crossover

کراس اوور چیست؟ (Crossover)

Crossover يك مدار الكتريكي كه تركيبي از فيلترهاي بالاگذر، پايين گذر و ميان است و طيف فركانس هاي صوتي (20Hz-20KHz) را براي اعمال به بلندگوها به چندين بخش تقسيم مي كند. از آنجايي كه امواج صوتي طول موجي از 17.2 متر در فركانس هاي پايين (Low) تا 0.0172 متر در فركانس ها ي بالا (Hi) دارند، هيچ بلندگويي نمي تواند تمامي محدوده فركانس هاي صوتي را به صورت کامل و خطی پخش نمايد. بنابراين از حداقل، دو بلندگو و اغلب سه يا چندين بلندگو براي پخش تمامي فركانس ها استفاده مي شود. (البته بلندگوهایی با نام فول رنج وجود دارند که در بهترین شرایط قادر به بازتولید محدوده فرکانسی وسیعی از رنج فرکانسی قابل شنیدار برای انسان هستند که البته ضعفهایی دارند، در آینده به آنها خواهیم پرداخت)
براي مثال يك  بلند گو به نام ووفر (Woofer) برای پخش فرکتنسهای زیر 800Hz و ديگري به نامهای Tweeter با Midrange برای پخش فرکانسهای بالای 800 Hz استفاده می شود. در اين صورت به يك فيلتر بالاگذر با فركانس قطع HZ 800 و يك فيلتر پايين گذر با فركانس قطع 800 Hz  نیاز است. فیاترهای Crossover براساس باند عبوری به انواع  (Butterworth,Bessel,Riely Linkwitz) تقسیم می شوند.همچنين شيب منحني فيلترهاي Crossover  كه مشخص كننده نرخ تضعيف فركانس ها بر حسبDB/Octave  و ياDB/Decade  است، پارامتر ديگري در تعيين نوع فيلترهاي Crossover  مي باشد. در نهایت وظيفه كراس اور فيلتر كردن بخشي از دامنه فركانسي صدا است. به اين معنا كه دروازه اي وجود دارد كه صدا از يك فركانس به بالا  يا پايين  اجازه عبور كردن ندارد.

crossovers

دو نوع كراس اور داريم:

HPF كه در واقع (High Pass Filter) مي باشد كه از اين كراس اور فقط فركانس هاي بالا تر ( به عنوان مثال 100 هرتز) قابليت عبور رو دارند و فركانس هاي پايين تر فيلتر مي شوند.

Cut off Frequency : فركانسي كه از اين فركانس به پايين فيلتر مي شود را Cut off Frequency مي نامند. كه از مشخصات كراس اور مي باشد. ( در اينجا Cut off Frequency فركانس 100 هرتز مي باشد)

LPF كه در واقع (Low Pass Filter) مي باشد كه از اين كراس اور فقط فركانس هاي پايين تر ( به عنوان مثال 80 هرتز) قابليت عبور رو دارند و فركانس هاي بالا تر فيلتر مي شوند.

Cut off Frequency: فركانسي كه از اين فركانس به بالا فيلتر مي شود را Cut off Frequency مي نامند. كه از مشخصات كراس اور مي باشد. ( در اينجا Cut off Frequency فركانس 80 هرتز مي باشد)

Band Pass Filter هم تركيبي از هر دو نوع ميباشد. بطوريكه هم HPF و هم LPF با هم در كار باشند. بنابر اين 2 تا Cut off Frequency داريم. به اين معنا كه فركاس ها از يك حدي از پايين فيلتر ميشوند و از يك حدي از بالا.

Attenuation Slope یا شيب كاهش

در نمودار زیر نحوه فیلترینگ یک Crossover بین 3 باند فرکانسی آمده است . همانطور که مشخص شده این نوع  کراس اور در فرکانس های 300Hz و 3KHz باعث افت دامنه صوتی به مقدار حدود 6dB شده است.  یکی از عوامل تفاوت های مانیتورهای حرفه ای صدا نوع کراس اور طراحی شده در آنها است که تاثیر مستقیم در نحوه پخش صدا و عملا نتیجه کار خواهد داشت.

3way

کراس اوري وجود ندارد كه كاملا دقيق عمل كرده و از Cut off Frequency به آن طرف بطور كامل فركانس رو حذف كند. كراس اور فقط فركانس هاي بالا يا پايين تر از Cut off Frequency رو تضعيف مي كند. حال هر چه از Cut off Frequency فاصله بگيريم اين كاهش يا تضعيف بيشتر مي شود. به شيب خطي كه كراس اور فركانس هاي بالا يا پايين تر از Cut off Frequency رو تضعيف مي كند Attenuation Slope ميگویند.

هيج كراس اوري قادر به فيلتر كردن كامل نيست. و فقط ميتواند فركانس هايي ار كه نميخواهيم عبور كند را تضعيف نماید…

هر چه شيب بيشتر باشد كراس اور مرغوب تر و داراي قدرت فيلترينگ بيشتري ميباشد.كراس اور با شيب صفر به معناي فيلتر نشدن هيچ فركانس و با شيب بي نهايت به معناي فيلتر شدن كامل تمامي فركانس هايي كه بالا يا پايين تر از Cut off Frequency قرار دارند ميباشد.

واحد Attenuation Slope دسيبل بر اكتاو ميباشد (Db/oct) يعني به ازاي هر يك اكتاوي كه از فركانس Cut off فاصله بگيريم چند دسي بل از قدرت فركانس هاي مزاحم كم ميشود …

(توضيح: هر اكتاو به معناي نصف شدن فركانس ميباشد. مثال: فركانس 160 يك اكتاو از فركانس 80 بالا تره و فركانس 80 يك اكتاو از فركانس 40 هرتز بالا تره و به همين ترتيب)

يك مثال جامع:

فرض كنيم يك دامنه فركانسي كامل را با قدرت 110 دسي بل داريم (موزيك واقعي). اگر از يك LPF با Cut off Frequency ا 100 هرتز و Attenuation Slope ا 12 Db/oct استفاده كنيم خواهيم داشت:

تمامي فركانس هاي زير 100 هرتز سر جاي خود هستن (البته تقريبا) ولي فركانس هاي بالاي 100 هرتز ضعيف ميشوند بطوريكه فركانس 100 هرتز داراي همان قدرت 110 دسي بل خواهد بود و فركاس 200 هرتز (يك اكتاو بالا تر از Cut off Frequency) به قدرت 98 دسي بل (12- 110) خواهد رسد و همچنين فركانس 400 هرتز ( 2 اكتاو بالا تر از Cut off Frequency) به قدرت 86 (12-98) خواهد رسيد. بديهي ميباشد قدرت فركانس 800 هرتز 74 دسي بل خواهد بود.

کراس اور اکتیو و پسیو (Passive & Active Crossover)

به طور كلي دو نوع كراس اور داريم كه روش ساخت و طراحي آنها متفاوت است. اگر چه عملكرد تقريبا يكساني دارند ولي كاربري هاي متفاوت ميتوانند داشته باشند.

1- Active

2- Passive

كراس اور Active قبل از آمپلي فاي كردن فركانس ها قرار ميگيرد و با ولتاژ و آمپراژ پايين (در حد ميلي آمپر و ولتاژ در حد 1الي 2 ولت) كار ميكند. در حالی که كراس اور Passive قبل از اسپيكر قرار ميگيرد. يعني زماني كه فركانس ها آمپلي فاي شدند و ولتاژ و آمپر خيلي بالاست (ولتاژ حتي در حد 50 ولت و آمپر در حد حتي 10000 ميلي آمپر)

active-passive-crossover

جعبه هاي كوچكي كه قبل از اسپيكر ها قرار دارند باکس كراس اور Passive هستند. حتي اگر بلندگوي ضبط خانگي را باز كنيد احتمالا كراس اور آن را مي بينيد (يك یا دو خازن يا سلف بسته به درجه فيلتريگ و نوع فيلتر)

كراس اور ها از لحاظ قدرت فيلتر كردن درجه هاي مختلفي دارند: (چه Passive و چه Active )

درجه 1 (1 Order): كراس اور ضعيف ، دارای شيب فيلترينگ 6 دسيبل در هر اكتاو.

درجه 2 (2 Order): كراس اور متوسط، دارای شيب فيلترينگ 12دسيبل در هر اكتاو.

درجه 4 (4 Order): كراس اور قدرتمند با شيب فيلترينگ 24 دسيبل در هر اكتاو.

كراس اوور بينابيني مثلا 18 دسيبل در هر اكتاو يا بالاتر مثلا 36 دسيبل در هر اكتاو هم وجود دارد…

حتي بسته به اينكه از چه مداري استفاده شود نوع يا اسم تخصصي كراس اور تغيير ميكند.

نکته جالب توجه این است که در سیستمهایی که از ساب ووفر استفاده میکنند، از باكس ساب ووفرها هم به عنوان يك كراس اور مكانيكي نام مي برند چراكه يك سري فركانس بالا تر يا پايين تر را روي  يك شيب تضعيف مي كنند.

درکراس اوور Passive از خازن بای پلار ( Bipolar Capacitor) و سلف (Inductor) استفاده می شود.

قبل از نوشتن روابط و توضیح مدار، مختصری راجع به رفتار خارن وسلف میپردازیم تا فلسفه استفاده از خازن و سلف مشخص شود:

سلف:

از یک کويل و سیم پیچ (به دور کویل) تشکیل شده است. اگه به دو سر سیم پیچ ولتاژ DC وصل کنیم، کویل به آهنربا تبدیل می شود و حول خود یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. حال اگه جای مثبت و منفی ولتاژ را عوض کنیم جای قطبهای آهنربا و میدان مغناطیسی عوض می شود. می دانیم که ورودی اسپیکر ولتاژ متغیر می باشد و (بسته به نوع فرکانس ورودی) در هرثانیه بارها جهت ولتاژ عوض می شود. (مثال: به ازای فرکانس 1000 هرتز، در هرثانیه 1000 بار جهت ولتاژ عوض می شود)با عوض شدن ولتاژ میدان مغناطیسی هم مجبور به تغییر جهت می باشد. میدان مغناطیسی نسبت به این تغییر جهت کمی تنبل است و زیاد از تغییر جهت خوشش نمی آید. (چرا که در لحظه ای که ولتاژ تغییر جهت داده، هنوز میدان مغناطیسی از ولتاژ قبلی وجود دارد، بنابراین با ولتاژ جدید عوض شده ،مبارزه می کند.)به عبارت دیگه اگه یک سلف داشته باشیم و میدان مغناطیسی متناوب به آن اعمال کنیم، سلف برق تولید می کند. این برق تولید شده از تناوب میدان مغناطیسی با برق موجود در سیم پیچ در تضاد می باشد و سعی بر خنثی کردن آن دارد.هر چه فرکانس این تغییرجهت بیشترباشد، سلف مقاومت بیشتری نشان می دهد و هر چه فرکانس پایین تر باشد رفتار سلف از این تغییر جهت بی تفاوت تر می شود و مقاومت ظاهری اش کمتر.

بنابر این از سلف به عنوان یک المان فیلتر کننده فرکانس بالا LPF استفاده می شود چراکه فرکانس های پایین راحت ازآن عبورمی کنند ولی در مقابل فرکانس های بالا مقاومت زیادی از خود نشان می دهد (مثل یک مقاومت متغییرعمل می کند که حساسیت مقاومت ظاهر شده به فرکانس ورودی مرتبط می شود)

خازن:

خازن یک ذخیره کننده بار الکتریکی محسوب می شود. در نوع ساده از دو صفحه تشکیل شده که بین دوصفحه یک ماده از جنس دی الکتریک وجود دارد. بار های الکتریکی بر روی این دو صفحه ذخبره می شوند.میدانیم که از خازن هیچ جریانی نمیتواند عبور کند، فقط شارژ و دشارژ شدنش باعث ایجاد جریان در مدار می شود.اگه خازن را به یک ولتاژ DC وصل کنیم، بعد از زمان کوتاهی شارژ می شود و جریان قطع می شود و به قول معروف مدار باز می شود.حال اگر جهت جریان را عوض کنیم دوباره جریان در مدار ایجاد می شود تا خازن دشارژ شده  و در جهت دیگر شارژ شود.به عبارت دیگه خازن در مقابل ولتاژ DC بعد از شارژ شدن به عنوان کلید باز عمل می کند (مقاومت بینهایت)ولی با عوض شدن جهت ولتاژ دوباره جریان ایجاد می شود. هر چه تعداد تغییر جهت های ولتاژ بیشتر باشد خازن از خودش مقاومت کمتری نشان میدهد و بلعکس.بنابر این خازن در مقابل فرکانس های پایین مقاومت بیشتر و درمقابل فرکانس بالا مقاومت کمتر از خودش نشان می دهد. پس به عنوان یک HPF استفاده می شود.

کراس اور Passive درجه یک (1st Order):

در این نوع کراس اور یک خازن به تیوتر به عنوان HPF و یک سلف به ووفر به عنوان LPF سری می شود.

رابطه محاسبه سلف و خازن:

L=159.15*Z/f

(C=159155/(Z*f

Z: مقاومت الکتریکی اسپیکر (تیوتر یا ووفر) به واحد اهم

F: فرکانس Cut-off

واحد :L میلی هانری

واحد :C میکرو فاراد

کراس اوور Passive درجه دو (2th Order):

در این نوع کراس اور از یک خازن بصورت سری و یک سلف بصورت موازی با تیوتربه عنوان HPF استفاده می شود. و همچنین یک سلف بصورت سری و یک خازن به صورت موازی با ووفر به عنوان LPF استفاده می شود.

فلسفه این طریقه فیلتر بدین صورت است که در تیوتر خازن سری شده در مقابل فرکانس های پایین مقاومت زیادی از خود نشان می دهد و تا حدی(به مانند کراس اوور درجه 1) فرکانس های پایین را حذف می کند و سلف موازی شده (چون در مقابل فرکانس پایین مقاومت خیلی کمی دارد)، فرکانس های پایین را به جای عبور از تیوتر از خود عبور می دهد. توضیح اینکه در دو قطعه موازی، جریان از قطعه ای بیشتر عبور می کند که مقاومت کمتری دارد. (سلف و تیوتر موازی هستند). به عبارت دیگر 2 بار فرکانس ها فیلتر می شوند.

برای ووفر نیز همین توجیح قابل بیان است که سلف سری شده ، فرکانس های بالا را فیلتر می کند و خازن موازی شده فرکانس های بالا را (به علت پایین بودن مقاومت در فرکانس بالا) جذب خود می کند تا ووفر بهره کمتری ازفرکانس بالا ببرد.

رابطه محاسبه سلف و خازن کراس اور  از درجه 2:

L1=225.08*Z/f

L2=112.54*Z/f

(C1=225079/(Z*f

(C2=112539/(Z*f

Z: مقاومت الکتریکی اسپیکر (تیوتر یا ووفر) به واحد اهم

F: فرکانس Cut-off

واحد :L میلی هانری

واحد :C میکرو فاراد

بزرگترین مزیت پسیو کراس اور هزینه کمتر ( بدلیل نیاز به تعداد کمتر آمپلی فایر ) و نصب آسان تر هست . اما عیب پسیو کراس اور این است که باعث افت کیفیت می شود و دقت کمتری نسبت به اکتیو دارد. همچنین حجم صدا در حالت پسیو پایین تر هم است .

اما مزیت اکتیو کراس اور دقت بالا . حجم بیشتر و قدرت کات بالاتر می باشد و بزرگترین ایراد آن هزینه بسیار زیاد تر نسبت به پسیو است چرا که برای اعمال اکتیو کراس اور نیاز به یک پخش قدرتمند داریم ( چرا که همه پخش ها قابلیت ساپروت اکتیو کراس اور را ندارند ) در صورت داشتن پخش ضعیف باید یک پروسسور خرید که این قطعه هم قیمت بسیار بالایی دارد . همچنین برای اکتیو کراس اور باید 2 برابر آمپ خرید مثلا برای بستن یک ست کامپوننت 2way نیاز به 1 آمپ 4 کاناله یا 2 آمپ 2 کاناله است . اما اگر همین ست کامپوننت رو بخواهیم پسیو ببندیم فقط نیاز به 1 آمپ 2 کاناله داریم

در مورد کراس اور مطالب تخصصی بسیاری وجود دارد که فعلا تا به همین جا بسنده می کنیم.