίνεται καλά σε διαφορετικό φάσμα. Υπάρχουν όμως κάποιες μικρές λεπτομέρειες: Στο φάσμα που δεν ανταποκρίνεται καλά το εκάστοτε ηχείο δεν σημαίνει ότι δεν αναπαράγει καθόλου τις συγκεκριμένες συχνότητες αλλά ενδέχεται να τις αναπαράγει παραμορφωμένες και αυτή την παραμόρφωση σίγουρα κανένας δεν επιθυμεί να την ακούσει! Επίσης, επιθυμούμε όλες οι συχνότητες να αναπαράγονται με την ίδια ένταση (ισχύ) και δεν μπορούμε να το επιτύχουμε αυτό με ηχεία που έχουν ανόμοια απόκριση αν απλώς τα συνδέσουμε παράλληλα.

Φίλτρα crossover 2 ή 3ων περιοχών-δρόμων;

Η επιλογή μεταξύ ενός φίλτρου διαχωρισμού 2 ή 3ων  δρόμων εξαρτάται από τον αριθμό των διαφορετικών τύπων μεγαφώνων που έχουμε στο ηχείο μας. Αν έχουμε δύο μεγάφωνα που το ένα μπορεί να αναπαράγει σωστά από τα 30 έως τα 4000Hz και το άλλο από τα 1000 έως τα 20000Hz, αντίστοιχα, τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα cross-over 2 δρόμων. Αξίζει να παρατηρήσετε ότι θα πρέπει να υπάρχει αλληλοεπικάλυψη μεταξύ των περιοχών συχνοτήτων των δύο μεγαφώνων και αυτό είναι βασικό διότι το φίλτρο διαχωρισμού δεν είναι τέλειο (έχει κάποια περιοχή μετάβασης).

Ένα φίλτρο διαχωρισμού 3ων δρόμων, ενδείκνυται να χρησιμοποιηθεί σε ένα ηχείο που έχει τρία μεγάφωνα: Ένα woofer που αποκρίνεται καλά σε συχνότητες  20 έως 1000 με 1500Hz, ένα μεγάφωνο μεσαίων που δουλεύει καλά από 600 έως 4500Hz και ένα tweeter που μπορεί να αναπαράγει τα πρίμα από 3000 έως 25000Hz.

Ηχείο 2-δρόμων - με 2 μεγάφωνα
Ένα κλασσικό ηχείο με 2 μεγάφωνα

Οι συχνότητες θλάσης

Ένα φίλτρο crossover 2 δρόμων στην πραγματικότητα αποτελείται από δύο διαφορετικά φίλτρα. Το ένα από αυτά είναι ένα χαμηλοπερατό φίλτρο (φίλτρο διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων) το οποίο μεταφέρει προς το woofer όλες τις χαμηλές συχνότητες έως μία συγκεκριμένη τιμή συχνότητας που ονομάζεται συχνότητα θλάσης ή συχνότητα αποκοπής του χαμηλοπερατού φίλτρου. Το δεύτερο φίλτρο είναι ένα υψηλοπερατό φίλτρο (φίλτρο διέλευσης υψηλών συχνοτήτων) το οποίο μεταφέρει προς το μεγάφωνο των υψηλών συχνοτήτων όλες τις συχνότητες που είναι μεγαλύτερες από μία συγκεκριμένη τιμή συχνότητας που ονομάζεται συχνότητα θλάσης ή συχνότητα αποκοπής του υψηπερατού φίλτρου. Όλες οι συχνότητες που είναι μεγαλύτερες από τη συχνότητα θλάσης του χαμηλοπερατού φίλτρου αποσβένονται σταδιακά από το χαμηλοπερατό φίλτρο. Και τονίζουμε τη λέξη «σταδιακά» διότι κανένα φίλτρο δεν είναι ιδανικό αλλά πρακτικά παρουσιάζει τη λεγόμενη περιοχή μετάβασης που είναι μία περιοχή συχνοτήτων που εκτείνεται πρακτικά από τη συχνότητα θλάσης έως και μία συχνότητα που από εκεί και πλέον θεωρούμε ότι έχουμε επαρκή εξασθένιση. Αντίστοιχα, όλες οι συχνότητες που είναι μικρότερες από τη συχνότητα θλάσης του υψηπερατού φίλτρου, αποσβένονται επίσης σταδιακά από το υψηπερατό φίλτρο.

Συχνότητα θλάσης σε crossover 2 δρόμων
Διάγραμμα 1. Σε φίλτρο crossover 2 δρόμων ορίζεται μία συχνότητα θλάσης

Σε αυτό το σημείο μπορεί κάποιος να παρατηρήσει ότι αφού η εξασθένιση σε ένα πραγματικό φίλτρο δεν είναι απότομη αλλά σταδιακή, υπάρχει μία ασάφεια σχετικά με το ποια είναι ακριβώς η συχνότητα θλάσης για την οποία αρχίζει να υφίσταται η εξασθένιση. Η απροσδιοριστία αίρεται επιλέγοντας ως συχνότητα θλάσης τη λεγόμενη συχνότητα μισής ισχύος (ή αλλιώς συχνότητα -3db) που είναι η συχνότητα εκείνη στην οποία η εξασθένιση του φίλτρου είναι ακριβώς τόση ώστε να αποκόπτεται ακριβώς η μισή ισχύς ( η αλλιώς να περνάει η μισή ισχύς). Αυτός είναι ο λόγος που οι συχνότητες θλάσης ονομάζονται διαφορετικά και συχνότητες μισής ισχύος.

Στο φίλτρο crossover 2 δρόμων, πρακτικά οι συχνότητες θλάσης του χαμηλοπερατού και του υψηπερατού φίλτρου ταυτίζονται και αυτό διότι από τη συχνότητα και πάνω για την οποία αρχίζει η εξασθένιση για το χαμηλοπερατό φίλτρο, αρχίζει πρακτικά και η διέλευση για το υψηπερατό φίλτρο. Ουσιαστικά, στην κοινή συχνότητα θλάσης οι αποκρίσεις των δύο φίλτρων τέμνονται και αυτό φαίνεται αναλυτικά στο διάγραμμα 1. Σε ένα τυπικό φίλτρο crossover 2 δρόμων, η κοινή συχνότητα θλάσης των δυο επιμέρους φίλτρων που το απαρτίζουν επιλέγεται συνήθως στην περιοχή μεταξύ 2.000 και 3.000 Hz.

Απόκριση crossover 3ων δρόμων
Διάγραμμα 2. Σε φίλτρο crossover 3 δρόμων ορίζονται δύο συχνότητες θλάσης

Σε ένα φίλτρο crossover 3ων δρόμων έχουμε 3 διαφορετικά φίλτρα. Το ένα από αυτά είναι χαμηλοπερατό και αφήνει τις χαμηλές συχνότητες να περάσουν στο woofer. Υπάρχει ένα υψηλοπερατό που αφήνει τις υψηλές συχνότητες να περάσουν στο tweeter και υπάρχει και ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης συχνοτήτων (ζωνοπερατό - αφήνει να περάσει μια συγκεκριμένη περιοχή συχνοτήτων) για το μεγάφωνο των μεσαίων συχνοτήτων. Μπορείτε να δείτε από το διάγραμμα 2, ότι στο φίλτρο crossover 3ων δρόμων υπάρχουν πρακτικά 2 συχνότητες θλάσης. Η μια εξ’ αυτών (η χαμηλή) είναι η συχνότητα στην οποία τέμνεται η απόκριση του χαμηλοπερατού και του ζωνοπερατού φίλτρου και η δεύτερη (η υψηλή) είναι η συχνότητα στην οποία τέμνεται η απόκριση του ζωνοπερατού και του υψηλοπερατού φίλτρου. Η κατώτερη συχνότητα θλάσης επιλέγεται συνήθως ανάμεσα στα 400 με 500 Hz και η υψηλότερη συχνότητα θλάσης επιλέγεται να είναι μεταξύ 4000 - 6000 Hz.

Εξασθένιση στην περιοχή διέλευσης

Παρατηρώντας τα διαγράμματα απόκρισης 1 και 2, που εικονίζουν τις αποκρίσεις φίλτρων cross-over 2 και 3ων δρόμων αντίστοιχα, μπορείτε να δείτε ότι σε όλα τα διαγράμματα οι καμπύλες απόκρισης των επιμέρους φίλτρων (χαμηλοπερατού, υψηπερατού και ζώνοδιαβατού) τέμνονται στις συχνότητες θλάσης των -3db (συχνότητες μισής ισχύος). Στην πραγματικότητα, εμείς έχουμε επιλέξει να συμβαίνει αυτό διότι θα μπορούσαν για παράδειγμα οι καμπύλες απόκρισης των επιμέρους φίλτρων να μην τέμνονται στα σημεία μισής ισχύος αλλά σε άλλες συχνότητες (με μεγαλύτερη ή μικρότερη εξασθένιση). Η επιλογή δεν είναι τυχαία αλλά γίνεται διότι:

Σε συχνότητες του σήματος που αντιστοιχούν στις συχνότητες θλάσης, η ακουστική ισχύς σε κάθε μεγάφωνο εξασθενεί ακριβώς σε 50%. Αυτό εκ πρώτης όψεως φαίνεται να υποδηλώνει ότι οι συχνότητες θλάσης αναπαράγονται εξασθενημένες στο ήμισυ της συνολικής ισχύος τους. Αυτό είναι αλήθεια για κάθε μεγάφωνο χωριστά αλλά όχι για όλο το ηχείο. Αν δούμε συνολικά το ηχείο θα διαπιστώσουμε ότι με 50% της ισχύος από το ένα μεγάφωνο και με το 50% από το άλλο μεγάφωνο έχουμε πρακτικά το 100% της ισχύος στο αυτί του ακροατή!

Επιπλέον, αν παρατηρήσετε αναλυτικότερα τα διαγράμματα 1 και 2 θα διαπιστώσετε ότι όχι μόνο δεν υπάρχει εξασθένιση από το ηχείο στις συχνότητες μισής ισχύος αλλά δεν υπάρχει συνολική εξασθένιση και σε καμία άλλη συχνότητα. Πράγματι, αν διαλέξετε για παράδειγμα μία συχνότητα στην οποία περνάει το 30% της ισχύος σε κάποιο μεγάφωνο από το ένα φίλτρο θα διαπιστώσετε ότι στην ίδια συχνότητα το γειτονικό φίλτρο αφήνει το 70% της ισχύος να περάσει σε άλλο μεγάφωνο του ηχείου – επομένως έχουμε και πάλι 70+30=100% της ισχύος στο αυτί του ακροατή.

Ως συμπέρασμα προκύπτει ότι τα φίλτρα crossover σχεδιάζονται για ομοιόμορφη συνολική απόκριση του ηχείου σε όλη την περιοχή ακουστικών συχνοτήτων και αυτό επιτυγχάνεται επιλέγοντας τα επιμέρους φίλτρα να τέμνονται σε σημεία μισής ισχύος.

Αντιστάσεις εισόδου και εξόδου

Γνωρίζουμε ότι οι ενισχυτές ήχου αποδίδουν την ονομαστική τους ισχύ σε φορτίο συγκεκριμένης αντίστασης. Οι περισσότεροι ενισχυτές αποδίδουν τη μέγιστη ισχύ τους σε φορτίο 4 ή 8Ω και είναι τυπικά αυτές οι τιμές αντίστασης που παρουσιάζουν τα περισσότερα μεγάφωνα.

Επομένως είναι βασικό, αν χρησιμοποιήσουμε ένα φίλτρο cross-over μεταξύ του ενισχυτή και του ηχείου, να μην αλλοιώσουμε την αντίσταση του φορτίου που αντιλαμβάνεται ο ενισχυτής στην έξοδό του αλλά ούτε και την αντίσταση που αντιλαμβάνονται τα ηχεία στην είσοδο τους.  Αυτό είναι αντίστοιχο με το να πούμε ότι θα πρέπει να σχεδιάσουμε το φίλτρο cross-over για συγκεκριμένη αντίσταση εισόδου (αντίσταση ενισχυτή) και συγκεκριμένες αντιστάσεις εξόδου στα επιμέρους φίλτρα του (που θα πρέπει να είναι ίσες με τις αντιστάσεις των μεγαφώνων).

Ηχείο με 3 μεγάφωνα
Ένα κλασσικό ηχείο με 3 μεγάφωνα

Σχεδιασμός και κατασκευή

Δεν έχουμε σκοπό να αναλύσουμε θεωρητικά το σχεδιασμό μας ούτε να παρουσιάσουμε την απόδειξη των σχεδιαστικών εξισώσεων. Ο στόχος μας είναι να σας δώσουμε όλα εκείνα τα στοιχεία που χρειάζεστε για να φτιάξετε τα δικά σας φίλτρα διαχωρισμού συχνοτήτων (crossover). Γι’ αυτό, στις περισσότερες περιπτώσεις,  έχουμε πραγματοποιήσει τους υπολογισμούς και παραθέτουμε απλώς τα αποτελέσματα σε πίνακες. Οι πίνακες αναγράφουν τις τιμές των εξαρτημάτων που θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε για να φτιάξετε τα δικά σας φίλτρα βάσει προδιαγραφών που θα επιλέξετε εσείς.

θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα πηνία που θα χρησιμοποιήσετε θα πρέπει να είναι τυλιγμένα στον αέρα ή σε ειδικούς πυρήνες τύπου «plaincore» και σε καμιά περίπτωση δεν θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε σιδηρομαγνητικούς πυρήνες. Οι τελευταίοι, επιτρέπουν να επιτύχετε μεγάλες αυτεπαγωγές με λίγες σπείρες αλλά μεταπίπτουν εύκολα σε κορεσμό και έχουν ανεπιθύμητη υστέρηση και έτσι δημιουργούν παραμόρφωση στον ήχο. Τα πηνία θα πρέπει να τα τυλίξετε μόνοι σας διότι δύσκολα θα βρείτε πηνία στο εμπόριο που να έχουν ακριβώς την αυτεπαγωγή που επιθυμείτε. Για να υπολογίσετε των αριθμό των σπειρών των πηνίων, βάσει της επιθυμητής αυτεπαγωγής, μπορείτε να ανατρέξετε σε φόρμες αυτόματου υπολογισμού (calculators) που θα βρείτε στο διαδίκτυο. Θα πρέπει επίσης να προσέξετε και να χρησιμοποιήσετε σχετικά χοντρό σύρμα για τα πηνία για να αντέχει υψηλά ρεύματα, ιδίως αν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν σε ενισχυτές υψηλής ισχύος. Καλό είναι επίσης να διαθέτετε και κάποιον μετρητή αυτεπαγωγής για να επαληθεύετε τις επιθυμητές τιμές των πηνίων.

Όσον αφορά τους πυκνωτές, είναι καλύτερο να αποφύγετε τους ηλεκτρολυτικούς που έχουν μεγάλες ανοχές και απώλειες και είναι προτιμότερο να χρησιμοποιήσετε πυκνωτές πολυεστέρα που έχουν χαμηλές ανοχές και μικρές απώλειες. Σε περιπτώσεις που δεν μπορείτε να βρείτε πυκνωτές στο εμπόριο με τις απαιτούμενες τιμές (ιδίως όταν πρόκειται για μεγάλες τιμές χωρητικότητας) μπορείτε να χρησιμοποιήσετε παράλληλους συνδυασμούς για αύξηση της χωρητικότητας ή και συνδυασμούς σε σειρά για μείωση της συνολικής χωρητικότητας.

Crossover 2 δρόμων με φίλτρα 12db / οκτάβα

Ένα crossover 2 δρόμων αποτελείται από ένα φίλτρο διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων και ένα φίλτρο διέλευσης υψηλών συχνοτήτων (βλέπε Σχηματικό 1). Τα 12db/ οκτάβα αναφέρονται στην κλίση της περιοχής απόκρισης που παρέχει εξασθένιση. Δηλαδή σημαίνει ότι για κάθε διπλασιασμό ή υποδιπλασιασμό συχνότητας – για χαμηλοπερατό ή υψηπερατό φίλτρο, αντίστοιχα – έχουμε πρόσθετη εξασθένιση κατά 12db. Για όσους γνωρίζουν αρκετά πράγματα για τα φίλτρα, τα 12db/ οκτάβα σηματοδοτούν ότι έχουμε φίλτρα δεύτερης τάξης.

Ηλεκτρονικό σχέδιο crossover 2 δρόμων - 12db/οκτάβα
Σχηματικό 1. Ηλεκτρονικό σχέδιο crossover 2 δρόμων - 12db/οκτάβα

Για τον υπολογισμό του crossover 2 δρόμων για 12db/ οκτάβα χρησιμοποιούμε τις σχέσεις:

L1, L2 σε mH = (Z  / Fc) x 225
C1, C2 σε μF = 1000000 / (8.88 x Fc x Z)

Όπου,

Ζ = σύνθετη αντίσταση ηχείων σε Ω
Fc = η συχνότητα θλάσης σε Hz
225 = Αυτός ο αριθμός προκύπτει από το αποτέλεσμα της πράξης (√2/2π)x103
8.88 = ο αριθμός αυτός είναι το αποτέλεσμα της πράξης (√2x2π)

Αναφέρουμε ενδεικτικά ένα παράδειγμα σχεδιασμού:

Υπολογίζουμε την αυτεπαγωγή των πηνίων και τις χωρητικότητες των πυκνωτών για ένα φίλτρο crossover 2 δρόμων με κλίση 12db/ οκτάβα, με συχνότητα θλάσης 2200 Hz που πρόκειται να συνδεθεί με ηχεία που έχουν αντίσταση 4Ω.

Με την εισαγωγή των δεδομένων στις σχέσεις που έχουμε προτείνει, μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή των δύο αυτεπαγωγών L1-L2

(4/2200) x 225 = 0.409 mH

Η τιμή μπορεί να στρογγυλοποιεί σε 0.4 mH.

Εδώ υπολογίζουμε τη χωρητικότητα των δύο πυκνωτών C1-C2:

1000000 / (8.88 x 2.200 x 4) = 12.79 μF

Παρατηρήστε ότι οι αυτεπαγωγές είναι ανάλογες της αντίστασης των μεγαφώνων και οι χωρητικότητες αντιστρόφως ανάλογες της αντίστασης των μεγαφώνων. Δηλαδή, αν κάνετε του ίδιους υπολογισμούς για μεγάφωνα 8Ω, θα βρείτε διπλάσια τιμή για τις αυτεπαγωγές και την μισή τιμή για τις χωρητικότητες, σε σχέση με τα 4Ω.

Τιμές εξαρτημάτων για crossover 2 δρόμων - 12db/οκτάβα
Πίνακας 1. Τιμές εξαρτημάτων για crossover 2 δρόμων - 12db/οκτάβα

Crossover 2 δρόμων με φίλτρα 18db / οκτάβα

Ένα crossover 2 δρόμων με φίλτρα των 18 dB /οκτάβα είναι ελαφρώς πιο πολύπλοκο από αυτό που μόλις περιγράψαμε. Αποτελείται από φίλτρα 3ης τάξης και για να κατασκευαστεί χρειάζονται 3 πηνία και 3εις πυκνωτές (βλ. Σχηματικό 2). Και σ’ αυτό το δικτύωμα διαχωρισμού συχνοτήτων, όπως και στο προηγούμενο, ορίζεται μία μοναδική συχνότητα θλάσης  που κανονικά θα πρέπει να επιλεγεί εντός της περιοχής 2000 με 3000 Hz.

Ηλεκτρονικό σχέδιο crossover 2 δρόμων - 18db/οκτάβα
Σχηματικό 2. Ηλεκτρονικό σχέδιο crossover 2 δρόμων - 18db/οκτάβα

Οι τύποι που χρησιμοποιούμε για την υλοποίηση  του crossover 2 δρόμων για 18db/ οκτάβα είναι:

Για το υψηπερατό φίλτρο για μεσαίες και πρίμα:

L1 σε mH = (Z / Fc) x 119.4
C1 σε μF = 1000000 / (9.42 x Fc x Z)
C2 σε μF = 1000000 / (3.14 x Fc x Z)

9.42 = ο αριθμός αυτός ισούται με 3π
119.4 = ο αριθμός αυτός είναι το αποτέλεσμα της πράξης 3 x 1,000/8π

Για το χαμηλοπερατό φίλτρο του γούφερ:

L2 σε mH = (Z / Fc) x 238.8
L3 σε mH = (Z / Fc) x 79.6
C3 σε μF = 1000000/ (4.71 x Fc x Z)

238.8 = ο αριθμός αυτός προκύπτει από το 12π x 1000
79.6 = ο αριθμός αυτός προκύπτει από το 1000/4π
4.71 = ο αριθμός αυτός προκύπτει από το 3π/2
Ζ = σύνθετη αντίσταση ηχείων σε Ω
Fc = η συχνότητα θλάσης σε Hz

Τιμές εξαρτημάτων για crossover 2 δρόμων με φίλτρα 18db / οκτάβα – για μεγάφωνα 8Ω
Πίνακας 2. Τιμές εξαρτημάτων για crossover 2 δρόμων, με φίλτρα 18db / οκτάβα, για μεγάφωνα 8Ω
Τιμές εξαρτημάτων για crossover 2 δρόμων, με φίλτρα 18db / οκτάβα, για μεγάφωνα 4Ω
Πίνακας 3. Τιμές εξαρτημάτων για crossover 2 δρόμων, με φίλτρα 18db / οκτάβα, για μεγάφωνα 4Ω

Crossover 3 δρόμων με φίλτρα 12db / οκτάβα

Αν φτιάξετε ένα ηχείο με 3 μεγάφωνα, θα χρειαστείτε ένα crossover 3ων δρόμων. Αυτό το crossover αποτελείται από 3 φίλτρα:  Ένα χαμηλοπερατό για το Woofer, ένα υψηλοπερατό για το tweeter και ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης συχνοτήτων για το μεγάφωνο των μεσαίων συχνοτήτων (βλ. Σχηματικό 3). Το φίλτρο crossover των 3ων δρόμων χαρακτηρίζεται από 2 συχνότητες θλάσης, όπως έχουμε αναφέρει στην εισαγωγή. Συνήθως, η ελάχιστη τιμή που επιλέγεται για τη μικρότερη συχνότητα θλάσης είναι τα 500Hz και η μέγιστη τιμή για την ανώτερη συχνότητα θλάσης είναι τα 4000Hz. Στην πραγματικότητα, η επιλογή των 2 συχνοτήτων θλάσης εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του μεγαφώνου των μεσαίων συχνοτήτων. Επιλέγουμε συνήθως για τις συχνότητες θλάσης, την ελάχιστη και τη μέγιστη συχνότητα λειτουργίας του μεγαφώνου των μεσαίων συχνοτήτων όπως αυτές αναγράφονται από τον κατασκευαστή του μεγαφώνου. ‘Ετσι, εξασφαλίζουμε ότι η περιοχή συχνοτήτων που ορίζεται από τα όρια των συχνοτήτων θλάσης θα αναπαράγεται από το μεγάφωνο των μεσαίων συχνοτήτων.

Ηλεκτρονικό σχέδιο crossover 3 δρόμων - 18db/οκτάβα
Σχηματικό 3. Ηλεκτρονικό σχέδιο crossover 3 δρόμων - 18db/οκτάβα

Για να υπολογίσουμε τις τιμές των πηνίων και των πυκνωτών που απαιτούνται για το  crossover των 3ων δρόμων για 12db/ οκτάβα χρησιμοποιούμε τις παρακάτω σχέσεις:

Για το υψηλοπερατό φίλτρο του tweeter:

L1σε mH = (Z / Fmax) x 225
C1 σε μF = 100.000 / (8.88 x Z x Fmax)

Για το φίλτρο διέλευσης ζώνης συχνοτήτων για το midrange μεγάφωνο:

L2 σε mH = (Z  / Fmin) x 225
L3 σε mH = (Z / Fmax.) x 225
C2 σε μF = 1000000 : (8.88 x Z x Fmin)
C3 σε μF = 1000000 : (8.88 x Z x Fmax)

Για το χαμηλοπερατό φίλτρο του woofer:

L4 σε mH = (Z / Fmin.) x 225
C4 σε μF = 1000000 / (8.88 x Z x Fmin)

Όπου,

Fmin = η κατώτερη συχνότητα θλάσης σε Hz
Fmax = η ανώτερη συχνότητα θλάσης σε Hz
Ζ = η σύνθετη αντίσταση των μεγαφώνων σε Ω

Παραθέτουμε παρακάτω ένα παράδειγμα υπολογισμού:

Υπολογίζουμε τις τιμές αυτεπαγωγής και χωρητικότητας για ένα φίλτρο crossover 3 δρόμων των 12db / οκτάβα, για μεγάφωνα των 8 Ω, χρησιμοποιώντας ελάχιστη και μέγιστη συχνότητα αποκοπής τα 500 και τα 4000Hz, αντίστοιχα.

L1 = (8 / 4.000) x 225 = 0,45 mΗ
C1 = 1000000 / (8.88 x 8 x 4000) = 3.519 μF
L2 = (8 / 500) x 225 = 3.6 mΗ
L3 = (8 / 4.000) x 225 = 0.45 mΗ
C2 = 1000000 / (8.88 x 8 x 500) = 28.15 μF
C3 = 1000000 / (8.88 x 8 x 4000) = 3.519 μF
L4 = (8 / 500) x 225 = 3.6 mH
C4 = 1000000 / (8.88 x 8 x 500) = 28.15 μF

Για ευκολία, μπορούμε να στρογγυλοποιήσουμε τις τιμές χωρητικότητας των πυκνωτών  στα 3.5μF για τους C1 και C3 και στα 28μF για τους C2 και C4.

Πίνακας τιμών για crossover 3 δρόμων 12db/οκτάβα, για μεγάφωνα 8Ω
Πίνακας 4. Τιμές εξαρτημάτων για crossover 3 δρόμων 12db/οκτάβα, για μεγάφωνα 8Ω
Τιμές εξαρτημάτων για crossover 3 δρόμων 12db/οκτάβα, για μεγάφωνα 4Ω
Πίνακας 5. Τιμές εξαρτημάτων για crossover 3 δρόμων 12db/οκτάβα, για μεγάφωνα 4Ω

Crossover 3 δρόμων με φίλτρα 18db / οκτάβα

Ένα crossover 3 δρόμων με φίλτρα των 18 dB /οκτάβα είναι ελαφρώς πιο πολύπλοκο από το αντίστοιχο των 12 dB /οκτάβα (βλ. Σχηματικό 4). Αποτελείται από φίλτρα 3ης τάξης και για να κατασκευαστεί χρειάζονται 6 πηνία και 6 πυκνωτές.

Ηλεκτρονικό σχέδιο ενός crossover 3 δρόμων - με φίλτρα 18db/οκτάβα
Σχηματικό 4. Το σχέδιο ενός crossover 3 δρόμων - με φίλτρα 18db/οκτάβα


Για να υπολογίσουμε τις τιμές των πηνίων και των πυκνωτών που απαιτούνται για το  crossover των 3ων δρόμων για 18db/ οκτάβα χρησιμοποιούμε τις παρακάτω σχέσεις:

Για το υψηλοπερατό φίλτρο του tweeter:

L1 σε mH = (Z / Fmax) x 119.4
C1 σε μF = 1000000 / (9.42 x Z x Fmax)
C2 σε μF = 1000000 / (3.14 x Z x Fmax)

Για το φίλτρο διέλευσης ζώνης συχνοτήτων για το μεγάφωνο των μεσαίων συχνοτήτων:

L2 σε mH = (Z / Fmin.) x 119,4
L3 σε mH = (Z / Fmax.) x 238,8
L4 σε mH = (Z / Fmax.) x 79,6
C3 σε μF = 1000000 /: (9.42 x Z x Fmin)
C4 σε μF = 1000000/ (3.14 x Z x Fmin)
C5 σε μF = 1000000 / (4.71 x Z x Fmax)

Για το χαμηλοπερατό φίλτρο του woofer:

L5 σε mH = (Ζ / Fmin.) x 238,8
L6 σε mH = (Ζ / Fmin.) x 79,6
C6 σε μF = 1000000 / (4.71 x Z x Fmin)

Όπου,

Fmin = η κατώτερη συχνότητα θλάσης σε Hz
Fmax = η ανώτερη συχνότητα θλάσης σε Hz
Ζ = η σύνθετη αντίσταση των μεγαφώνων σε Ω

Πίνακας τιμών για crossover 3 δρόμων 18db/οκτάβα, για μεγάφωνα 8Ω
Πίνακας 6. Τιμές εξαρτημάτων για crossover 3 δρόμων 18db/οκτάβα, για μεγάφωνα 8Ω
Πίνακας τιμών για crossover 3 δρόμων 18db/οκτάβα, για μεγάφωνα 4Ω
Πίνακας 7. Τιμές εξαρτημάτων για crossover 3 δρόμων 18db/οκτάβα, για μεγάφωνα 4Ω