Så fungerar en högtalare

Transkript

1 Så fungerar en högtalare Här går vi igenom lite av teorierna bakom en högtalare. Det är skrivit på ett enkelt sätt och inte alltför teoretiskt. Frekvensgång Målsättningen för bygget med en högtalare är att kunna återge ljudet med en så kallad rak kurva. D.v.s. att oavsett om man skickar in 100 Hz eller 2000 Hz vill man ha en t.ex. 0 db i nivå. Man kan framförallt notera hur de flesta återgivningarna går ner i källaren vid runt 60 Hz. Detta eftersom det kräver ett rejält stort och välbyggt element för att kunna flytta de stora volymerna luft som krävs för att få fram 60 Hz toner. Man brukar säga att basen går från 16 Hz-120 Hz. Mellanregister från 120 Hz Hz och allt däröver är att betrakta som diskant. Fasgång Olika element återger olika frekvenser olika snabbt. Dessutom spelar delningsfilter, längd på inre kablage och placering av elementen roll på hur snabbt ljudet når lyssnaren. Har man t.ex. längre kablage och en diskant som sitter längre bak kommer man få en sämre fasgång. Dessutom kan ett slag från en bas, som ska röra mycket luft, t.ex. ta längre tid att genomföra än en snabb rörelse från diskanten. Ofta bygger man högtalare med en rak baffel (rak framsida) men det vore egentligen bättre om elementen sitter längre fram desto större de är. Membranet på en diskant går ju t.ex. i nästan samma höjd som baffeln, medan membranet längst in på basen sitter en bit in. Den klassiska DM-6, den havande pingvinen är ett fint exempel på en högtalare som är fasjusterad. Känslighet Känsligheten beskriver hur stort ljudtryck som kan presteras av en watt(från en förstärkare). Desto högre känslighet desto mer ljud kan man få ut från en viss förstärkare. Man brukar prata om runt 90 db/w/m. Eftersom decibel är en logaritmisk skala är det väldigt stor skillnad i mängden ljud man får ut från 80 db/w/m i känslighet mot 100 db/w/m i känslighet. 20 db i skillnad uppfattas ungefär som en fyrdubbling av ljudet för det mänskliga örat. Det innebär att en förstärkare med en högtalare på 100 db i känslighet kan leverera ett ljud som vi människor uppfattar ca 4 gånger högre än om högtalaren skulle varit på 80 db. Precis som många andra siffror är det inte helt enkelt. Man måste även titta på motståndet eftersom ett högre motstånd innebär att förstärkaren måste skicka en högre spänning för att få en viss effekt. Så vid en viss volym på förstärkaren kommer du få ett högre ljud om du kopplar på en 4ohm, 90 db/w/m högtalare än om du kopplar på en 8 Ohms 100 db/w/m högtalare. Effekttålighet Kalle som är 14 och ska köpa en ny högtalare kräver att den ska vara på minst 300W och för övrigt har han inga krav. Det här är ett vanligt sätt att resonera när man ska köpa högtalare och är ett sätt för marknadsförare att förenkla för Svensson att göra ett beslut. Idag har watten blivit lite av en standard och därför försöker alla pressa upp detta till extrema nivåer. Något som idag gör det ganska ointressant att titta just på watten om man vill ta reda på hur högt en högtalare kan spela. För det första pratar man om effekttålighet och inte hur mycket ljud en högtalare kan leverera. D.v.s. det är som att kräva att bilen ska dra minst 5 L/mil och du får en lastbil när syftet egentligen är att du

2 ska kunna köra i minst 200 km/h och det är snarare än lätt golf som kanske drar 1 L/mil du är ute efter. Effekttåligheten anges ofta i musikeffekt (peakeffekt) och sinuseffekt (kontinuerlig effekt). Musikeffekten är vad en högtalare tål under ett extremt kort intervall, alltså under en bråkdel av en sekund, medan sinus effekten är vad den tål kontinuerligt under en längre tid. Eftersom de flesta gärna lyssnar under mer än några millisekunder är det sinuseffekten som är den intressanta. Eftersom nu watten har blivit så viktiga läggs mycket jobb på att få upp siffrorna vilket görs i laboratoriemiljöer som är långt ifrån verkligheten. T.ex. kan en effekttålighet på 100W sinus innebära en kontinuerlig körning med en viss frekvens från en extremt ren förstärkare, något som också det är långt ifrån verkligheten. Oavsett vad ger effekttåligheten en hum om hur högt högtalaren kan spela, men man bör ställa detta i relation till känsligheten och inte minst i hur mycket effekt en förstärkare orkar lämna. Är syftet att få mycket ljud är det sämre att köpa en högtalare med 300W kontinuerlig effekttålighet och känsligheten 90 db/w än en högtalare på 200W med 96 db/w om din förstärkare ändå inte levererar mer än 100W. Som tidigare nämndes är det också endast när talspolen ligger i magnetgapet som man får någon effekt av den ström som skickas in. Har man en väldigt lång slaglängd, men ett litet magnetgap kan man skapa en högtalare på 1 000W där alla watt över 50W i princip är meningslösa eftersom talspolen ändå jobbar långt utanför magneten och därför inte bidrar med mer ljud. I 9 av 10 fall när en högtalare går sönder så beror det inte på för stark förstärkare utan på för liten förstärkare. När man kräver att en förstärkare ska skicka ut mer effekt än vad den egentligen kan så kommer den nämligen skicka ut distorderade (övertoner) signaler. På grund av delningsfiltrets konstruktion går dessa gärna direkt upp i diskanten som då får alldeles för mycket energi och förstörs. Tyvärr finns där ingen indikation på en förstärkare när den belastas för mycket och det är svårt för amatören att höra de distorderade signalerna. En tumregel är att en förstärkares volym bör aldrig vara på mer än hälften av max, d.v.s. volymratten ska max peka rakt upp. I ett försök att skruva upp wattnivåerna ännu mer ramlar man ibland över måttet PMPO som är riktigt lågvatten. Ett system på 400W PMPO är ungefär lika kraftigt som ett annat på 40W RMS, så akta er för PMPO. Distorsion En högtalare som ska producera en viss frekvens får alltid övertoner. Om man skickar in t.ex. en 50 Hz sinusvåg så får man även toner, så kallade övertoner vid 100, 150, 200 Hz o.s.v. Dessa får alltså ses som biljud som man egentligen inte vill ha. Den relativa skillnaden mellan övertonerna och grundtonen kallas för harmonisk distorsion. Desto lägre distorsion desto mindre storlek på övertonerna i förhållande till grundtonen alltså får man ett renare och finare ljud. En pedagogisk förklaring är om du vill ha blå färg men någon hela tiden häller i gul färg. När mängden gul färg i förhållande till den blåa är tillräckligt liten (t.ex. en milliliter gul färg och en liter blå färg) så får vi i princip den färg vi vill ha (blå). Men om vi håller i lika mycket gul som blå så får vi något helt annat, nämligen grönt (Eller för HiFi ett ljud vi inte vill ha). En annan distorsion som uppstår är när många olika frekvenser spelas i samma element, vilket alltid sker. Skulle ett element spela precis alla frekvenser kommer elementet röra sig långt fram och tillbaka för basen samtidigt som den snabbt vibrerar för de mer högfrekventa signalerna. När konen rör sig mot lyssnaren (för att skapa basen) kommer då de högfrekventa tonerna att öka, medan när den rör sig från lyssnaren kommer de högfrekventa tonerna att minska. I detta hänseende är det bättre att ha många olika element där basen(lågfrekvent) återges i ett annat element än diskanten(högfrekvent). Transientsvar

3 Ett transientsvar berör hur bra en snabb ljudinpuls återges. Detta kan t.ex. vara ett slag på en trumma eller anslaget på ett piano. Man brukar säga att en högtalare med många små element ger en snabbare bas, bättre talsvar, än endast en bas med lika stor totalyta. Detta menar man beror på att man lättar kan accelerera små element som även har en enskild lägre vikt än endast ett stort element. Detta är en sanning med modifikation och till sist beror det på hur vart och ett av elementen är konstruerade. Högtalarlådor Ett elements egenskaper styrs av var den är placerad. Om man sätter upp ett element fritt i luften och spelar på det får man ingen bra ljudåtergivning. Detta beror på att en del av ljudet kortsluts. Helt enkelt dämpar ljudet som skapas på baksidan av elementet av det som skapas på framsidan. Detta undviker man genom oändliga bafflar (ett element placerad i en oändligt bred och oändligt hög vägg eller helt enkelt i vanliga högtalarlådor). Följande konstruktioner stöter man ofta på: - Tryckkammare. Elementen sitter i en sluten låda. Innebär att det skapas undertryck som fort suger tillbaka basen. Man brukar säga att man får ett tightare ljud, nackdelen är att det blir svårare att producerar mycket ljud. - Basreflexhögtalare. Här har man gjort ett hål i högtalaren så att något undertryck inte uppstår. Ljudet blir slappare men man kan spela betydligt högre. - Slavbas. Egentligen en variant av basreflexlåda där man ersätter hålet i högtalaren med lätt membran utan spole som flyttar luft i ett motsatsförhållande till huvudbasen. Därigenom kommer huvudbasen att jobba mycket lättare än i en trycklåda och på ett sätt som påminner om konstruktionen av en vanlig basreflexhögtalare. - Hornhögtalare. Genom att bygga en låda med en invändigt trumpetliknande konstruktion kan man få ett element att låta väldigt stort i förhållande till sin storlek. En ofta väldigt uppskattad konstruktion eftersom man får lägre distorsion och tightare bas. Tyvärr är konstruktionen svårberäknad och dyr att producera. - Transmisisonline. Byggs ungefär som en hornhögtalare men med skillnaden att gapet inte ökar, utan det är en endast en lång slingrande kanal. - Oändlig baffel. När man sätter elementet i en oändlig vägg. Inga resonansfenomen kan uppstå vilket innebär att man får ett väldigt fint naturligt ljud som endast beror på elementets egenskap. En liten nackdel är att en enormt stor oändlig vägg måste byggas. I verkligheten bygger man oftast väggar på några meter. Konstorlek Desto mer bas man vill ha desto större bör baselementet vara. Det är den totala ytan på alla baselement som är det intressanta och inte var för sig. T.ex. har två stycken 8 basar en konarea på 648cm2 medan en 10 bas har en konarea på 506 cm 2. Alltså borde de två 8 basarna kunna generera mer bas. Storleken på en bas är dock inte på något sätt en absolut sanning utan viktigt är även det man kallar för slaglängd. Desto längre ett element kan röra sig desto mer luft kan

4 elementet flytta. Det finns t.ex. basar med 8ʺ element som kan spela högre än andra basar med 15ʺ element på grund av detta. Lite generella förslag: : Litet rum och du får en vettig basåtergivning : Vanligt vardagsrum och då får du en låg basåtergivning. - 8 : Vanligt vardagsrum med en vettig basåtergivning. - 8 : Litet rum och du får en hög baståtergivning : Ger hög basåtergivning även för ett medelstort vardagsrum : Är för de mindre festerna och för danslokalen - 18 : Är för stora danslokaler och festlokaler. Byggmaterial Du vill ha ett resonansfritt material och bland de bästa är sten och Betong. Betonghögtalare från Svenska Rauna har blivit lite av en klassiker just på grund av detta. Nackdelen är att det är betydligt dyrare att bygga. Vanligast är att bygga med vanlig spånplatta, men något bättre är MDF. Vill man bygga en riktigt bra högtalare själv väljer man MDF och bygger högtalaren med en yttre och inre vägg som separeras med väggar. Hålrummet fylls med sand som är väldigt bra på att ta upp resonanser genom dess friktion sandkornen emellan. Delningsfilter Som nämnts tidigare finns det stora fördelar med att ha element inriktad på att ta olika delar av frekvensen. För att detta ska fungera måste man ha ett delningsfilter som separerar vilka frekvenser som ska gå till vilket element. Impedans En högtalare brukar anges ha ett visst motstånd, vanligen 4 eller 8 ohm, detta är inte ekvivalent med en viss resistans. Motståndet i en högtalare varierar med frekvensen på grund av delningsfiltrets konstruktion(som beror på en uppbyggnad av spolar och kondensatorer), medan en resistans(uppbyggt av resistorer) är ett fast motstånd som är lika stort vid 100 Hz som vid Hz. En kondensator ökar sitt motstånd vid lägre frekvenser och skapar dessutom en 90 graders fördröjning. Medan en spoles motstånd ökar vid högre frekvenser och skapa -90 graders fördröjning, d.v.s. ligger 90 grader före. Branthet på delningsfilter Man vill gärna ha en hög branthet på delningsfilter. Brantheten beskriver hur kraftig dämpningen blir. Måttet är decibel/oktav. D.v.s. hur många decibel minskar man ljudtrycket med om man dubblerar frekvensen. Om man har ett element som går upp till 500 Hz och därefter tar ett annat element vid, skulle man vilja ha oändligheten i branthet. Då kommer ingenting över 500 Hz från det

5 första elementet släppas vidare utan endast mellanregistret spela. Använder man en första ordningens filter med 6 db/oktav innebär det att vid 1000 Hz spelar fortfarande det första elementet, dock med en dämpning av 6 db. Ett andra ordningens filter är på 12 db/oktav och ett tredje på 18 db/oktav och ett fjärde på 24 db/oktav. Tyvärr går det alltså inte att producera oändligt branta filter och allt i närheten av det skulle bli extremt dyrt samtidigt som man får bieffekter som är dåliga. T.ex. med ett fjärde ordningens filter så har man mycket dåligt transientsvar och en dålig fasgång. Så här fungerar ett element i en högtalare. Nedan kommer jag att berätta lite om hur ett element fungerar och de begränsningar man som tillverkare måste förhålla sig till. Krafterna för ett element Ett element arbetar från magneter utifrån den så kallade BiL-lagen: F = B*i*L. Där F är kraften, B är magnetfältet, i är strömmen och L är längden på tråden. Riktningen på kraften går åt precis motsatt håll när strömmen går baklänges istället för framlänges. Du kanske kommer ihåg från skolan hur man lägger fingrarna i strömmens riktning runt spolen och då pekar tummen i kraftens riktning. Kraften kan alltså öka genom att öka på strömmen, vilket kräver en dyrare förstärkare, eller genom att ändra på tråden. Fler varv innebär mer kraft för elementet, men högre motstånd vilket då minskar kraften från förstärkaren. För att minska motståndet kan man då göra tråden tjockare, men då behöver gapet bli större vilket minskar på kraften. Det lättaste är då att helt enkelt sätta på en kraftigare magnet vilket tyvärr är en dyr lösning. Väljer man att minska på gapet får man ett kraftigare och bättre element, men det innebär också större risk för skada. Med låga toleranser kan den minsta stöten få talspolen att röra i någon kant och deformeras och därefter kommer uppstå distorsioner i ljudet. Så det är alltid en kompromiss hur man bygger ett element och bara vad det gäller magneten finns det många parametrar att välja på. Utöver det kan konen som producera ljudet vara gjort i många olika material, även korgen som håller fast kon och magnet. Utöver denna vanliga metod för element kan man stöta på följande: - Magnetostatiska högtalare som har en liknande princip men använder sig av membran och talspole i ett. Inte sällan kan membranen vara någon kvadratmeter större. De stora ytorna brukar

6 kunna återge detaljer mycket bättre än vanliga rundstrålande diskanter och man får en större upplevelse av ljudet. Tyvärr är det svårt att producera någon bas på detta sätt. - Elektrostatiska högtalare bygger har en spänning mellan två ytor. I gapet mellan ytorna har man ett membran som kan få ström genom sig. Denna högtalare kräver att varje högtalare kopplas till ett vägguttag och kräver därmed andra tekniker som gör den dyrare att producera. Många audiofiler uppskattar högtalaren bl.a. för att återgivningen till skillnad från magneter är linjär. På magneter beror ju en viss återgivning beroende på avståndet till magneten, men i en elektrostat är kraften lika stor så länge inte membranen rör väggarna. För att få en hög spänning behöver man ha ett litet tomrum mellan ytorna vilket innebär att membranet inte kan slå så långt. Detta sätter begränsningar i hur högt man kan spela och det är krävs enorma ytor av membran om man skulle få för sig att få fram en bra bas med elektrostater. - Pizoelektriska element. Vissa material utvidgas när de utsätts för en elektrisk spänning. Sätter man en fast yta bakom ytan som utvidgar sig och en kon på den andra så kan man på detta sätt skapa ett godkänt element. Detta är en billig lösning eftersom man slipper en magnet. Watten på en förstärkare Hur jämför man dem åt? Ur ett praktiskt perspektiv kommer jag att förklara vad du bör tänka på när du köper en förstärkare. Slutsatsen är att en förstärkare på 2x100W kan ha mindre kraft än en annan förstärkare på 2x50W. Längst ner hittar du en liten checklista du kan ha för att försöka jämföra hur mycket kraft olika förstärkare har. Ca 5kg, 2x150W RMS vid 8 Ohm. klass D Problematiken ligger bland annat i att man använder olika standarder för att förklara watt och även om man jämför dem åt utifrån samma standarder kan det bli fel. T.ex. kan man vid första anblicken tro att ett fordon som kan köra i 100km/h är lika bra på att dra ett släp på ett ton som ett annat fordon som kan köra i 100km/h. Om det ena fordonet nu är en Volkswagen bubbla och det andra en Volvo lastbil kan ni själva lista ut vilket fordon som kommer ha minst problem med att dra släpet. Lite så är det också för en förstärkare där watten man ofta anger då motsvarar hastigheten medan strömstyrkan (i ampere) motsvarar hur mycket drag man egentligen har. ca 20kg, 2x50W RMS vid 8 Ohm. Klass A Den standard man främst bör kika efter är RMS från 20 Hz till 20 khz och är den man idag anser ger mest rättvisande värden, här är ett utdrag från Wikipedia på hur watten kan skilja åt mellan olika tillverkare. Notera att mycket watt PMPO inte betyder att förstärkaren har mycket watt RMS. Teac PM-100 3D surround-sound speakers: 16 W RMS, 180 W PMPO Kinyo 200 W PC speakers: 3 W RMS, 200 W PMPO

7 Philips Fun Power Plus MMS-102 PC speakers: 10 W RMS, 120 W PMPO (The Philips data sheet mentions only the RMS value; the PMPO value is claimed by retailers.) Du kan ha en klass A, klass, klass B eller t.ex. klass D förstärkare. Klass B är absolut vanligast och de övriga brukar man se i mer udda och oftast dyrare förstärkare. Generellt gäller följande: Teknik Strömförbrukning Klass A Hög Hög Klass B Medel Medel Klass D Låg Låg Men är RMS ett rättvisande mått då? Nej tyvärr är det inte så lätt. Olika tillverkare väljer att även här mäta under olika optimala förhållande. T.ex. är Nad, Rotel och Harman Kardon ett par av de tillverkare som våra kunder ofta säger har ärliga watt, medan våra kunder menar att t.ex. Pioneer och Sony oftare inte har samma ärlighet, d.v.s. att 2x50W Nadwatt kanske motsvarar 2 75 Pioneer-watt. Detta är också långt ifrån sanningen eftersom detta varierar kraftigt från produkt till produkt. Då kan du försöka kika efter hur många ampere produkten levererar? Nej, för tyvärr är det bara ett väldigt fåtal leverantörer som uppger detta. På baksidan står det vad en produkt förbrukar, t.ex. 260W Då får man väl kolla på baksidan vad produkten förbrukar, desto mer den förbrukar i ström desto mer måste den ju kunna leverera? Detta är en indikation, men knappast någonting som man kan lita helt på eftersom det är ungefär i stil med att välja den bil som drar mest bensin i tron om att den därmed kan köra snabbast. Däremot så brukar det generellt vara så att en förstärkare som drar mycket ström är strömstarkare. Då ska man komma ihåg att moderna förstärkare har blivit något effektivare och förbrukar därmed generellt mindre ström för att producera en viss mängd watt. Men desto mer en förstärkare väger desto större transformator och kondensatorer har den, som ju är grunden för kraften i en förstärkare, därför måste ju en tyngre förstärkare leverera mer än en lättare? Ja generellt sätt förhåller det sig så, men återigen behöver det inte alls vara fallet och desto modernare förstärkaren är desto lättare kan de vara för att producera en viss mängd watt. Till sist så ska man komma ihåg att olika förstärkare passar olika bra till olika högtalare något som är mycket svårt att veta på förhand. Detta plus att det faktiskt inte är helt lätt att veta hur mycket en förstärkare faktiskt kan leverera är anledningen till att vi varmt rekommenderar att man köper förstärkaren på öppet köp så att man i lugn och ro kan testa den. Summering tips för att jämföra olika förstärkare åt:

8 1: Jämför olika förstärkares watt angivelser utifrån standarden RMS(kan även heta FTC eller kontinuerlig effekt) vid 8ohm. Finns inte detta angivet ska du dra öronen åt dig. 2: Kolla så att angivelsen sker vid 20 Hz-20 khz. 3: Se efter så att produkterna använder samma teknik (t.ex. klass b) om du jämför vikt och förbrukning. 4: Generellt sätt så har en tyngre förstärkare mer kraft än en lättare. 5: Generellt sätt så har en förstärkare med högre förbrukning mer kraft än en med mindre förbrukning. 6: Om du kan jämför dem åt helt enkelt. Hos oss på REHFI.SE kan vi hjälpa dig och du kan även ta hem produkten på öppet köp för att testa den i ditt hem. Decibel Snabbinformation Dessa kan leverera ett ljudtryck på 126 db Det är många som är förvirrade av decibel, så jag tänkte göra en snabb genomgång: - En fördubbling av ljudeffekt innebär en ökning av ljudet 3 db. - För att människan ska uppleva att ljudet fördubblas behövs en ökning med 10 db. - Effekten som krävs för att människan ska uppleva en fördubbling av ljudet är ungefär 10 gånger mer än tidigare. Detta innebär att om du har en förstärkare på 2x100W så kan den spela så att människan upplever ljudet dubbel så högt som en förstärkare som har 2x10W. (Inte 10 gånger mer vilka vissa tror. Givetvis förutsätter det att högtalaren orkar med.) - Känsligheten på en högtalare, t.ex. 85 db/w är ett mått på hur stort ljudtryck högtalaren kan leverera per watt. I teorin innebär detta att en högtalare med känsligheten 95 db/w och en förstärkare som ger 2x10W jämfört med en annan högtalare med känsligheten 85 db/w som drivs av en förstärkare som ger 2x100W spelar lika högt db ligger ett normalt samtal på - 85 db eller mer och ljudet kan vara fysiskt skadligt enligt arbetsmiljöverket db får du om du har en högtalare med 90 db/w och använder en förstärkare som levererar 2x10W. (Eller egentligen en högtalare. Två högtalare innebär att man kommer upp till ungefär 103 db på grund av att ljudet från två högtalare kommer bli högre än från bara en.) db upplever man på en rockkonsert db är ungefär gränsen för människan smärttröskel. D.v.s. ett ljud som upplevs som dubbelt så högt som vid en rockkonsert db lyckades svensken Dennis Andersson pricka i en bilstereotävling där han blev världmästare db låter en jumbojet när den startar

9 - 157 db är vad svensken Dennis Andersson maixmalt lyckades pressa ur sin bil under tävlingarna. (Du får ont i hela kroppen av ett sådant tryck.) db och man spräcker människans trumhinna.