В этой статье мы рассмотрим процесс фильтрации сигнала с помощью RC фильтра низких частот и RC фильтра высоких частот. В прикреплённых моделях реализованы: фильтр низких частот (FnCh), фильтр высоких частот (FvCh). Модели включают приём звуковой записи с файла, наложение на эту запись помех и сам фильтр.

Частота среза - частота полосы пропускания на которой мощность выходного сигнала затухает (уменьшается) в два раза или иного указанного значения от мощности входного гармонического измерительного сигнала.
Фильтр низких частот(ФНЧ) - low-pass filter - фильтр пропускающий частоты ниже чем частота среза
Фильтр высоких частот(ФВЧ) - high-pass filter - фильтр пропускающий частоты выше чем частота среза

Данные фильтры используются для подавления сигналов нежелательных частот, они могут применяться в таких областях как: аудиотехника, радиосвязь. Но в основном на практике применяются фильтры более высокого порядка.

Принцип работы RC фильтров:

В RC цепях фильтрация происходит за счёт неизменного сопротивления резистора и реактивного сопротивления конденсатора которое зависит от частоты напряжения(чем выше частота, тем ниже сопротивление). Такую цепь можно считать делителем напряжения с элементом обладающим ёмкостным сопротивлением

Общая схема модели

Реализованную модель можно условно разделить на несколько частей:
1. Генератор сигнала - сюда входит импорт файла, генератор помех и блок наложения помех на сигнал.

2. Электрическая цепь - источник напряжения(переменное напряжение заданное сгенерированным сигналом), фильтр высоких/низких частот, снятие сигнала после фильтрации.

3. Экспорт отфильтрованного сигнала в файл для прослушивания.

Итоговая схема фильтра низких частот:

Для схемы фильтра высоких частот следует поменять резистор и конденсатор местами.

Характеристики и Эксперименты:

Генератор сигнала:
Для загрузки подойдёт любой звуковой файл в формате .wav, в данной схеме используется запись А. Вивальди. "Времена года" - "Гроза"("Лето") в формате .wav

Для фильтра низких частот

Сопротивление резистора: 75 Ом
Ёмкость конденсатора: 400 uF
Проверять работоспособность фильтра будем с помощью наложения на звуковую дорожку синусоидального сигнала частотой 30кГц и последующей фильтрацией.
Так как используется простейший RC фильтр, относящийся к фильтрам первого порядка, ожидается небольшое понижение громкости наложенного сигнала.

Исходный сигнал(первые 10 секунд записи):

Сигнал с наложенной синусоидой:

Сигнал после фильтрации(дополнительно усилен для экспорта в wav-файл):

На графике видим ослабление наложенного сигнала, разницу можем услышать в файлах:
vivgroza_FnCh_unfil.wav - сигнал с наложенной синусоидой,
vivgroza_FnCh.wav - сигнал после фильтрации.

Для фильтра высоких частот

Сопротивление резистора: 75 Ом
Ёмкость конденсатора: 150 uF

Проверять работоспособность будем с помощью наложения на звуковую дорожку синусоидального сигнала частотой: 20Гц и последующей фильтрацией.

Исходный сигнал:

Сигнал с наложенной синусоидой:

Сигнал после фильтрации:

На графике видим ослабление наложенного сигнала, разницу можем услышать в файлах:
vivgroza_FvCh_unfil.wav - сигнал с наложенной синусоидой,
vivgroza_FvCh.wav - сигнал после фильтрации.

Вывод

Данные модели наглядно демонстрируют принцип фильтрации звуковых сигналов. Для лучшего результата фильтрации следует использовать фильтры более высоких порядков с большим значением Дб/октава чем у простейшего Г-образного RC фильтра.

Экспериментируя со значениями резистора, конденсатора и частотой наложенной волны, можно изучить влияние этих параметров на фильтрацию сигнала от различных частот.