Penapisan isyarat audio dijelaskan: Teknik pasif dan aktif

Memahami penapis audio adalah penting untuk mereka bentuk sistem dengan kawalan bunyi yang tepat.Penapis ini mengubahsuai kandungan frekuensi untuk meningkatkan kejelasan, mengurangkan bunyi, dan menyesuaikan ciri -ciri tonal.Dari lulus tinggi ke jenis semua-pas, masing-masing memainkan peranan yang unik dalam membentuk isyarat audio.Aplikasi praktikal merangkumi audio rumah, bunyi langsung, dan komunikasi radio.Artikel ini memecah tingkah laku penapis, struktur litar, dan strategi reka bentuk dunia nyata, menawarkan panduan terperinci jurutera untuk memilih dan melaksanakan penapis yang tepat untuk prestasi audio yang optimum.

Katalog

Rajah 1: Rajah blok sistem audio

Menyelidiki penapis audio

Penapis audio berfungsi sebagai litar elektronik yang rumit yang memanipulasi frekuensi isyarat, sama ada meningkatkan atau melemahkan frekuensi tertentu untuk mencapai hasil audio yang dikehendaki.Pengubahsuaian ini penting untuk membersihkan bunyi yang tidak diingini dan meningkatkan kualiti bunyi.Penapis memainkan peranan penting dalam sistem komunikasi dan elektronik, memberi kesan yang mendalam kepada output audio dan meningkatkan kejelasan secara keseluruhan.

Pelbagai penapis audio

Penapis audio membahagikan kepada kategori yang berbeza berdasarkan ciri -ciri tindak balas frekuensi mereka.

-Penapis lulus rendah memudahkan laluan frekuensi di bawah titik yang ditetapkan sambil mengurangkan frekuensi yang lebih tinggi, biasanya digunakan untuk mengurangkan gangguan frekuensi tinggi dalam tugas audio.

- Penapis lulus tinggi membolehkan frekuensi yang lebih tinggi melalui, menghalang yang lebih rendah, penting dalam meminimumkan maklum balas dan gegaran.

- Penapis band-pass menargetkan jalur frekuensi tertentu, meningkatkan isyarat yang berkaitan dan lazimnya dalam komunikasi radio.

- Penapis Band-Stop, atau Penapis Notch, menghapuskan frekuensi yang tidak diingini yang tepat seperti HUM 60Hz yang terkenal dari gangguan elektrik, meningkatkan sistem bunyi.

Penapis lulus rendah dalam tindakan

Penapis lulus rendah melihat penggunaan yang luas dalam persekitaran yang pelbagai.Sebagai contoh, dalam persediaan audio rumah, mereka mengawal output bass untuk mengekalkan bunyi yang harmoni dengan menapis kekacauan frekuensi tinggi yang mungkin mengganggu kejelasan.Profesional bunyi langsung menggunakan penapis ini untuk memperbaiki suapan audio, memastikan pengalaman mendengar yang murni.

Penapis lulus tinggi merentasi senario

Penapis lulus tinggi cemerlang dalam senario bunyi langsung di mana pelbagai mikrofon bermain, penting untuk menyekat maklum balas dan gemuruh.Mereka juga penting dalam litar mikrofon untuk mengatasi gangguan frekuensi rendah seperti bunyi angin, mengekalkan kejelasan vokal.

Penggunaan khusus penapis band-pass dan band

Penapis band-pass sangat diperlukan dalam mengasingkan band frekuensi dalam komunikasi radio, meningkatkan isyarat yang dipilih semasa menekan orang lain.Penapis Notch, sebaliknya, mahir dalam menghapuskan frekuensi yang disasarkan seperti HUM elektrik 60Hz yang berterusan, dengan itu menambah kualiti sistem audio.

Penerokaan jenis penapis yang mendalam

Sifat struktur dan kekerapan penapis

Penapis boleh dikenal pasti dengan reka bentuk mereka dan bagaimana mereka mengendalikan frekuensi yang berbeza.Secara struktural, terdapat dua kategori utama: penapis pasif dan aktif.Penapis pasif terdiri daripada unsur -unsur seperti perintang dan kapasitor yang beroperasi tanpa sumber kuasa luaran.Penapis aktif, sebaliknya, menggunakan transistor dan penguat operasi, yang memerlukan sumber kuasa DC sambil menyediakan fleksibiliti dan prestasi yang dipertingkatkan di pelbagai aplikasi, yang dapat membangkitkan keinginan manusia untuk kecekapan dan kecemerlangan.

Tindak balas dan fungsi kekerapan

Jenis penapis juga berbeza dalam keupayaan tindak balas frekuensi mereka, masing -masing menangani julat frekuensi tertentu untuk tujuan yang unik.Passband merujuk kepada julat kekerapan di mana voltan output atau kuasa adalah optimum, dan memahami konsep -konsep ini dapat membangkitkan rasa ingin tahu dan penemuan.Penapis lulus tinggi membolehkan frekuensi di atas ambang tertentu untuk lulus, mengurangkan frekuensi yang lebih rendah.Sebaliknya, penapis lulus rendah membolehkan frekuensi yang lebih rendah untuk lulus, mengehadkan yang lebih tinggi.

Di samping itu, penapis band-pass membenarkan frekuensi dalam julat tertentu untuk lulus, melemahkan frekuensi di luar rentang ini.Penapis henti-henti, atau penapis notch, menindas frekuensi dalam julat tertentu, sesuai untuk mengeluarkan bunyi yang tidak diingini.Penapis semua-pass mengekalkan amplitud yang konsisten merentasi frekuensi, memberi tumpuan kepada hubungan fasa yang berbeza-beza, menawarkan lapisan kecanggihan dan kawalan dalam memanipulasi isyarat.

Penapis dengan tindak balas frekuensi

Penapis boleh dikumpulkan berdasarkan bagaimana mereka bertindak balas terhadap frekuensi yang berbeza.Bahagian spektrum yang ditapis oleh penapis dengan sedikit atau tidak pelemahan dipanggil passband.Rantau ini adalah di mana voltan output atau kuasa kekal tinggi pada lengkung tindak balas frekuensi.

Secara praktikal, penapis boleh dikenalpasti dengan mana julat kekerapan yang mereka benarkan dan yang mereka sindarkan.Ini termasuk:

Penapis Audio Pas Tinggi

Penapis lulus tinggi membolehkan isyarat di atas kekerapan cutoff tertentu untuk lulus dan mengurangkan amplitud di bawahnya.Titik cutoff biasanya ditakrifkan di mana voltan output jatuh kepada 70.7% (atau -3 dB) daripada nilai passband maksimum.

Rajah 2: Angka ini menunjukkan tindak balas kekerapan penapis audio lulus tinggi

Dari lengkung tindak balas, anda akan melihat bahawa isyarat di bawah potongan tidak disekat sepenuhnya -mereka masih diluluskan tetapi dengan keuntungan yang dikurangkan.Penurunan secara beransur-ansur ini sering dipanggil rantau "roll-off" atau "roll-down".Dalam litar sebenar, tingkah laku ini menghasilkan kelebihan penapisan lembut dan bukannya potongan tajam.

Penapis lulus rendah

Penapis lulus rendah berfungsi dengan cara yang bertentangan.Mereka lulus isyarat di bawah kekerapan cutoff dan mengurangkan yang di atasnya.

Rajah 3: Angka ini menunjukkan tindak balas frekuensi penapis audio lulus rendah

Sekali lagi, pelemahan lengkap tidak berlaku tepat pada cutoff.Frekuensi yang lebih tinggi dilemahkan secara progresif, dan beberapa isyarat mungkin masih bocor pada tahap yang rendah.Lereng ini mesti diambil kira apabila merancang penapis untuk kejelasan audio atau perlindungan pembesar suara.

Penapis band-pass

Penapis band-pass hanya membolehkan jalur frekuensi tertentu untuk lulus.Ia mempunyai dua mata cutoff -satu di bahagian rendah dan satu di atas.Isyarat di luar julat ini dikurangkan atau disekat sepenuhnya.

Rajah 4: Angka ini menunjukkan tindak balas frekuensi penapis audio STOP S

Apabila menyesuaikan penapis sedemikian, anda perlu menentukan kedua -dua kekerapan pusat (biasanya di mana output paling kuat) dan jalur lebar (julat antara frekuensi cutoff bawah dan atas).

Penapis Band-Stop dan Notch

Penapis Band-Stop Buang julat frekuensi tertentu semasa lulus isyarat di kedua-dua belah pihak.Penapis Notch adalah versi sempit band, yang direka untuk menghapuskan kekerapan, seringkali, kekerapan, seperti 60 Hz hum dalam sistem audio.

Penapis ini berguna dalam kerja audio praktikal di mana menghapuskan gangguan tanpa menjejaskan seluruh isyarat adalah penting.Penapis Notch mempunyai "Q" yang tinggi (faktor kualiti), yang bermaksud mereka hanya melemahkan jarak sempit dengan ketara.

Penapis semua-pass

Penapis semua-pass membolehkan semua frekuensi lulus, tetapi mereka memperkenalkan perubahan fasa di antara mereka.Penapis ini tidak digunakan untuk menyekat atau lulus isyarat tertentu tetapi untuk membetulkan misalignments masa dalam sistem audio kompleks.

Rajah 5: Angka ini menunjukkan tindak balas frekuensi fasa beralih penapis audio SLL-pass

Apabila menala penapis semua-pas, anda akan melihat perbezaan fasa antara komponen kekerapan.Ini mesti diselaraskan dengan teliti untuk mengelakkan memperkenalkan artifak pembatalan fasa dalam sistem stereo.

Penapis Penyamaan

Penapis ini tidak sepenuhnya lulus atau menyekat frekuensi tertentu.Sebaliknya, mereka meningkatkan atau memotong keuntungan dengan cara yang bergantung kepada kekerapan.Mereka digunakan secara meluas dalam sistem muzik untuk menyesuaikan keseimbangan tonal dan tindak balas akustik yang betul.

Klasifikasi oleh struktur

Penapis juga diklasifikasikan sama ada mereka memerlukan kuasa dan penguatan.Setiap satu ini boleh menjadi lulus tinggi, lulus rendah, band-pass, atau band-stop:

Penapis lulus tinggi pasif

Penapis ini menggunakan perintang dan kapasitor.Kapasitor menghalang frekuensi rendah manakala perintang membolehkan yang lebih tinggi diteruskan.Dalam amalan, bentuk yang paling asas terdiri daripada kapasitor dalam siri dengan isyarat input, diikuti oleh perintang ke tanah.

Rajah 6: Gambarajah litar penapis audio pasif pertama yang pertama

Kekerapan cutoff:

fₕ = 1 / (2πrc)

Dengan menyesuaikan nilai perintang dan kapasitor, anda boleh menyesuaikan penapis untuk menyekat frekuensi di bawah titik yang dipilih.Sebagai contoh, dengan R = 10kΩ dan C = 0.1μF, potongan adalah sekitar 160 Hz.Frekuensi di atas ini akan lulus ke peringkat seterusnya, biasanya tweeter dalam sistem audio.

Penapis pasif adalah mudah, tidak memerlukan kuasa, dan padat.Walau bagaimanapun, mereka tidak dapat menguatkan isyarat, dan menggunakan induktor menjadikannya besar dan mahal.

Penapis lulus tinggi aktif

Ini dibina pada jenis pasif dengan menambahkan op-amp.Op-amp disambungkan selepas peringkat RC, biasanya dalam konfigurasi yang tidak terbalik.

Rajah 7: Gambarajah litar penapis audio tinggi yang aktif

Op-amp memberikan keuntungan, yang membolehkan isyarat output menjadi lebih kuat dan kurang terjejas oleh bunyi bising.Impedans input yang tinggi juga menghalang pemuatan dari sumber, memelihara bentuk isyarat.

Walau bagaimanapun, penapis sedemikian memerlukan sumber kuasa DC untuk biasing dan mempunyai jalur lebar terhad kerana tindak balas frekuensi OP-AMP sendiri.

Penapis lulus rendah pasif

Menggunakan rangkaian RC atau RL.Kapasitor (atau induktor) diposisikan supaya ia menghancurkan isyarat frekuensi yang lebih tinggi ke tanah sambil melewati frekuensi rendah.

Rajah 8: Gambar rajah litar penapis audio rendah passif pasif pertama

Kekerapan cutoff:

fₗ = 1 / (2πrc)

Penapis ini berguna untuk menghantar isyarat frekuensi rendah kepada woofers.Mereka tidak memerlukan kuasa dan menawarkan reka bentuk yang mudah, walaupun sekali lagi, tiada penguatan tersedia.

Penapis lulus rendah aktif

Menggabungkan penapisan RC pasif dengan op-amp untuk keuntungan.Op-amp meningkatkan frekuensi rendah semasa menolak yang lebih tinggi.

Penapis ini berguna apabila isyarat lemah perlu dipelihara atau dikuatkan sebelum menghantarnya ke peringkat kuasa atau pembesar suara.Tetapi mereka memerlukan bekalan kuasa dan mengalami batasan jalur lebar op-amp.

Penapis band pasif

Ini menggabungkan penapis lulus tinggi dan rendah.Output yang dihasilkan adalah frekuensi bertindih yang jatuh di antara kedua -dua laluan penapis.

Rajah 9: Gambarajah litar penapis audio band pasif pertama-pesanan pertama

Potongan bawah berasal dari bahagian lulus tinggi;Potongan atas berasal dari lulus rendah.Hanya frekuensi di antara yang dibenarkan melalui.Penapis ini sering digunakan untuk pembesar suara pertengahan tetapi boleh menjadi besar kerana bilangan komponen.

Penapis Band-Pass Aktif

Konsep yang sama seperti versi pasif, tetapi termasuk op-amps atau peringkat transistor untuk menguatkan jalur frekuensi yang dikehendaki.Jalur lebar op-amp mesti sejajar dengan julat sasaran penapis untuk prestasi optimum.

Penapis Band-Stop Pasif

Dibina dari rangkaian RLC, biasanya dengan litar LC selari merentasi perintang.Konfigurasi ini dengan tajam melengkapkan band sempit dan melepasi semua frekuensi lain.

Rajah 10: Rajah litar penapis audio pasif pasif pertama pesanan

Ini pada dasarnya merupakan gabungan dari lulus tinggi dan penapis rendah di mana stopbands mereka bertindih.Penapis ini juga dirujuk sebagai penapis t-notch atau band.

Penapis Band-Stop Aktif

Termasuk penguatan selepas bahagian pasif untuk memulihkan kekuatan isyarat dalam julat kekerapan yang dibenarkan.Sekali lagi, jalur lebar op-amp mesti sesuai untuk spektrum yang ditapis.

Rajah 11: Penapis Stop Band Aktif