Govorniški možgani

Pred natanko šestimi leti smo v četrti številki revije Hi-Files govorili o osnovnih sestavnih delih zvočnih omaric. Takrat smo omare poimenovali skelet, ki drži vse elemente skupaj. Zvočnim enotam smo dodelili vlogo mišic, ki našim zvočnikom dajejo moč. Na koncu smo delovanje možganov vsakega govorca zaupali tistemu skritemu in pogosto zanemarjenemu tretjemu dejavniku – imenovanemu crossover. Vloga stikala V bistvu je stikalo zadolženo za upravljanje, to je delitev signala po frekvenčnih pasovih. Vendar pa ima pasivno stikalo tudi druge, sekundarne vloge. Tako na primer omogoča vzporedno povezavo dveh 8-ohmskih zvočnikov, enega za visoke tone in drugega za nizke tone, skupna impedanca pa ostane osem ohmov. Če ne bi bilo crossoverja, bi ojačevalec tako povezane zvočnike obravnaval kot 4-ohmske zvočnike. Nato križanec omogoča ujemanje dveh enot z različnimi izkoristki in ujemanje frekvenčnih odzivov. Nazadnje, kretnica izenači frekvenčne odzive visokotonca ali nizkotonca, zaradi česar je skupni odziv bolj enakomeren, kot bi bil brez filtriranja. Kako se vse to doseže? Če vzamemo za primer kretnico, namenjeno dvosistemskemu zvočniku, ki vsebuje visokotonec in gonilnik za srednje nizke tone, bomo videli, da je glavna naloga kretnice, da visokotoncem posreduje le informacije o visokih tonih in izloča informacije. o srednjetonskem in nizkem območju. Logično je, da mora križanec srednjih basov narediti diametralno nasprotno stvar – prenesti signal z informacijami o nizkih in srednjih tonih, pri tem pa odpraviti območje visokih tonov. Crossover je torej sestavljen iz dveh filtrirnih delov, ki istočasno sprejemata izvorni signal in delujeta hkrati – ena sekcija izloči srednje in nizkofrekvenčno območje ter prepusti preostali del signala visokotonskemu zvočniku, druga pa izloči visoke tone in pošlje preostali del signala v enoto srednjega basa. Zato bo imelo standardno dvosistemsko stikalo skupno šest sponk – dve vhodni in štiri izhodne. Običajno sta dva dela postavljena vzporedno in delujeta pravilno le, če sta povezani obe zvočniški enoti (visoki in srednji nizki). Naj za konec razjasnimo pogost dvom mnogih avdiofilov: v angleščini se omenjeni filtri imenujejo high pass (prepušča visoke tone in ohranja nizke) in low pass (nasprotno prepušča nizke tone in ohranja visoke). V srbskem jeziku je logika drugačna, zato imamo visokofrekvenčni filter (VF filter), ki izniči visoke tone in prepusti nizke tone, tako da je enakovreden nizkofrekvenčnemu filtru. Na drugi strani je nizkofrekvenčni filter (NF filter), ki deluje diametralno nasprotno. Zato nizkoprepustni = visokofrekvenčni filter (VF filter) in visokoprepustni = nizkofrekvenčni filter (NF filter). Elementi stikala Trije glavni pasivni elementi vsakega stikala so upori, kondenzatorji in tuljave, impedanca pa je pokazatelj, koliko ti elementi ovirajo pretok elektronov. Upori so najpreprostejši elementi in jih je najlažje razumeti – zagotavljajo stalen upor pretoku elektronov, ki se ne spreminja glede na frekvenco signala. Upori ne vplivajo na fazo signala ali na časovno razporeditev napetosti in pretoka elektronov, ampak le pretvarjajo moč v toplotno energijo. V primeru popolnih zvočnikov upori ne bi bili potrebni, ker pa popolnost ne obstaja, so upori še vedno nepogrešljiv del vsake kretnice. Drugi element stikala – kondenzator – moti pretok elektronov, vendar odvisno od frekvence signala. Vsak kondenzator ima namreč impedanco, ki je nasprotna frekvenci – upor pada z naraščanjem frekvence signala oziroma narašča z zmanjševanjem frekvence signala. V praksi to pomeni, da kondenzator prepušča največ visokofrekvenčnih signalov in najmanj nizkofrekvenčnih signalov. Jasno je, da je ta vrsta izbire signala zelo pomembna pri ločevanju izvirnega signala na frekvenčne pasove. Tuljave (dušilke), kot tretji pomemben element, delujejo enako kot kondenzatorji, le z eno "malenkostjo" – za razliko od kondenzatorjev namreč upornost tuljav narašča z naraščanjem frekvence signala, zato prepuščajo nizke frekvence in zadržujejo visoke. Nizkoprepustni (VF) filter prvega reda bi torej vseboval tuljavo, visokoprepustni (NF) filter prvega reda pa bi imel namesto tuljave na signalni poti kondenzator. Preprosto, kajne? Prva vrsta, druga vrsta… Oprostite, kje je razdelilnik? Vsak od nas se je v svojih poskusih pridobiti najboljše možne tehnične informacije o principih delovanja zvočnih omaric srečal z različnimi izrazi, ki opisujejo filtre znotraj kretnic. Tako ločimo filtre prvega, drugega, tretjega in četrtega reda, ki dosegajo padec 6, 12, 18 in 24 decibelov na oktavo. Po drugi strani pa je filtrska topologija običajno poimenovana po znanstveniku, ki jo je prvi opisal, tako da imamo Butterworthove, Linkwitz-Rileyjeve, Chebyshevove, Besselove in druge vrste filtrov. Zato vrsta in vrstni red filtra nista enaka, zato imamo lahko Linkwitz-Rileyjev filter drugega ali četrtega reda, Butterworthov filter prvega in tretjega reda itd. Po pričakovanjih stikala najpogosteje vsebujejo filtre iste vrste in vrstnega reda, ker jih je najlažje ujemati. Uporaba različnih filtrov zahteva obsežne dodatne meritve in v večini primerov naknadne prilagoditve med preizkusi sluha govorca. Filtri prvega reda so sestavljeni iz najmanjšega števila komponent, zagotavljajo najmanjši fazni odziv (pri Butterworthovem tipu) in največji ravno amplitudni odziv. Vendar je padec le šest decibelov na oktavo pogosto premajhen, da bi preprečil popačenje, zlasti v visokotonskih zvočnikih. Crossover prvega reda Filtri drugega reda so sestavljeni iz relativno majhnega števila komponent in zagotavljajo maksimalno ravno amplitudno odzivnost. Imajo fazni zamik za 180 stopinj, kar se običajno kompenzira z zamenjavo polaritete na visokotonskem zvočniku. V primerjavi s filtri prvega reda so manj občutljivi na postavitev zvočniških enot zunaj osi. Čeprav imajo višji padec (12 decibelov na oktavo), včasih tudi to ni dovolj, da bi se izognili popačenju. Crossover drugega reda Filtri tretjega reda zagotavljajo skoraj popolnoma raven amplitudni odziv in so še manj občutljivi na pozicioniranje gonilnika zunaj osi. Tudi padec za 18 decibelov na oktavo je v večini primerov povsem dovolj za zmanjšanje popačenja. Sestavljeni so iz velikega števila komponent in fazni zamik za 270 stopinj lahko povzroči neželene učinke in zahteva dodatne prilagoditve. Crossover tretjega reda Filtri četrtega reda zagotavljajo maksimalno raven amplitudni odziv, padec 24 decibelov na oktavo pa zagotavlja najboljše ločevanje pasov z najmanjšim popačenjem. 360-stopinjski fazni premik praktično pomeni vrnitev v fazo, tako da so stranski učinki čim manjši. So najmanj občutljivi na položaj zvočniških enot, vendar lahko veliko število tuljav vpliva na slabljenje vhodnega signala. Seveda so zaradi velikega števila komponent najdražji od vseh filtrov. Dobrodošli v realnem svetu Torej, v prejšnjem delu besedila smo ugotovili, kateri so osnovni pasivni elementi stikala, kako delujejo in kako se uporabljajo. Poleg tega smo razložili štiri osnovne vrste filtrov z njihovimi prednostmi in slabostmi. Vendar pa v resničnem svetu stvari ne delujejo vedno tako, kot nam govori teorija, kot so se sami prepričali številni samograditelji. Ena najpogostejših težav je dejanska impedanca zvočniške enote, katere amplituda in faza se lahko spreminjata glede na frekvenco. To močno zakomplicira stvari, zato se končni rezultat lahko močno razlikuje od teoretičnih izračunov. Razkorak med teorijo in prakso najpogosteje nastane zaradi predpostavke, da se zvočniška enota obnaša kot navaden upor s fiksnimi vrednostmi upora, kar pa, kot vidimo, ne drži. Tudi v najboljši tradiciji Murphyjevega zakona je druga napačna predpostavka, da se vsi procesi znotraj stikala odvijajo brezhibno in popolnoma v skladu s teorijo. Vsi stikalni elementi, ne glede na kakovost izdelave ali ceno, so v večji ali manjši meri nepopolni – navsezadnje to pomenijo deklarirana "sprejemljiva odstopanja" v nastavljenih vrednostih, ki obstajajo za vsako komponento in se imenujejo tolerance, govoriti o. Vendar so običajno napisani z najmanjšimi črkami na zadnji strani embalaže, zato jih je težko opaziti, če ne veste točno, kaj iščete. Če vzamemo za primer najpreprostejši del, upor, bomo videli, da obstajajo primerki s toleranco enega odstotka, ki jih lahko štejemo za sprejemljive, a tudi taki z toleranco desetih odstotkov. Seveda je to neposredno povezano s kakovostjo gradnje, ki pa spet narekuje ceno izdelka. Kje je problem? No, v filtru prvega reda bomo imeli en upor z določeno stopnjo variacije, kar je sprejemljivo. Po drugi strani pa bomo imeli v filtru četrtega reda štiri takšne elemente, kar že predstavlja dobro osnovo za številne težave. Zaradi tega filtri višjega reda zahtevajo ne le večje skupno število komponent, ampak morajo biti vse komponente višje kakovosti, postopek izdelave mora biti natančnejši, meritve pa strožje in z manjšimi tolerancami, kar bistveno dvigne končno ceno. takih filtrov. To je tudi glavni razlog, da so filtri nad četrtim redom zelo redki – čeprav teoretično povsem izvedljivi, so takšni filtri za praktično konstrukcijo izjemno zapleteni in izjemno dragi. Tuljave (čoki) predstavljajo najbolj problematičen del križanca z verjetno najtežjim izračunom karakteristik. Poleg tega so pogosto fizično največji elementi v filtrskem sklopu, zaradi zahtevnosti njihove konstrukcije pa so daleč najdražji – res kakovostna velika tuljava stane veliko več kot kakovosten kondenzator. Seveda je tu še veliko drugih težav, ki vplivajo na posamezne elemente ali sklop v celoti. Eden od njih je induktivnost večjih uporov, izdelanih iz žice, ki lahko povzročajo težave pri visokih frekvencah. Zaradi tega danes srečujemo upore z oznako "non inductive", kar pomeni, da je dana komponenta brez prej omenjenih motenj. Nato je temperatura pomemben dejavnik za vse komponente, saj neposredno vpliva na njihove značilnosti. Vse meritve, navedene v deklaraciji, so bile izvedene pri določenih temperaturnih pogojih. To pomeni, da so deklarirane vrednosti zagotovljene za določeno temperaturno območje, vsako odstopanje (na primer zaradi pregrevanja) pa bo povzročilo večje odstopanje, kar je lahko nesprejemljivo. Tu so tudi težave z dielektriki v kondenzatorjih, faktor neželene disipacije in absorpcije energije ter številne druge ovire pri izdelavi popolnega križanca. Možgani – večna uganka Iz vsega naštetega je jasno, zakaj so kretnice najredkeje omenjen element v avdiofilskih pogovorih – popolno razumevanje njihove problematike zahteva resno znanje elektrotehnike, uspešen razvoj in izdelava dobre kretnice pa zahteva leta izkušenj, proračun za kakovostne komponente, dostop do resne merilne opreme in čas za obsežno testiranje. Kljub temu upamo, da smo s tem besedilom uspeli pojasniti osnove delovanja kretnic in odstrti tančico skrivnosti, ki jih obdaja.