olalaili

1.3 HUR LÅTER DET? Vilka föremål som helst genererar ljudvågor då de vibrerar. Storleken och formen på det vibrerande föremålet och på sättet det vibrerar på är viktiga faktorer men även egenskaperna och gränserna hos mediumet som ljudvågorna rör sig i är lika viktiga när det gäller formen på det utstrålade ljudfältet. En högtalarkonstruktör måste se till att högtalaren kan användas på ett så mångsidigt sätt som möjligt utan att ljudkvalitén försämras. Placeringen i och storleken på rummet där högtalaren ska användas har inte tillverkaren en aning om så därför måste han göra högtalaren så lite känslig för placering och storlek på rummet som möjligt. Detta är inte lätt men med datorernas hjälp har det blivit lättare att göra simuleringar av olika miljöer. Dock har ingen lyckats perfekt. Högtalarens uppgift är att omvandla elektrisk energi till akustisk energi. Den består av tre delar: element, resonanslåda och ett elektriskt delningsfilter. Elementet är som motorn i en bil, där lådan är transmissionen och delningsfiltret bensin-insprutningen till motorn. Alla tre delarna är lika viktiga i systemet. Det finns olika sorters högtalare. Den vanligaste sorten är den elektrodynamiska högtalaren och det är också den enda sortens högtalare som behandlas ingående här. En annan sorts högtalare är den elektrostatiska högtalaren. Dessa är ofta mycket dyra och svåra att konstruera. Den elektrostatiska högtalaren är ett långt, smalt metallband som börjar svänga pga av den tillförda spänningen från förstärkaren. En tredje sorts högtalare är den piezoelektriska högtalaren som använder sig av en liten kristall som svänger pga samma princip som den elektrostatiska högtalaren. De båda sista fungerar bäst som diskanter där ett elektrodynamiskt element ansvarar för basdelen i frekvensspektrumet. 2 Vad är en högtalare? 2.1 Skillnaden mellan olika elektrodynamiska element 2.2 Elementets mekaniska konstruktion 2.3 Drivenheten 2.3.1 Talspolen 2.4 Membranet 2.4.1 Dopplereffekt 2.5 Upphängningen 2.1 SKILLNADEN MELLAN OLIKA ELEKTRODYNAMISKA ELEMENT Man delar upp elektrodynamiska högtalarelement i tre kategorier: bas, mellanregister, och diskantelement. Människans hörsel var ju som bekant begränsad mellan 20 och 20000 Hz. Därför behöver inte en högtalare ha större frekvensomfång. Ett baselement har som namnet säger hand om de lägsta frekvenserna. Som tidigare nämndes så ökar våglängen med minskad frekvens och ökad våglängd betyder att mer luft måste flyttas per tidsenhet. Därför bör ett baselement ha en så stor yta som möjligt. Med ökad yta kommer en större rörlig massa. Vikten av denna massa och luftens motstånd styr hur höga frekvenser ett element kan spela. En för stor rörelseenergi gör att membranet inte kan svänga tillräckligt fort. Distorsion uppstår. Ett bra baselement kan användas från ca 15 Hz upp till ca 1500 Hz. Vid högre frekvenser tar mellanregistret vid. Det fungerar bra mellan ca 500 Hz och ca 8000 Hz. Det behöver inte ha så stor yta eftersom det inte ska spela bastoner och mindre massa ger högre frekvenser utan distorsion. Diskanten tar sedan över och spelar mellan ca 3000 till ca 20000 Hz. Ett diskantelement har liten yta och är lätt. Baksidan är ofta inkapslad för att inte stora tryckförändringar inne i lådan från baselement ska störa det. Att de olika gränserna mellan elementen överlappar varandra är bara bra. Gränserna är dock individuella från element till element. 2.2 ELEMENTETS MEKANISKA KONSTRUKTION Alla elektrodynamiska element, baselement, mellanregister och diskanter fungerar enligt samma princip: ett membran sätts i svängning av en mekanisk rörelse orsakad av en kraft från ett inducerat fält inne i ett magnetiskt fält. När en ström går igenom talspolen bildas ett inducerat fält i det permanenta magnetfältet och kraften riktas vinkelrätt mot magnetfältet, antingen framåt eller bakåt beroende på strömmen i spolens riktning. En växelspänning får alltså spolen att röra sig fram och tillbaka. Kraften F är proportionell mot flödestätheten B och höjden på talspolen h och antal varv i talspolen N. Alla elektrodynamiska element har en kritisk frekvens där membranet kommer i självsvängning. Denna frekvens, förkortad fs, markerar den undre gränsen för elementets frekvensomfång. Vid fs blir impedansen väldigt stor om elementet är omonterat, upp till 50 W. Att dämpa denna topp är hela meningen med att montera elementet i en låda. Komplians, Cms, är motsatsen till membranets vilja till att röra sig fram och tillbaka. Formeln ser ut så här: Ett elektrodynamiskt element består av 3 delar: drivenheten, membranet och upphängingen. 2.3 DRIVENHETEN Drivenheten består av av magneten, polstycket, front- och bakplattan, chassiet och talspolen. Frontplattan, bakplattan och polstycket består av metall. Front- och bakplattan håller ihop polstycket, som talspolen löper runt, med magneten.. De består av ett mycket magnetiskt ledande material. Magneten består ofta av keramiskt/ferritiskt material och ser ofta ut som en ring. Magnetfältet som denna bildar måste vara så symmetriskt som möjligt. Chassiet är som elementets skelett, det ska hålla allting på plats. Är detta klent och mjukt så bidrar det mycket till att ljudbilden förändras. Helst ska chassiet vara gjutet för bästa resultat. 2.3.1 TALSPOLEN Talspolen är en spole med tunn tråd som oftast är av koppar men andra metaller förekommer också, t.ex. aluminium. Den har en resistans på 4-8 Ohm. Tråden brukar ha ett cirkulärt tvärsnitt men om man använder tråd med fyrkantigt eller platt tvärsnitt utnyttjas utrymmet mer effektivt så man får in mer tråd med högre känslighet som följd. Det är genom talspolen signalen från förstärkaren går. I och med att talspolen är en spole har den också en induktans som gör att impedansen ökar med frekvens. Så om ett element är märkt med impedamsen 8 Ohm så är den bara det direkt efter fs. Därefter ökar den sakta men säkert till kanske 50 Ohm. Talspolens höjdförhållande gentemot magnetgapets höjd kan ha tre skepnader: spolen kan vara högre än magnetgapet och sticker därmed ut över och under det spolen kan vara kortare än magnetgapet de kan vara lika höga Alternativ ett brukar vara det vanligaste. 2.4 MEMBRANET Membranet är den viktigaste delen hos elementet. Det fungerar som omvandlaren mellan talspolens rörelse och luftens massa. Membranet är gjort av ett mycket styvt material vars enda uppgift är att flytta på luft. Ju styvare desto bättre. Det är ofta ett styvt pappersmaterial som ibland är belagt med någon fibermassa som gör det tätare men mindre transientföljsamt. Transient betyder snabb förändring. Ett membran måste kunna röra sig snabbt fram och tillbaka. Pappersmembran är styva, lätta och billiga att tillverka. De har dessutom bra effektivitet. Andra alternativ till membranmaterial är olika plaster, tex polystyren. Att membranen inte är byggda av en lätt-metall, tex aluminium, beror på att många resonanser på membranväggarna uppstår vid högre frekvenser. Resonanserna har väldigt liten bandbredd, 1-2 Hz, och kan ha en amplitud av + 40 dB. Annars är aluminium perfekt pga sin vikt, stabilitet och homogenitet. En ökad massa av membranet ger ett lägre fs . Har man ett lätt element blir magneten mindre och billigare, men blir det för lätt är det risk för att styvheten minskar. Luft har ett visst motstånd vilket gör att stora membran upp till en viss frekvens kan vibrera utan att luften hindrar dem från det. Men vid alltför höga frekvenser fjädrar luften upp elementet eftersom det accelererar så snabbt. Rörelseenergin gör också att elementet inte hinner med att svänga för snabbt. Detta gör som tidigare sagts att större element kan spela lägre frekvenser. När ett membran kommer upp till en viss frekvens kommer det oundvikligen att uppstå del svängningar i membranet eftersom inget material kan vara oändligt styvt. Detta ger upphov till distorsion och minskad effektivitet. Ett diskantelement måste ha väldigt liten massa och vara gjort av ett mycket styvt material. Kraften som påverkar diskantmembranet är lika stor som den kraft som påverkar baselementet. P.g.a. av att diskantmembranets massa är så liten så kan accelerationen bli flera hundra gånger så stor som tyngdaccelerationen. Om rörelseenergin gör att membrant börjar böjas av av accelerationen så uppstår distorsion. Ett element har en maximal amplitud, dvs det finns en gräns för hur långt fram och tillbaka elementet kan röra sig. Sambandet mellan frekvens och volym gör att för att svänga med konstant amplitud med en viss frekvens och sedan låta frekvensen sjunka med en oktav måste membranarean öka till det fyrdubbla. Ett annat exempel: Ett 15” element har en peak- peak amplitud av 0,3 tum vid 50 Hz och 1 Watt. Ett 8” element har en peak - peak ampliud av 1 tum vid samma effekt och frekvens. Små element har därför en begränsad effekttålighet vid de lägre frekvenserna eftersom de inte kan ha hur stor amplitud som helst. En riktig sub-bas som kan spela ner till 20 Hz kan i vissa extremfall ha en maximal amplitud på 60 mm. Ett normalt 15” baselement har kanske en maximal amplitud på 15 mm. Tittar man på formen om man genomskär ett membran så är stora membran ofta konkava medan små diskanter ofta är konvexa och kallas då dome-diskanter. Anledningen till att de är konvexa är att de är mer spridande än konkava och har en rakare frekvensgång. Låga frekvenser har en spridningsvinkel på 180°, en vinkel som minskar drastiskt med frekvensen. Den membranform med bäst verkningsgrad är den cirkulära. Ett membran som ser ut som en ellips har 7 % lägre verkningsgrad än den cirkulära. Att membranet inte är platt utan ser ut som en kon i genomskärning beror också på att styvheten inte alls är bra om membranet är platt. De vinklade sidorna stabiliserar membranet och ger på så sätt lägre distorsion. Dammskyddet i mitten på membranen är till för att inga oönskade partiklar ska komma in i området mellan polstycket och talspolen. 2.4.1 DOPPLEREFFEKT Dopplereffekten märks ofta när ett utryckningsfordon närmar sig och kör förbi. Fordonets hastighet gör att ljudets väglängd framför fordonets minskar och alltså ökar frekvensen. Bakom fordonet ökar våglängden och frekvensen minskar. Samma sak kan ske om ett element spelar både låga och höga frekvenser samtidigt. När elementet sakta rör sig fram och tillbaka bidrar det med frekvensvariationer av de höga frekvenserna och ljudet svajar. Frekvensvariationen är proportionell mot hastigheten hos den genererande ljudkällan. Om utryckningsfordonet hade kört i låg hasighet hade skillnaden inte varit märkbar. Om man jämför distorsionen som uppstår mellan ett litet element och ett stort är distorsionen mycket mindre i det stora eftersom det inte behöver svänga med så stor amplitud. Dopplereffekten är ett argument mot att använda fler än ett element i en högtalare. 2.5 UPPHÄNGNINGEN Upphängningen består av två delar, omkretsen av membranet och spindeln. Omkretsen som finns runt membranet är till för att förbinda det med chassiet. Den är oftast gjord i gummi och brukar vara det första som går sönder i ett högtalare under normalt användande. (Det torkar ut.) Omkretsen är också till för att hålla membranet centrerat. Avståndet mellan talspolen och magneten kan vara så litet som 0,2 mm så en liten förskjutning i sidled kan orsaka förödande händelser. Det dämpar även membranets utslag. Valet av material till omkretsen kan starkt påverka elementets frekvensgång och styra vibrationer som kommer från membranets mitt. Styvheten som uppstår är motsatsen till komplians. Omkretsen svarar för 20 % av den totala dämpningen och spindeln för resten. Spindelns uppgift är också att se till att talspolen är centrerad och att dämpa rörelsen. Den verkar även som ett skydd mot störande partiklar som vill komma in mellan talspolen och magneten. Den är oftast gjord av korrugerat linne. Styvheten i spindeln styr också elementets resonans. 1.4 HUR MYCKET LÅTER DET? Trots att tryck är vanligen mätt i pascal, eller Pa, brukar man uttrycka ljudtryck i decibel, förkortat dB. Det är en logaritmisk skala som passar bra till människans hörsel som också är i det närmaste logaritmisk. En formel för att räkna ut ljudtrycket är den här. SPL står för SoundPressureLevel och p1 för det aktuella trycket i pascal. Att man ska multiplicera med 20 beror på att beteckningen bel från början var definerat för effekt. Akustisk effekt är proportionell mot kvadraten av trycket därför har faktorn 20 tagits utanför logaritmen. p2 är referenstrycket som brukar vara 2*10-5 pascal, vilket är trycket vid hörseltröskeln, 0 dB. För att beräkna hur många decibel ljudnivån ökar när effekten ändras används följande formel: W1 är den nya effekten och W2 är effekten man jämför med. Om effekten fördubblas ökar ljudtrycket med 3 dB. En tiodubbling av effekten ger en ökning på 10 dB. 1.5 "MINA HÖGTALARE ÄR PÅ 150 WATT" Det absolut sämsta man kan tro är att effekttåligheten är ett mått på hur högt man kan spela med en högtalare. Det är samma sak som att säga att en travhäst har 15 hästkrafter. Det berättar inget om hur fort den kan springa. Effekttåligheten visar hur mycket spänning som förstärkaren kan lägga över talspolen utan att det bildas distorsion eller talspolen bränns sönder. Den grundläggande faktorn som bestämmer hur högt ljudtryck som kan uppnås med en högtalare är dess känslighet. Känsligheten är en beteckning på hur stort ljudtryck som kan uppnås om man monterar en mikrofon 1 meter rakt framför elementet och sedan lägger en spänning på 2,83 V över elementet med impedansen 8 W. Det ljudtrycksom registreras av mikrofonen kallas elementets känslighet. Ett modernt element bör ha en känslighet på minst 85 dB per meter och Watt. Känsligheten är en sak att tänka på om man har en klen förstärkare. Om man jämför två element där det ena har en känslighet på 85 dB/m/W och den andra en känslighet på 94 dB/m/W spelar den siste tre gånger så högt som den förste vid samma effekt. PA-högtalare, Public Adress, vilka är högtalare som används vid konserter och diskotek, som ofta ska spela på hög volym har ofta en känslighet på ca 100 dB/m/W. Annars skulle det behövas för stor effekt för att driva högtalarna. Om PA-högtalaren och en vanlig hemmahögtalare med känsligheten 87 dB/m/W båda skulle spela med ett ljudtryck av 110 dB så skulle PA-högtalaren behöva en förstärkare på 10 Watt och hemmahögtalaren en på 200 Watt. Det säger en del om att effekttåligheten inte betyder allt om ljudnivån som en högtalare kan spela med. En annan sak som man bör tänka på är att både den angivna känsligheten och effekttåligheten ofta är uppmätta vid 1 kHz. Både känsligheten och framför allt effekttåligheten miskar med frekvensen, så ett element kan mycket väl ha en effekttålighet på 150 Watt vid 1 kHz, men går kanske sönder pga av för stor amplitud redan vid belastningen 50 Watt och frekvensen 40 Hz. 3 BASLÅDOR Den grundläggande orsaken till att element monteras i lådor är att man vill undvika den akustiskt destruktiva bakre utstrålningen av ljudvågor. När ett membran rör sig framåt sker en kompression av luften framför membranet och en dekompression bakom. Någonstans måste en tryckutjämning ske. Den bakre vågen försöker då att sträva runt membranet och nå den främre vågen. När dessa vågor möts är de bakre de främres motsats och släcker därmed ut varandra. Detta kallas akustisk kortslutning. Det finns flera sätt att konstruera en låda för förstärkning av det annars tunna basområdet. Men det stora problemet med lådor är de interna akustiska och mekaniska resonanserna som får ljudet att låta innestängt och burkigt. Hur man vill att ljudet ska låta är en peronlig smaksak som bör tas i åtanke när man bygger en högtalare. En riktigt konstruerad låda ska uppfylla tre funktioner: Att stoppa de bakre vågorna från att släcka ut de främre Att dämpa den resonanstopp som uppstår vid självresonansfrekvensen och ge en akustisk impedans Att öka effektiviteten vid de lägre och mellanregisterfrekvenserna. Ett membran har en akustisk impedans. Impedansen bakom membranet är viktigare än den som finns framför ett membran monterad i en låda eftersom den styr hur membranet reagerar på den elektriska signalen. En sluten låda är bara en volym luft som har en akustisk komplians. Det betyder att luften påverkar membranet med ett motstånd. En portad basreflexlåda har ett rör där luften åker ut och in genom. Vid låga frekvenser kan man föreställa sig att massan av volymen luft i röret verkar som ett passivt membran som svänger i takt med membranet och avger ljudvågor. Om det finns mer än ett element som spelar samma signal är det väldigt viktigt att de är fasade ordentligt. Om det ena rör sig framåt när det andra rör sig bakåt uppstår samma utsläckning som vid akustisk kortslutning. Om markeringar för plus och minus saknas på anslutningplintarna kan elementet kopplas till en likspänningskälla och då kan fasningen bestämmas när membranet antingen skjuts framåt eller bakåt. Elementen monteras på en plan yta som kallas baffel. Det kan vara ena sidan på en låda eller en lös platta. Det finns olika sätt att bygga en låda på. Här nedan kommer en förklaring till vart och ett av de mest använda sätten. För att skilja de olika sättet åt är de indelade i ordningar. Ju högre ordning desto komplexare konstruktion 3.1 1:A ORDNINGEN Första ordningens högtalare kallas de som består av ett element som hänger fritt i luften. 3.2 2:A ORDNINGEN Med hjälp av en oändlig baffel kan man separera framsidan från baksidan så att de inte möts. En oändlig baffel, eller andra ordningens högtalare, är en jättestor låda på ca 400 liter eller en plan skiva som används som avskiljare mellan framsidan och baksidan av elementet. Om baffeln är en platt skiva behöver den ha en radie av 8 meter om den ska kunna ha en effektiv basåtergivning. Detta gör 2:a ordningens låda till en olämplig lösning på en högtalare. 3.3 3:E ORDNINGEN Bild 3.1 Sluten tredje ordningens låda. Tredje ordnings högtalare är den slutna tryckkammarlådan. Det är en utveckling av 1:a och 2:a ordningens högtalare. Under 1950-talet så blev den oändliga baffeln mycket populär. 1949 patenterades luftfjädringen av Harry Olson och J. Preston. 1972 presenterade Richard Small den definitiva lösingen på slutna system. Den inneslutna luftvolymen utgör en fjädring mot elementet. Det är den enklaste och en vanlig lösning på en högtalare eftersom den bara består av en sluten låda ett eller flera element och en volym luft. En sluten låda är lätt att konstruera och bygga om man är en nybörjare. Den har god frekvensgång och bra transientsvar. Hela poängen med att montera ett element i en bestämd låda är att kontrollera frekvensgången hos systemet. Faktorn Q är ett sätt att se hur systemet fungerar. Q är en sammanfattande faktor och består av ett elektriskt Q och ett mekaniskt Q. I ett slutet system används Q för att beskriva frekvensgångens förstärkning hos högtalaren vid de lägre frekvenserna. Den visar hur de elektriska, mekaniska och pneumatiska kretsarna samverkar för att kontrollera resonansen. Qtc betyder hela systemets Q. Vid ideala förhållanden ska Qtc vara 0,7. Cut-off frekvensen, f-3 dB, minskar om Qtc är större än 0,707 och lådans volym ökar. Är däremot Qtc mindre än 0,707 ökar f-3 dB om lådvolymen ökar. Den lågfrekventa resonans som finns mellan den totala styvhetens resonans och membranets friluftsresonans är den frekvens som högtalaren kan spela med med bra effektivitet. Bild 3.2 Skillnaden i frekvensgång vid olika Qtc. När man ska beräkna en låda måste man tagit reda på ett antal parametrar först. Här de viktigaste: · fs friluftsresonanasen hos elementet i Hz · Qts totala Q hos elementet, enhetslös · Vas den volymen luft som är ekvivalent mot elementets komplians i dm3 Ett baselement som ska passa ihop med en sluten låda ska ha ett lågt fs, hög membranmassa M och en lång talspole. Qts bör vara över 0,3. Magneten bör inte vara liten. Att talspolen ska vara lång beror på att amplituden hos ett membran i en sluten låda är större än i en portad vid samma effekt. Om man ska bygga en sluten låda är det viktigt att den är absolut lufttät. En icke lufttät låda orsakar både missljud och störningar i högtalarens linjäritet. 3.4 4:E ORDNINGEN Bild 3.3 4:e ordningens portad basreflexlåda. Fjärde ordningens högtalare är basreflexlådan. Hit hör även transmissionlinelådorna. En basreflexlåda karakteriseras av en för övrigt sluten låda som har en port som tillåter att luft kan röra sig fritt inuti den. Massan av luften inne i röret verkar som ett extra membran vid låga frekvenser och bidrar då avsevärt till uteffekten hos högtalaren. Den gör det därför att den ökar den akustiska belastningen bak till membranet, vilket leder till ett minskat membranutslag och mindre effekt. Basreflexlådan har funnits sedan 1930-talet och är idag den vanligaste högtalartypen. Många har lagt fram ideer om hur den bästa högtalaren ska byggas, men sedan 30 år tillbaka så är det A. N. Thieles riktlinjer man följer. Basreflexlådan är en utveckling på Helmholtz resonanslåda. På 1890-talet gjordes en sfärisk resonanslåda framför ett element och med ett cirkulärt rör fastsatt på ena sidan. Vid en viss frekvens uppstod det en stående våg i röret och en ton hördes. En basreflexlåda består av ett eller flera element och en port där membranet och dess upphängning bildar en mekanisk-resonant krets och den innestängda luften bildar en med elementet parallell resonans. Om dessa två resonanser sammanfaller blir resultatet en dubbelresonant krets med två resonanstoppar på var sida om resonansfrekvensen hos elementet. Om dessa toppar kan dämpas ordentligt förlängs effektiviteten nedåt i frekvens. Det är nästan praktiskt omöjligt att få en perfekt dämpning. Portens längd beror på avstämningsfrekvensen, den frekvens varvid porten avger mer akustisk energi än membranet. Om man jämför en basreflexlåda med en sluten låda så har den ett mycket mindre membranutslag vid fs, vilket leder till större effekttålighet och mindre distorsion. Detta gör att basreflexlådor passar bra i ett tvåvägssystem. En stor nackdel är att membranutslaget blir mycket stort under fs. Bild 3.4 Portens bidrag över, vid och under avstämningsfrekvensen. Bild 3.5 Skillnaden i frekvensgången mellan en sluten låda jämfört med en basreflexlåda. En basreflexlåda har också en lägre cut-off frekvens och en höjning av verkningsgraden med 3 dB än för ett likadant element i en sluten låda. Å andra sidan så är en basreflexlåda mycket mer känslig för felberäkningar så man bör ha viss kunskap och erfarenhet om man ska bygga en. En basreflexlådas frekvensgång kan precis som en sluten låda kontrolleras av justeringar av värdet Q. Men man kan inte justera de andra parametrarna så att man kan ändra värdet Qtc från t.ex. 0,7 till 1,5. Om en låda felberäknas kan den få en mycket dominant frekvens och har därför kommit att kallas "Boom Box", p.g.a. av de branta cut-off kurvorna. En basreflexlåda har en 24 dB/oktavs cut-off kurva. Tre faktorer orsakar förluster, nämligen: läckage, absorption i dämpmaterial och portförluster. De två sista skall göras så små som möjligt. Om man vill bli av med alla de nackdelar som en port lämnar efter sig så kan man använda ett passivt membran. Detta är bara ett membran utan magnet eller talspole. Det har även fått smeknamnet "slav-bas". En stor nackdel med smala portar är att vid höga effekter pressas luften så snabbt igenom porten att det uppstår blåsljud. Med en större diameter minskas dessa missljud. För att beräkna basreflexlådor krävs samma parametrar som vid en beräkning av en sluten låda. Om man jämför ett element anpassat för slutna system och basreflexlådor har den senare mindre rörlig massa och lägre Qts. 3.4.1 TRANSMISSIONLINE Bild 3.6 Transmissionline-högtalare i genomskärning. Slutna lådor, basreflexlådor och slavbaslådor är alla exempel av lådor där man använder olika tekniker för att manipulera resonanstoppen som följer med ett system med ett element med en rörlig talspole. En transmissionline, TL, eller labyrinthögtalare på svenska, representerar en klass av icke resonanta lådor. De ger den lägsta basen jämfört med lådvolymen men är väldigt knepiga att beräkna. En labyrinthögtalare kan karaktiseras av: låg lådresonans kraftig djupbas (under 50 Hz) minskad membranrörelse i området omkring 40 Hz ökad membranrörelse vid 20 -30 Hz låg effektivivitet TL konstruktionen uppfanns på 30-talet och var då bara en lång pipa där elementet var monterat i ena ändan och en öppning fanns i den andra. Detta gjorde högtalarna väldigt långa för hyfsad basåtergivning, ca 4 meter, (pipan behöver vara en fjärdedel av våglängden för den lägsta frekvensen). Sedan kom man på att det går att veckla pipan för att göra konstruktionen mer praktisk. 3.5 5:E, 6:E, 7:E OCH 8:E ORDNINGEN Femte, sjätte, sjunde och åttonde ordningens högtalare är bandpasslådor. En bandpasslåda har ett begränsat arbetsområde men med hög verkningsgrad. Elementet sitter här inuti lådan och spelar ut genom en eller flera portar. Femte ordningens låda består av en sluten låda bakom elementet och en portad framför. Bild 3.7 Sjätte är två portade lådor, en framför och en bakom elementet, där den bakre porten spelar in i den främre. Bild 3.8 Sjunde är som sjätte fast båda portarna spelar ut i rummet. I och med att det finns två olika portar blir två frekvenser dominanta. Det ger den bakre portade bandpasslådan större frekvensområde än den slutna. Bild 3.9 Åttonde är som sjunde fast i stället för att spela ut i rummet spelar de två portarna in i en annan portad låda. Bild 3.10 3.5.1 OLIKA KONSTRUKTIONER AV BANDPASSLÅDOR Bandpasslådor är överhuvudtaget mer komplicerade att beräkna. Här är det ännu viktigare att portarna har stor diameter, speciellt den bakre, för här får luften i röret en väldig hastighet. En ökad diameter av röret ger en ökad längd. Då röret pga av sin längd inte får plats inne i lådan är det möjligt att göra en 45° sväng på det. Baselementet bör ha samma parametrar som för en vanlig sluten låda. Bild 3.11 Möjligheten att böja porten i en trång låda. Det finns olika sätt att bygga en bandpasslåda. Här är en lista på olika kombinationer: ettelementslåda dubbel push/pull låda trippelkammarlåda push/pull trippelkammarlåda Bild 3.12 och 3.13 Två sätt att bygga flerelements lådor. Till vänster en trippellåda och till höger en dubbel push/pull låda 3.6 HORN Direktstrålande högtalare är mycket ineffektiva, bara 5 % av den elektriska signalen omvandlas till akustisk energi. Ett horn används som en akustisk förstärkare och ökar effektiviteten väsenligt. Ljudtrycket kan lätt överstiga 120 dB nära hornets tratt, vilket man bör ha i åtanke. Ett horn kan ha olika former tex konisk, exponentiell eller hyperbolisk. Formen avser väggarnas form. Horn används ofta som mellanregister- och diskanthorn. De är mycket transientsnabba vilket gör ljudet vasst. Det går även att göra bashorns-högtalare. Dessa har en tendens att bli väldigt stora. Men man kan vecka dem så att de blir som en sorts TL låda. Bild 3.14 Skiss på ett veckat horn som spelar hela frekvensspektrat. För att beräkna längden på ett horn används följande formel: L är längden på hornet i cm, A är arean av hornets mynning i cm2, a är arean av hornets hals i cm2 och f är den lägsta frekvens som hornet skall klara av att spela. Hornelement har två nackdelar, de är dyra och stora. Av ovanstående formel framgår det att ett horn med öppningen 5000 cm2 och halsöppningen 1000 cm2 behöver vara 1,3 meter långt för att kunna prestera frekvenser ner till 50 Hz. Bashornslådor som ska spela ner till 30 Hz kan därför bli kubikmeterstora. Därför lämpar sig inte hornhögtalare till hemmahögtalare. Däremot är de mycket effektiva som PA-högtalare. Hornkonceptet har funnits sedan urminnes tider. Att blåsa i ett ihåligt djurhorn var ett enkelt sätt att generera ljud. Ett enkelt sätt att förstärka en röst upptäcktes tidigt när en pappers - eller metalltratt sattes till munnen. 4 JU FLER VI ÄR TILLSAMMANS... 4.1 SERIE OCH PARALLELLKOPPLING Om man har två element på vardera 8 Ohm och man vill använda dem båda som baselement så kan man antingen serie- eller parallellkoppla dem. Vid en seriekoppling så fördubblas impedansen till 16 Ohm och vid parallellkoppling halveras impedansen till 4 Ohm. Detta är viktigt att veta när man ska beräkna delningsfilter. En fördel med att parallellkoppla elementen är att känsligheten ökar med 3 dB. En nackdel är då att om man har tunna kablar till högtalarna så kommer en förhållandevis stor del av effekten att upptas av kablarna om impedansen är 4 istället för 16 Ohm. En del baselement har två talspolar i stället för en. Detta är bra till att välja impedans i högtalaren. Har talspolarna var och en en impedans på 8 kan man antingen parallellkoppla dem eller seriekoppla dem och på så sätt ha ett element på 4, 8 eller 16 Ohm. Man ska inte tro att detta är något man kan använda att koppla en kanal till den ena talspolen och den andra kanalen till den andra och på så sätt få en sub-bas som spelar i stereo. Detta kan fördärva elementet. Om man behöver använda två eller fler kondensatorer eller spolar till ett kombinationsvärde så är förhållandena samma som impedansen för spolarna och tvärt om för kondensatorerna. Om man ska fördubbla en kapacitans ska de två kondensatorerna alltså parallellkopplas. Formel 4.1 och 4.2 4.2 TVÅ ELLER FLER LIKADANA ELEMENT I SAMMA LÅDA Att använda två eller fler element till samma frekvensområde kan ha olika fördelar jämför med ett. Två sätt är möjliga att placera elementen i, standard eller push/pull. 4.2.1 STANDARD Det här sättet är definierat som två eller flera element monterade i samma låda på samma baffel och så tätt som möjligt. För två element uppstår följande förändringar i parametrarna: fs samma som för ett element Qts samma som för ett element Vas dubbelt så stort Z totalimpedansen blir den dubbla om elementen kopplas i serie och hälften så stor i en parallellkoppling Känsligheten ökar med 3 dB i en parallellkoppling och minskar med 3 dB i en seriekoppling Membranets utslag blir hälten så stort. Bild 4.1 Två element monterade enligt standardalternativet 4.2.2 PUSH/PULL Det här sättet har många fler fördelar än standardalternativet. Elementen sätts efter varandra antingen på samma håll eller motsatt varandra. Parametrarna förändras nu på det här sättet: fs samma Qts samma Vas hälften så stort Z impedansen blir hälften så stor (om elementen kopplas parallellt) Känsligheten blir den samma som för ett element. Mindre distorsion vid lägre frekvenser pga av den luftkudde som bildas mellan membranen. 5 LÅDKONSTRUKTION 5 Lådkonstruktion 5.1 Vadå parametrar? Den här lådan passade tidigare 5.1.1 Jämförelse av två element 5.2 Formler 5.2.1 3:e ordningen 5.2.2 4:e ordningen och större 5.2.3 Basreflexrör 5.3 Olsens test och diffraktion 5.4 Stående vågor 5.5 Låddämpning 5.6 Tips vid val av lådmaterial och väggresonanser 5.7 Golvplacering av högtalare 5.1 VADÅ PARAMETRAR? DEN HÄR LÅDAN PASSADE TIDIGARE. En högtalarlåda är egentligen en väldigt svår uppgift att bygga. Som tidigare nämnts så är det väldigt många faktorer som styr hur resultatet blir. För att räkna på en högtalare och få ett bra resultat måste många timmar läggas ner på förberedelser. Alla parametrar som ska användas måste tas i akt. Om man inte följer någon formel är man dömd att misslyckas. Varje element har sina individuella värden på sina parametrar så bara för att ett element passar i en låda kanske inte alls ett annat element fungerar bra. 5.1.1 JÄMFÖRELSE AV TVÅ ELEMENT Vas (liter) Qts Fs (Hz) Element 1 164 0,41 26 Element 2 1012 0,21 17 Om man jämför element 1 och 2 och sätter in värdena i Hifi Kits formeler för optimal basreflexlåda på nästa sida, blir resultatet följande: Vb1 = 160 liter, f1 -3 dB = 26 Hz Vb2 = 133 liter, f2 -3 dB = 47 Hz Summeringen av detta blir att även om den andra lådan blir mindre och elementet har lägre friluftsresonans så spelar den första en hel oktav längre ned i basen. Detta gör en viss skillnad eller hur? 5.2 FORMLER Här nedan följer ett antal formler för att beräkna den "optimala lådan" dvs den låda som har den rakaste frekvensgången. Om man bara ska bygga en subbaslåda av fjärde ordningen eller större, där basregistret ska vara extra förhöjt bör man följa formeln för -3 dB punkten från Hifi Kit där ett variabelt Vb ger olika f - 3 dB frekvenser. Alla Vb i liter. 5.2.1 3:E ORDNINGEN Följande formler kan användas till att beräkna innervolymen av en sluten låda. Enligt Hans Klinger: Enligt Hifi Kit Electronic AB: 5.2.2 4:E ORDNINGEN OCH STÖRRE För att beräkna en 4:e ordningens låda eller större kan följande formler användas. Enligt Hans Klinger: Enligt Hifi Kit Electronic AB: Enligt Per "Backe" Backlund: När man beräknar en lådvolym måste man lägga till diverse extravolymer som tex: mellanregisterinkapslingar elementens volym delningsfilter dämpningsmaterial inre stag och lister 5.2.3 BASREFLEXRÖR Även här finns olika formler för att räkna ut längden på ett rör. Hifi Kit har följande formel: Alla mått i meter och liter. fr är avstämingsfrekvensen. Backe har följande formel: Alla mått i cm och liter. För att omvandla ett rör med en viss diameter och längd till en annan kan följande formel användas: 5.3 OLSENS TEST OCH DIFFRAKTION Bild 5.1 Frekvensgången vid olika former på lådan. 1951 gjordes ett test där olika lådformer testades, och det visades sig att en sfärisk form på lådan ger den rakaste frekvensgången, en avvikning på + 0,5 dB. Tyvärr är ju en sfär ganska knepig att bygga. En kub däremot kunde avvika hela + 5 dB. Denna ojämhet i frekvensgångnen orsakas av diffraktion. Det är samma fenomen som vattenvågor som bryts om de möter något hinder. Diffraktion i luft uppstår när ljudvågen möter en skarp kant. Vågen böjer då av och får en annan riktning. När dessa två vågor möts interfererar de med varandra och skapar ett mönster av förstärkningar och förtunningar. Detta vill man undvika så mycket som möjligt när en högtalare ska konstrueras. Ett bra sätt att undvika diffraktion är att runda alla kanter så mycket som möjligt. Vissa hävdar att diffraktionen inte har så stor betydelse eftersom rummet stör ljudbilden avsevärt mer. Man kan dock minimera diffraktion från lådan genom att använda följande regler: Placera elementet på baffeln så att alla avstånd till kanterna är olika Montera alla element på framsidan av baffeln. Avlägsna alla utskjutande delar på baffeln. 5.4 STÅENDE VÅGOR De flesta högtalare är rätblock. Detta beror på att de ser bra ut ur möbelsynpunkt och att de är lätta att bygga. Det är dock inte bra ur akustisk synpunkt. I en låda med parallella väggar uppstår det stående vågor, och eftersom en rektangulär låda bara har parallella väggar är denna konstruktion inte så bra. En stående våg består av två likadana vågrörelser som rör sig emot varandra och möts. Luften rör sig då bara upp och ner utan att föra någon våg vidare. Stående vågor uppstår i de flesta rektangulära lådor och orsakar amplitudförändringar i ljudet från högtalaren. Dessa oönskade problem kan man eliminera nästan helt genom att använda dämpningsmaterial. Dessa är mest effektiva i slutna lådor vilka oftast är helt fyllda av dämpmaterial. I en låda som ser ut som ett rätblock kan det uppstå stående vågor i tre dimensioner, i höjdled, i djupled och på bredden. För att en resonans ska uppstå måste avståndet mellan två väggar vara lika med minst en halv våglängd. En stående våg mellan två väggar kan också ha flera noder och bukar och då måste avståndet vara lika med avståndet mellan två noder gånger det antal noder som ska finnas i vågen. Det går att göra rektangulära lådor utan eller nästan helt utan stående vågor. Man måste då använda sig av olika förhållanden mellan höjd, bredd och djup. Thiele föreslog förhållandena 2,6:1,6:1. Dessa förhållande användes även av egyptierna när de byggde pyramiderna. Två andra förhållande som har använts är 2:1,44:1 och 1,59:1,26:1. Men alla dessa förhållanden är mindre viktiga än att få lådan ordentligt dämpad. 5.5 LÅDDÄMPNING Med att dämpa en högtalare menas att man fäster porösa material inne i lådan som absorberar stående vågor. Att fylla en låda med dämpmaterial har både sina för- och nackdelar. Man lyckas dämpa de inre resonanserna som uppstår mellan parallella väggar, och verkningsgraden kan öka med upp till 15 %. Men samtidigt ökar kompliansen som i sin tur betyder att den totala volymen måste ökas. Som dämpmaterial kan man använda olika medel t.ex. glasull eller vadd. När man ska dämpa en högtalarlåda är det bäst att placera dämpmaterialet där lådan har sin mitt, eftersom hastigheten hos luften är som störst där. Det är alltså bäst att placera rullar av dämpmaterial i mitten i stället för att klä väggarna. 5.6 TIPS VID VAL AV LÅDMATERIAL OCH VÄGGRESONANSER Om man ska bygga en sluten låda är det viktigt att den är absolut lufttät. Ett bra sätt att få alla fogar täta är att använda silikon. En icke lufttät låda orsakar både missljud och störningar i högtalarens frekvensgång. Om man bygger en högtalare med spånplattor eller MDF-plattor kan dessa lådor avge lika mycket akustisk effekt som elementet själv. En MDF-platta är en träskiva som har mycket större densitet än vanlig spånplatta. Lådresonanser måste man undvika och det kan man göra på många sätt, t.ex.: interna förstärkningar med hjälp av brädor mellan väggarna, olika dämpmaterial och olika sätt att förankra lådan i golvet. Man kan även använda t.ex. blyplattor som fästes på väggarna och även använda sandfyllda väggar. Att placera något som täcker elementen på framsidan på högtalarna är inte så bra eftersom alla material absorberar ljudvågor på ett sätt eller annat. Därför dämpas diskanter alltför lätt av antingen tygbeklädnad eller polyetenskumplast som placeras framför. 5.7 GOLVPLACERINGAR AV HÖGTALARE Om en högtalare står direkt på ett golv så överför den en stor del vibrationer till golvet. Dessa påverkar ljudet negativt, och för att komma bort från det så kan man ställa högtalaren antingen på ett stativ eller på små "spikar" eller mässingstoppar för att skärma av högtalaren från golvet. Om inte detta finns tillgängligt så kan man även konstruera högtalaren så att tyngdpunkten är så långt ner som möjligt, gärna med lite extra vikter längst ner i lådan. 6 DELNINGSFILTER Ett delningsfilter har till uppgift att dela upp frekvensspektret i två eller fler delar. Ett delningsfilter finns praktiskt taget i alla moderna högtalare men det läggs ner alltför lite tid på dem, framför allt i billiga högtalare. Om man ska bygga en högtalare bör man lägga ner ganska stor tid på filtret eftersom det är nästan omöjligt att ändra någon annan faktor i ett högtalarsystem för att kompensera för felet i filtret. 6 Delningsfilter 6.1 Varför ett delningsfilter? 6.2 Olika sorters delningsfilter 6.3 Högpass och lågpass 6.4 Delningsfrekvens 6.5 Beståndsdelar 6.5.1 Kondensatorn 6.5.2 Spolar 6.6 Reaktans 6.7 Konstruktion 6.7.1 1:a ordningens Butterworth 6.7.2 2:a ordningens Butterworth 6.7.3 3:e ordningens Butterworth 6.7.4 4:e ordningens Butterworth 6.7.5 Trevägsfilter 6.7.6 L-pads 6.7.7 Konjugatlänkar 6.8 Tvåvägs vs. trevägs 6.1 VARFÖR ETT DELNINGSFILTER? Ett idealt högtalarsystem bör generera ett jämt och brett frekvensomfång. Ljudvågorna ska dessutom kunna stråla ut på så brett område som möjligt för att täcka ett så brett lyssningsområde som möjligt. Det ska helst också kunna reproducera vilken sorts signal som helst utan att distorsion uppstår, allt ifrån pumpande technomusik till ett klart och stillsamt violinsolo. Dessa krav är inte möjliga att ställa på ett enda element som framkommit tidigare. Därför använder man två eller fler element i ett högtalarsystem där vart och ett elementreproducerar sin ideala del av signalen. För att dela upp frekvensspekret i två eller flera delar använder man ett elektriskt delningsfilter. 6.2 OLIKA SORTERS DELNINGSFILTER Det finns två sorters delningsfilter, lågnivåfilter och högnivåfilter. Ett lågnivåfilter är ett aktivt filter och ett högnivåfilter är ett passivt filter. Skillnaden mellan dem är att det passiva, som är det vanligaste, sitter i högtalaren, mellan förstärkare och element. Det aktiva sitter mellan signalkällan och förstärkaren, alltså det bearbetar signalen innan den blir förstärkt. Detta är till fördel för PA-system, där man vill ha enbart basdelen avsignalen till separata förstärkare som driver bashögtalarna och på samma sätt till mellan- och diskanthögtalaren. Ett aktivt filter behöver därmed två eller fler förstärkare per kanal vilket är onödigt i vanliga HiFi-högtalare. Ett passivt delningsfilter består av kondensatorer, induktansspolar och eventuellt några effektmotstånd. 6.3 HÖGPASS OCH LÅGPASS Ett delningsfilter består av två eller tre delar: lågpass, bandpass och högpassfilter, där bandpassfiltret bara finns med i trevägssystem eller större. Lågpassfiltret användstillsammans med de element som ska spela de lägre frekvenserna och har en övre delningsfrekvens. Högpassfiltret används med de element som ska spela diskantdelen av signalen och har en undre delningsfrekvens. Bandpassfiltret används bara till mellanregisterdelen av signalen och har både en undre och övre delningsfrekvens. 6.4 DELNINGSFREKVENS Bild 6.1 Skiss över uppdelningen av signaler i ett delningsfilter. Termen delningsfrekvens markerar den frekvens när lika mycket effekt ligger över t.ex. basen som diskanten i ett tvåvägssystem. Dämpningen på båda signaldelarna är då - 3 dB. Ökar frekvensen kommer mer och mer av effekten läggas över diskanten. Hur snabbt beror på delningfiltrets branthet, dvs hur många dB filtret ska dämpa per oktav. 6 eller 12 dB per oktav är de vanligaste men det finns även 18 och 24 dB/oktav. För jämförelse är -3 dB en halvering av effekten. En oktav är en fördubbling av frekvensen. Ett exempel: ett delningsfilter delar vid 3000 Hz och har en branthet på 12 dB/oktav. Då kommer 1/32 av effekten att finnas kvar hos baselementet vid 6000 Hz, -15 dB, och 1/512 vid 12000 Hz, -27 dB. För att bestämma delningsfrekvensen i ett system måste man titta på hur stort frekvensomfång elementen har. Delningsfrekvensen bör vara minst en oktav högre än fs hos diskanten och en oktav lägre än bas eller mellanregisterelementets översta räckvidd. Om en diskant har en resonansfrekvens på 1 kHz och baselementet klarar av att spela upp till 5 kHz så kan delningsfrekvensen ligga mellan 2 kHz och 3500 Hz. Det bör vara en oktav mellan fs och delningsfrekvensen pga av att effekttåligheten som sagt definitivt inte är bra under fs. Att det inte är en hel oktav upp till basens övre gräns är inte lika viktigt eftersom den frekvensbegränsningen inte är så kritisk som fs. Vid delningfrekvensen så samverkar ju två element under minst två oktaver. Dessa två element interfererar då med varandra och skapar ett mönster av förstärkningar och försvagningar. Ju längre ifrån varandra dessa element är ju mer komplexare blir detta mönster. Därför bör elementen placeras så nära varandra och i en rak lodrät linje och inte lite hur som helst på baffeln. 6.5 BESTÅNDSDELAR 6.5.1 KONDENSATORN Det finns idag olika sorters kondensatorer på marknaden som kan användas till delningsfilter. Tidigare fanns det bara bipolära elektrolytkondensatorer och dessa fick ett ganska dåligt rykte eftersom de har ett stort toleransområde (+ 20 %), stora förlustfaktorer och dålig stabilitet. Idag finns det bättre eletrolytkondensatorer men man bör använda sig av andra sorter i dagens läge. Ett exempel är plastfilmskondensatorerna som dock är dyrare men har bra stabilitet i det känsliga högfrekvensområdet, 3-20 kHz. Vanliga värden på kapacitanser är 1 µF till 50 µF. De bör klara av spänningar upp till 100 Volt. 6.5.2 SPOLAR Luftlindade spolar är de vanligaste idag. De är dock mycket dyra om det handlar om högeffektsspolar och stora induktansvärden. En luftlindad spole går att göra med ett stort induktansvärde, men då blir resistansen i tråden för stor och därmed uppstår stora förluster. Ett knep att komma bort från detta är att linda spolen på en järnkärna. Tråden i en spole bör vara ca 1 mm i diameter och den ska klara en effekt av minst 100 Watt. Värdena på spolar i delningsfilter varierar från 0,15 mH till 15 mH. En sådan stor spole kan kosta 250 kr stycket, vilket gör att ett 3:e eller 4:e ordningens filter med 1 eller 2 så stora spolar per kanal blir väldigt dyra. 6.6 REAKTANS Reaktans är sorts frekvensberoende resistans. Reaktans fungerar på samma sätt som en resistans i en växelströmkrets men det går inte att summera en reaktans och en resistans som sitter i serie. Eftersom spänningen och strömmen fasförskjuts i spolar och kondensatorer måste fasförskjutningsvinkeln räknas med och Pytagoras sats kan användas. En spole har positiv reaktans, XL. Det betyder att reaktansen ökar med frekvensen. En kondensator har negativ reaktans, XC, den minskar med frekvensen. Följande formler används för att räkna ut reaktansen för spole och kondensator: L är spolens induktans, C kondensatorns kapacitans och f är vid den frekvens mätningen sker. 6.7 KONSTRUKTION Ett passivt delningsfilter fasförskjuter spänningen från strömmen i signalen. Hur stor fasförskjutning beror på ordningen på delningsfiltret och vid vilken frekvens mätningen görs. Fasförskjutningen mäts som en vinkel mellan 0 och 360° där en 0 och en 180 gradig signal är varandras motsatser. En spole fasförskjuter spänningen +90° och en spole -90°. Antingen så kopplas kretsen så att de olika elementen sitter i serie eller i parallella grenar. Det sista sättet är det lättaste och därför det vanligaste. Det vanligaste sättet att bygga ett delningsfilter är att följa Butterworths riktlinjer. Det finns andra riktlinjer typ Bessels och Chebychevs men Butterworths formler är de enklaste och ger en rak roll-off kurva. I följande formler är alla induktansvärdena i mH och kapacitanserna i µF. 6.7.1 1:A ORDNINGENS BUTTERWORTH Det är det enklaste filtret som delar med 6 dB/oktav. I ett tvåvägsfilter sitter det bara en spole i serie med baselementet och en kondensator i serie med diskanten. Formlerna för att bestämma värdena på solen och kondensatorn är formlerna för uträkning av reaktans. Bild 6.2 6.7.2 2:A ORDNINGENS BUTTERWORTH Detta är nog det vanligaste filtret i kommersiella högtalare. Roll-offkurvans branthet är här 12 dB/oktav. Fasförskjutningen gör att diskanten är 180° ur fas. Detta pareras genom att diskanten kopplas på fel håll. För att räknat ut värden på spolarna och kondensatorerna i ett 2:a ordningens butterworthfilter skall följande formler användas. Bild 6.3 6.7.3 3:E ORDNINGENS BUTTERWORTH 3:e ordningens filter ger en roll-offkurva på 18 dB/oktav. Formler för att räkna ut värdena på komponenterna här är följande: Bild 6.4 6.7.4 4:E ORDNINGENS BUTTERWORTH 4:e ordningnens filter har en roll-offkurva som sjunker med 24 dB/oktav. Detta är ett mycket komplicerat och dyrt filter. Det är också ganska onödigt att använda i hemmabruk såvida man inte bygger ett trevägs eller fyravägssystem. Formlerna för ett tvåvägsfilter ser ut så här: Bild 6.5 6.7.5 TREVÄGSFILTER Trevägsfilter kan man inte räkna ut på samma sätt eftersom det är tre grenar som ska dela på signalen. Med olika värden på komponenterna kan man på ett lätt sätt antingen dämpa eller förstärka bandpassgrenen. Därför finns det inga exakta formler för detta. 6.7.6 L-PADS En L-pad är två resistorer där ett kopplas parallellt med ett element som har högre känslighet än ett annat för att sänka känsligheten hos det första elementet, vanligtvis diskanten, och det andra i serie med elementet och den parallellkopplade resistorn. L-paden konstrueras så att impedansen forfarande är den samma som elementets ursprungsimpedans men signalen dämpas av resistorerna. Tex: ett 8 Ohms motstånd kopplas parallellt med ett element med DC resistansen 8 W. Ett 4 Ohms motstånd kopplas sedan i serie med de andra och kretsen dämpar signalen 6 dB men behåller impedansen 8 Ohm. 6.7.7 KONJUGATLÄNKAR Alla element har induktans, kapacitans och resistans. Kapacitansen är inte så stor. Detta gör att impedansen hos elementet ökar med frekvens. Detta är ett fenomen som oftas är oönskvärt. Med en kapacativ länk som konjugat kan impedansen hållas något så när konstant. Konjugatlänken består av en kondensator och ett motstånd. För en konstant impedans ska motståndet vara lika stort som elementets DC- reistans. Kondensatorns värde räknas ut med följande formel: Le i Henry och Re i Ohm. Länken kopplas parallellt med elementet som skall kompenseras. Ersättningsresistorn bör ha en viss effekttålighet, gärna 20 - 30 % av elementets effekttålighet. 6.8 TVÅVÄGS VS. TREVÄGSSYSTEM Om man tittar på för- och nackdelar med två eller trevägshögtalare så har tvåvägs en lättare konstruktion och färre antal komponenter vilket ger mindre risk att något ska gå fel. En trevägs har större effekttålighet och lägre distorsion i diskanten än en tvåvägare. Ingen har dock övertaget över den andre när det gäller ljudkvalitén. 7 HUR JAG BYGGDE MINA HÖGTALARE 7 Hur jag byggde mina högtalare 7.1 Förberedelse och utformning 7.2 Byggnation 7.3 Delningsfiltret 7.4 Summering Tabell Tabell över olika parametrar Ritning Två ritningar över högtalarna. Ritning del. filter Ritning över delningsfiltrets olika delar. 7.1 FÖRBEREDELSE OCH UTFORMNING Ända sedan jag blev färdig med mina första högtalare ville jag bygga något ordentligt. Jag gick nästan i ett helt år och funderade på vad jag skulle bygga. En ganska lång tid så var jag inne på att bygga ett trevägs system som ett sub-bas system med två sub-baslådor med en 12 tummare i varje, plus två satellieter. Baslådorna skulle vara av sjunde ordningen. Jag velade fram och tillbaka och var helt nersjunken i Ljudia-katalogen på nätterna och räknade på otaliga element. Jag var till och med uppe i Stockholm i somras och tittade på 2 stycken 12:or hos Ljudia. Med de parametrar som fanns i deras katalog hade de passat mig perfekt, varje låda skulle bli ca 100 liter. Men när jag kom upp till Stockholm så hade fabrikanten ändrat på parametrarna så lådorna skulle ha blivit helt annorlunda. Tji fick jag. Hemma igen så gick jag till Hifi Center på Kyrkogatan vid Stortorget. Jag fick låna hem en 600 sidor tjock katalog över tyska Monacors sortiment. Där hittade jag ett antal 12:or som passade mig. Men när jag kom ner till affären igen så visade det sig att de elementen jag hade valt var på tok för dyra, ca 1000-1400 kr styck. Jag skulle behövt två sådana plus 2 mellanregister på ca 400 kr styck plus 2 diskanter på ca 350 kr styck. Allt som allt ca 2200 kr per låda. Försäljaren Per nere på Hifi Center som jag känner sedan tidigare gav mig det förslaget att bygga ett par två-vägshögtalare och använda två stycken 6.5 tums element som bas plus en diskant i varje låda. Han visade mig ett element som han rekommenderade. Jag fick parametrarna och gick hem och räknade igen. En optimal låda skulle bli 60.7 liter stor, enligt Hifi Kits ekvation och jag skulle få en -3dB frekvens på 33 Hz. Basarna hade dessutom dubbla talspolar vilket gjorde att jag kunde koppla varje element parallellt och sedan koppla de båda elementen i serie och fortfarande behålla impedansen 8 W. Äntligen hade jag hittat en lösning. Basarna kostade 425 stycket. Till dem hittade jag två diskanter för 365 kr styck. Parametrar finns längre fram i arbetet. Eftersom diskanterna har en mycket högre känslighet så blev jag tvungen att köpa två variabla motstånd med konstant impedans och koppla i serie med diskanterna. Jag fick ett priserbjudande av Per, 2000 kr för allt, perfekt för min plånbok. ELEMENT Bet. Enhet BAS DISKANT Impedans Z Ohm 2*8 8 Frekvensomfång 30 - 5000 1500 - 20000 Friluftsresonans Fs Hz 33 1500 Musikeffekt W 2*60 60 Effekt RMS W 2*40 30 Känslighet dB/W/m 88 97 Rörlig massa g 16 Mekaniskt Q 2,98 Elektriskt Q 0,48 Totalt Q Qts 0,41 Effektiv membranyta Sd cm2 127 Ekvivalent volym Vas liter 31 Talspolens DC resistans Re Ohm 2*7,5 Talspolens induktans Le mH 2*0,6 Talspolens diameter mm 25.5 Talspolens höjd mm 10,5 Talspolens material Aluminium Titan Min. utslag Xmax mm 4,5 Max. utslag mm 8,5 Flödestäthet i magneten. B T 0,9 Magnetvikt g 380 235 Magnetdiameter mm 100 75 Baffelhål mm 142 80 Monteringsdjup mm 82 33 Yttermått mm 166 110 Vikt kg 1,4 0,55 Formen på lådan hade jag redan så gott som bestämt mig för i förväg. Jag ville bygga en låda som både lät bra och såg hyfsad ut. Min flickvän gav mig det förslaget i somras att de skulle se ut som ett par pyramider. Jag förbättrade den idén och kom fram till denna modell: Den var ett av mina otaliga förslag till en möjlig låda. Den här lådan var anpassad för en 10:a + en 5:a och en diskant. Baselementet sitter inuti lådan som en 7:e ordningens låda och de två andra i en sluten kammare. Fronten är lodrät, likaså höger sida på vänster låda och vice versa. En ny ritning med de rätta elementen finns längre bak i arbetet. Med de riktiga elementen blev vinkeln mellande de lutande sidorna och de lodräta 9 grader. På så sätt blev bottenplattan ca 35*35 cm och topp-plattan ca 20*20 cm. Högtalaren blev totalt 99 cm hög. Materialet till alla sidor blev efter en rekognosering 19 mm spånplatta hos Obs i Burlöv. Bild 7.1 Ett förslag jag hade. Anledningen till att jag ville vinkla två sidor, var den att jag ville elimenera stående vågor inne i lådan. Med denna form blir bara två sidor parallella, nämligen topp- och bottenplattorna. För att få alla sidor icke-parallella tog jag hjälp av en liten låda inne i den stora med en lutade topp-platta. Den lilla lådan fyllde jag med torr sand från Ribban. (10 liter sand väger! Cykeln överlevde knappt.) Därmed löste jag problemet med de två parallella sidorna och dessutom fick jag en bastantare låda och lägre tyngdpunkt tack vare tyngden av sanden. Varje "sandlåda" blev 30*30 cm och 8 cm hög på ena sidan, totalt ca 4 liter. Inuti högtalaren bestämde jag mig för att staga lådan med 25*25 mm lister. Dessa fäste jag med mycket trälim och många skruvar. Totalt använde jag ca 400 skruvar till båda lådorna. Jag satte också stag mellan de olika sidorna för att minska resonanser på de stora ytorna. 7.2 BYGGNATION Jag ville att mitt projekt skulle bli så billigt som möjligt så därför fick jag snåla på allt onödigt. Röret till basreflexen fick jag på bygget vid Statsbiblioteket. Skulle jag ha köpt ett liknande rör på Obs så skulle det ha kostat 60 kr. Glasullsisolering fanns bara att köpa på Obs i stora balar, och det är ju ganska onödigt att köpa 300 liter glasull när man behöver en bråkdel av det. Byggarbetsplatsen för den nya McDonalds-restaurangen vid Heleneholms brandstation blev min räddning. Hem släpade jag två stora bitar isolering på cykeln. (Det måste ha sett löjligt ut med en stor gul klump på pakethållaren. Hur mycket jag tjänade på detta vet jag ej, men ca 100 kr kanske. Eftersom högtalarna skulle se bra ut köpte jag två rullar med imiterad träfanér i plast för 50 kr/styck. Dessa fästes på sidorna, baksidorna och på topparna. Resten målades i svart färg. Bild 7.2 Att få listerna att bli vinklade 9 grader blev ett problem. Kortsidorna på bitarna var inget problem, där använde jag bara en geringssåg. Däremot så skulle ju också vissa långsidor av bitarna fasas 9 grader. (Se skiss). Jag fick låna hem en Roto-flex, en roterande skiva där man fäster ett slippapper som man sedan monterar på borren. Resultatet blev efter många om och men bra, men jag spridde trädamm i hela lägenheten. En efter en blev sidorna monterade och snart var allt utom baksidan monterad. Det var nu dags att montera på glasullsisoleringen. Jag bestämde mig för att montera ull på baksidan och på vänster- och högerväggen. Att få "sandlådorna" på plats ver ett rent helvete men efter att ha stagat med extra långa skruvar utifrån kom de på plats och baksidorna monterades. Basreflexröret var jag tvungen att vinkla 45 grader annars hade det aldrig fått plats i lådan. Efter att ha tittat på olika formler i olika böcker kom jag fram till samma sak som vid beräkning av volymen till lådan: inte två ekvationer har samma svar. Jag fick svar alltifrån 18 cm till 25 cm så jag tog ett medelvärde: 20 cm, jämmt och bra. Jag borde då få en avstämningsfrekvens på ca 40 Hz. Nu återstod bara finputsningen. Alla främre och övre kanter ville jag få avrundade så fram med Roto-Flexen igen. Anledningnen till detta var både att undvika diffraktion och få en "look". Avrundningen fick en radie av 3 cm. Ytterligare en massa damm i lägenheten. (Nu började mina föräldrar verkligen att tröttna.) När allt slipande var avklarat så målade jag alla yttre ytor med en vit grundfärg. Detta gjorde jag både för att inte träet skulle suga åt sig så mycket av den andra och dyra färgen och för att penseldragen i den vita färgen påminnde lite mer om riktiga träfibrer. Detta kom jag fram till efter att ha gjort en liten provmålning med vit färg och sedan med svart på en träbit. Det såg bättre ut än om man skulle se att det var vanlig spånplatta under färgen. Den fejkade fanéren blev mycket svår att sätta på eftersom jag valde att vänster, topp och högersidan skulle sättas fast i ett stycke. Efter mycket möda fick jag bort alla luftbubblor. 7.3 DELNINGSFILTRET Ganska tidigt bestämde jag att det skulle bli ett filter med 12dB dämpning per oktav. Vilken delningsfrekvens jag skulle använda mig av fick jag fram genom att jämföra de båda frekvens- områdena för basen respektive diskanten. Basarnas frekvensområde sträcker sig upp till 5000 Hz och diskanternas börjar vid 1500 Hz. En lagom frekvens tyckte jag skulle bli 3000 Hz. Då skulle de båda spolarna bli 0,6 mH och kondensatorerna bli 4,7 mF stora, jämna värden på både spolarna och kondensatorerna. Efter rekognosering kom jag fram till att spolarna skulle kosta 78 kr styck hos Hifi Kit och 90 kr styck hos Hifi Center, dock med värdet 0,68 mH. Trodde jag... När jag kom ner dit hade priserna höjts till 110 kr/styck. De hade nu också en spole med sämre kvalitet för 35 kr dock med samma trådtjocklek, 1,2 mm och värde. Fyra stycken för 110 kr styck tyckte jag var för dyrt. Då kom tanken upp i mitt huvud att jag kan kanske linda spolarna själv. Efter en massa beräknande kom jag fram till att jag skulle behöva 18 meter 1,5mm emaljerad koppartråd för 24 kr/6,4 meter. Totalt skulle varje spole kosta 75 kr bara för tråden. Förslaget övergavs. Per nere på Hifi gav mig det förslaget att köpa två av de dyrare spolarna och två av de billigare. De dyra skulle jag sätta i serie med basarna och den billigare parallellt med diskanten, därför att diskanten inte störs så mycket av den sämre parallellkopplade spolen, däremot basarna skulle störas av en sämre spole i serie med dem. Förslaget tackade jag för och spolarna på 0.68 mH blev beställda. Jag använde då en 4,7 mF kodensator parallellt med basen och två seriekopplade 10uF i serie med diskanten. Delningsfrekvensen blev nu ca 2650 Hz. När jag skulle hämta allt så hade det levererats fel spolar så jag fick vänta en vecka extra. När det gällde kondensatorerna så köpte jag ett par riktigt dyra (vilket jag inte var helt medveten om när jag beställde dem tyvärr), metallfilmspolypropylens kondensatorer (MKP). Pris: 38 kr/styck för 10mF och 22 kr/styck för 4,7mF. Hemma satt jag och testade delningsfilteret i Electronic Workbench och fick en liten chock när det inte alls stämde med det jag hade räknat med i formlerna. En viss kallsvettighet rann över mig eftersom jag ju redan hade beställt grejorna nere på Hifi. Men efter ett par genomgångar såg jag att jag hade kopplat fel i EWB och efter en rättning stämde det tack och lov. En sak som jag bestämde mig för att köpa extra till delningsfiltret efter jag blev färdig med högtalarna, var en konjugatlänk. Eftersom jag redan hade lagt ner så mycket pengar på delningsfiltret och sparat på så mycket annat kunde jag lika bra lägga ner 75 kr extra på en sådan. En konjugatlänk neutraliserar nämligen induktansen i basarna och ger en rak impedanskurva istället för att impedansen i elementet ökar kraftigt vid högre frekvenser. Konjugatlänken består av en kondensator och en resistans. Dessa seriekopplas och denna gren parallellkopplas sedan över basarna. Allt som allt gick delningsfiltret på 550 kr. Kanske i dyraste laget, men det ska ju låta bra även om man pressar högtalarna. Delningsfiltret Ersättningsresistansen Baselementet Diskanten 7.4 SUMMERING Efter att ha monterat alla delar och satt fast elementen på sina platser var det dags för provspelning och jag får ju säga att det blev ett bra resultat. Högtalarna återger mycket bra bastonerna, vilket ju var meningen. Diskanten kan man reglera dämpningen på manuellt med det variabla motståndet på baksidan. Dess enda svaghet är på den mest kritiska punkten, mellanregistret. Ljudet låter lite tunt här med betoning på lite. Det märks knappt när man lyssnar på den utan att ha en referens, men jämför jag ljudet med de högtalare mina föräldrar har så låter det lite tunt. Det kan bero på många saker tex: att delningsfrekvensen ligger i detta område och komponenterna i filtret absorberar en del av signalen, att lådans form kan bidraga till amplitudförändringar (även om detta försöktes att undvikas så mycket som möjligt vid utformningen) eller att effektiviteten hos basarna och diskanterna inte är maximal vid dessa frekvenser. Alternativen är många. En sak är säkert: jag är nöjd och det är ju huvudsaken.