滤掉某些频率分量

在这个实验中，你将看到如何利用自感和电容来对音频信号进行滤波。你将建立一个分频网络：一种简单电路，它将低频送到一个地方，而将高频送到另外一个地方。

以下是你需要用到的东西。

□ 扬声器，8 Ω，直径5 in，数量：1个。图5-35是一个典型例子。

图5-35 为了听出利用线圈和电容器进行音频滤波的效果，你需要一个可以再现低频的扬声器。这种式样的5 in 扬声器是最低要求

□ 音频放大器，STMicroelec-tronics公司的TEA2025B型或其他类似产品，数量：1个。见图5-36。

图5-36 这个单芯片的立体声功放在两个声道组合在一起时，可以往一个8 Ω 的扬声器上输出总共5 W 的功率

□ 非极化电解电容器（也称双极性电容器），47 µF，数量：2个。图5-37是一个例子。它们的上面应该印有NP或BP字样，以表示“非极化”或“双极性”。

图5-37 这是一个非极化电解电容器，也称双极性电容器，其样子跟电解电容器相同，只是它上面印有NP或BP字样

□ 非极化电解电容器，100 µF，数量：5个。由于你将处理的是在正、负之间交替变化的音频信号，因此你无法使用常用的极化电解电容器。如果你想免除订购非极化电容器的麻烦和费用，可以将两个常用的电解电容器极性相反地串联起来，使它们的负端连接在中间，来代替非极性电容器。只是需要记住，当你将电容器串联时，总电容只有单个电容器电容的一半。因此，你需要两个220 µF 的电解电容器串联，才能得到一个110 µF的电容。见图5-38。

图5-38 将两个常用的电解电容器串联起来，可以做出一个非极化电容器（实际上，如果你打开一个实际的非极化电容器，看到的正是这种情况）。下面的符号粗略地等效于上面的一对符号，只是需要记住的是，串联起来的两个电容器的总电容只有单个电容器电容值的一半

□ 电位器，100 kΩ（如果可能，请选用有音频抽头的），数量：1个。

□ 线圈，用于分频网络的那种，数量：1个。你可以在eBay这样的地方搜索“crossover”（分频）和“coil”（线圈）这两个关键词，不过当你找不到价格合适的线圈时，可以用一卷100 ft 长的20号线规的连接线将就一下。

□ 塑料鞋盒，数量：1个。

步骤

音频放大器芯片的作用在于提供足够的功率，以便能够从扬声器中发出像样一点的声音。使用5 in 扬声器的目的，是为了让你能够听到更低频的声音（比我们前面使用的小扬声器的低频更低）。低音调具有较长的波长，小的扬声器不能有效地产生这种声音。

也许你还记得，在搭建入侵报警器电路时，如果你能够阻止扬声器锥体后部发出的声波抵消锥体前方发出的声波，那么扬声器就能够发出更大的声音。达到这个目标的最明显的方法就是把扬声器放在一个盒子里。我建议使用塑料盒子，因为塑料盒子便宜，而我们除了想要听到一些低频音之外，并不怎么在意声音的质量。图5-39显示了扬声器被螺钉固定在塑料盒子底部时的情况，而图5-40则显示了盖好盖子，将盒子翻转后的情况。

一般来讲，扬声器应该安装在厚而重的材料制成的箱体里，这种箱体应该具有极低的谐振频率——低于人类听觉频率的下限。为了使鞋盒的谐振最小，在盖上盖子之前，你可以在里面放入一些柔软、沉重的织物。一条手巾或几只袜子就足以吸收一些振动。

图5-39 如果你希望能够从扬声器中听到一些低音（低频）的话，谐振盒是必不可少的。对于演示来讲，一个廉价的塑料鞋盒就足以满足要求

图5-40 在盒子的底部钻一些0.5 in 的孔，然后用螺钉将扬声器安装到位，并通过盒子一端的一个孔布一条线。盖上盖子，你就有了一个不是特别高保真的音响

加入放大器

回溯20世纪50年代，那时人们需要真空管、变压器以及其他要消耗大量电力的元件才能制作出音频放大器。而到了今天，你可以购买一片大约1美元的芯片，在它周围加上几个电容器以及一个音量控制，就可以完成同样的工作。我所推荐的TEA2025B芯片是专用于廉价的便携单放机和CD机的，可以工作于立体声模式和单声道模式，供电的允许范围宽达3 V 到9V。在9 V 供电并且将芯片的两侧连接起来驱动单个8 Ω 的喇叭时，它可以产生5 W 的音频功率。比起每个声道的额定功率为100 W的普通家庭影院系统来，5 W 的功率算不得什么，不过由于响度采用的是对数刻度，5 W 的功率已经足以刺激房内的每个家庭成员，甚至会刺激其他房间的人。

如果找不到TEA2025B芯片，可以用任何其他的音频放大器芯片来代替。试着找一个用于驱动8 Ω 扬声器、在单声道模式下最多可以输出5 W 的芯片。请查看制造商的参数说明书，弄明白电容器的连接位置。请特别注意其中有些电容器是不是没有极性标记（虽然它们的容值可能很高，例如为100 µF）。不论交流电流向哪个方向，这些电容器都必须能够正常工作，在电路原理图5-41中，我给这些电容标上NP字样，表示它们是“非极化的”［在产品目录中，你也许会发现它们被标记为bipolar（双极性）或BP］。如同购物清单中注明的，你可以将两个220 µF的电容器按照负端对负端的方式串联起来，得到单个100 µF 的非极化电容器同样的效果。

图5-41 音频放大器芯片周围需要按照图中的样子连接电容器，其中NP 表示非极化电容器。BP表示双极性，也常用来表示同一个意思。可以让芯片的引脚2和引脚15的输出通过一个线圈或者一个10 µF 的电容器，以演示音频滤波

在这个实验项目中，必须在供电电源的两端接一个常用的100 µF电解电容器，否则放大器将拾取到电路中的微小电压尖峰并将其放大。

图5-42所示电路原理图中的输入可以接收一般媒体播放器（例如便携式MP3播放器、CD播放器或单放机）的信号。为了连接耳机插孔与面包板，你可以使用一个转接器将耳机插孔转换成一对RCA型的音频插孔，然后如图5-42那样从其中一个插孔上接出一根导线。再将该导线连接到面包板电路中33 kΩ 的电阻器上。RCA 插座上镀铬的颈部（有时是镀金的，或者至少是金色的）必须连接到面包板上供电电源的负端，否则你将听不到任何声音。你可以忽略转接器上的第二个输出，因为我们的电路工作于单声道而不是立体声模式。

图5-42 为了对来自音乐播放器的耳机插座的输出进行采样，你可以采用这个转换器，并将一根连接线的剥去绝缘层的一端压入其中的一个插槽中。然后再使用带鳄鱼夹的跳接线将声音信号连接到你的面包板电路。不要忘记用另外一根跳接线来将插孔的外部连接到面包板供电电源的负端。因为我们仅仅使用一个扬声器，放大器仅仅连接到你的播放器的立体声输出的一个声道。另一个被忽略了

33 kΩ 的电阻器用于防止放大器过载，是必不可少的。如果你无法从你的音乐播放器得到足够大的音量，那么可以减小33 kΩ 电阻器的阻值。如果音乐过大或失真，可以增大该阻值。你也可以试着将其旁边的10 kΩ 电阻器忽略掉或者增大其阻值，引入这个电阻的目的是为了降低背景的交流噪音。

我在电路原理图的上部画了两个开关：一个用来短路线圈，一个用来短路电容器。你也可以用鳄鱼夹来代替开关，只要方便你比较将这两个元件分别插入到电路以后的声音就可以了。

图5-43所示为使用一卷连接线来组成线圈的情况。躺在鞋盒顶部、尚未夹东西的红色和黑色鳄鱼夹将连接到芯片的输出（引脚2和引脚15）。这里不存在极性的问题，哪个夹子连接到哪个引脚都没有关系。

图5-43 鞋盒顶部的红色和黑色鳄鱼夹应该连接到你的放大器芯片的输出引脚。红色的跳接线把通过（连接线构成的）线圈的信号送往扬声器。请注意，当你把线圈短路之后声音发生的改变

在加电源之前，先将音乐来源的音量控制旋到最小。在开通放大器的时候，如果你听到嗡嗡或噼啪的噪音，请不要惊讶，它会拾取任何的杂散电压，因为在这个简单的实验中，我并没有建议你对输入进行屏蔽，由于放大器电路的导线可以起到天线的作用，因此会拾取噪音。

请注意，如果你在一个导电性的桌面上使用放大器，你还可能受到一些其他噪音的干扰。请将这个实验项目中的铝箔和导电性泡沫拿走。

让你的播放器播放音乐，并且缓慢地调高其音量直到你能够听到音乐为止。如果你什么都没听到，那你就必须检查一下看看电路有无错误。

接下来是这个实验中有趣的部分。将100 ft 的连接线卷接在放大器的一个输入端和扬声器的一个输出端之间（到底用哪端无关紧要），如果你使用的是开关的话，请断开那个将线圈短路的开关。你将发现音乐中没有了所有的高频段的响应。作为对比，如果你去掉线圈，代之以一个10 µF 的电容器，你将发现音乐的声音变得“尖细”，表明其中没有了所有的低频部分，剩下的只是高频。

你刚刚测试了两种十分简单的滤波器，以下是它们的功能。

□ 线圈是一个低通滤波器。它通低频阻高频，因为短周期的音频没有足够的时间去克服线圈的自感。线圈的自感越大，消除的频率范围就越宽。

□ 电容器是一个高通滤波器。它通高频阻低频，因为较长周期的音频会使电容器充满电，然后电容器就不能通过电流了。电容器的电容越小，消除的频率范围就越宽。

你可以更深入地去了解滤波器的设计，可以使用线圈和电容器的复杂组合来阻断音频频谱中任意点的频率。在网上搜索音频滤波器的话，你会找到成百上千的结果。

分频网络

在传统的音响系统中，每一个音箱有两个驱动：一个是小扬声器，称作高音喇叭，它重现高频的声音；另一个是大扬声器，称作低音喇叭，它重现低频的声音（现代的音响系统常常将低音喇叭拿出来，放在一个独立的盒子里，这个盒子可以放在几乎任何地方，因为人耳很难听出低频声音的方向）。

你刚刚看过（并且可能还根据它制作过电路）的电路原理图就是所谓的“分频网络”，真正顶尖的音响发烧友都会制作他们自己的分频网络（尤其是用于汽车音响系统的那种），他们会自己设计，并制作音箱箱体，自己选择扬声器。

如果你要制作一个分频网络，就必须使用高质量的聚酯电容器（它没有极性，比电解电容器耐用，做工更好），并使用正确匝数和正确尺寸的线圈在恰当的频率点分割出高频。图5-44所示即为一个聚酯电容器。

图5-45所示为一个音频分频线圈，是我在eBay上花6美元买到的。我很好奇它里面到底是什么，因此我买了两个，并拆解了其中的一个。

图5-44 有些非电解电容器没有极性，例如图中的这个高质量的聚酯薄膜电容器。然而它们一般都比较昂贵，并且很难找到容值高于10 µF 的

图5-45 这个高端音频器件用在亚低音喇叭中，用来阻断高频。在它里面我们会找到什么奇特的元件呢

首先我剥除了包裹在线圈外面的黑色乙烯树脂绷带。里面就是典型的漆包线——涂有薄薄一层清漆或半透明塑料的铜线，如图5-46所示。我解开这些导线，并记录了匝数。然后测量了导线的长度，最后使用千分尺测量了导线的直径，并在网上找到了一个转换器将密尔（0.001 in）的直径转换成美国标准的线规号。

至于卷筒，它是普通塑料制成的空心卷筒——没有铁芯也没有磁芯。图5-47所示为相应的卷筒和导线。

图5-46 去掉黑色的绑带之后，露出了一个漆包线做成的线圈

图5-47 音频分频线圈由一个塑料卷筒和一些导线组成，此外并无其他东西

我买的这个是用于音频分频网络的线圈，其参数如下：20号线规的铜质漆包线40 ft，绕在卷筒上的匝数为200 匝，卷筒由0.0625 in 的塑料做成，卷筒两个法兰之间的长度为0.875 in，卷筒的外径为0.5 in。如果单独购买材料的话，材料的总零售成本也许有1美元，不过你必须能够找到或者自己制作出一个尺寸合适的卷筒。

结论：音响元件中有许多奥妙。它们往往定价过高，你可以依据我给的这些参数制作自己的线圈，并对参数进行调整来满足自己的需求。

假定你想在自己的车中装一些庞大的低音喇叭。你可不可以自己搭建滤波器，以使它们仅仅重现低频呢？绝对可以！你只需绕一个线圈，并增加其匝数，直到其能够截掉你选定的高频为止。只是要确保线圈的导线足够粗，免得当100 W甚至更高的音频功率通过它时线圈变得过热。

请考虑这样一个实验项目：彩色风琴。你可以将你的立体声输出信号提取出来，使用滤波器将音频信号分成三个部分，每个部分驱动一组独立的彩色LED。让红色的LED随着低音闪烁，黄色的LED响应中频范围，绿色的LED响应高频范围（当然也可以选用你自己喜欢的任何颜色）。你可以将信号二极管与LED串联，来对交流进行整流，并串联电阻器来将LED 上面的电压限制在某个数值（例如2.5 V）以下（当音乐的音量调到最大时）。你应该使用万用表来测量通过每个电阻器的电流，乘以电阻器上的电压降，从而找到电阻器所处理的功率，要确保电阻器能够处理这么大的功率而不会烧坏。

如果你喜欢设计和搭建自己的电子电路的话，音响是一个可以提供各种可能的领域。

理论知识

波形

如果你沿着一个瓶子的顶部往里吹气，你所听到的柔美声音是由瓶子里面的空气振动引起的，如果你能够看到空气的压力波的话，其形状是很特别的。

如果你能够让时间慢下来，画出你家中任何一个电源插槽中的交流电压的变化图形，它也将具有同样的形状。

如果你能够测量一个在真空中缓慢前后摆动的单摆的速度，并绘出一个速度相对于时间变化的图形，它也将具有相同的形状。

这种形状就是正弦波，之所以这样称呼它，是因为可以从基本的三角学知识推导出它的表示。在直角三角形中，一个角的正弦等于该角所对的边长除以斜边长。

为了简单起见，让我们想象一个球系在一根弦上，绕着一个中心点旋转，如图5-48所示。忽略地球引力、空气阻力以及其他讨厌的变量。当球以恒定的速度绕着圆形路径移动时，定期测量球的垂直高度，并除以弦的长度。将结果绘制成一个图形，所得的就是正弦波，如图5-49所示。需要注意的是，当球旋转到水平线下方时，我们将其垂直距离看成负的，因此正弦波也变成了负的。

图5-48 如果在一根长度为b 的弦的端部有一个重物，以恒定的速度做圆周运动，重物到中央的水平线的距离a可以绘制成相对于时间的图形。这个图形将是一个正弦波，之所以这样称呼它，是因为在三角学原理中，a/b的比值等于（从旋转中心测得的）直线b和水平基线之间的夹角的正弦。正弦波在我们周围的世界里自然地存在着，尤其是在音频再现和交流电中

图5-49 这是“纯粹的”正弦波

为什么这个特别的曲线会出现在如此多的地方，并在自然界中表现出这么多的形式？其中有一些源自物理学的原因。对此感兴趣的读者，我建议他们自己去探索一下这些主题。让我们回到音频再现的主题，重要的是以下两点。

□ 任何声音都可以分解成不同频率和幅值的正弦波的混合。或反过来说，

□ 如果将适当的音频正弦波放到一起组合起来，你就可以创制出任何的声音。

假定现在同时播放两个声音。在图5-50中，一个声音显示为红色，另外一个声音显示为浅蓝色。当这两个声音作为压力波在空气中传播或者作为交流电流在导线中传播时，波形的幅值会相加到一起，形成一个更为复杂的曲线，如图中的黑色曲线所示。现在试想有几十个甚至数百个不同的频率相加在一起，这样你就能够理解音乐的复杂波形了。

图5-50 当两个正弦波产生于同一时刻（例如，两个音乐家各吹一杆笛子），组合起来的声音将产生一个复合的曲线。蓝色正弦波的频率为红色正弦波频率的两倍。合成曲线（黑色）等于两个正弦波到图形基线的距离之和

你可以用图5-51所示基本的非稳态555定时器电路来创制自己的波形，以作为音频放大器的输入。不过必须小心，不能让放大器的输入过载。请注意在定时器的输出引脚上有一个680 kΩ的串联电阻器。也请注意我们使用了一个500 Ω的电位器。

图5-51 我们将555 定时器接成非稳模态，利用图中所示的参数，当调节100 kΩ 的电位器时，可以产生一个很宽范围的音频信号。在输出经过功率降低之后，可以将其馈送给前面使用的那个放大器芯片

断开你的音乐播放器，将555定时器电路的输出连接到图5-41所示的放大器电路的输入点（33 kΩ电阻器）。你不必担心要不要在负端建立一个独立的连接，只要555定时器共享同一块面包板以及面包板上电源的负端就行了。

请确保500 Ω 的电位器是调到底的（零电阻），以将定时器的输出和电源的负端短接起来。它将作为你的音量控制旋钮。此外也请确保100 kΩ 的电位器位于其电阻值范围的中间。然后接通电源，缓慢地往上调节500 Ω的电位器，直到你听到一个音调为止。

现在调节100 kΩ的电位器，以产生一个低音调。你将发现这并不是一个“纯粹的”声音。其中有一些蜂鸣的高调。这是因为555定时器产生的是图5-52所示的那种方波，而不是正弦波，而方波实际上是许多不同正弦波之和，其中有些具有很高的频率。尽管当你观察一个方波的波形时，其中的谐波并不是显而易见的，但是你却能够听出这些谐波来。

图5-52 555 定时器的输出要么是“通”，要么是“断”，这两个状态之间的切换十分迅速。其结果是一个几近完美的方波。从理论上讲，它可以分解为复杂的一组正弦波，包含着许多频率。高频分量在人听起来就是刺耳的高音

让连接到扬声器的某一根线先通过你的连接线卷，现在你应该可以听到一个更加纯粹的音调，因为蜂鸣的高频已经被线圈的自感阻断掉了。拿掉线圈，代之以一个10 µF 的电容器，现在你将听到更多的蜂鸣声，而听不到什么低音。

你刚刚已经往声音合成的方向前进了一小步。如果你对这个主题很有兴趣的话，你可以到网上去搜索一下振荡器电路。为了彻底了解波形和你听到的声音之间的关系，你非常需要一个示波器，它可以显示出你所产生和修改的每一个波形的形状。