miniatura|300px|Un filtro pasivo de 2 vías diseñado para funcionar con tensiones de un altavoz
Los filtros de cruce son una clase de filtro electrónico que separa la señal de audio en dos o más rangos de frecuencia, de manera que las diferentes señales se puedan enviar a distintos altavoces diseñados para operar a distintos rangos de frecuencia. Los filtros de cruce pueden ser activos o pasivos. Generalmente se describen como de "dos vías" o "tres vías", que indica si dividen la señal en dos o tres bandas de frecuencia respectivamente. Los filtros de cruce se usan en todo tipo de altavoces, cajas acústicas y amplificadores de potencia.
Se utilizan los filtros de cruce porque la mayoría de los altavoces individuales no pueden reproducir la banda frecuencia de audio completa, desde las bajas a las altas frecuencias, con un volumen relativo aceptable y ausencia de distorsión. La mayoría de las cajas acústicas de alta fidelidad y megafonía utilizan una combinación de múltiples altavoces(transductores) cada uno dedicado a una banda de frecuencia diferente. El ejemplo más sencillo es una caja acústica con dos altavoces, un woofer dedicado a las bajas frecuencias y un tweeter para las altas. Como la fuente de sonido, ya sea un reproductor de CD o la señal de una mesa de mezclas de una banda un directo, tiene todas las frecuencias bajas, medias y altas combinadas, se usa un filtro de cruce para separar cada banda de frecuencia y dirigirlo al altavoz adecuado, optimizado para dichas frecuencias.
Los filtros de cruce pasivos son probablemente el tipo más común. Utilizan una red de componentes_electrónicos pasivos (p.e. condensadores, inductores y resistencias) para separar la señal de audio amplificada proveniente del amplificador de potencia, para poder enviarla a dos o más altavoces(transductores).
Los filtros de cruce activos se diferencian de los pasivos en que los primeros dividen la señal de audio antes de la etapa de amplificación, y se utiliza un amplificador independiente conectado directamente a cada altavoz(transductor). Los equipos de cine en casa y Sonido envolvente utilizan un filtro de cruce para separar las muy bajas frecuencias y poder enviarlas al subwoofer, enviado el resto de frecuencias baja, medias y altas al resto de cajas acústicas situadas alrededor del oyente. típicamente la señal recibida por cada caja acústica se separa por otro filtro de cruce pasivo para cada altavoz(transductor). Los filtros de cruce activos pueden ser a su vez digitales o analógicos.
Los filtros de cruce digitales a menudo incluyen procesado de señal adicional, como limitación, retardo y ecualización. Los filtros de cruce de señal también permiten el procesamiento y amplificación multibanda, la señal de audio es dividida en múltiples bandas por separado antes de que se mezclen de nuevo. Algunos ejemplos son: la dinámica multibanda (compresión de rango dinámico , limitación, de-essing), distorsión multibanda, la enfatización de graves, amplificadores de alta frecuencia, y la reducción de ruido (por ejemplo: reducción de ruido Dolby).
Introducción
La definición de un filtro de cruce de audio ideal depende de la aplicación de audio requerida. Si las distintas bandas obtenidas se van a mezclar de nuevo (como en procesamiento multibanda), el filtro de cruce de audio ideal debe separar la señal de audio en distintas bandas sin superposición de forma que la señal de salida no se vea afectada en su respuesta en frecuencia, niveles relativos y respuesta de fase. Esta función ideal solamente puede aproximarse. Como implementar la mejor aproximación es tema de acalorado debate. Por otro lado, si el filtro de cruce separa las bandas para los distintos altavoces de una caja acústica, no es necesario una separación entre bandas matemáticamente ideal, pues la respuesta en frecuencia y fase de los altavoces en sus monturas eclipsara el resultado. Una salida satisfactoria del sistema completo, que debe incluir la respuesta combinada del filtro de cruce y los propios altavoces en sus monturas, debe de ser el objetivo de diseño. Ese objetivo muchas veces se alcanza usando filtros de cruce no ideales, con características de filtrado asimétricas.
Existen varios tipos de filtros de cruce de señal de audio, pero por lo general pertenecen a una de las siguientes clases.
Clasificación Clasificación basada en el número de secciones del filtro En las especificaciones de una caja acústica, se indica habitualmente "N vías", donde N es el número de altavoces distintos en el sistema.Si se utilizan 2 altavoces iguales, típicamente dos woofers, al conectarse a la misma salida de filtro no aumenta el número de vías. Por ejemplo una caja acústica con un woofer y un tweeter es un sistema de 2 vías. Una caja acústica de N vías normalmente tiene un filtro de cruce de N bandas para distribuir la señal entre los altavoces. Un filtro de cruce de 2 vías consiste de un filtro paso bajo y un filtro paso alto. Un filtro de cruce de 2 vías se construye como una combinación de filtro paso bajo, filtro paso banda y filtro paso alto. cuatro o más vías no son muy comunes en el diseño de cajas acústicas, principalmente debido a su complejidad y coste, que resulta difícil de justificar con la mejora de prestaciones obtenida.
Una sección adicional paso alto puede estar presentes en un filtro de cruce "N vías", para proteger el altavoz de baja frecuencia de las frecuencias inferiores que puede aceptar de forma segura. Este filtro de cruce tendría pues, un filtro paso banda para el altavoz de menor frecuencia. Del mismo modo, el altavoz de mayor frecuencia puede tener un filtro paso bajo.
Clasificación basada en componentes Un filtro de cruce también se puede clasificar con base en el enfoque de diseño, por el tipo de componentes utilizados.
Pasivos miniatura|derecha|300px|Un filtro de cruce pasivo generalmente se monta dentro de una caja acústica para separar la señal ya amplificada en señal de baja y alta frecuencia. Un filtro de cruce pasivo separa la señal de audio después de ser amplificada por un amplificador de potencia único, de forma que la señal amplificada se pueda enviar a dos o más tipos de altavoces, cada uno de ellos cubre distintos rangos de frecuencias. Están hecho exclusivamente con componentes pasivos, por "pasivos" se quiere indicar que el circuito no necesita fuente de alimentación adicional. Un filtro de cruce pasivo simplemente se cablea a la salida del amplificador de potencia. Suelen utilizar tipología de Cauer o escalera, para obtener un filtro de Butterworth. Utilizando resistencias combinadas con componentes reactivos, tales como condensadores e inductores. Los filtros pasivos de alto rendimiento tienden a ser más caros que los filtros activos, ya que los componentes individuales capaces de un buen rendimiento que permitan las altas corrientes y tensiones utilizadas en los sistemas de altavoces son difíciles de hacer.
Algunas redes pasivas incluyen dispositivos tales como Fusibles, dispositivos de PTC o disyuntores para proteger a los altavoces(transductores) frente a corrientes de sobrecarga. Los filtros de cruce pasivos más modernos incorporan redes de ecualización (por ejemplo, las redes Zobel) que compensan los cambios en la impedancia con la frecuencia inherente en prácticamente todos los altavoces. El tema es complejo, pues parte del cambio en la impedancia es debido a los cambios de la carga acústica a lo largo de la banda de paso del altavoz.
Dos desventajas de las redes pasivas es que pueden ser voluminosas y causar pérdidas de potencia. No son sólo específicas en frecuencia, sino también específicas en impedancia (i.e. su respuesta depende de la carga eléctrica a la que están conectadas). Esto evita que se puedan intercambiar altavoces con distintas impedancias. Los filtros de cruce ideales, incluyendo la compensación de impedancia y la red de ecualización, pueden ser muy difíciles de diseñar, pues los componentes interactúan de formas complejas. El experto diseñador de filtros de cruce Siegfried Linkwitz dijo de ellos que "la única excusa para usar filtros de cruce pasivos es su bajo coste. Su respuesta cambia con la dinámica del altavoz que depende del nivel de señal. Impiden que el amplificador de potencia tenga el control máximo sobre el movimiento de la bobina del altavoz. Son una pérdida de tiempo, si la exactitud es el objetivo."
Activo miniatura|derecha|450px |Esquema de implementación de un filtro de cruce de tres vías, para su uso con sistema de altavoces de tres vías. Un filtro de cruce activo contiene componentes activos en sus filtros, como transistores y amplificadores operacionales. Recientemente el dispositivo activo más habitual es el amplificador operacional. En contraste con los filtros de cruce pasivos, que trabajan después del amplificador de potencia con grandes corrientes y en algunos casos también grandes tensiones, los filtros de cruce activos trabajan con niveles compatibles con las entradas de los amplificadores de potencia. Por otro lado, todos los circuitos con ganancia introducen ruido, y el ruido tiene un efecto perjudicial cuando se introduce antes de amplificar la señal con los amplificadores de potencia.
Los filtros de cruce activos siempre requieren el uso de amplificadores de potencia para cada banda de salida. Así que, un filtro de cruce activo de 2 vías necesita dos amplificadores, uno para el woofer y otro para el tweeter. Esto significa que un sistema de altavoces activo a menudo va a costar más que un sistema con filtro de cruce pasivo. A pesar de las desventajas del coste y complicación de los filtros activos, se compensan con los siguientes beneficios: miniatura|derecha|300px|Uso típico de un filtro de cruce activo, aunque un filtro pasivo se puede usar de forma similar delante de los amplificadores. Una respuesta en frecuencia independiente de los cambios dinámicos en las características eléctricas del altavoz (por ejemplo, por calentamiento de la bobina móvil) Por lo general, la posibilidad tener una manera fácil de modificar o ajustar cada banda de frecuencia a los altavoces específicos utilizados. Ejemplos de ello serían la pendiente de cruce, tipo de filtro (por ejemplo, Bessel, Butterworth, Linkwitz-Riley, etc), niveles relativos ... Mejor aislamiento de cada altavoz de las señales utilizadas por otros altavoces, lo que reduce la distorsión de intermodulación y las sobrecargas Los amplificadores de potencia están conectados directamente a los altavoces, lo que se maximiza el control del amplificador sobre la amortiguación de la bobina móvil del altavoz, lo que reduce las consecuencias de los cambios dinámicos en las características eléctricas del altavoz, lo cual tienden a mejorar la respuesta transitoria del sistema Reducción en el requerimiento de potencia de salida del amplificador. Sin la energía que se pierde en los componentes pasivos, los requisitos de amplificador se reducen considerablemente (hasta ½ en algunos casos), reduciendo costes y potencialmente incrementado la calidad.
Digital Los Filtros de cruce activos pueden ser implementados digitalmente usando un DSP(Procesador digital de señales) o un microprocesador. Usando transformaciones digitales de los tradicionales circuitos analógicos (Bessel, Butterworth, Linkwitz-Riley, etc), conocidos como filtros con respuesta al impulso infinita IIR, o con respuesta al impulso finita (FIR).