Cambio de fase y su importancia en los amplificadores de audio

Lo tienes 800 grados fuera de fase incluso a 100 Hz donde tu amplitud es de 0 db. Esto va a causar una distorsión relativa entre las diferentes frecuencias de la música que tocas porque tus frecuencias más altas pasarán por un filtro diferente y probablemente tendrán menos cambios de fase. La distorsión puede ser menos notoria porque está en el espectro bajo. Solo debe distorsionar moderadamente su música. Si fuera un audiófilo tratando de hacer un sistema de sonido realmente bueno, entonces este no sería el camino a seguir, de lo contrario, probablemente funcionará bien.

Si desea eliminar la cantidad masiva de cambio de fase, querrá encontrar diferentes topologías de filtros que no requieran que encadene 6 en serie, cada uno de los cuales aumenta su retraso de fase total. Puede consultar la topología del filtro biquad: http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_filter_topology#Biquad_filter

El diseño de filtros tiene que ver con las compensaciones entre amplitud, caída, cambio de fase y complejidad del diseño.

EDITAR: a partir de más investigaciones sobre resultados experimentales y aunque no bajan a 100 hz aquí, dudo que pueda manejar la cantidad de retraso que está agregando. Investigación experimental

Tiene 20 ms de retraso (800/360 * 1/100 = 22 ms) y eso es significativamente más alto que los umbrales mencionados en el documento. Además, si tiene música de 180 bpm, eso es 3 latidos por segundo, y terminará con un retraso de 1/15 del tiempo entre latidos. Ese es un retraso significativo que sería muy audible, creo. Yo renovaría el diseño si fuera usted si realmente fuera a construir y usar esto.

Brian recomienda una gran idea si usa un filtro de fase lineal, solo agregará un retraso general a su señal en lugar de retrasar algunas frecuencias más o menos que otras.

Una buena manera de hacer esto sería agregar el filtro de paso alto como un filtro de fase lineal, y luego usar un paso bajo de esta señal para el bajo, así como usar la misma señal para los filtros de paso de banda medio y superior. . De esta manera, si su filtro de paso alto original es de fase lineal, todos tendrán el mismo retraso de grupo y solo agregará retrasos marginales de los otros filtros.

Esta es una representación de diagrama de bloques de eso:

^{simule este circuito : esquema creado con CircuitLab}
El primer filtro de paso alto debe ser de fase lineal y es el que protege sus woofers de demasiada amplitud en el extremo inferior. El resto de los filtros están diseñados únicamente para la etapa de salida individual. Esto reduce aproximadamente a la mitad el retraso de fase potencial entre sus señales y al mismo tiempo logra los resultados deseados.

El problema principal con los cambios de fase es cuando la misma señal llega al oyente a través de dos caminos de señal y hay un cambio de fase diferente en cada uno. En ese caso, si hay un cambio de fase de 180 grados entre las dos señales (y tienen la misma amplitud), se cancelan y la señal (a esa frecuencia) desaparece.

Eso ciertamente puede ser audible, y puede valer la pena retrasar la señal anterior con un cambiador de fase para mantenerlos en fase.

Suele ser más útil calcular los cambios de fase en términos de retardos de grupo: por ejemplo, un cambio de fase de 360 ​​grados en una señal de 200 Hz es de 5 ms (1 ciclo completo) y un cambio de fase de 1080 grados sería de 15 ms. Ahora considere la velocidad del sonido: alrededor de 1000 pies por segundo, por lo que una forma de retrasar la otra señal es mover su altavoz hacia atrás... ¡15 pies! Probablemente no sea práctico, pero a menudo se hace para unidades de alta frecuencia donde se requiere un retardo de grupo de (digamos) 0,1 ms (3 cm).

Otro aspecto de ver el cambio de fase como retardo de grupo es que es independiente de la frecuencia: considere que 100 grados a 20 Hz y 1000 grados a 200 Hz son un retardo de grupo idéntico.

También tenga en cuenta la advertencia sobre la misma amplitud anterior: si dos señales de 200 Hz llegan con una separación de 180 grados, pero una tiene una amplitud 10 dB más baja (lleva el 10 % de la potencia), se produce la cancelación, pero la suma tiene el 90 % de la potencia total, lo que provoca una Cambio de 1dB en amplitud: pocos oyentes lo notarán. Entonces, más allá de la atenuación de 10dB, se vuelve menos importante preocuparse por el cambio de fase.

EDITAR: El hecho es que tiene retrasos masivos en su banda de paso, no solo más allá de su punto de -10dB, lo que equivale a aproximadamente 2 ciclos completos a 60 Hz, y como comenta Horta, esto podría ser claramente audible en algunos entornos. Me gustaría ver eso representado como retardo de grupo frente a frecuencia. Si es relativamente constante, consideraría retrasar el canal principal en la misma cantidad. (Fácil si la fuente de la señal es digital, no tan fácil si es una radio de coche analógica AM o FM).

Alternativamente, comenzaría a buscar filtros de fase lineal: se ha trabajado mucho en la coincidencia de fase entre los filtros LPF y HPF (como Linkwitz-Riley para cruces de altavoces) que parecerían ser aplicables para su caso. Si puede usar estos hasta una atenuación de -15dB o -20dB, puede agregar de manera segura un filtro que haga lo que quiera (Cauer, etc.) por encima de ese punto.

EDIT2: dividir los filtros parece una buena idea. Si aplica el filtro HPF de 20 Hz a toda la banda de audio, y su retraso de grupo es constante a 15 ms en todo el espectro, eso equivale a presionar "Reproducir" 15 ms después... inaudible, y una situación muy diferente de retrasar parte del espectro.

Recomiendo construirlo con la flexibilidad de probar ambas configuraciones y probar para ver si puede escuchar la diferencia. Puede hacerlo con amplificación normal si el amplificador Clase D aún no está listo.

Una forma de hacer que la fase se comporte en un filtro de audio activo de 3 vías es enviar la entrada de sonido a un paso alto (para el amplificador de tweeter) y también enviar la entrada de sonido original a un filtro de paso bajo para el amplificador de woofer. Luego, la señal de rango medio se obtiene restando (en un amplificador operacional) tanto el HPF como el LPF de la entrada de sonido original. Esto preserva las relaciones de fase entre el rango medio y tanto el woofer como el tweeter. La relación de fase entre el tweeter y el woofer es irrelevante ya que las dos bandas de frecuencia están muy separadas.