Hi-Fi Skolen del 6

I del 2 av Hi-Fi Skolen så vi på høyttalerens rolle i anlegget, de alminnelige typene og de grunnleggende parameterne. Nå går vi et skritt dypere, og ser på hvordan høyttaleren egentlig virker. Og hvorfor det er helt uunngåelig at det må inngås kompromisser.

For å forstå høyttaleren bedre ser vi på de forskjellige typene høyttalerenheter og kabinettene de normalt plasseres i. Vi ser også på mulighetene som åpner seg når man bygger forsterkeren inn i høyttaleren.

Dynamiske høyttalere

De aller fleste høyttalerenhetene i verden er dynamiske høyttalere. Prinsippet er enkelt og genialt på samme tid: En permanent magnet skaper et magnetfelt, og når det sendes strøm gjennom en spole som sitter i magnetfeltet, oppstår det en elektromagnetisk kraft som beveger spolen – og dermed membranen – som er festet til spolen. Prinsippet er det samme, uansett om det er snakk om en 18-tommers bassenhet eller en 19 millimeters domediskant. Men der en stor bassenhet kan ha en membranvandring på en centimeter eller mer, må bevegelsen på en diskantenhet måles i brøkdeler av en millimeter.

Bassenheter i dynamiske høyttalere har typisk kjegleformede membraner som kan flytte tilstrekkelig med luft til å skape dype toner. Diskantenheter har ofte halvkuleformede membraner (domer) som kan bevege seg raskt nok til de høye frekvensene.

Valget av materialer til membranen er kritisk. Membranen må være stiv nok til å bevege seg som én sammenhengende flate, men samtidig ikke så tung at den blir treg når de raske impulsene skal gjengis. Derfor eksperimenterer produsentene konstant med nye materialer: aluminium, magnesium, keramikk, karbonfiber og spesielle papirtyper. I diskantenheter kan man til og med finne virkelig eksotiske materialer som beryllium og diamant.

Elektrostatiske høyttalere

Der den dynamiske høyttaleren bruker magnetisme, benytter den elektrostatiske høyttaleren statisk elektrisitet. I stedet for en kjegle eller dome som dyttes frem og tilbake, har vi en ultratynn membran (ofte bare få mikrometer tykk) som sitter mellom to perforerte metalliske plater.

Membranen usettes for en konstant elektrisk lading, mens de to platene skiftevis får positiv og negativ lading i takt med musikksignalet. Den ladede membranen tiltrekkes av den ene platen og frastøtes av den andre, noe som får den til å bevege seg.

I motsetning til dynamiske høyttalere, hvor kraften kun påvirker svingspolen direkte, drives membranen i en elektrostatisk høyttaler over hele dens overflate. Det betyr mindre forvrengning og en utrolig presis gjengivelse, spesielt i mellom- og diskantområdet.

Men elektrostatiske høyttalere har også sine utfordringer. De krever høy spenning for å fungere (ofte flere tusen volt), og de store panelene kan være vanskelige å integrere i vanlige stuer. Da elektrostathøyttaleren ikke har noe kabinett, er lydnivået i bassområdet begrenset på grunn av utfasing av lyden fra baksiden. Derfor er det vanlig at elektrostatiske elementer kombineres med dynamiske bassenheter.

Magnetostatiske høyttalere

Magnetostatiske (også kaldt planarmagnetiske) høyttalere forsøker å kombinere det beste fra begge verdener. Her er en tynn membran påtrykt et ledende bånd som fungerer som svingspole. Membranen beveger seg mellom rekker av magneter, som skaper et jevnt magnetfelt.

Akkurat som elektrostatiske høyttalere har magnetostatiske høyttalere den fordelen at kraften fordeles over en stor overflate. Men de unngår problemet med høy spenning da de fungerer ved normale forsterkerspenninger.

Magnetostatiske høyttalere er spesielt populære til mellom- og diskantområdet, hvor den detaljerte og åpne lyden kommer til sin rett.

De eksotiske prinsippene

Hi-fi-verdenen har alltid tiltrukket oppfinnere og eksperimenterende sjeler, og det finnes flere eksotiske høyttalerprinsipper. De her nevnte brukes normalt bare i diskantenheter, hvor det bare skal flyttes litt luft, men hvor kravene til hurtighet er høye.

Båndhøyttalere bruker et tynt ledende bånd som er spent ut i et magnetfelt. Båndet fungerer både som membran og svingspole. Båndhøyttalere kan gjengi utrolig fine detaljer, men er skrøpelige. Og da båndet oftest har svært lav mostand, kreves det transformere for å tilpasse impedansen til vanlige forsterkere.

AMT-høyttalere (Air Motion Transformer) ligner umiddelbart båndhøyttalere. Men membranen i dem er foldet sammen som et trekkspill, som ‘pumper’ luften ut mellom foldene. I motsetning til bånddiskanter har AMT-enheten et stort membranareal som gir mulighet for høyere effektivitet og en lavere arbeidsfrekvens. Air Motion-transformeren ble oppfunnet av Dr. Oskar Heil, og i mange år var høyttalerprodusenten ESS alene om å bruke prinsippet. Men etter at patentet utløp, er denne typen enheter blitt langt mer utbredte.

Piezoelektriske høyttalere bruker krystaller som endrer form når det påføres spenning. De er spesielt populære til billige diskantenheter i festhøyttalere, da de er enkle og robuste. Piezo-enheter kan produsere høye lydtrykk med lav effekt, men har et begrenset frekvensområde og ofte en hard, metallisk klang.

Plasma-høyttalere skaper lyd ved å modulere en ionisert luftsøyle. En høyfrekvent gnist ioniserer luften mellom to elektroder, og musikksignalet modulerer denne ioniseringen, noe som får luftsøylen til å utvide seg og trekke seg sammen. Plasma-høyttalere kan ha fantastisk transientgjengivelse da det overhodet ikke er noen fysisk membran å akselerere. Men de krever for det første et høyspenningskretsløp for å fungere, og som biprodukt produserer de ozon, som er en giftig lufttype.

Delefiltre

Det er så godt som umulig å dekke hele det hørbare frekvensområdet med en enkelt høyttalerenhet. Derfor inneholder de aller fleste høyttalere to eller flere høyttalerenheter som er tilpasset de forskjellige frekvensområdene.

For at hver enhet bare får tildelt det frekvensområdet den er beregnet til, bruker man et delefilter. I den passive høyttaleren består dette filteret av spoler og kondensatorer som filtrerer bort visse frekvenser. Det inkluderer også motstand til å dempe signalet eller tilpasse høyttalerenhetenes impedans.

Å forklare delefilteret mer detaljert ville i seg selv kreve flere avsnitt av Hi-Fi-skolen. Men der et enkelt filter kan bygges med veldig få komponenter (en enkelt kondensator i serie med diskanten kan i prinsippet gjøre det), er delefiltre i mer avanserte høyttalere ofte veldig kompliserte for å korrigere  frekvens- og impedansutsving i akkurat de enhetene som brukes i det eksakt valgte høyttalerkabinettet.

Kabinettyper

Høyttalerkabinettet er minst like viktig som enhetene i det. Her handler det ikke minst om bassgjengivelse. Det er en rekke forskjellige konstruksjonsprinsipper. Men ett er felles: Bass krever plass! Når et kabinett er nødvendig, skyldes det at lyden fra baksiden av en høyttalerenhet er i motfase med lyden fra forsiden. Hvis det ikke er en eller annen form for kabinett til å skille de to, utfaser de hverandre, med det resultat at det stort sett ikke kan høres noen bass.

Det lukkede kabinettet

Den lukkede høyttaler – eller trykkammerhøyttaleren – er umiddelbart det enkleste å forstå. Høyttalerenheten monteres i en lukket kasse. Da lydutstrålingen fra baksiden av membranen forblir inne i kassen, skjer det ingen utfasing. Men kabinettet gir begrensninger. Luften i kabinettet fungerer som en fjær for membranen. Jo mindre kassen er i forhold til enhetens størrelse, jo stivere blir ‘fjæren’. Og en stivere fjærpåvirkning betyr en høyere resonansfrekvens – og dermed mindre dypbassgjengivelse.

Lukkede høyttalere er kjent for å ha en pen, kontrollert bassgjengivelse uten pukler. Til gjengjeld krever de større kabinetter for å komme dypt ned i bassen, enn for eksempel bassreflekskabinettet.

Bassrefleks

Bassreflekskabinettet har en åpning – bassrefleksporten. Når kabinett og port er korrekt dimensjonert, vil porten gi et tilskudd i bassområdet og gjøre høyttaleren i stand til å gjengi dypere bass enn i et lukket kabinett av samme størrelse.

Porten fungerer ved at resonansfrekvensen svinger luftmassen i porten i takt med utstrålingen fra bassenhetens forside, så portens utstråling forsterker den samlede bassgjengivelsen. Samtidig demper portens svingninger bassenhetens egen bevegelse ved resonansfrekvensen.

Under resonansfrekvensen kommer porten gradvis mer og mer ut av fase, og porten bremser ikke lengre bassenhetens svingninger. Lydtrykket fra et bassreflekskabinett faller normalt steilt under resonansfrekvensen.

Prisen for tilskuddet i den dypeste bassen kan være en dårligere impulsgjengivelse enn i et lukket kabinett.

Slavesystemer

I stedet for en bassrefleksport kan man bruke en passiv bassenhet (slaveenhet) uten magnetsystem og svingspole. Slagenheten utfyller samme rolle som luften i porten, men da en bassrefleksport ikke kan gjøres ubegrenset stor og lang, er det mulig å avstemme et slavesystem til en lavere resonansfrekvens enn i et system med bassrefleksport.

Man kan oppleve virkelig imponerende dypbass i et kompakt kabinett med slaveprinsippet. Men prisen for overdrivelse kan være en mindre presis impulsgjengivelse.

Slavebass-systemer kalles også med en dårlig oversettelse fra engelsk ‘passiv radiator’, noe som er misvisende, da en passiv radiator er en radiator som ikke avgir varme.

Transmisjonslinje

I et transmisjonslinje-kabinett følger lyden fra baksiden av høyttalerenheten en lang, oftest foldet kanal gjennom kabinettet før den kommer ut. Kanalen er beregnet til å være en kvart bølgelengde lang ved systemets resonansfrekvens.

Prinsippet unytter at en kvartbølge-transmisjonslinje transformerer en høy akustisk impedans ved den lukkede enden til lav impedans ved den åpne enden. Det betyr at bassenhetens egenresonans dempes og tillater en mer ustrakt frekvensgang.

I den lange labyrintgangen forsinkes lyden så mye at den ved transmissionslinjens utgang er i fase med høyttalerenheten ved dype frekvenser som forsterker bassgjengivelsen. Kanalen er ofte fylt med dempende materiale for å kontrollere refleksjoner og høyere ordensresonanser.

En transmisjonslinje kan gi en veldig dyp og kontrollert bass, men krever store kabinetter og kompleks tuning.

Horn

Hornhøyttalere bruker en kjegleformet ‘trakt’ til å koble høyttalerenheten til luften. Hornet fungerer som en akustisk transformer som matcher den høye impedansen fra den lille høyttalerenheten til luftens lave impedans. Populært sagt hjelper horntrakten enheten til å gripe bedre tak i luften i rommet.

Denne impedanstransformasjonen øker effektiviteten dramatisk – en god hornhøyttaler kan ha en følsomhet på over 100 dB. Hornet kontrollerer også utstrålingsmønstret og kan konsentrere lyden i ønskede retninger.

Hornets munningsfrekvens (den laveste frekvensen det kan jobbes ved) bestemmes av munningsområdet. For å fungere ved lave frekvenser skal munningen være stor. Derfor er hornkabinetter til bassbruk stort sett bare utbredt til PA-høyttalere – og til virkelig eksotiske og kostbare high end-systemer.

Open baffle

Open baffle-høyttalere er den eldste kabinettypen. Hvis man kan snakke om kabinett, da enhetene monteres på en åpen plate (baffel). Uten kabinett er open baffle-høyttaleren utsatt for en steil avrulling på grunn av den akustiske kortslutningen som oppstår, når lyd fra baksiden av membranen møter lyd fra forsiden.

For å levere tilstrekkelig bass må open baffle-høyttalere derfor enten ha veldig store bafler eller store bassenheter med lang membranvandring for å kompensere for basstapet. Til gjengjeld gir de åpne konstruksjonene en veldig naturlig og ‘luftig’ lyd uten kabinettresonanser.

Hofmann’s Iron Law – det jernharde kompromisset

I 1976 formulerte ingeniør J. A. Hofmann høyttalernes ‘grunnlov’, som forklarer hvorfor det er umulig å bygge den perfekte høyttaleren.

Hofmanns lov sier at du ikke kan få både lav nedre frekvens, høy effektivitet og lite kabinettvolum på samme tid. Du kan maksimalt velge to av tre.

Vil du ha dyp bass i et lite kabinett, må du akseptere lav effektivitet (og dermed behov for mye forsterkereffekt). Vil du ha høy effektivitet og dyp bass, må kabinettet være stort. Vil du ha høy effektivitet i et lite kabinett, kan du glemme den dype bassen.

Dette kompromisset forklarer hvorfor det finnes så mange forskjellige høyttalertyper. Kompakte høyttalere ofrer bassutvidelse for størrelse. Store gulvhøyttalere ofrer innredningsvennlighet for full frekvensutbredelse. PA-høyttalere ofrer lineær frekvensgang for høy effektivitet.

Hofmann’s Iron Law kan ikke omgås – bare kamufleres. Aktiv bassforsterkning, digitale korrigerings-algoritmer og avanserte kabinettkonstruksjoner kan skjule kompromissene, men de kan ikke eliminere dem.

En moderne subwoofer er et godt eksempel på forsøket på å omgå Hofmanns lov. Det er i dag mulig å finne en kompakt subwoofer som kan gå dypt i bassen og spille ganske høyt. Men det skyldes at klasse D-forsterkere på flere tusen watt har blitt tilgengelige, slik at man kan tillate seg å se bort fra den vanvittig lave effektiviteten.

Aktive høyttalere

De fleste høyttalere til Hi-Fi-anlegget er passive. Det vil si at det kreves en forsterker for å bringe signalet fra CD-spiller eller platespiller opp på et nivå som kan drive høyttaleren.

Men i noen høyttalere er forsterkeren innebygd. Det gir noen fordeler og muligheter.

I en aktiv høyttaler kan hver enhet få sin egen, spesialtilpassede forsterker. Delingen skjer elektronisk ved lavt signal-nivå hvor den kan foretas veldig presist. Hver forsterker kan optimeres til sin spesifikke enhet, og det er intet effekttap i passive delefiltre.

Dessuten kan aktive høyttalere bruke digital signalbehandling (DSP) til å korrigere enhets- og kabinett-karakteristika. Resultatet kan være en linearitet som er umulig å oppnå med passive midler.

Men det er også ulemper ved aktive høyttalere: Med mer elektronikk blir høyttaleren vanligvis dyrere i innkjøp. Men det utligner seg da man sparer en ekstern forsterker. Aktive høyttalere er også en alt-eller-intet-løsning, hvor den lekne audiofile ikke har mulighet til å eksperimentere med forskjellige forsterkere.

Forsterkede høyttalere

Ikke alle høyttalere med innebygd forsterker er ekte aktive. I det billige sjiktet finner man høyttalere som bare er forsterkende. Det vil si at de har en enkelt forsterker som driver alle enheter gjennom et vanlig passivt delefilter.

Forsterkede høyttalere gir praktiske fordeler i form av færre kabler og matchede komponenter, men gir ikke samme mulighet for tilpasning og digital korreksjon som de ekte aktive. De er imidlertid ofte et godt kompromiss for hjemmebrukere som ønsker et enkelt oppsett.

I neste del av Hi-Fi-skolen ser vi dypere på forsterkeren, og hvordan den fungerer.