Filtrage du signal audio expliqué: Techniques passives et actives

Comprendre les filtres audio est essentiel pour la conception de systèmes avec un contrôle sonore précis.Ces filtres modifient le contenu en fréquence pour améliorer la clarté, réduire le bruit et adapter les caractéristiques tonales.Des types de passage élevé aux types de pass, chacun joue un rôle unique dans la formation des signaux audio.Les applications pratiques couvrent l'audio à domicile, le son en direct et la communication radio.Cet article décompose le comportement du filtre, la structure du circuit et les stratégies de conception du monde réel, offrant aux ingénieurs des conseils détaillés sur la sélection et la mise en œuvre du bon filtre pour des performances audio optimales.

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Figure 1: Diagramme de blocs du système audio

Plonger dans les filtres audio

Un filtre audio sert de circuit électronique complexe qui manipule les fréquences du signal, augmentant ou atténuant certaines fréquences pour obtenir les résultats audio souhaités.Ces modifications sont essentielles pour purger les sons indésirables et élever la qualité du son.Les filtres jouent un rôle pivot dans les systèmes de communication et l'électronique, impactant profondément la production audio et améliorant la clarté globale.

Variétés de filtres audio

Les filtres audio se divisent en catégories distinctes en fonction de leurs traits de réponse en fréquence.

- Les filtres passe-bas facilitent le passage des fréquences en dessous d'un point de consigne tout en réduisant des fréquences plus élevées, couramment utilisées pour réduire les perturbations à haute fréquence dans les tâches audio.

- Les filtres passe-bas permettent des fréquences plus élevées, inhibant celles plus faibles, cruciale pour minimiser la rétroaction et le grondement.

- Les filtres passe-bande ciblent les bandes de fréquence spécifiques, améliorant les signaux pertinents et sont répandus dans les communications radio.

- Les filtres à arrêt de bande, ou les filtres à encoche, éliminent les fréquences indésirables précises comme le célèbre Hum 60Hz des perturbations électriques, améliorant les systèmes sonores.

Filtres passe-bas en action

Les filtres passe-bas voient une utilisation étendue dans divers environnements.Par exemple, dans les configurations audio domestiques, ils régulent la production de basse pour maintenir un son harmonieux en filtrant le chaos haute fréquence qui pourrait fausser la clarté.Les professionnels du son en direct appliquent ces filtres pour affiner les flux audio, assurant une expérience d'écoute immaculée.

Filtres passe-bas à travers les scénarios

Les filtres passe-haut excellent dans les scénarios sonores en direct où plusieurs microphones sont en jeu, cruciaux pour réduire les commentaires et le grondement.Ils font également partie intégrante des circuits de microphone pour contrer les perturbations à basse fréquence comme le bruit du vent, le maintien de la clarté vocale.

Utilisation spécialisée des filtres de passe-bande et d'arrêt de bande

Les filtres passe-bande sont indispensables pour isoler les bandes de fréquences dans la communication radio, améliorant les signaux choisis tout en supprimant les autres.Les filtres Notch, en revanche, sont aptes à éliminer les fréquences ciblées telles que le bourdonnement électrique persistant de 60 Hz, augmentant ainsi la qualité audio des systèmes.

Exploration approfondie des variétés de filtres

Traits structurels et de fréquence des filtres

Les filtres peuvent être identifiés par leur conception et comment ils gèrent différentes fréquences.Structurellement, il existe deux catégories principales: les filtres passifs et actifs.Les filtres passifs sont constitués d'éléments tels que des résistances et des condensateurs qui fonctionnent sans sources d'alimentation externes.Les filtres actifs, en revanche, utilisent des transistors et des amplificateurs opérationnels, nécessitant une source de puissance CC tout en fournissant une polyvalence et des performances améliorées entre diverses applications, ce qui peut évoquer des désirs humains pour l'efficacité et l'excellence.

Réponse en fréquence et fonctionnalité

Les types de filtres diffèrent également dans leurs capacités de réponse en fréquence, chacun traitant des gammes de fréquences spécifiques à des fins uniques.Passband se réfère à la plage de fréquences dans laquelle la tension ou la puissance de sortie est optimale, et la compréhension de ces concepts peut évoquer un sentiment de curiosité et de découverte.Les filtres passe-haut permettent des fréquences supérieures à un certain seuil pour passer, réduisant les fréquences plus basses.Inversement, les filtres passe-bas permettent aux fréquences plus basses de passer, limitant les plus élevées.

De plus, les filtres passe-bande permettent des fréquences dans une plage particulière pour passer, atténuant les fréquences en dehors de cette travée.Les filtres à arrêt de bande ou les filtres à encoche suppriment les fréquences dans une plage spécifique, idéale pour éliminer le bruit indésirable.Les filtres à tous les passes maintiennent une amplitude cohérente entre les fréquences, se concentrant plutôt sur les relations de phase variables, offrant une couche de sophistication et de contrôle dans la manipulation des signaux.

Filtres par réponse en fréquence

Les filtres peuvent être regroupés en fonction de la façon dont ils réagissent à différentes fréquences.La section du spectre que le filtre permet de traverser avec peu ou pas d'atténuation est appelée la bande passante.Cette région est l'endroit où la tension de sortie ou la puissance reste relativement élevée sur une courbe de réponse en fréquence.

En termes pratiques, les filtres peuvent être identifiés par lesquelles ils permettent de fréquences et qu'ils suppriment.Ceux-ci incluent:

Filtre audio haut de gamme

Un filtre passe-haut permet des signaux au-dessus d'une fréquence de coupure spécifique pour passer et réduit l'amplitude de ceux en dessous.Le point de coupure est généralement défini lorsque la tension de sortie tombe à 70,7% (ou -3 dB) de la valeur maximale de la bande passante.

Figure 2: Cette figure montre la réponse en fréquence d'un filtre audio passe-haut

D'après la courbe de réponse, vous remarquerez que les signaux juste en dessous du seuil ne sont pas entièrement bloqués - ils sont toujours passés mais avec un gain réduit.Cette goutte progressive est souvent appelée la région du «roll-off» ou du «roll-down».Dans les circuits réels, ce comportement se traduit par un bord de filtrage doux plutôt que dans une coupure nette.

Filtre passe-bas

Les filtres passe-bas fonctionnent de la manière opposée.Ils passent des signaux sous la fréquence de coupure et les réduisent au-dessus.

Figure 3: Cette figure montre la réponse en fréquence d'un filtre audio bas

Encore une fois, l'atténuation complète ne se produit pas exactement lors de la coupure.Des fréquences plus élevées sont atténuées progressivement et une partie du signal peut encore s'échapper à des niveaux bas.Cette pente doit être prise en compte lors de la conception des filtres pour la clarté audio ou la protection des haut-parleurs.

Filtre passe-bande

Un filtre passe-bande permet uniquement d'une bande de fréquence spécifique de passer.Il a deux points de coupure, un côté bas et un sur le haut.Les signaux en dehors de cette plage sont réduits ou bloqués entièrement.

Figure 4: Cette figure montre la réponse en fréquence du filtre audio à tête de bande S

Lors de l'ajustement de ces filtres, vous devrez définir à la fois la fréquence centrale (généralement où la sortie est la plus forte) et la bande passante (la plage entre les fréquences de coupure inférieures et supérieures).

Filtres à tête de bande et encoche

Les filtres à arrêt de bande suppriment une plage de fréquences spécifique tout en passant des signaux de chaque côté.Un filtre Notch est une version en bande étroite, conçue pour éliminer une fréquence spécifique, souvent problématique,, telle que 60 Hz de hum dans des systèmes audio.

Ces filtres sont utiles dans les travaux audio pratiques où l'élimination des interférences sans affecter le reste du signal est essentielle.Les filtres Notch ont un «Q» élevé (facteur de qualité), ce qui signifie qu'ils n'atténuent que sur une plage étroite.

Filtre tout-passage

Les filtres à tous les passes permettent à toutes les fréquences de passer, mais ils introduisent des délais de phase entre eux.Ces filtres ne sont pas utilisés pour bloquer ou transmettre des signaux spécifiques mais pour corriger les désalignements de synchronisation dans des systèmes audio complexes.

Figure 5: Cette figure montre la réponse en fréquence décalée de phase d'un filtre audio SLL-PASS

Lorsque vous réglez un filtre tout passagers, vous observerez les différences de phase entre les composants de fréquence.Ceux-ci doivent être soigneusement ajustés pour éviter d'introduire des artefacts d'annulation de phase dans les systèmes stéréo.

Filtres d'égalisation

Ces filtres ne dépassent pas ou ne bloquent pas complètement les fréquences spécifiques.Au lieu de cela, ils augmentent ou réduisent le gain d'une manière dépendante de la fréquence.Ils sont largement utilisés dans les systèmes musicaux pour ajuster l'équilibre tonal et corriger la réponse acoustique.

Classification par structure

Les filtres sont également classés par leur exigence de puissance et d'amplification.Chacun d'eux peut être un passe-haut, un passe-bas, un bande-passe ou un band-arrêt:

Filtre passe-haut passif

Ce filtre utilise une résistance et un condensateur.Le condensateur bloque les basses fréquences tandis que la résistance permet aux plus élevées de se poursuivre.En pratique, la forme la plus élémentaire se compose d'un condensateur en série avec le signal d'entrée, suivi d'une résistance au sol.

Figure 6: Diagramme de circuit d'un filtre audio passif passif de premier ordre

Fréquence de coupure:

fₕ = 1 / (2πrc)

En ajustant les valeurs de résistance et de condensateur, vous pouvez régler le filtre pour bloquer les fréquences sous un point choisi.Par exemple, avec R = 10kΩ et C = 0,1 µF, la coupure est d'environ 160 Hz.Les fréquences ci-dessus passeront à l'étape suivante, généralement un tweeter dans les systèmes audio.

Les filtres passifs sont simples, ne nécessitent pas de puissance et sont compacts.Cependant, ils ne peuvent pas amplifier le signal, et l'utilisation des inductances les rend volumineuses et coûteuses.

Filtre passe-haut actif

Cela s'appuie sur le type passif en ajoutant un AMP-OP.L'AMP-OP est connecté après l'étape RC, généralement dans une configuration non inversée.

Figure 7: Diagramme de circuit d'un filtre audio passe-haut de premier ordre

L'ampli-opération fournit un gain, permettant au signal de sortie d'être plus fort et moins affecté par le bruit.Son impédance d'entrée élevée empêche également le chargement de la source, en préservant la forme du signal.

Cependant, ces filtres nécessitent une source d'alimentation CC pour la polarisation et ont une bande passante limitée en raison de la propre réponse en fréquence de l'ampleur OP-AMP.

Filtre passe-bas passif

Utilise des réseaux RC ou RL.Le condensateur (ou inducteur) est positionné de manière à ce qu'il fasse des signaux de fréquence plus élevée à la terre tout en passant des fréquences basse.

Figure 8: Le diagramme du circuit du filtre audio passif passif passif de premier ordre

Fréquence de coupure:

fₗ = 1 / (2πrc)

Ces filtres sont utiles pour envoyer des signaux à basse fréquence aux woofers.Ils ne nécessitent pas de puissance et offrent un design simple, bien que, encore une fois, aucune amplification n'est disponible.

Filtre passe-bas actif

Combine le filtrage RC passif avec un ampli d'opter pour le gain.L'AMP-OP augmente les basses fréquences tout en rejetant les plus élevées.

Ces filtres sont utiles lorsque des signaux faibles doivent être préservés ou amplifiés avant de les envoyer à des étapes ou des haut-parleurs d'alimentation.Mais ils nécessitent une alimentation électrique et souffrent de limitations de bande passante de l'amplificat.

Filtre passe-bande passif

Cela combine un filtre passe-haut et passe-bas.La sortie résultante est le chevauchement - les fréquences qui se situent entre les bandes passantes des deux filtres.

Figure 9: Diagramme de circuit d'un filtre audio passif passif passif

La coupure inférieure provient de la section passe-haut;La coupure supérieure provient du passe-bas.Seules les fréquences entre les deux sont autorisées.Ces filtres sont souvent utilisés pour les haut-parleurs de milieu de gamme mais peuvent devenir grands en raison du nombre de composants.

Filtre passe-bande actif

Même concept que la version passive, mais inclut les étapes d'amplifications ou de transistors pour amplifier la bande de fréquences souhaitée.La bande passante de l'amplificatage doit s'aligner sur la plage cible du filtre pour des performances optimales.

Filtre passive à tête de bande

Construit à partir de réseaux RLC, généralement avec un circuit LC parallèle à travers une résistance.Cette configuration atténue fortement une bande étroite et passe toutes les autres fréquences.

Figure 10: Diagramme de circuit d'un filtre audio passif à tête de bande passif

Il s'agit essentiellement d'une combinaison d'un passe-passe élevé et d'un filtre passe-bas où leurs bandes d'arrêt se chevauchent.Ces filtres sont également appelés filtres en T en T ou en bande.

Filtre à arrêt de bande actif

Comprend l'amplification après la section passive pour restaurer la résistance du signal dans les gammes de fréquences autorisées.Encore une fois, la bande passante d'amplifications opérationnelles doit convenir au spectre filtré.

Figure 11: Filtre à arrêt de bande actif