VARNING! JÄTTELÅNGT INLÄGG
Dialog
Hurra! Svar! Jag ber om ursäkt för att det dröjt så och kan inte heller garantera att jag håller en jämn takt framöver, men skall försöka svara så ofta jag hinner.
Först några kommertarer från planetens internationelle redakör Martin Dellstig.
Aktiv eller Passiv
Som du säkert vet så är ju originalmodellen en aktiv konstruktion med två kanaler i högtalaren, en för basen och en för mellanregister och diskant.
Basen och mellanregistren är högohmiga element och drivs direkt av OTL* stegen medan diskanterna är kopplade med en transformator.
Jag är verkligen ingen elektronikkonstruktör, så min plan var att köra passivt. Det är ju inget som hindrar att man följer originalkonstruktionen så tillvida att man också bygger dedicerade slutsteg och stoppar i lådan. Faktum är att ju mer jag tänker på det desto mer tilltalande är det att i alla fall köra lågbasen aktivt. Jag kommer dock inte utreda några detaljer i denna fråga i mina inlägg, åtminstone inte till en början.
Däremot så kan man ju prata lite om hur den skall vara konstruerad i övrigt. Trevägs är nog givet med kanske med digitalförstärkare, kommer att finnas likheter med Beolab5 kanske?
Digitalförstärkare är ju en mycket tilltalande idé då man med sådana också lämpligen kan sköta tonkurveutjämning och delningfiltrering digitalt, vilket kan ha sina fördelar. Om man har digital signalkälla kan man ju minimera brus och andra nackdelar genom att DA-omvandla det sista man gör. Som jag nämnt ovan kommar jag dock inte att utreda just denna aspekt. Den är ju en hel tråd i sig.
Basreflex eller sluten låda
Jag tyucker nog att man skall bygga högtalaren som basreflex för att det är så grundläggande i Stig Carlsson samtliga konstruktioner.
Jag vet ju förstås inte säkert, men jag skulle gissa att anledningen till att Stig Carlsson använde basreflex i början av sin karriär var för att få tillräckligt med bas ur de element som fanns att tillgå. Senare var det nog för att hålla nere storlek på låda och element. Basreflex är, skulle man kunna säga en "nödlösning", eller kanske ett "smart trick". Eftersom frågan kom upp så tänkte jag gå igenom lite "baskunskap" (heh, hrm...) nedan.
Ambitionsnivå
Innan man ger sig i en allt för detaljerad disskusion bör man nog bestämma principer och ambitionsnivå.
Utmärkt idé! Jag komer strax att börja vifta med pekpinnar och tavelkritor, men först presenterar jag här min ambition.
Eftersom det som slog mig först var den tjusiga designen tänkte jag hålla mig till samma form som föregångaren. Eftersom finessen med Carlssons högtalare är de Orto Akustiska egenskaperna tänkte jag också hålla mig till dem. Dock tänkte jag försöka dissikera vad som ligger bakom dessa teorier och se hur man bäst kan nå det mål Ortoakustiken strävar mot med moderna medel. Det finns kanske en anledning till att kolboxen och OA52.3 inte är identiska. Kan man, alltså, nå till samma (det vore kanske övermodigt att tro att man skulle nå till något bättre) ljudkvalitetsmässiga nivå som OA52 eller kanske 58 (eller 60) presterar, med "begränsningen" att man använder sig av kolboxlådan?
Pretentioner
robban61 skrev:
Jösses så intressan den här tråden blir att följa!
Tack för det, Robban! Jag hoppas verkligen att jag inte kommer att framstå som en nedlåtande besserwisser. Jag tänkte försöka dela med mig av den kunskap jag har i ämnet och sedan applicera den som jag tycker verkar vettigt i just detta fall. Det är just det som fascinerar mig så med ljud, musik, hifi mm. Man kan läsa hur mycket som helst, men ändå lära sig något nytt av någon som lärt sig av sin egen erfarenhet. En kollega har just presenterat sin avhandling om hur ljud genereras i orgelpipor. "-Vaddå, det är väl inget nytt? Det har man ju känt till i hundratals år!" Ja och Nej. Det är just det som är fascinerande. Orgelbyggare vet precis var de skall knacka på pipan för att den skall låta som de vill. Och den kan låta som en flöjt, en trumpet, en saxofon eller till och med (nästan) som en fiol. Att fysikaliskt beskriva vad som gör att det låter som det gör är otroligt komplicerat. Dessutom är det just vår tolkning som gör att vi tycker att det låter på ett visst sätt. Hörsel, musiksmak, erfarenhet, känslotillstånd är några av de faktorer som bestämmer vår upplevelse. De har inget med orgelpipan att göra. Faktum är att om man tar bort insvängningsförloppet, dvs de första bråkdelarna av en sekund, av ljudet från en orgelpipa och gör samma sak med en elgitarr så kan man nästan omöjligen skilja dem åt. Man hör inte vilken som är vilken.
Dagens ämne: Bas
Jag tänkte börja med lite grundläggande fakta om vad ljud är och sedan gå vidare med hur det generas och hur det påverkas av rummet.
Ljudet från en högtalare uppstår generellt genom att högtalarmembranet knuffar på luften som finns omedelbart framför den. Det orsakar en kedjereaktion där en luftmolekyl knuffar på nästa luftmolekyl som en vågkam bort från högtalaren. Vågen rör sig med med ungefär 340 m/s (ungefär 1200 km/h). När högtalaren svänger tillbaka skapar den istället ett sug som suger in omgivande luftmolekyler förr att fylla det 'vacuum' som bildats. Svänger man tillräkligt långsamt fram och tillbaka så hinner luften som man knuffade bortåt vid framåtrörelsen vända tillbaka vid bakåtrörelsen och det enda som händer är att man flyttar luften alldeles framför högtalaren fram och tillbaka. Svänger man snabbare alternativ om man svänder med väldigt stort membran och/eller med väldigt långa slag, så blir det en så stor kedjereaktion att all luft som man skickade framåt inte hinner 'märka av' suget vid bakåtrörelsen, förrän membranet svänger framåt igen. Luftmassan har en rörelsetröghet som gör att har man väl fått fart på den så fortsätter den att gå. Det är som en bra roddbåt. Även om den är jobbig att få fart på i början så håller den farten mellan årtagen om den är tung nog. Är den för lätt stannar den mellan varje årtag. Om man spelar en enda ton i högtalaren svänger den ju fram och tillbaka så det kommer fler vågkammar efter den första. Om man t.ex. spelar en 100Hz ton svänger högtalaren fram och tillbaka hundra ggr i sekunden. Den första vågkammen har alltså färdadts i en hundradels sekund när nästa vågkam byggs upp. Då har den hunnit (sträckan=hastigeheten delat med tiden) 340/100=3,4 meter. Det är alltså det som är våglängden. För en 1000 Hz ton hinner ju bara första vågkammen en tiondel så långt innan nästa kam byggts upp och då blir alltså våglängden 34 centimeter. Det är inte en och samma luftmolekyl som rör sig med 340 m/s från högtalaren och fram till lyssnaren. Det skulle i så fall vara som att stå i en orkan tio ggr kraftigare än Gudrun. 340 sekundmeter. Inte helt sant, kanske, bl.a. så rör sig ju inte all luft på grund av ljudet, utan bara en bråkdel vars storlek bestäms av hur högt vi spelar, men ni fattar vad jag menar. Varje luftmolekyl rör sig bara just en våglängd, eller till och med bara en del av en våglängd, och överför sedan sin rörelse till nästa luftmolekyl. Givevis är det inte precis såhär, det skulle ju innebära att det var väldigt glest mellan luftmolekylerna, men pricipen är någorlunda riktig. För att matematiskt hålla reda på hur ljudvågen ser ut använder man sig av begreppen amplitud och fas. Amplituden talar om hur högt det högsta trycket i ljudvågen är och fasen talar om var någonstans längs ljudvågen vi befinner oss. Står vi still på ett ställe kommer ju ljudvågen att passera oss med 340 m/s så vi upplever både maximal tryck och maximal hastighet. Vi varje given tidpunkt kan vi då få redan på det momentana trycket genom att ta amplituden hos ljudvågen och multiplicera med en faktor som bestäms av fasen. Man brukar ange fasen som vinkel i grader och om man tar cosinus av den vinkeln får man faktorn man skall multiplicera amplituden med. Det är väldigt användbart när man har två eller flera ljudvågor samtidigt, eftersom man då kan räkna ut det totala bidraget från dem alla om man vet hur de skiljer sig i fas. Eftersom högtalaern både skapar övertryck (svänger framåt) och undertryck (svänger bakåt) så kan det ju bli så att den ljudvåg som har sådan fasvinkel att den har högt tryck kan tas ut av en annan ljudvåg som har sådan fasvinkel att den har undertryck. Detta kallas att de två vågorna är ur fas. Det viktiga att veta är detta:
En ljudvåg består av områden med hög luftdensitet, dvs lokalt högre lufttryck, samt däremellan områden med hög luftmolekylhastighet, precis som vädersystem - vind uppstår mellan ett högtryck och ett lågtryck. Avståndet mellan två närliggande områden med högt tryck kallas våglängd.
Olika frekvenser har olika våglängd. Det momentana trycket längs en ljudvåg anges av amplitud och fas.
Vad spelar detta för roll då? Jo, våglängden är intressant av två anledningar:
1: Ju större ett föremål, t.ex. högtalarlåda, möbel, tavla, är jämfört med ljudets väglängd, desto mer kommer det att påverka ljudvågens utbredning. Om man vänder på det så kan man säga att ju mindre ljudets vågländ är i förhållande till ett föremål desto mer kommer ljudet att påverkas av föremålet. Eftersom våglängden är längre ju lägre frekvens ljudet har innebär detta att basen kommer att vara opåverkad av i stort sett alla föremål i ett vanligt vardagsrum förutom väggarna, golvet och taket. Man brukar säka att nedre gränsfrekvensen för människans hörsel är 20 Hz. Det innebär en våglängd på 17 meter! Hur många av er har ett så långt vardagsrum?
2: Mitt emellan två områden med högt tryck där molekylernas hastighet är som störst måste luften kunna röra sig. Om man bromsar den, kommer man att minska ljudvågens energi och alltså 'sänka nivån'. Det är så absorbenter fungerar. Om man ställer något i vägen, som t.ex. en vägg, kommer molekylerna att krocka med väggen och därmed tappa en del av sin energi (som i stället blir värme). Med sin kvarvarande energi rör de sig sedan åt något annat håll. Om vi iställer sätter väggen precis där trycket är som störst tappar inte ljud så mycket energi, eftersom luften inte rör sig så mycket just där. Luften behöver alltså inte byta håll mitt i rörelsen. Detta innebär att just den frekvensen studsar lättare än andra.
Lågfrekvent ljud, bas, påverkas av rummet (eller påverkar rummet, beroende på hur man vill se på det) annorlunda än högfrekvent ljud, just på grund av att vågländen är så lång i förhållande till rummet och föremålen i det. Det faktum att ljudet studsar lättast där trycket är som högst innebär att för de frekvenser där vågländen är precis lika stor som rummets längd kommer ljuden knappt att dämpas alls utan istället studsa fram och tillbaka mellan de parallella väggarna. Det är detta som kallas resonans. Dubbla frekvenser kommer ju också att uppföra sig så eftersom man också då har maximalt tryck precis vid respektive vägg, men också maximalt tryck mitt i rummet. Detta gäller för alla frekvenser där en multipel av våglängden precis passar in i rummets längd, bredd eller höjd. Egentligen är de olika dimensionerna sammankopplade och ljudvågen kan passa in i längd, bredd eller höjd eller kombinationer av dessa. Jag tänkte undvika att skriva lösningen på den tredimensionella vågekvationen för luft, men det är i alla fall den som ligger till grund för vilka frekvenser som passar in i ett rum. Man kallar detta vanligen för stående vågor (för att de 'står' mellan två väggar) eller rumsmoder. Den första rumsmoden är den när en våglängd passar precis in i rummets längsta dimension. Man brukar numrera moder efter hur många våglängder som passar in i de tre dimensionerna höjd, bredd och längd. Första moden är då 0,0,1. Nästa är t.ex. 0,1,0 och nästa 0,1,1. Dessa moder gör att just de frekvenserna låter högre än andra, eftersom det totala trycket ges av det ljud som kommer direkt från högtalaren plus det som finns kvar i rummet på grund av att det studsar fram och tillbaka. Högtalare brukar betraktas som tryckkällor, vilket innebär att fasen är noll (cosinus(0)=1) och alltså är det momentana trycket maximalt. Genom att ha högtalaren nära en vägg kommer rumsmoderna och det direkta ljudet från högtalaren vara i fas och det totala trycket kommer alltså att vara högre. Flyttar man högtalaren från väggen blir rumsmoderna och direktljudet mer och mer ur fas. Även ljud som inte är just rumsmoder kommer att studsa mot väggarna, speciellt mot den vägg som är närmast högtalaren. Dock kommer det inte att studsa fram och till baka mellan två väggar som rumsmoderna gör utan istället dö ut ganska snabbt. Om högtalaren är nära t.ex. bakväggen kommer ändå det ljud som studsar mot bakväggen och det som går direkt mot lyssnaren att vara mer eller mindre i fas för låga frekvenser eftersom den väg ljudet som studsar via bakre väggen inte är så mycket längre än den väg dirketljudet tar, om man jämför med en halv våglängd som är skillnaden mellan att ljudvågorna är i fas och att de är ur fas. Detta är en av grunderna i Stig Carlssons Orto Akustik. Andra tillverkare rekommenderar att man flyttar högtalaren ut från väggen för att direktljudet skall ta ut moderna. Det blir ju dels svårmöblerat och dels innebär det att det alltid är nån rumsmod som råkar vara i fas med direktljudet åtminstone till man kommer ordentligt långt ut i rummet med högtalaren. Om man som Stig Carlsson placerar bashögtalaren så nära väggen som möjligt kommer moderna, det reflekterade ljudet som inte hör till någon samt direktljudet alla vara i fas upp till en frekvens där vägskillnaden mellan det reflekterade ljudet och det direkta ljudet kommer att vara en betydande del av våglängden. Carlsson har tumregeln att gränsen går där våglängden är tre gånger så lång som skillnaden i väg för direkt och reflekterat ljud.
För våra kolboxkloner innebär det att vi skjuter högtalarna ända bak mot bakväggen och om bottendiametern är ca 40cm (jag vill fortfarande gärna ha lite mått om någon har! Herr Dellstig?) och om man ser det som att ljudet kommer från mitten av bottenplattan så blir skillnaden i väg 20cm mot bakvaggen och 20cm tillbaka dvs 40cm, Då skall våglängden vara 3gg längre = 120cm. 340[m/s]/1.20[m]=283Hz. Det är ju inte så illa! Jag tror att Stig Carlsson räknade med ca 300Hz för t.ex. OA52. Basljudet upp till denna frekvens kommer alltså att låta högre än de högrefrekvenserna eftersom basen får 'hjälp av rummet', ju lägre frekvensen är desto mer är vågorna i fas och desto högre låter det. För att få en jämn tonkurva bygger man också in ett filter i högtalaren som i motsvarande grad sänker nivån på den inkommande elektriska signalen. Det har ytterligare en fördel, nämligen generellt lägre distorsion. Jag kommer till varför lite senare. Här skulle man kunna börja fundera lite på någon form av optimering. Orto Akustiken kan tyvärr inte göra något åt att rumsmoderna låter mer än andra frekvenser. De kan man egentligen bara bli av med på tre sätt.
1. Flytta högtalaren från väggen. Det innebär att man inte har direktljudet i fas med moden, och moden blir då inte lika stark. Detta innebär dock att vi gör avsteg ifrån Stig Carlssons principer och det vore ju dumt.
2. Att bygga nån slags 'basfälla' i rummet som absorberar/dämpar just bara moderna. Skall man använda vanliga absorbenter, typ rockwool, så skall ju dessa som jag nämnde tidigare placeras där partikelhastigheten är som störst. För första moden är detta dock mitt i rummet, vilket inte är så praktiskt. Istället kan man då bygga någon form av en så kallad helmholtzresonator. Det kan i princip ses som en passiv högtalare, t.ex. en ensam slav bas i en låda. Den sätts i rörelse av ljudvågorna och ljudvågorna blir därmed av med en del av sin energi. Om man sedan bromsar slavbasens rörelse har man omvandlat energin till värme. Samma funkrion får man om man bygger en basreflexlåda utan högtalarelement och stoppar absorberande material i basreflexröret. Även andra varianter av nån form av instängd luftvolym och en eller flera mindre öppningar in till denna volym fungerar. Tyvärr är det så att för att de skall bli effektiva så blir de ganska stora. Man kan ju förstås bygga kombinerade soffor/fåtöljer och helmholtzresonatorer.
3. Avancerade filter. Man kan ju helt enkelt se till att filtret till bashögtalaren är så avancerat att det dämpar moderna så mycket så att man får en jämn tonkurva. Det är en av de saker man brukar kalla rumskorrektion, eftersom det beror på rummets dimensioner. Detta är ett argument för att göra högtalarna aktiva och driva dem med nån form av digitala förstärkare där det är lite enklare att experimentera med filterparametrar än att hålla på med spolar, kondensatorer och motstånd.
Så, bestycking då?
Tja, vill man komma ända ner till 20Hz så får man leta reda på ett element som har låg resonansfrekvens. Högtalarelementet kan ses som ett mekaniskt system bestående av en massa, en fjäder och någon form av dämpning, precis som upphängningen på en bil. Det kan verka enkelt, men den matematiska modellen är faktiskt något så komplicerat som en andra gradens differentialekvation:
m*x:[t]-k*x[t]=0
Det läses som att massan gånger accelerationen (som är andraderivatan av positionen) minus fjäderkonstanten gånger positionen (dvs hur ihoptryckt fjäderna är) är lika med noll. Är systemet i vila rör sig inte massan och både accelerationen och positionen är lika med noll. Börjar man röra på den blir det dock genast obalans. Om massan rör sig mot fjädern trycks fjädern ihop och bromsar massan med en kraft k*x. Då bromsas massan med en retardation motsvarande andraderivatan av positionen. Eftersom positionen ändras med tiden ändras också inbromsningen med tiden. Tillslut blir fjäderkraften så stor att massan stannar, byter håll och rör sig åt andra hållet. När massan är i vilopositionen trycker inte fjädern med någon kraft alls (x=0) och massans acceleration är mao också noll. Dock har massan fart och fortsätter allså vidare iväg ifrån fjädern. Men om massan sitter fast i fjädern börjar ju fjädern dra i massan istället för att knuffa. Precis det som hände när massa tryckte sig mot fjädern händer igen, fast omvänt. Till slut är fjädern så utsträck att massan stannar och byter håll igen. Vi har fått en svängningsrörelse. Om systemet helt saknar förluster (dämpning) så kommer det att svänga i all oändlighet. Frekvensen det kommer att svänga med bestäms av massans storlek och fjäderns styvhet. Det är den frekvensen som kallas egenfrekvens eller resonans. För en högtalare består massan av konens och talspolens vikt. Fjädern består av gummikanten och spindeln runt talspolen. Den har dessumtom dämpning i form av så kallade viskoelastiska förluster i upphängningen som omvandlar rörelseenergi till värme. Resonansfrekvensen bestäms alltså av konens och talspolens vilt samt hur styv gummikanten och spindeln är. Dämpningen ändrar inte resonansfrekvensen utan bestämmer bara hur länge och med vilken amplitud systemet svängen. En högtalare har en 'motor'som består av talspolen som rör sig i ett magnetfält. När man skickar ström genom talspolen attraheras eller reppeleras den av det konstanta magnetfältet och svängen följaktligen framåt eller bakåt. Om vi skickar in en ren ton så blir det olika jobbigt att få högtalaren att svänga beroende på vilken frekvens tonen har. Hur jobbigt det är betecknas med impedans. Dels har vi högtalarens elektriska impedans som brukar anges i ohm (typisk 4 eller 8 ohm nuförtiden). Den är egentligen mer komplex är så och kan variera en hel del. Dessutom har vi ock systemets mekaniska impedans, dvs hur jobbigt det är att flytta massan fram och tillbaka. Jag tänkte inte gå in djupare i ämnet utan bara sammafatta med det som är viktigt för oss i detta fall vilket egentligen är två saker.
1. En högtalare kan egentligen bara ge ljud ifrån sig över sin resonansfrekvens. En tillräckligt låg resonansfrekvens är alltså viktigt.
2. Den totala dämpningen hos högtalaren är viktigt för att veta om högtalaren låter mycket med vi sin resonansfrekvens än vid andra frekvenser. Man brukar kunna läsa ett värde som heter Qts i tabellerna. Det tala i princip om hur spetsig toppen på impedanskurvan är. Ett lågt Q-värde innebär att högtalaren är 'snäll' och svänger ungefär lika mycket över hela frekvensområdet. Det får man av hög dämpning. Ett lågt högt Q-värde ger hög ljudnivå vid resonansfrekvensen och lägre nivå vid andra frekvenser. Det får man av låg dämpning. Hög dämpning innebär också att mycket energi går bort som värme och lämnar en mindre del till att bli ljud. Detta är vad som kallas låg verkningsgrad. Vi vill alltså ha ett element som har lagom mycket dämpning.
Ytterligare en egenskap är viktig och det är linjäritet. Fjädern i mitt exempel ovan är ideal så till vida att ju mer vi tycker ihop den desto mer trycker den tillbaka och oavsett hur ihoptryckt den blir så ökar dess kraft lika mycket hela tiden. Detta stämmer sällan med verkligheten. Ofta blir fjäderkonstanten större ju mer man trycker ihop fjädern. Detta är speciellt sant för högtalare där fjädern är av gummi och ger upphov till att lösningen på differentialekvationen ovan inte ger en tjusig sinusfunktion (ren ton) utan ger en hel serie av sinusfunktioner. Varje sådan sinusfunktion är en ton, så i princip innebär det att om man skickar in en ren ton i högtalaren så får man ut en hel massa toner. Detta brukar kallas olinjäritet eller distorsion. Distorsionen är större ju större amplitud vi svänger med. Högtalare som är så kallade långslagiga brukar ha lägre distorion eftersom man byggt dem så att de skall kunna svänga med stor amplitud. En finess med Orto Akustiken som jag nämnde förut är lägre distorsion. Det beror på att genom att ta hjälp av rummet för att spela låga frekvenser behöver inte amplituden hos svängningen i högtalaren vara så stor och då drabbas vi inte lika mycket av olinjäritet.
En basreflexlåda fungerar som ett eget mekaniskt system med massa, fjäder och dämpning. Luften som finns i basreflexröret är massan och luftvolymen inne i lådan är fjädern. Genom att luften i röret svänger in och ut komprimeras och dekomprimeras luften inne i lådan. I en sluten låda fungerar luftvolymen som en extra fjäder eftersom den sammalagda fjäderstyvheten blir högre än för högtalarelementet självt, så höjs systemets resonansfrekvens. Med en öppning i lådan kan man beroende på dimensionerna på låda och rör 'stämma' basreflexresonansen så att det totala systemet får lägre resonansfrekvens än högtalarelementet skulle fått i en sluten låda. Det innebär att en sluten låda måste vara ganska stor för att inte höja resonansfrekvensen för mycket. Med en basreflexlåda kan vi istället anpassa rörets dimensioner till en ganska liten låda och på så sätt ändå få låg resonansfrekvens. I kolboxens fall skulle jag tro att vi kommer tillräckligt långt ner även med sluten låda. Det har fördelen att systemets impedans intevarierar lika mycket som för en basreflexlösning som ju har två ihopkopplade system som vart och ett har varierande impedans. Dock är även detta något man i viss mån kan korrigera om man har avancerade (digitala) filter.
Man skulle ju kunna hävda att det räcker gott att ta sig ner till 30Hz, vilket det ju också gör, men nu planerar vi ju världens bästa och snyggaste högtalare (varför vara blygsam?) och då nöjer vi oss inte med något annat än fullt register, så det så. På hifikit finns en Peerlesstiotummare (Peerless 269 SWR 51 147 NX ALP 4L XLS 830452) som har en resonansfrekvens kring 18Hz som borde passa. Peerless är ju också historiskt passande. Det är ett dyrt element, men endast det bästa är gott nog!
Puh! Hoppas jag inte tråkat och tröttat ut er. Nästa gång blir det mellanregistret som får sig en genomgång. På återseende!
/genell
