کراس اوور (Crossover) یک مدار الکتریکی که ترکیبی از فیلترهای بالاگذر، پایین گذر و میان است و طیف فرکانس های صوتی (۲۰Hz-20KHz) را برای اعمال به بلندگوها به چندین بخش تقسیم می کند. از آنجایی که امواج صوتی طول موجی از ۵۰ فوت در فرکانس های پایین (Low) تا یک اینچ در فرکانس ها ی بالا (Hi) دارند، هیچ بلندگویی نمی تواند تمامی محدوده فرکانس های صوتی را پخش نماید. بنابراین از حداقل، دو بلندگو و اغلب سه یا چندین بلندگو برای پخش تمامی فرکانس ها استفاده می شود. به عنوان مثال یک بلندگو به نام ووفر (Woofer) برای پخش فرکانسهای زیر ۸۰۰Hz و دیگری به نامهای تویتر (Tweeter) با میدرنج (Midrange) برای پخش فرکانسهای بالای ۸۰۰ Hz استفاده می شود. در این صورت به یک فیلتر بالاگذر با فرکانس قطع HZ 800 و یک فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع ۸۰۰ Hz نیاز است. فیلترهای کراس اوور (Crossover) براساس باند عبوری به انواع (Butterworth,Bessel,Riely Linkwitz) تقسیم می شوند.همچنین شیب منحنی فیلترهای کراس اوور (Crossover) که مشخص کننده نرخ تضعیف فرکانس ها بر حسب DB/Octave و یاDB/Decade است، پارامتر دیگری در تعیین نوع فیلترهای کراس اوور (Crossover) می باشد. در نهایت وظیفه کراس اوور (Crossover) فیلتر کردن بخشی از دامنه فرکانسی صدا است . به این معنا که دروازه ای وجود دارد که صدا از یک فرکانس به بالا یا پایین اجازه عبور کردن ندارد.
دو نوع کراس اوور (Crossover) وجود دارد :
HPF که در واقع (High Pass Filter) می باشد که از این کراس اوور (Crossover) فقط فرکانس های بالا تر ( به عنوان مثال ۱۰۰ هرتز) قابلیت عبور رو دارند و فرکانس های پایین تر فیلتر می شوند.
Cut off Frequency : فرکانسی که از این فرکانس به پایین فیلتر می شود را Cut off Frequency می نامند. که از مشخصات کراس اوور (Crossover) می باشد. ( در اینجا Cut off Frequency فرکانس ۱۰۰ هرتز می باشد)
LPF که در واقع (Low Pass Filter) می باشد که از این کراس اوور (Crossover) فقط فرکانس های پایین تر (به عنوان مثال ۸۰ هرتز) قابلیت عبور رو دارند و فرکانس های بالا تر فیلتر می شوند.
Cut off Frequency: فرکانسی که از این فرکانس به بالا فیلتر می شود را Cut off Frequency می نامند. که از مشخصات کراس اوور (Crossover) می باشد. (در اینجا Cut off Frequency فرکانس ۸۰ هرتز می باشد)
Band Pass Filter هم ترکیبی از هر دو نوع میباشد. بطوریکه هم HPF و هم LPF با هم در کار باشند. بنابر این ۲ تا Cut off Frequency وجود دارد . به این معنا که فرکاس ها از یک حدی از پایین فیلتر میشوند و از یک حدی از بالا.
شیب کاهش (Attenuation Slope)
در نمودار زیر نحوه فیلترینگ یک Crossover بین ۳ باند فرکانسی آمده است . همانطور که مشخص شده این نوع کراس اور در فرکانس های ۱۰۰Hz و ۲KHz باعث افت دامنه صوتی به مقدار ۶dB 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.
کراس اووری (Crossover) وجود ندارد که کاملا دقیق عمل کرده و از Cut off Frequency به آن طرف بطور کامل فرکانس رو حذف کند. کراس اوور (Crossover) فقط فرکانس های بالا یا پایین تر از Cut off Frequency رو تضعیف می کند. حال هر چه از Cut off Frequency فاصله بگیریم این کاهش یا تضعیف بیشتر می شود. به شیب خطی که کراس اور فرکانس های بالا یا پایین تر از Cut off Frequency رو تضعیف می کند Attenuation Slope می گویند.
هیج کراس اوری قادر به فیلتر کردن کامل نیست. و فقط میتواند فرکانس هایی راکه نمیخواهیم عبور کند را تضعیف نماید…
هر چه شیب بیشتر باشد کراس اور مرغوب تر و دارای قدرت فیلترینگ بیشتری میباشد.کراس اور با شیب صفر به معنای فیلتر نشدن هیچ فرکانس و با شیب بی نهایت به معنای فیلتر شدن کامل تمامی فرکانس هایی که بالا یا پایین تر از Cut off Frequency قرار دارند میباشد.
واحد Attenuation Slope دسیبل بر اکتاو (Octave) میباشد (Db/oct) یعنی به ازای هر یک اکتاوی (Octave) که از فرکانس Cut off فاصله بگیریم چند دسی بل از قدرت فرکانس های مزاحم کم میشود …
(توضیح: هر اکتاو (Octave) به معنای نصف شدن فرکانس میباشد. مثال: فرکانس ۱۶۰ یک اکتاو (Octave) از فرکانس ۸۰ بالاتره و فرکانس ۸۰ یک اکتاو (Octave) از فرکانس ۴۰ هرتز بالا تره و به همین ترتیب)
یک مثال جامع :
فرض کنیم یک دامنه فرکانسی کامل را با قدرت ۱۱۰ دسی بل داریم (موزیک واقعی). اگر از یک LPF با Cut off Frequency ا ۱۰۰ هرتز و Attenuation Slope ا ۱۲ Db/oct استفاده کنیم خواهیم داشت:
تمامی فرکانس های زیر ۱۰۰ هرتز سر جای خود هستن (البته تقریبا) ولی فرکانس های بالای ۱۰۰ هرتز ضعیف میشوند بطوریکه فرکانس ۱۰۰ هرتز دارای همان قدرت ۱۱۰ دسی بل خواهد بود و فرکاس ۲۰۰ هرتز (یک اکتاو بالا تر از Cut off Frequency) به قدرت ۹۸ دسی بل (۱۲- ۱۱۰) خواهد رسد و همچنین فرکانس ۴۰۰ هرتز ( ۲ اکتاو بالا تر از Cut off Frequency) به قدرت ۸۶ (۱۲-۹۸) خواهد رسید. بدیهی میباشد قدرت فرکانس ۸۰۰ هرتز ۷۴ دسی بل خواهد بود.
کراس اور اکتیو و پسیو (Passive & Active Crossover)
به طور کلی دو نوع کراس اور (Crossover) وجود دارد که روش ساخت و طراحی آنها متفاوت است. اگرچه عملکرد تقریبا یکسانی دارند ولی کاربری های متفاوت میتوانند داشته باشند.
۱- کراس اور الکترونیکی (اکتیو) یا Crossover Active
۲- کراس اور قدرتی (پسیو) یا Crossover Passive
کراس اوور اکتیو با مدار و قطعات الکترونیکی ساخته می شود و کراس اوور پسیو با قطعات قدرتی (مثل خارنها و سلف ها با ولتاژ تحملی بالا)
کراس اور اکتیو (Active) قبل از آمپلی فای کردن فرکانس ها قرار میگیرد و با ولتاژ و آمپراژ پایین (در حد میلی آمپر و ولتاژ در حد ۱الی ۲ ولت) کار میکند. در حالی که کراس اور پسیو (Passive) قبل از اسپیکر قرار میگیرد. یعنی زمانی که فرکانسها آمپلی فای شدند و ولتاژ و آمپر خیلی بالاست (ولتاژ حتی در حد ۵۰ ولت و آمپر در حد حتی ۱۰۰۰۰ میلی آمپر)
جعبه های کوچکی که قبل از اسپیکر ها قرار دارند باکس کراس اور پسیو (Passive) هستند. حتی اگر بلندگوی ضبط خانگی را باز کنید احتمالا کراس اور آن را میبینید (یک یا دو۲ خازن یا سلف بسته به درجه فیلتریگ و نوع فیلتر)
کراس اور ها از لحاظ قدرت فیلتر کردن درجه های مختلفی دارند: (چه پسیو (Passive) و چه اکتیو (Active)
درجه ۱ (۱ Order): کراس اور ضعیف ، دارای شیب فیلترینگ ۶ دسیبل در هر اکتاو (Octave) .
درجه ۲ (۲ Order): کراس اور متوسط، دارای شیب فیلترینگ ۱۲ دسیبل در هر اکتاو (Octave).
درجه ۴ (۴ Order): کراس اور قدرتمند با شیب فیلترینگ ۲۴ دسیبل در هر اکتاو (Octave).
کراس اوور بینابینی مثلا ۱۸ دسیبل در هر اکتاو یا بالاتر مثلا ۳۶ دسیبل در هر اکتاو (Octave) هم وجود دارد…
حتی بسته به اینکه از چه مداری استفاده شود نوع یا اسم تخصصی کراس اور تغییر میکند.
جالب توجه که از خود باکس ساب ها هم به عنوان یک کراس اور مکانیکی نام میبرند چراکه یک سری فرکانس بالا تر یا پایین تر را روی یک شیب تضعیف میکنند.
درکراس اوور پسیو (Passive ) از خازن بای پلار ( Bipolar Capacitor) و سلف (Inductor) استفاده می شود.
سلف:
از یک کویل و سیم پیچ (به دور کویل) تشکیل شده است. اگه به دو سر سیم پیچ ولتاژ DC وصل کنیم، کویل به آهنربا تبدیل میشود و حول خود یک میدان مغناطیسی ایجاد میکند. حال اگه جای مثبت و منفی ولتاژ را عوض کنیم جای قطبهای آهنربا و میدان مغناطیسی عوض میشود. میدانیم 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 ۱۰۰۰ هرتز، در هرثانیه ۱۰۰۰ 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 پسیو (Passive) درجه یک (۱st 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 (۲th 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 ۱) 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 ۲ 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 دو :
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 کراس اور پسیو هزینه کمتر ( بدلیل نیاز به تعداد کمتر آمپلی فایر ) و نصب آسان تر است . اما عیب کراس اور پسیو 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 است ( زیرا همه پخش ها قابلیت ساپورت کراس اور اکتیو 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 ۲ برابر آمپ خرید مثلا برای بستن یک ست کامپوننت ۲way نیاز به ۱ آمپ ۴ کاناله یا ۲ آمپ ۲ کاناله است . اما همین ست کامپوننت به صورت پسیو فقط نیاز به ۱ آمپ ۲ کاناله می باشد .
