具有平坦频率响应的未加权音频滤波器的设计

出处:维库电子市场网 发布于:2023-12-07 15:50:57

  声级计使用多种方法进行音频噪声测量。这些通常由滤波器的频率响应曲线来表征。虽然某些音频滤波器旨在模仿人耳在各种声级下的频率响应,但本文将重点介绍 Z 加权(未加权)音频滤波器的详细设计,该滤波器在 20 Hz 至 20 kHz 范围内具有平坦的频率响应。该滤波器可以与我之前的一篇文章中描述的宽带电压和电流表结合使用。
  未加权(Z 加权)频率响应
  未加权的平坦频率响应曲线如图 1 所示。带限滤波器频率响应范围在 ITU 建议 ITU-R BS.468-4 中被指定为“掩模”,用于测量音频噪声电压电平。声音广播。国际标准 IEC 61672 将音频上类似的平坦响应定义为“Z 加权”或零加权。

  ITU 未加权滤波器的频率响应范围

  图 1.未加权滤波器的频率响应范围。图片由国际电联提供
  我们设计的滤波器的测量响应必须适合面罩内部,这需要在几乎所有音频范围内具有平坦的响应。该技术给出了以 RMS 值测量的结果,可用于设计更低的噪声水平。
  非加权音频滤波器的设计
  未加权滤波器由两个串联的滤波器组成:
  12 dB/倍频程高通滤波器,-3dB 截止频率接近 20 Hz
  18 dB/倍频程低通滤波器,-3 dB 截止频率接近 20 kHz。

  通过调整为具有 0.5 dB 峰值的巴特沃斯滤波器(频率响应曲线中没有峰值)可以满足模板要求。n阶巴特沃斯滤波器的频率响应(以分贝数A表示)由下式给出: A=10log10(1+Ω2n) 

 Ω取决于滤波器的类型:

  低通滤波器:

   Ω=ω/ωc  

    高通滤波器:

     Ω=ωc/ω    

    在哪里:

  ω是信号频率
  ω c 是 -3 dB 截止频率
  该模板需要一个二阶高通滤波器来提供从远低于 1 Hz 到 22.4 Hz 的 12 dB/倍频程上升响应,以及一个三阶低通滤波器来提供从 22.4 kHz 以上的下降响应。

  图 2 显示了调整后的巴特沃斯解决方案的示意图。

  准巴特沃斯未加权音频滤波器示意图
  图 2.准巴特沃斯未加权音频滤波器示意图(点击放大)
  调整滤波器响应
  过滤器使用 Sallen 和 Key 配置的等分量值版本。通过增加增益设置电阻器 R7 和 R12 的值,直到响应峰值与两端 1 kHz 时的响应相比,达到 0.5 dB,调整就相当容易完成。
  R2 标记为“测试时调整”。这意味着,当滤波器连接到宽带电压表时,您可以将 1 kHz 时的 1 Vrms 输入电压表(当然是在 1 V 范围内),并调整 R2 直到输出也为 1 V。
  输出电阻补偿
  您可能很想知道图 2 顶部中心附近的放大器 U1B。它在那里是因为 U2A 的输出电阻与 C3 串联,并且在远高于 20 kHz 的频率下,与 C3 的电抗相比,该电阻不可忽略,因此未实现 18 dB/倍频程滚降。它不可忽略,因为负反馈会降低开环输出电阻(数据表中未给出),但开环增益在高频下相当低,这与运算放大器的情况一样。
  对于TL072通用运放来说,100kHz时的开环增益仅为30左右,因此反馈不能太大地降低输出电阻。LM4562 音频运算放大器在这方面也好不到哪去。U1B提供较低的输出电阻,可以满足响应要求。
  系统灵活性和重用性设计
  您可能还会注意到 J2。这使得频繁使用该过滤器和其他外部过滤器变得更加容易。宽带电压表的第 4 块添加了 5 针 DIN 插座,这样不仅可以建立 GO 和 RETURN 信号连接,而且外部滤波器也可以从电压表获取直流电源。
  外部滤波器可以具有带插头的飞线或其他插座,以便可以使用连接电缆。将引脚 1 和 5 的电线单独屏蔽,以防止滤波器上的杂散电容耦合。可以获得直径相当小的四芯单独屏蔽电缆,并且屏蔽层当然提供必要的第五导体。
  图 3 显示了修改后的宽带电压表块 4,其中包含 5 针 DIN 插座。值得保留 BNC 连接器,以便可以轻松连接测量仪器和实验外部滤波器。

  添加 5 针连接器的宽带电压表原理图

  图 3.修改宽带电压表的块 4 以添加 5 针连接器(点击放大)
  未加权音频滤波器设计的测量结果
  图 4 显示了准巴特沃斯滤波器的测量频率响应。分贝刻度很大,以便显示频率范围两端的小峰值。相对于 1 V,噪声水平为 -50 dB,并且由于电压表增益切换的布置方式,施加到滤波器的信号始终可以在 100 mV 和 1 V 之间,除了敏感的范围。

  巴特沃斯滤波器未加权音频响应

  图 4.准巴特沃斯未加权滤波器的频率响应
  使用切比雪夫滤波器的替代音频滤波器设计
  使用切比雪夫滤波器在技术上会更优越。这些滤波器的频率响应在超出指定高度的峰值时增益可能会急剧下降。设计此类滤波器的数学有些复杂,因此教科书中给出了预先计算的结果。其中之一是 Don Lancaster 撰写的“有源滤波器食谱”(ISBN 9780750629867)。
  图 5 显示了使用切比雪夫构建块的未加权音频滤波器的示意图。不要忘记调整 R2 的值,如上所述。

  切比雪夫未加权滤波器的示意图

  图 5.切比雪夫未加权滤波器的示意图(点击放大)
  图 6 显示了切比雪夫滤波器的测量频率响应。该曲线在前 4 dB 衰减范围内的斜率稍显陡峭。
  切比雪夫未加权滤波器响应
  图 6.切比雪夫滤波器的频率响应

  图 7 显示了插入切比雪夫滤波器的宽带电压表的整体频率响应。电压表本身的带宽比滤波器的带宽宽得多,因此它对滤波响应没有影响。

  图 7.带切比雪夫滤波器的宽带电压表的频率响应
  人耳响应的加权
  Z 加权平坦频率响应的替代方案是 A 加权响应,它对应于耳科正常人耳对 40 phon 级别声音的敏感度。声级计标准 IEC 61672-1 中规定了“A 计权”。图 8 显示了标准定义的 A、C 和 Z 权重的频率响应曲线。
  A、C 和 Z 加权的频率响应范围的比较

  图 8. A、C 和 Z 加权的频率响应比较。图片由Comsol提供
  它与 RMS 计一起使用,并且传统上用于测量其他不应该的东西,因为它严重低估了 40 方以上的低频声音的影响。例如,它会将 100 phon 20 Hz 信号低估 40 dB。
  相反,噪音水平为 40 方的音响系统将是一个非常嘈杂的系统;一个好的系统不会超过 30 phon。A 加权将 30 phon 的 20 Hz 信号电平高估 5 dB。但 A 权重的使用已经非常成熟,以至于没有人愿意做出任何改变。
  测量音频噪声时选择滤波器响应
  了解您正在设计或使用的音频噪声测量设备的频率响应非常重要。根据您的应用,您可能需要使用 A 加权滤波器来模拟人耳的响应。但是,您需要始终记住,这会严重过滤低频信号。
关键词:音频滤波器

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