Cos'è la Frequenza di Crossover Fc, le Pendenze e Perché Contano

I crossover sono estremamente importanti per i sistemi di altoparlanti e una grande ragione per cui riusciamo a ottenere la qualità sonora che amiamo.

D'altra parte, cose come la frequenza di crossover (Fc), le pendenze (dB per ottava) e come funziona tutto può essere un po' complicato se non capisci come funziona. Sarò felice di aiutarti!

In questo articolo spiegherò:

• Cos'è la frequenza di crossover Fc e perché è importante
• Cos'è una pendenza di crossover e le più comuni che troverai
• Come calcolare il calo in dB del crossover per le frequenze inclusa Fc
• Il ruolo di induttori e condensatori (e "reattanza" per Fc)

Frequenza di crossover Fc e pendenze spiegate

Questo diagramma mostra esempi dei 3 principali tipi di filtro usati nei crossover. Mostrate anche le pendenze più comuni che è la "ripidezza" del filtro (quanto efficacemente bloccano le frequenze oltre la frequenza di crossover).

Una frequenza di crossover, comunemente scritta come Fc, è il punto di frequenza audio in Hertz (Hz) in cui il crossover eroga -3dB (1/2) potenza in uscita all'altoparlante. Fc è il punto di riferimento dopo il quale le frequenze sonore saranno grandemente ridotte per impedirne l'arrivo all'altoparlante.

Oltre il punto di frequenza di crossover (Fc) la potenza erogata dal crossover calerà sempre più, con sempre meno potenza inviata all'altoparlante. Come succede, a Fc la tensione in uscita verso il carico (altoparlante) è 0,707 x la tensione in ingresso, il che significa che puoi calcolare il calo in decibel basandoti sulla tensione out versus tensione in.

Perché le frequenze di crossover sono importanti

Quando si progettano crossover per altoparlanti, la frequenza di crossover (fc) viene usata come una sorta di linea che segna dove vogliamo iniziare a bloccare le frequenze sonore inviate a un altoparlante. È solitamente basata sulle specifiche fornite dal produttore dell'altoparlante che elenca le frequenze sonore che un altoparlante può riprodurre con buona risposta e senza distorsione.

Ad esempio, i tweeter non possono riprodurre note di basso dalla musica e possono persino essere danneggiati da esse. Sapendo questo, vorremmo scegliere una frequenza di crossover abbastanza alta da bloccare le note di basso inviate ai tweeter per prevenire distorsione o danni. (Tipicamente i tweeter hanno frequenza di crossover nelle migliaia di Hertz [scritto come KiloHertz o kHz] come 3,5kHz, 5kHz, ecc. — ben sopra la gamma di bassi e medi nella musica).

Una frequenza di crossover è anche chiamata talvolta frequenza d'angolo o frequenza di taglio poiché pensiamo in termini di come i suoni vengono "tagliati" dopo quel punto.

La frequenza di crossover Fc è molto importante per la progettazione dei crossover

I crossover per altoparlanti (chiamati anche "passivi" perché non usano energia elettrica per funzionare) usano condensatori e induttori selezionati in base ai valori dei componenti disponibili e al loro costo. Un crossover è progettato partendo da una frequenza Fc e regolato secondo necessità per gli obiettivi di design.

Usare la frequenza di crossover Fc come punto di partenza permette ai progettisti di sistemi altoparlanti di calcolare i valori dei componenti necessari (condensatori e induttori) a seconda dell'impedenza dell'altoparlante. Poiché non puoi comprare componenti in qualsiasi valore, la Fc che otteniamo in base a ciò che vogliamo è un buon punto di partenza su cui lavorare e regolare secondo necessità per lavorare con componenti basati su disponibilità, prezzo e altri fattori.

Gli amplificatori operazionali, chiamati anche op-amp, sono il blocco costitutivo più importante per i crossover elettronici. I crossover elettronici svolgono esattamente lo stesso lavoro (e hanno lo stesso comportamento base) dei crossover passivi (per altoparlanti). La differenza è che lavorano su segnali a basso livello prima che siano amplificati mentre i crossover passivi lavorano con segnali amplificati dopo l'uscita dell'amplificatore.

NOTA: In questo articolo mentre descrivo come funzionano i crossover passivi (non elettronici, non alimentati) e Fc, i principi sono esattamente gli stessi per i filtri elettronici.

Proprio come i loro omologhi passivi basati su condensatori o induttori più grandi, i crossover basati su amplificatori operazionali hanno le stesse pendenze e comportamento della frequenza di crossover. Lo fanno semplicemente con il segnale prima che sia amplificato invece che dopo.

Come calcolare i decibel (dB) per la frequenza di crossover Fc

Tutte le frequenze sonore dopo la frequenza di crossover vengono tagliate sempre più oltre esso con una riduzione sempre più ripida — al punto da essere quasi completamente bloccate.

In altre parole, un crossover filtra una gamma di suoni che vorresti impedire raggiungano gli altoparlanti, partendo dalla frequenza di crossover.

Nel mondo dell'ingegneria elettrica, tradizionalmente usiamo i decibel (dB) quando parliamo di misure di potenza poiché sono spesso non lineari. Significa solo che matematicamente, la potenza è spesso misurata, graficata e tracciata usando matematica esponenziale come logaritmi ("10 alla potenza di x", per esempio).

Come le frequenze di crossover (Fc) e i dB sono correlate

Poiché i crossover riducono la potenza in uscita, è abbastanza comune misurare la riduzione in uscita in decibel. Una ragione è che hanno una "pendenza" gentile (curva verso il basso) piuttosto che una linea retta se li graficassi su tutta la gamma di frequenze audio.

Per questo e altri motivi, possiamo misurare la riduzione della potenza in uscita in dB. Per farlo, dovrai sapere o (1) la potenza prima e dopo l'altoparlante/dall'amplificatore, o (2) la tensione all'altoparlante e dall'amplificatore.

Sapendo questi, puoi facilmente calcolare l'uscita in dB di un crossover con una calcolatrice scientifica sul tuo computer o smartphone.

Puoi calcolare i dB per un crossover usando queste formule:

1. Per tensione: 20 x log(Vout / Vin) = x dB
2. Per potenza: 10 x log (Potenza_out / Potenza_in) = x dB

Capire il livello segnale in vs out del crossover e "guadagno negativo"

La tensione in uscita del crossover (chiamata qui "Vout", la tensione all'altoparlante erogata da un crossover) non può mai essere più alta dell'ingresso — non è possibile. I crossover possono solo ridurre l'input diretto a un altoparlante — non possono amplificarlo. Alcuni crossover elettronici lo fanno, ma quelli hanno intenzionalmente un guadagno e non è comune nella maggior parte dei casi.

Per questo, otterrai sempre una risposta dB negativa se fai i calcoli per l'uscita di un crossover.

Per completezza, un valore dB negativo indica una riduzione nella matematica ingegneristica mentre positivo di solito significa guadagno o aumento di un segnale. Gli amplificatori hanno uscita dB positiva (guadagno) mentre crossover e altri componenti come resistenze hanno un guadagno negativo (effetto dB negativo su un segnale).

Attenuazione è un altro modo per descrivere un guadagno negativo.

Nota: il controllo guadagno di un amplificatore serve a compensare un livello segnale in ingresso alto o basso ed è una sezione separata dal circuito crossover.

Come funziona una frequenza di crossover Fc: diagramma esempio

Esempio di un high-pass crossover molto comune e semplice. Un condensatore in serie con un altoparlante permetterà alle frequenze più alte (sopra Fc) di passare con quasi nessun calo di volume o potenza all'altoparlante. Agisce come una resistenza zero Ohm (un corto circuito) in serie con esso. Tuttavia, per frequenze audio sotto Fc, la "resistenza" (impedenza, chiamata reattanza capacitiva) del condensatore aumenterà, permettendo sempre meno tensione e potenza di raggiungere l'altoparlante. Agirà come una resistenza di valore molto alto in serie e quindi bloccherà la maggior parte del segnale dall'amplificatore inviato all'altoparlante. In altre parole, un filtro high-pass!

Uno dei problemi che ho trovato quando parliamo di questo argomento è immaginarlo nella mente. Per esempio, può essere difficile capire cosa succede realmente nella vita reale quando si suona musica nel mondo reale vs solo una spiegazione trovata su internet.

Tutti i crossover funzionano allo stesso modo — capiscine uno, li capisci tutti (beh, quasi!)

Una nota importante: i principi sono gli stessi indipendentemente dal numero di "ordini", o stadi, che un crossover ha. Per esempio, un semplice crossover 1° ordine con un condensatore collegato in linea con un tweeter funziona esattamente sullo stesso principio di un crossover 2° ordine 2-vie più sofisticato.

Sono solo i dettagli un po' più complicati — non come funziona. Quella parte non cambia mai.

Ci sono alcuni crossover con caratteristiche e design più sofisticati che non tratterò qui, ma per la maggior parte, la maggioranza sono tutti uguali e fanno la stessa cosa a gradi diversi. La cosa bella è che una volta che capisci bene le basi, l'hai capito per la maggior parte!

I fondamenti di come funzionano i crossover con Fc

La cosa più importante da sapere è che i crossover funzionano "assorbendo", o impedendo, tensione e potenza dall'andare agli altoparlanti a cui sono collegati per le frequenze sonore che non vogliamo riproducano.

Nell'esempio dal mio diagramma più sopra, puoi vedere che:

• Sopra la frequenza di taglio Fc, un condensatore agisce come una connessione a resistenza quasi zero — nulla è bloccato e agisce quasi come un tratto di filo dritto.
• Quando le frequenze audio iniziano a raggiungere Fc, l'impedenza del crossover sale, agendo come una resistenza di alto valore in serie con l'altoparlante. A Fc, l'altoparlante riceve solo 1/2 della potenza che riceverebbe altrimenti (che per caso è anche .707 volte la tensione in ingresso dall'amplificatore o stereo).
• Più andiamo oltre il limite Fc, l'impedenza del crossover è molto più grande in Ohm; in effetti, oltre un certo punto, sarà tipicamente diverse centinaia di Ohm. Quando succede l'altoparlante ha circa 0V e nessuna potenza.

Come vedi altrove nel mio articolo, la "ripidezza" del calo di potenza e livello segnale all'altoparlante dipende dalla pendenza del crossover. La pendenza di un crossover è sostanzialmente il risultato di quanti "stadi", o sezioni di crossover, sono usati come necessario per il particolare sistema altoparlanti o altoparlanti con cui stiamo lavorando.

I crossover come vedi qui sono sempre a incrementi di 6 decibel (dB) Per Ottava:

• Crossover 1° ordine: un singolo condensatore o induttore è usato, -6dB per ottava riduzione (non molto ripido).
• Crossover 2° ordine: Due sezioni componenti sono usate: un condensatore, un induttore. —12dB/ottava riduzione (più ripido, più efficace, molto popolare).
• 3° ordine: due condensatori + 1 induttore o 2 induttori + 1 condensatore sono usati: —18dB/ottava taglio.

...e così via, con -12dB essendo una delle pendenze di crossover più comuni che troverai sia per crossover audio auto che altoparlanti home audio.

Un'ottava è solo la metà o il doppio di una frequenza audio. Per esempio, 200Hz è un'ottava di 100Hz, 400Hz è un'ottava di 200Hz, poi 800Hz, e così via. Equalizzatori e altra elettronica audio possono usare altre variazioni con numeri più fini come 1/3 d'ottava, per esempio.

Matematica formula frequenza crossover: reattanza induttiva e capacitiva spiegata

Mostrate qui le formule base per semplici crossover 1° ordine usando condensatori e induttori. I condensatori hanno un valore di impedenza (Ohm) che dipende dalla frequenza proprio come gli induttori.

Condensatori e induttori hanno una "resistenza" chiamata reattanza (in Ohm proprio come la resistenza) che dipende dalla frequenza. Ecco alcune cose base da capire:

• La reattanza capacitiva aumenta man mano che la frequenza DIMINUISCE. Normalmente scritta come "Xc." La capacità è marcata in unità di Farad, con la maggior parte dei condensatori valori in microFarad (µF), nanoFarad (nF), o anche picoFarad (pF).
• La reattanza induttiva AUMENTA man mano che la frequenza aumenta. Normalmente scritta come "Xl." L'induttanza è marcata in unità di Henry e tipicamente trovata in unità di microHenry (µH) o milliHenry (mH).

Nota: "Micro" unità sono 1 x 10E-6 decimali (es. 0,000 001) mentre "nano" rappresenta 1 x 10E-9 decimali (es. 0,000 000 001).

In entrambi i casi, è solo una forma di impedenza molto simile a come una bobina mobile altoparlante che ha una certa induttanza per la bobina di filo dentro fa. Entrambe sono misurate in Ohm (Ω).

Tuttavia, si completano a vicenda e si comportano quasi come l'opposto l'uno dell'altro. Per esempio:

• I condensatori agiscono come filtri high-pass quando collegati in serie e low-pass in parallelo.
• Gli induttori agiscono come filtri low-pass quando collegati in serie e high-pass in parallelo.

Questo grafico mostra un esempio di semplice filtro high-pass a condensatore usando un condensatore 3,98 microFarad con altoparlante 8Ω con frequenza di crossover (Fc) 5kHz. Al valore Fc, l'impedenza è la stessa del carico altoparlante (8Ω) il che significa che la potenza all'altoparlante è scesa a 1/2. Più sotto Fc l'impedenza cresce sempre più, bloccando le frequenze dei bassi sempre più.

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