Audio crossover

TWWKI分頻器
分頻器是音箱中的「大腦」，對音質的好壞至關重要。功放輸出的音樂訊號必須經過分頻器中的各濾波元件處理，讓各單元特定頻率的訊號通過。要科學、合理、嚴謹地設計好音箱之分頻器，才能有效地修飾喇叭單元的不同特性，優化組合，使得各單元揚長避短，淋漓盡致地發揮出各自應有的潛能，使各頻段的頻響變得平滑、聲像相位準確，才能使高、中、低音播放出來的音樂層次分明、合拍，明朗、舒適、寬廣、自然的音質效果。

 在一個揚聲器系統里，人們把箱體、分頻電路、揚聲器單元稱為揚聲器系統的三大件，而分頻電路對揚聲器系統能否高質量地還原電聲信號起著極其重要的作用。尤其在中、高頻部分，分頻電路所起到的作用就更為明顯。其作用如下：

合理地分割各單元的工作頻段； 
合理地進行各單元功率分配； 
使各單元之間具有恰當的相位關係以減少各單元在工作中出現的聲干涉失真； 
利用分頻電路的特性以彌補單元在某頻段里的聲缺陷； 
將各頻段圓滑平順地對接起來。
顯然，分頻電路的這些作用已被人們所認識和接受。 

被動分音器基礎問答

分音器對於喇叭系統的重要性何在？好比組好了一套電腦，所有硬體都裝配完成，卻發現少了軟體，這台電腦就跟廢鐵沒啥兩樣。喇叭少了分音器雖不至於無法發聲，但即便是用了再好的單體，效果也絕對大打折扣。或許有人會說用全音域單體不就得了，還省了分音線路，但事實上，全音域系統若加了帶通式分頻與相位等化線路，其表現會更上層樓，因此，以喇叭系統的靈魂來形容分音器非常貼切。 

問：分音器的功能是什麼？ 


答：主要有「提供斜率與分頻點」，及「控制阻尼係數」二項功能。 


1.提供斜率與分頻點―人耳能聆聽的音頻範圍大約橫跨了20Hz~20kHz的音域，但目前似乎還沒有辦法能以一只單體便完美再生20Hz至20kHz的聲音，更遑論新一代的軟體與訊源能播放出數十kHz以上的高頻。變通的方式就是用大小不同的單體各自負責不同的頻段，將20Hz至20kHz接續出來。因為每個單體都有一個最佳工作頻域，然後往高低兩端自然衰減，如圖一，灰線表示一個兩音路喇叭的高音與低音單體的自然衰減狀態（他們的另一端未標示出來），但實際應用上，我們並不希望它自然衰減，而用分音器讓單體以我們希望的斜率衰減（紅線），這樣才能夠控制兩單體音域重疊部分（綠色虛線）的相位與頻率響應狀況，如果分音器設計得宜，就會得到近似圖中平坦的頻率響應。 


通常我們用多少「階」分音來設計，一階分音表示每八度音程衰減6dB（-6dB/octave），二階是每八度音衰減12dB（-12dB/ octave），依此類推，四階分音則是每八度音衰減24dB（-24dB/ octave）。即階數愈高，衰減愈快。當這個兩音路喇叭的高、低音單體以我們希望的斜率衰減時，便交會出一個分頻點（Fx），讓單體各自在表現最佳的區域內工作，發出理想的聲音。 


2.控制阻尼係數―即Q值。分音器讓不同頻段重疊部分的頻率響應更為平坦只是其次，更重要的是，分音器具有相位等化（修正相位）的功能，能讓整個系統阻抗更容易受控制，相位表現最佳化。依據經驗，Q值低較佳，在0.5時最為恰當，不僅重疊部分的波動幅度最小，分頻點的相位也會趨近於0度。但Q值過低，頻率會衰減得過早，而減低高階分音的效果。　 

問：什麼是幾「路」分音？幾個單體就是幾路嗎？ 


答：幾「路」分音就是將喇叭系統劃分成幾個頻段，例如兩音路分成高、低音二個頻段，要將高音單體的下半截衰減（低通濾波），低音單體的上半截衰減（高通濾波），得出一個分頻點。三音路則分成高、中、低音三個頻段，就是兩音路中間再加一個高、低通濾波的中音路，得到二個分頻點，四音路則依此類推。另外還有一種二又二分之一音路喇叭，就是兩音路下面再加一個有高通濾波的低音，湊成二分之一音路。一個音路不一定只用一個單體，因此不能由單體數來判斷音路數，應由分頻點數目來判斷。 


問：低階分音與高階分音孰優？ 


答：這的確是見仁見智的問題，但依我個人的經驗，高階分音因為各單體頻域重疊的部分較少，不僅音染較低，阻抗、相位的變化也較為單純，聲音表現更為理想。不過高階分音所用的元件多，效率因此較低，且相位等化與補償的線路更為複雜，也考驗設計者的功力。 


問：為何一階一定要差6dB？有沒有4階以上的分音？ 


答：一階差6dB並不是規定出來的，而是經過等效電路計算後，會得到一個接近6dB的值，但並不會剛好等於6dB，而且分音器中最好加上相位等化與補償電路，才容易得到每個倍頻（8度音）衰減6dB的結果。分音器可以不止4階，8階10階都能做，只不過效率更低，相位變化更複雜而已。   問：分頻點該如何決定？可以計算出來嗎？ 


答：分頻點是兩個音域的單體衰減後交接出來的結果，因此只能事先臆測，而無法精確計算。分頻點的決定必須考量單體的尺寸與其特性。因為單體指向性與其尺寸有關，通常單體尺寸越大，其最佳指向性的頻率越低，一般來說，分頻點的波長，最好不要超過單體有效振動直徑的長度，例如5吋單體的有效振動直徑約11公分，而波長11公分的頻率大約是3.127kHz（「音速=頻率×波長」之公式計算），因此5吋單體的高音分頻點最好不要高於3.127 kHz。另外，分頻點的設定還要考慮單體的最佳工作頻域，應讓單體在最平坦的區域內工作，以發揮其性能。 


問：分音器內的元件有些什麼東西？該如何挑選？ 


答：分音器不外乎電感、電容，及電阻的組合。電感的挑選應考量其耐受度，以承受功率高者為佳，才能避免功率過大時飽和，造成電感量下降。另外還要考慮使用的位置，用在串連處的電感，品質一定要好，直流阻抗要低，通常扁平狀的空心電感最佳，線徑粗的更好。 
電容也是以耐壓高者為佳，才能應付瞬間的功率需求，另外損失角低、電感量低也是必備條件。至於電阻，線繞水泥電阻最好也是挑選電感量低的，而金屬皮膜電阻原本就無電感性，非常適合用在高頻。 


問：Bi-wire有用嗎？怎麼樣才是有效的Bi-wire分音設計？ 


答：一個最簡單的兩音路喇叭，會需要二組分音線路，而有效的Bi-wire分音線路是讓這二組電路各自獨立不共地。理論上，用Bi-wire接駁應該會得到叫較好的效果，但人耳能不能感受出其差別，又是另外一回事兒了，有些廠就不吃這套，不管幾路分音都只有一對喇叭端子，就是這個緣故。