Come progettare e costruire un crossover di altoparlanti – Guida fai-da-te con diagrammi!

Benvenuto! In questa grande guida pratica, ti mostrerò come puoi progettare e costruire il tuo altoparlante incrocio per l'audio di casa o dell'auto.

Ne ho costruiti molti di mio, da quelli di base a quelli più avanzati, quindi mi piacerebbe condividere ciò che ho imparato lungo il percorso. Tratterò un bel po', quindi approfondiamo!

Cosa tratta questa guida pratica

Ci sono così tanti tipi diversi e varianti di tipi di design crossover passivi che non è pratico per me coprirli tutti. Per mantenere le cose gestibili e aiutare il maggior numero di persone (proprio come te!), tratterò ciò che devi sapere per creare una delle numerose opzioni che funzioneranno per oltre il 95% delle esigenze del sistema di altoparlanti.

Come questo articolo ti aiuterà

Il mio articolo fornirà il know-how, i diagrammi, le informazioni e i passaggi per creare un fai-da-te (fai-da-te) altoparlante incrocio per ottenere il suono che desideri sulla base della mia esperienza nel mondo reale. È del tutto possibile costruire qualcosa che ti piacerà usare e di cui essere orgoglioso senza enormi mal di testa o andare in rovina!

In questa guida tratterò:

• Cover a 1 via (tweeter passa alto o woofer passa basso), 2 vie e 3 vie.
• Buoni tipi di design crossover di primo e secondo ordine da utilizzare.
• Come determinare la frequenza di taglio (frequenza di crossover) di cui avrai bisogno.
• Diagrammi schematici per aiutarti a costruire il tuo che puoi scaricare o stampare se lo desideri.
• Cosa devi sapere sull'impedenza degli altoparlanti (ohm degli altoparlanti) e perché è importante.
• Scelta delle parti giuste da acquistare e approccio pratico ai valori delle parti.
• Cosa fare se non riesci a trovare i valori delle parti corretti.
• Cablare la tua rete crossover e assemblare tutto (senza dover costruire un circuito stampato personalizzato).
• Altre cose da fare per quel tocco in più e prestazioni ancora migliori.

(Sentiti libero di saltare alcune sezioni se non sei nuovo ad alcune idee qui.)

Nota: Poiché questo non vuole essere un articolo più avanzato, non tratterò alcuni aspetti tecnici come l'impedenza della bobina mobile, la risposta di fase, la risposta fuori asse dell'onda sonora, lo sfasamento o le opzioni di progettazione del 4° ordine.

Come funziona un crossover passivo? (Una breve guida per principianti)

Un filtro crossover passivo è diverso da un crossover attivo (usato in progetti audio elettronici, amplificatori e preamplificatori, ecc.) in quanto utilizza componenti passivi non alimentati per filtrare una frequenza portata prima che possa raggiungere uno o più altoparlanti. In termini pratici, "bloccano" efficacemente le frequenze sonore indesiderate dal raggiungere un driver dell'altoparlante riducendo o attenuando notevolmente il segnale in ingresso da uno stereo o da un amplificatore.

Ciò è possibile grazie a una proprietà dei condensatori e degli induttori chiamata reattanza. La reattanza è un'opposizione al flusso di corrente elettrica e cambia con la frequenza del segnale audio. Questo crea un'impedenza al segnale che controlla quanto di un livello di segnale (tensione del livello degli altoparlanti) è presente ai terminali degli altoparlanti.

Il ruolo di condensatori e induttori in incrocio rete disegno

• A condensatore aumenta la sua opposizione al flusso di corrente a frequenze inferiori a incrocio punto . Ciò significa che funge da filtro passa alto quando è collegato in serie con un carico di altoparlanti (carico in Ohm).
• An induttore aumenta maggiormente la sua opposizione al flusso di elettricità a frequenze superiori al incrocio punto . Ciò significa che funge da filtro passa basso quando è collegato in serie con un altoparlante.

Gli usi nel mondo reale per questi sono estremamente importante nei sistemi di altoparlanti home audio o car audio:

• Possiamo utilizzare il condensatore del giusto valore (valutato in unità chiamate Farad) per evitare che il suono a bassa frequenza raggiunga un tweeter che causerebbe distorsione o addirittura danni!
• Possiamo utilizzare un induttore del giusto valore (valutato in unità chiamate Henries) per evitare che segnali musicali ad alta frequenza raggiungano un woofer che suonerebbe molto povero o aspro.

Condensatori e induttori possono essere utilizzati da soli (crossover a stadio singolo, detto anche 1° ordine) o combinati per creare un filtro ancora più efficace con caratteristiche diverse. I crossover di 1° ordine hanno una pendenza di crossover o filtraggio pendenza/efficacia, che si riduce a una velocità di 6 dB per ottava.

I crossover del secondo ordine, che hanno due sezioni di condensatore o induttore, riducono la loro uscita a 12dB per ottava. 2° ordine i design sono uno dei più utilizzati per Cover passivi in quanto rappresentano un buon compromesso tra complessità, costo, pendenza della pendenza e qualità del suono.

Utilizziamo i decibel (dB) nel mondo dell'ingegneria, utilizziamo i decibel per misurare i livelli di uscita degli altoparlanti o i valori del segnale di crossover audio perché entrambi non sono lineari. Ciò significa che per l'audio aumentano o diminuiscono in base alle potenze di 10 (ovvero sono logaritmici).

Un segno negativo davanti indica una riduzione mentre un segno positivo o nessuno davanti indica un guadagno.

Es.: Un crossover con una pendenza di -6dB/ottava avrà un'uscita ridotta di 6 dB per ogni ottava (un dimezzamento o un raddoppio della frequenza:400 Hz, 800 Hz, 1.600 Hz, ecc.) oltre la frequenza di taglio.

Cos'è un punto di crossover degli altoparlanti?

Un punto di crossover degli altoparlanti viene solitamente chiamato crossover frequenza e a volte è scritto come "Fc ” per rappresentare la “frequenza di taglio”. A altoparlante incrocio punto è il limite frequenza oltre il quale le frequenze audio vengono notevolmente ridotte dal raggiungere gli altoparlanti, bloccandoli di fatto.

In termini tecnici, si basa sul punto in cui l'uscita di un crossover ha una perdita di 3dB. In termini di potenza elettrica, il punto -3dB è il frequenza a cui il potere al altoparlante è ridotto di 1/2.

Man mano che andiamo oltre la frequenza di crossover (il punto -3dB), l'uscita diminuirà ulteriormente e fino a diventare essenzialmente zero. Ad esempio, per un crossover tweeter -6dB/ottava con un cutoff a 1kHz:

• Il tweeter avrà un'uscita di -3dB a 1kHz.
• A un'ottava di distanza (500Hz), l'uscita sarà -6dB.
• A frequenze ancora più lontane l'output sarà di quasi 0 decibel.

Scelta del tipo di progettazione del crossover e relativi dettagli

Scelta del tipo e della pendenza del crossover

Ecco alcuni consigli per la migliore pendenza di crossover e tipi di ordine di crossover da utilizzare in base al tuo sistema di altoparlanti. Tieni presente che questi sono generalmente i più popolari e funzionano nella maggior parte dei casi.

• Per un semplice crossover tweeter (passa alto, per alti o "alti") o crossover woofer o midrange (per far passare un segnale a bassa frequenza) un tipo di 1° ordine, 6dB/ottava di solito va bene. Secondo ordine, anche i design a 12dB/ottava sono opzionali se desideri filtrare le frequenze indesiderate in modo ancora più netto.
• Per bidirezionale altoparlante sistemi a 2° ordine Linkwitz-Riley è spesso il miglior compromesso tra qualità del suono e prestazioni. Sebbene il 1° ordine sia semplice e facile da costruire, non è l'ideale a meno che tu non abbia una ragione specifica per farlo. Un altro vantaggio è che forniscono un'uscita dell'altoparlante in fase se usati correttamente (ne parlerò più avanti).
• Per i progetti a 3 vie va bene un tipo di secondo ordine ed evita anche problemi con problemi di fase e altre complessità che possono sorgere.

Linkwitz-Riley vs Butterworth e altri tipi di crossover di 2° ordine

I design Linkwitz-Riley sono senza dubbio uno dei più comunemente usati per una serie di motivi:il principale è la sua risposta piatta in cui le uscite del punto di crossover del woofer e del tweeter si sovrappongono. Altri modelli come Butterworth, Chebychev e Bessel non offrono la stessa risposta in frequenza, sebbene offrano diverse quantità di guadagno che possono essere utili per obiettivi di progettazione specifici.

Il Linkwitz-Riley (L-R) incrocio è una scelta eccellente per creare un standard altoparlante disegno con la sua pendenza di -12dB per ottava e un buon output (piatto).

Il crossover L-R del secondo ordine è una configurazione all-pass che si somma a una grandezza piatta...

La risposta in ampiezza piatta, la bassa sensibilità all'offset e le risonanze del driver in banda hanno reso l'L-R una scelta popolare tra i produttori.Vance Dickason, The Speaker Design Cookbook (7a ed.)

Sebbene sia un argomento separato, il crossover L-R non è sensibile alla risonanza del driver degli altoparlanti, il che è un altro vantaggio. Se sei interessato a saperne di più, ti incoraggio a mettere le mani su una copia di The Loudspeaker Design Cookbook di Vance Dickason .

Come trovare i valori della frequenza di crossover

La buona notizia è che ci sono alcuni modi per dire quale frequenza di crossover dovresti scegliere per progettare e costruire la tua:

1. Consigli del produttore.
2. La risposta in frequenza dell'altoparlante se viene fornita tale specifica. (Non è sempre disponibile, purtroppo!)
3. Regole generali basate sul tipo e le dimensioni degli altoparlanti che hai (tweeter vs woofer, diffusori a cono piccolo vs cono grande, ecc.).

Probabilmente finirai per utilizzare 2 o più delle cose sopra per ottenere i migliori risultati.

Nota: Tratterò anche gli altoparlanti a 3 vie separatamente poiché sono un caso un po' speciale. Vedi sotto per quello.

1. Raccomandazioni del produttore

Se sei fortunato, la tua azienda di altoparlanti potrebbe aver fornito una buona gamma di frequenze per l'uso. Per l'esempio illustrato sopra, sceglieresti una frequenza di crossover di almeno 3,5 kHz che risulta essere molto comune.

2. Tabella o specifiche della risposta in frequenza del driver

Se sei abbastanza fortunato da avere un grafico di risposta in frequenza con gli altoparlanti che vorresti utilizzare, puoi vedere le aree in cui hanno un output scadente e usarlo come guida . Queste sono le aree che vorrai evitare.

Per farlo, scegli una frequenza di crossover lontana da questo intervallo. Quando si utilizzano configurazioni a 2 o 3 vie, questo dovrebbe idealmente essere il punto in cui anche l'altro driver o gli altri driver possono produrre il suono. L'idea è quella di trovare un "punto intermedio" che entrambi possano produrre il suono fino a quel punto senza uno spazio vuoto, o una gamma di uscita significativamente più debole.

Dall'esempio sopra, possiamo vedere che il tweeter mostrato ha un buon output fino a un valore inferiore a 2 kiloHertz (2kHz). Sapendo che vorremo scegliere una frequenza di crossover che sia almeno 2kHz o superiore.

3. Dimensioni e tipo degli altoparlanti

Per scegliere il limite necessario in base alle dimensioni del driver dell'altoparlante e digitare sono utili le seguenti regole pratiche:

• I tweeter utilizzano un piccolo driver che in molti casi non è in grado di gestire bassi o medi. La maggior parte può produrre suoni da circa 3 kHz e oltre, quindi una frequenza di taglio passa-alto di 3 kHz o 3,5 kHz è solitamente un'ottima scelta.
• Un altoparlante midrange utilizzato in un design a 2 vie di solito va bene anche a circa 3kHz-3,5kHz. [Per un driver midrange con design a 3 vie, vedere le mie note più avanti.]
• I woofer che producono alcune frequenze dei medi o dei medi spesso necessitano di un passa basso tra 120 e 250 Hz circa.
• I subwoofer funzionano male con qualcosa di diverso da una gamma di basse frequenze molto limitata, quindi 80-100 Hz sono spesso i migliori. In alcuni casi è applicabile anche 120Hz.

Note sulla frequenza di crossover a 3 vie

Anche se potrebbe non sembrare, i crossover a 3 vie non sono solo una semplice estensione di un design a 2 vie. L'idea in questo caso è quella di utilizzare un progetto APC (All Pass Crossover) con un ampio intervallo di frequenza tra la frequenza passa alto e la frequenza passa basso.

Questo è dovuto alle interazioni indesiderate che possono verificarsi se sono troppo vicine tra loro. Puoi usare la mia tabella qui sotto o questa regola generale in base al rapporto del limite di passaggio alto (Fh ) e taglio passa basso (Fl ):

Buona 3 vie incrocio rapporto: Fh/Fl =8 o superiore.

Alcune ottime frequenze di crossover a 3 vie da utilizzare sono:

• 3kHz/375Hz
• 5kHz/625Hz
• 6kHz/750Hz

Per utilizzare il rapporto 1:8 sopra, scegli la frequenza superiore e dividi per 8 per ottenere la 2a. Allo stesso modo, puoi scegliere una frequenza più bassa e moltiplicarla per 8 per ottenere una buona frequenza di taglio superiore.

Nota che i design a 3 vie hanno un'uscita midrange con un livello dB più alto o più basso. In questo caso, il design a 3 vie ha un guadagno di 2,45 dB rispetto alle uscite tweeter e woofer che è piuttosto piccolo.

In generale, più i due punti di incrocio sono distanti, migliore sarà la risposta combinata dei driver (tre ottave è un buon punto di partenza).

I punti di incrocio più vicini tra loro rispetto all'ideale a tre ottave soffriranno di complicati schemi di interferenza indesiderati.Vance Dickason

Progettazione del circuito di crossover e ricerca dei valori delle parti

Una volta ottenuto quanto segue:

• Il tipo di crossover di cui hai bisogno.
• Le frequenze di crossover.
• I tuoi altoparlanti e la loro impedenza (valutazione in Ohm degli altoparlanti).

... puoi metterti al lavoro! La buona notizia è che non sarà molto difficile:non devi fare i conti da solo a meno che tu non lo preferisca. Puoi usare il mio altoparlante incrocio calcolatrice per darti i valori delle parti di cui hai bisogno.

LEGGI DI PIÙ »

Utilizzo di un calcolatore crossover

È abbastanza autoesplicativo ma non preoccuparti perché ho fornito le istruzioni sulla pagina della calcolatrice. Inserisci i tuoi valori e le tue selezioni per:

• Il tipo di crossover (verrà visualizzato un diagramma per chiarirlo).
• Le impedenze degli altoparlanti utilizzate.
• La frequenza/le frequenze di crossover secondo necessità.

Annota o salva i valori, negli schemi sottostanti o da qualche altra parte in cui puoi trovarli.

DIAGRAMMI – schemi di reti incrociate da stampare e utilizzare

Fai clic qui per visualizzare o stampare gli schemi del crossover forniti per costruire il tuo crossover fai-da-te. Sulla stampa viene fornito spazio per annotare i valori delle parti calcolati, se lo si desidera.

Riunire le parti

Acquisto di componenti crossover

Avrai bisogno almeno dei seguenti tipi di componenti crossover:

• Condensatori elettrolitici non polarizzati (bipolari) con una tensione nominale sufficiente. Questo è generalmente di circa 48 V o superiore.
• Induttori con nucleo in aria, sebbene anche i tipi con bobina di ferrite (nucleo in ferrite) vadano bene ma non sono necessari.

I condensatori sono classificati in unità denominate Farad e solitamente venduti in “microFarad”, anche a volte scritto con il simbolo greco Mu (µF, 1/1.000.000 di Farad) o con un piccolo “ u” (uF). Gli induttori sono misurati in Henries e solitamente venduti in milliHenries (1/1.000 di Henry) scritti come "mH".

Condensatori bipolari rispetto a condensatori polarizzati

I condensatori polarizzati sono il tipo più comune ma non funzionano per l'uso audio:DEVI utilizzare tipi non polarizzati. Questo perché 1) non possono gestire una tensione di corrente alternata (CA) che si inverte e 2) possono distorcere il suono e persino fallire. I condensatori non polarizzati consentono a un segnale musicale elettrico di passare bene.

I condensatori bipolari ("BP", non polarizzati) sono generalmente contrassegnati come tali, mentre i tipi polarizzati hanno un lato con una striscia che indica la connessione negativa.

Tensione nominale del condensatore

I condensatori non sono in grado di gestire una tensione applicata superiore al valore massimo consentito. 48V o superiore è una buona regola pratica, anche se puoi calcolare tu stesso il valore minimo usando la legge di Ohm se conosci la potenza RMS dell'amplificatore in questo modo:

V (volt) =radice quadrata (Potenza x ohm dell'altoparlante)

Ad esempio un amplificatore con 50 W per canale a un altoparlante da 8 ohm avrà una tensione di uscita di circa radice quadrata (50 x 8) =20V. Una tensione nominale più alta andrebbe bene, ma non vogliamo scendere al di sotto di 20V. Utilizzeremmo la parte con la valutazione più alta successiva che troviamo o superiore.

Tolleranze dei valori delle parti (perché non cercare valori "perfetti")

I condensatori elettrolitici e gli induttori a nucleo d'aria hanno una tolleranza di circa il 20% più o meno del loro valore etichettato (+/-20%). More expensive parts may have 10% or lower tolerance which is nice but not really necessary.

I say this to help get the point across that:

• No capacitor or inductor will have a perfect value – they vary slightly from their rated value.
• You don’t need an exact value, but rather the goal is to get it pretty close to the value you need.
• Inductors, capacitors, and resistors are sold in standardized values and you’ll almost never find the EXACT value. In many cases it’s not stocked by a supplier and not worth the time trying to search and search for it.

For example, a capacitor labeled as 4.7 uF (4.7 microFarad) may have an actual of around 3.76 to 5.64 uF when measured with test equipment. (It’ll probably be around 4 to 5uF but you see what I mean). The same is true for inductors too.

In that case, you’d buy a 4.7uF one if it’s reasonably easy to get but if not, the good news is there’s another way.

TIP:How to get the part values you need if you can’t find them

There’s a simple way to handle not finding the exact part values you need. The trick is to use multiple crossover components in such a way that they add up close to what you’re after.

• Inductance adds when they’re connected in series and divides when wire in parallel.
• Capacitance adds (sums) when they’re wired in parallel. The total capacitance divides when connected in series.

This means you can use spare parts or buy other parts of different values that are available to accomplish the same thing!

Miscellaneous parts you’ll need

I can’t recommend enough being prepared. Here’s a general list of what you’ll need to build and encase your passive speaker crossovers:

• Project enclosure (if not being mounted directly inside a speaker cabinet), ideally made of ABS plastic.
• [Optional] Breadboard or other flat material for a mounting surface.
• Speaker wire or miscellaneous wire for connecting the components to each other and wire terminals.
• Sandpaper or metal file to remove insulating enamel from inductor wire ends.
• Wire terminals:I use a dual row inline wire terminal strip as they’re relatively easy to get, not expensive, and can be mounted with screws.
• Adhesive to mount your parts:General adhesive, silicone-based adhesive, or a hot glue stick and a hot glue gun (although not recommended for hot areas).
• [Optional] Labels:Clear Scotch tape or shipping tape and white paper + permanent marker or black &white printer.
• Typical hand tools:cutting pliers or needle nose pliers, Philips screwdriver, and others as needed.

TIP: When shopping for a project enclosure, be aware that the screw thread columns take up some of the internal space. You may need to buy a slightly larger size if the space is too tight.

I recommend always checking how much room you’ll need based on the size of your capacitors and inductors.

DIAGRAM – How to build your speaker crossover

Prepare the crossover circuit &components for assembly

Once you’ve got your parts and the schematic it’s time to jump right in! To build your crossovers, I recommend doing the following:

• Place the capacitors and inductors in the project box in order to figure out the best placement before you start building. Sometimes space is tight and you don’t want problems when you’re already in the middle of building the crossover network circuitry.
• If you’re using a mounting board or perfboard, etc., measure between the cover screw columns. This is important because many plastic project enclosures have screw bases that take up space on the inside. Cut your board as needed to fit this area.
• Although it can be possible to find a single-row wire terminal strip they’re hard to get. I recommend using a dual row strip as they’re affordable and much easier to find.
• With the top on the box, place the terminal strip slightly below the top to leave enough room for wiring to exit below the cover when it’s on. Using a permanent marker or knife, mark the area above it and cut that section of plastic out.

Mounting &connecting your components

• I recommend using a non-permanent adhesive like hot glue and a hot glue gun, silicone sealant, contact adhesive, Gorilla Glue, etc. to mount the parts. This way you can remove them later if you need to modify the design or reuse parts.
• For warmer temperatures hot glue really isn’t so great. Hot glue can become detached from the mounting surface in warm temperatures and doesn’t stick well to smooth surfaces like ABS plastic, either. For that reason I don’t recommend it in most cases.
• Inductors use magnet type wire which has an enamel insulator you’ll need to remove with coarse sandpaper, a file, or Dremel tool. In order to solder the wire ends, you’ll need to expose the wire surface and provide a good clean contact area.
• You can use spare speaker wire or miscellaneous stranded hookup wire to connect the components together.

You can also use crimp connectors instead of a soldering iron and solder, although I personally recommend soldering for the best connection possible.

Going by the crossover schematic, connect each section to the next and double-check your work.

Proper placement of inductors

Inductors, as you may already know, work by increasing the magnetic field strength using loops of wire. Because of this it’s possible for one to cause magnetic coupling (interference) which can induce a signal or distortion in another.

To avoid this, if at all possible mount them at a 90° difference as shown in the diagram above or a minimum of about 3 inches. I begin by placing them at opposite corners of the box when building mine.

Putting it in a project enclosure

Once you’ve got the crossover circuit built, place the whole assembly in the box and use a bit of adhesive to hold it inside if you like (optional). Connect the amp side wiring, negative side wiring, and speaker output wires to the terminal strip on the top row.

This will leave the bottom row free for speaker connections.

Speaker terminals and tweeter polarity

Second order networks have an output signal phase difference of 180 degrees. Fortunately, unlike odd-order designs (1st order or 3rd order) we can get a perfectly in phase (0° difference) sound output easily.

To do this with second order networks:

• 2-way speaker systems: reverse the tweeter output crossover connections at the wire terminals and connect the tweeter like you normally would. This puts the tweeter back in phase with the woofer / bass driver.
• 3-way speaker systems: reverse the midrange polarity to the wire terminals for the crossover.

[Optional] Adding speaker wiring labels

Want to add an extra touch? You can easily make your own labels for your speaker and amplifier input connections. Personally, I recommend the following steps:

• Using copier or printer paper, write your connection label notes using a Sharpie permanent marker. Optionally you can print using a black and white printer (although it’s harder to get text lined up perfectly).
• Cut out the labels using scissors.
• Using clear tape such as large shipping tape, place the tape over the label and trim with scissors if needed.
• Apply the label to the project box.

Example of a finished DIY speaker crossover

Here’s an example of my own – one of my first DIY crossovers projects I built myself. As you can see it doesn’t have to be perfect – but does need to be well-connected, use the right parts, and be put together in a way that’s practical for everyday use.

Note that if you’re installing yours directly in a speaker enclosure it’s not necessary to use a project box, but the rest of the steps should still apply.

Hopefully you’ve found my guide helpful. Here’s to enjoying good sound the way you like it – and proving you can do it yourself!

More helpful crossover resources you’ll enjoy

• Check out my L-pad, speaker Ohms, and other audio calculators here.
• Learn more details about what capacitors and inductors do in a crossover.
• Here’s a lot more helpful info about what a crossover frequency is.
• What more knowledge? Here I cover how to determine the speaker crossover frequency.
• The crossover frequency Fc, slopes, and why they matter.
• Find out a good crossover frequency for car or home audio.