Delningsfilter under luppen Den som konstruerar högtalare har en rad vägval att göra. I artikeln diskuteras olika aspekter på passiva och aktiva filter. En högtalares delningsfilter bestämmer i hög utsträckning hur en högtalare låter. Många andra aspekter är givetvis viktiga men vi ska här dyka ner lite i grundläggande egenskaper hos både passiva och aktiva filter. En kort artikel i Musik & Ljudteknik kan inte göra anspråk på en heltäckande genomgång men referenser finns i slutet för den som önskar fördjupa sig i ämnet. Av Mats Blomberg addera närfältsmätningar kan en god totalbild erhållas. Författaren använder sig av programmet JustMLS som möjliggör korrekt summering av nivå och fas för basport och element samt sammanvägning med fjärrfältsmätningen. Syftet med ett delningsfilter Med två eller flera högtalarelement som vart och ett är optimerat för ett begränsat frekvensområde uppstår behovet av att dela upp signalen så att varje element får de frekvenser som det bäst kan återge. Dessutom måste signaler som ligger inom högtalarens mindre goda områden undertryckas. Speciellt viktigt är det med hårda membran som har besvärliga konuppbrytningar. Utvärdering av högtalarelement måste ske med hjälp av fas- och frekvensgång, distorsion och strålningsegenskaper (riktdiagram). Här visas exempel på ett baselement från Daytons Referenceserie med metallkon och ett diskantelement från Vifa med textildome som ska utgöra komponenter i en tvåvägshögtalare. Alla mätningar och grafer kommer från författarens egen verksamhet. Elementen är valda för att illustrera konstruktionsprocessen för ett filter och utgör inga rekommendationer i övrigt. Båda elementen är monterade i en låda. Basen är av typ basreflex men försedd med en slavbas i stället för basreflexrör. Baselement Elementen i exempelsystemet mäts vart och ett för sig. Stor noggrannhet krävs för bra resultat! Baselementet mäts i närfält och summeras med basporten. Vidare mäts baselementet i fjärrfältet. Alla mätningar sker med MLS-signal. Analys av impulssvaret sker med undertryckning av reflexer. Detta gör att mätningar i normala bostadsrum begränsar frekvensgången neråt men genom att Vid låga frekvenser syns baffeleffekten, det vill säga dessa frekvenser går runt lådan och strålar i helrymd (4 pi). Över cirka 200 Hz får elementet stöd av baffeln och strålar då i halvrymd (2 pi). Nivåskillnaden i frekvensgång är cirka 6 db. Vid höga frekvenser syns påverkan av konens uppbrytningar tydligt. Över cirka 3 000 Hz blir frekvensgången orolig. Detta beror på att elementet har en metallkon som man måste se upp med. Riktdiagrammen för frekvenser upp till 2 500 Hz är stabila men man ser att utstrålningen blir mer riktad vid högre frekvenser. 18
Frekvensgången ser lite ojämn ut i huvudområdet 1,5-20 khz men tittar man noga på polardiagrammet kan man se att baffeln ger sekundärutstrålning från kanterna. Vissa frekvenser har en lägre nivå rakt fram än lite vinklat. Speciellt tydligt ser man det vid 2,5 khz vilket också stämmer med frekvenssvaret ovan där kurvan dippar lite. Mellan 100 Hz och 2 500 Hz är distorsionen låg men över 2,5 khz syns att tredjetonen ökar kraftigt, vilket beror på konens uppbrytningar. Vid 2.5 khz är 3:e tonen 7,5 khz, det vill säga i området för konens uppbrott. Elementet är monterat med en viss offset från centrum men eventuellt finns det någon annan placering som skulle ge bättre resultat. Om man vill åtgärda detta ska det göras med en annan utformning av lådan, inte genom att justera filtret för rak frekvensgång i frontriktningen utan hänsyn till diffraktion från baffeln. Motsvarande fenomen uppkommer också i diskantelement med metalldome. Exempelvis bryter en 25 mm metalldome upp vid cirka 25 khz. Man kan se att distorsionen ökar kraftigt vid 8 khz i ett sådant element. Diskantelement Distorsionen är under 1 % och domineras av andraton inom hela arbetsområdet. Filterkonstruktion Ett filter karaktäriseras ofta av sin branthet, exempelvis 12 eller 24 db/oktav. Utöver det kan det följa olika kurvor som Butterworth eller Linkwitz-Riley. Andra lösningar förekommer också. En av de populäraste är Linkwitz-Riley. Fördelen med det är att det har en god dämpning av icke önskade frekvenser samt att det summerar för en rak frekvensgång. Vid val av filtertyp och delningsfrekvens måste icke önskade frekvenser undertryckas tillräckligt. Fasgången måste också säkerställas så att inte elementen släcker varandra vid delningen. Elementens fas- och frekvensgång måste också beaktas och bör inkluderas i dimensioneringen av delningsfiltret. 19
Systemets fasgång har också en stor betydelse för högtalarens transientegenskaper. Mer om det lite längre fram. Passivt filter Passiva filter är den vanligaste lösningen. Det är också det svåraste att få till. Hänsyn måste tas till elementens impedans vid olika frekvenser. Branta filter ger också många komponenter. Ju fler komponenter det blir desto fler ömsesidiga beroenden uppstår. Dessutom är bra kondensatorer och spolar väldigt dyra. Trots alla nackdelar är passiva filter populärast i traditionella hifi produkter. Aktivt filter Aktiva filter erbjuder stora möjligheter att skapa goda filter. Val av filter kan göras oberoende av elementens impedans och branta filter blir lättare att åstadkomma. Elementen kommer också att se en konstant låg impedans från förstärkaren som driver dem. Allt detta gör att de oftast låter bättre än passiva lösningar. Aktiva filter är också mycket vanliga i professionella högtalare. Aktiva filter kan implementeras analogt eller digitalt. Den digitala implementeringen kan göras ekvivalent med den analoga men ger också möjligheter att hantera fasgången vilket är betydligt svårare att göra analogt. Grundläggande exempel Till att börja tar vi inte hänsyn till högtalarelementens egenskaper utan tittar bara på filtret. Vi antar alltså att högtalarelementen i sig har rak fasoch frekvensgång. På så sätt är det bara filtret som analyseras. Man ser att bas och diskant summerar korrekt för rak frekvensgång. Fasen går från 0 vid låga frekvenser till 360 grader vid höga. Fasen visas endast mellan +/- 180 grader och gör därför ett språng vid delningsfrekvensen. Grupplöptiden speglar fasgången och ser ut så här. Linkwitz-Riley 24dB/oktav Vi tittar närmare på filtrets egenskaper som fas, frekvens, grupplöptid och stegsvar. Filtret är skapat i verktyget LSPCad. Delningsfrekvensen är 1 000 Hz i exemplet. Impulssvaret hänger intimt samman med fas- och frekvensgången och ser ut så här. 20
att filterparametrarna tar hänsyn till högtalarelementens frekvensgång så att den totala återgivningen följer L-R-kurvorna perfekt. Dessutom måste baffelsteget i basen kompenseras. Filtret ser då ut så här: Vill man i stället titta på stegsvaret så ser det ut så här: Frekvens och fasgång: Tänk nu på att detta är bara filtret. Vi antar att högtalarelementen är optimala. Kurvorna gäller för 4:e ordningens L-R filter. Vid lägre ordningens filter blir impulssvaret bättre och vice versa vid högre ordning. Impulssvarets betydelse används ibland av förespråkare för enkla filter. Dessa filter har då i stället sämre undertryckning av icke önskade frekvenser. Man ser att elementen skär varandra vid den förväntade delningsfrekvensen. De optimerade filterparametrarna syns i schemat ovan. Grupplöptid I vissa tester av högtalare mäts stegsvaret som anses vara ett mått på systemets koherens och transientåtergivningsförmåga. Idealt ska det vara ett språng från 0 till 1. Filter med verkliga högtalare Vi kan nu gå vidare och inkludera mätningarna av högtalarelementen för att se hur kombinationen av filter och högtalare ser ut. Samma filtertyp, L-R 24 db/oktav, används. Delningsfrekvens är 2 000 Hz. Filtret optimeras för korrekt fas- och frekvensgång. Detta kan göras automatiskt i LSPCad och inne-bär 21
Grupplöptidens kraftiga ökning i basen beror på basreflexkonstruktionen. Om en sluten låda används ser den bättre ut men blir ändå inte konstant. Impulssvaret ser ut så här: Samma kommentar för stegsvaret som om impulssvaret. Inte så kostigt eftersom de hänger intimt ihop. Avstämning med verkligheten Stämmer då detta med hur det verkligen blir? Ja, det gör det! Författaren har många exempel på detta men utrymmet här medger inte fler bilder. Det mesta hänger på att man gör en noggrann mätning av högtalarelementen och hanterar designverktygen med god kunskap om filter och system. Referenser 1. LSPCad, www.ijdata.com Jämför med impulssvaret för endast filtret ovan. Det är i stort sett lika, det vill säga det bestäms till stor del av filtret och inte av högtalarelementen. Stegsvaret blir: 2. ARTA, http://www.artalabs.hr/ 3. Testing Loudspeakers, Joseph D Appolito 4. Loudspeaker Design Cookbook, Vance Dickason 5. High Performance Loudspekers, Martin Colloms 6. Audio Transducers, Earl Geddes 7. Acoustics, Leo L Beranek Föreningens webbplats: www.lts.a.se 22