怎麼看分頻器的檔次

長期以來，人們對分頻器有一些錯誤的認識，不知道分頻器是什麼和在多功放擴聲系統中怎麼使用。過去，只有專業設計人員才能更改處理器的設定，而今天，可設定的DSP 處理器則允許普通使用者調整其引數。可不幸的是，在音響系統中，僅對廠家的推薦設定做微小的改變，就可能對其系統性能產生巨大的影響。

這篇文章試圖解釋一些分頻器的細節並指出一些嚴重影響音質的常見操作錯誤。

什麼是分頻器？

分頻器可定義為：將輸入的電訊號分離成兩路單獨的訊號，且使每一路訊號的頻寬均小於原始訊號的頻寬，這種由一對或多對濾波器構成的裝置就稱為分頻器。也可稱為“頻率分配網路”。

分頻器通常由高通（低切）濾波器（簡稱為HPF）和低通（高切）濾波器（簡稱為LPF）組成。濾波器是一種頻率選擇器件，可以透過被選擇的頻率而阻礙其他的頻率透過。濾波器通常有以下三個引數：截止頻率，網路型別，斜率。截止頻率是指濾波器的響應在低於它的較大電平時跌落到某點的頻率，通常為較大電平的0。707 倍或0。5 倍，或下降3dB 或6dB時的頻率。

網路型別是指濾波器的頻率響應曲線在截止頻率附近的形狀，近些年來，人們設計了很多種型別的濾波器，常見的濾波器型別有：巴特沃夫，林克威茲，貝塞爾等，圖一為各種濾波器的的頻率響應曲線，斜率定義為濾波器的頻率響應曲線中下降到截止頻率時的傾斜程度，單位為dB/倍頻程，通常斜率為每倍頻程6，12，18 和24dB。也可以稱為‘濾波器斜率’或‘濾波器階數’，濾波器階數每增加一階，則其斜率增加6dB/倍頻程，也就是，一階濾波器有6dB/倍頻程的斜率，二階濾波器則有12dB/倍頻程的斜率。那麼，24dB/倍頻程的巴特沃夫濾波器就相當於4 階的巴特沃夫濾波器。

圖1：紅色-2KHz 24dB 林克威茲–瑞利高通濾波器，橙色-2KHz 24dB 巴特沃夫高通濾波器，棕色-2KHz 24dB貝塞爾高通濾波器，綠色-“-3dB”，藍色-“-6dB

由於喇叭單元不會有相同的聲級、全頻帶的輸出，分頻器必須用於全頻範圍的揚聲器系統。低頻單元用來再現低頻訊號，高頻單元用來再現高頻訊號，分頻器將適當的頻率訊號傳輸到適當的喇叭單元。

通常分頻器分為主動式和從動式，總體上說：從動式分頻器分離功放後的音訊訊號（揚聲器電平），常被做在揚聲器內部。而主動式的分頻器，則分離放大器放大之前的音訊訊號（線路電平），通常是獨立的電子裝置，位於訊號源與放大器之間。訊號經過分頻器最終流入對應的喇叭單元，喇叭單元用來再現聲音訊譜的適當部分。當分頻器被設計好後，各個喇叭單元的訊號可以疊加，並能精細的再現原始的輸入訊號。分頻器還將影響一些其他的引數，如：功率，頻寬，這些都必須在設計時加以考慮。

相位

在某個特定的頻率處，如果兩個訊號的頻率響應有相似的幅值和斜率，訊號將會加在一起，形成一個新的訊號。我們可以透過相位響應來解釋兩個訊號在相位的不同或時間上的不同。

如果兩個濾波器的相位響應相似，他們輸出的訊號將會相加；反之，則會相互削減。我們在上面討論的不同型別和斜率的濾波器都有其獨特的相位響應曲線，如圖1所示。

以下的示例圖片是一些在揚聲器系統中常見的相位變化圖，這種測量方式在聲學測量系統中有廣泛應用，例如SIA Smaart。觀察圖2中兩個濾波器的相位響應曲線，特別是下降部分曲線，

圖2：兩個同樣的濾波器。橙色-正常，藍色-極性反轉。

儘管這兩個濾波器在幅值響應上是相同的，但他們在相位響應上有著明顯的區別。仔細觀察就會發現他們在斜率是相同的，相位上相差180度，剛好是倒相的關係。對一個簡單的180度相移，這應該不會感到困惑，並可以在一個單個的頻率上出現，在圖3中作為一個例子。

圖3：兩個同樣的濾波器。橙色-被延時，藍色-正常。

斜率和相位的差異並不是固定的，而是隨著頻率的變化而改變的。這個時間上偏移或延遲的特性可以用來指示兩個裝置之間的不同，這個偏移量可以透過下面這個公式計算：

這個等式表明時間的偏移量等於在某個頻率處的相位差的值除以對應頻率與360之積。

假定取頻率為500Hz ，根據圖形顯示，在500Hz處，藍色曲線的相位為-90，橙色曲線的為-180，兩者之間的相位差為90，根據公式可得，兩個訊號之間的時間差為：

Ts=90/（360*500Hz） = 0。5ms 。這個計算公式可以使用於任何頻率，其結果都是相同的。

通常我們需要注意的是相位曲線外面的包絡線。曲線中Y軸的範圍從-270到90度，一般的相位曲線都在360度的範圍內，像0~360，—180~180等範圍。你不可以直觀的看出相位曲線是一直下降或是上升的，圖中橙色曲線在2KHz處居然是-630，（一次在包絡線處為700，從700到2居然又降了360度）這些相位值必須代入上面公式才能得出正確的結果。

分頻點

分頻點通常定義為兩個分頻器的響應（一般由一個LPF 和一個HPF 組成）互相交叉處的頻率，可能是兩個電子分頻器（從動或主動式）電學特性上的分頻點，或者是兩個聲學濾波器上的分頻點。任何喇叭單元實質上都是一個濾波器，每一個都有他們內部所固有的高通和低通濾波器，以及固有的截止頻率，斜率，網路型別。

人們經常會問：“對某個系統來說分頻點是什麼？”其實他們想知道的是對這個系統來說總體聲學分頻點在哪裡？一個系統的總體聲學分頻點取決於這個系統中電子濾波器與喇叭單元頻率響應的數學組合，當一個電子濾波器新增到一個聲學濾波器系統時，他們的頻率響應將疊加，形成一個全新的響應曲線。如圖4 中例子所示。

圖4：紅色-高頻單元響應，棕色-電子高通濾波器，橙色-合成響應。

系統舉例

看下面這個例子 ，圖5 所示曲線為安裝在箱體內的一個高頻器件和一個低頻器件的實際頻率響應：

圖5：兩個單元的原始聲學響應。紅色-低頻，棕色-高頻，分頻點在大約613Hz。

兩個不同單元之間的聲級/靈敏度差異，及高頻器件的相位滯後都是顯而易見的。高頻部分很可能被固定在一個長喉管的號筒上，因此產生相對於低頻揚聲器的延遲，為了更好地使系統重現訊號，較新發展的分頻器要求能夠平滑頻率響應曲線。按圖6 所示的處理後得到圖7所示的結果。

圖6：電子分頻器的響應。綠色-低頻，橙色-高頻。分頻點在大約1。8KHz

圖7：加上分頻器的系統的總體聲學響應。粉紅色-低頻，藍色-高頻，紅色-總體。分頻點在大約1。3KHz

我們可以注意到在整個頻率響應曲線中，平坦的部分是從50Hz到20kHz（-3dB），高頻部分和低頻部分的相位響應在分頻點附近有相似的斜率，且相位差不超過90度。這是透過給低頻部分的延時使它校準於高頻部分。我們應該意識到這僅僅是一種可行的分頻方案，還有很多其他的方案也同樣可行。可以看到在圖7中1。3kHz的聲學分頻點和在低頻部分的截止頻率為944Hz的低通濾波器，及高頻部分的截止頻率為2053Hz的高通濾波器沒有任何相關性。

此外，它也不對應於原始狀態下單元的分頻點（圖5），也不對應於電子濾波器的分頻點（圖7）。

啥使用不對稱的濾波器？

我們注意到在上面的例子中，把12dB的巴特沃夫濾波器用在在高頻部分，把24dbB的貝塞爾濾波器用在低頻部分，像這樣使用斜率和型別都不對稱的濾波器是非常常見的，這是因為幾乎沒有喇叭單元擁有和分頻器相同的斜率和網路型別。我們再回到圖5中，可以發現高頻部分和低頻部分所固有的斜率和網路型別是不相同的，系統全頻聲學響應取決於分頻器的電學響應與變頻器的聲學響應的組合。若要使電子濾波器的特性對稱，則必須使喇叭單元的特性也對稱，但這是無法實現的，因此我們用不對稱的電子濾波器來完善變頻器的不對稱特性。

不幸的是只有極少數昂貴的電子分頻器允許使用不對稱的斜率或網路型別，許多便宜的分頻器有一個簡單的標有頻率的旋鈕，允許撥一個合適的頻率值。儘管在這些單元中只有一個引數可調，但這很可能是分頻點的所在。通常這些器件會採用對稱的24dB林克威茲–瑞利高通或低通濾波器，它們在給定的頻率處有高的截止斜率和相同的相位響應。就如圖8所示。

圖8：24dB林克威茲–瑞利高通和低通濾波器，在1。3KHz。注意相位響應的重合，所以藍色相點陣圖不可見

我們可以看到用了這些分頻器件後的效果，以圖5中所描述的系統為例，效果如圖9中所示。

圖 9：用1。3KHz 24dB 林克威茲–瑞利高通和低通濾波器代替圖6 中的高通和低通濾波器處理後的圖示，粉紅色-低頻，藍色-高頻，紅色-總體。注意相位響應的不同。

圖中曲線顯示了和圖6做一樣處理的系統全頻響應，不同的是這裡將高通和低通濾波器替換為對稱的分頻點在1。3kHz的24dB林克威茲–瑞利濾波器。1。3kHz是圖7中所描述的系統的分頻點，所以這裡採用1。3kHz作為分頻點。

我們下面再來看一下其他兩種可能，其一為消除在前一個例子中所說的設定中的延時，因為一些廉價的分頻器不具有延時的調整，或無法做0。5ms的精細調整，圖10展示了系統沒有延時的效果。

圖10：系統描述在圖9中，沒有延時

另一種值得考慮的方案是把對稱的24dB林克威茲–瑞裡濾波器的分頻點設定在1。8kHz，這與圖4中的電子濾波器的分頻點是相同的，這將產生0。5ms的延時，結果如圖11所示。

圖11：系統顯示在圖10中，加上分頻點設定到1。3KHz。紅色-加0。5ms延時，綠色-沒有延時。

最後，我們考慮在圖9中使用對稱的24dB林克威茲–瑞裡濾波器的原例，這個系統需要固定一個外部的引數或圖形均衡器，我們來具體研究怎樣才能使系統的響應曲線變得平坦。

圖9中相位響應顯示在分頻點附近的相位差可以達到180度，就像前面所規定的一樣，是可計算的極性倒置。圖12中展示了高頻訊號極性倒置後對系統的影響，然後使用了一個附加的在1。49KHZ的均衡器。此外，現有的均衡器需要精細的調節使之得到平坦響應的結果，但這種調節不能靠直覺，在沒有使用合適的測量裝置情況下，使用者很難做出精細的調節。

若採用ISO標準頻率的圖形均衡器，在1。49kHz處實現低Q值是很困難的，也是毫無意義的。同樣令人遺憾的是均衡器需要被用來削減在分頻點處過多的疊加，在高通濾波器和低通濾波器頻率分開時或許可能（降低低通濾波器的截止頻率並且升高高通濾波器的截止頻率）。此外，我們還不知道這些改變將會對系統的其他引數造成什麼樣的影響，像承受功率，偏軸響應，波束寬度等等。

圖12：橙色，系統用24dB對稱的林克威茲–瑞裡濾波器加高頻反轉。紅色，最後系統加上增加的參量均衡

這些設定圖例的變化如圖6所示。紅色的引數是改變過的，藍色的引數是增加的

該用多大的增益？

長期以來，分頻器輸出通道的增益是為了適應房間聲學特性等而改變的，無論是在放大器還是在處理器上，一個通道的增益的改變同樣會改變分頻點。

圖13：藍色/棕色-低通濾波器在0dB，高通濾波器在-6dB，藍色/紅色-低通濾波器和高通濾波器增加6dB的增益變化在高通濾波器上，分頻點現在在1。5KHz，注意紅色和棕色相位響應的重合，所以棕色相點陣圖不可見

從上面圖中可看到，在幅值響應上增益發生變化時相位響應上並沒有變化，因此，若是分頻點發生了變化，兩個濾波器的相位關係不會發生變化。也有可能在適當的疊加沒有發生時，相位關係會不一致。例如，有一些區域的相位響應和從1。6kHz到1。9kHz區域的有相同的曲線，在這個區域允許有適當的疊加，在這個區域以外，相位響應有很大的不同。把分頻點移到1。6kHz以下和1。9kHz以上都不會產生適當的疊加。儘管這些通常在系統設計時被考慮進去，但不是所有的系統都能適應同樣的彈性標準。警告不要單獨調整單個通道的幅值。這個例子再一次證明系統分頻點不是僅有的不完整資訊，更在系統引數有微小的改變時將發生巨大的變化。

引數均衡

系統設定一個非常重要的方面就是引數均衡器，引數均衡器是一種濾波器，它在一些頻率範圍內增益不為零，而在這個範圍以外的部分其增益均為零。從先前的例子中可以看到，均衡器用於削減在喇叭單元響應中的非線性特性。一個引數均衡器定義了三個引數：Q值或頻寬，中心頻率，和增益。Q值或頻寬定義了濾波器的寬度，通常有很多種方法計算Q值和頻寬，這些方法中並沒有明顯的標準，在這裡我們不對這些方法進行討論。簡單來說，一個低Q值或高頻寬的濾波器覆蓋了很寬的頻率範圍，反之一個高Q值或低頻寬的濾波器只覆蓋較窄的頻率範圍。濾波器的增益用dB表示，定義為在中心頻率處提升或衰減其幅度的值

圖14所示的為一些引數濾波器的例子。

圖14：兩個引數均衡，100Hz，-10dB的增益，6。3的Q值；4KHz，+6dB的增益，0。67的Q值。注意伴隨著幅值變化的相位改變。

這裡有兩個引數均衡器，100Hz的濾波器描述的是高Q值低頻寬的情況，相反的，4kHz則用來描述低Q值高頻寬的情況，下面是這些均衡器的真實的設定：

可以看到相位隨著均衡器引數而發生變化，這個變化說明在處理器中任何引數都可能引起在分頻器的相位響應的改變，因此有時候必須進行折衷處理，另一方面，這些有時候又成為設計者的優勢。把一個高Q值，負增益的濾波器放在或接近分頻點，產生足夠的相位或大的改變使疊加更易進行。不過，我們不要利用引數均衡器來提升頻率以減緩在分頻器響應中的扭曲。很多次，就像這篇文章所說的，發生在兩個器件間不合適的相位校準會導致頻率響應中在分頻點處的扭曲，一個引數均衡器很難去修復這樣的扭曲，如果可以的話，這個系統的聲音將幾乎不可能變得好聽。

總結

這篇文章嘗試給我們說明一些在揚聲器處理器設定方面的棘手的複雜的東西，建議我們對任何一個音響系統儘可能早的做出分頻器的選擇，無論結果如何，我們可以更好地從多方面接近一個分頻器的設計，廠家為他們的揚聲器提供較好的設定，長時間的設計論證，採用專業級的測量工具，這些都為空前的較最佳化的效能提供了保證。如果沒有測量裝置的基礎知識，我們強烈推薦使用者使用廠家的推薦設定，以實現揚聲器的較佳效能。