Hifi-skolan, del 6

I del 2 av Hifi-skolan tittade vi på högtalarens roll i anläggningen och gick igenom vanliga typer och grundläggande parametrar. Nu går vi ett steg djupare och tittar på hur högtalaren faktiskt fungerar. Och varför det är oundvikligt att man måste kompromissa.

För att förstå högtalaren bättre tittar vi på de olika typerna av högtalarelement och de kabinett som de vanligtvis sitter i. Vi går också igenom de möjligheter man får när man bygger in förstärkaren i högtalaren.

Dynamiska högtalare

De allra flesta högtalarelement i världen är dynamiska. Principen är enkel och genial på samma gång: en permanent magnet skapar ett magnetfält och när ström skickas genom en spole som är placerad i magnetfältet skapas en elektromagnetisk kraft som rör spolen – och därmed membranet, som är fäst vid spolen. Principen är densamma oavsett om det är en 18-tums bas eller en 19-millimeters domediskant. Men medan ett stort baselement kan röra membranet en centimeter eller ännu mer så mäts rörelsen hos en diskant i bråkdelar av en millimeter.

Baselement i dynamiska högtalare har oftast konformade membran som kan flytta tillräckligt med luft för att skapa låga toner. Diskantelement har ofta halvklotformade membran (”dome”) som kan röra sig tillräckligt snabbt för de höga frekvenserna. Dome-formen ger både en bättre spridning och gör membranen mer stabila.

Valet av material i membranet är avgörande. Membranet måste vara tillräckligt styvt för att röra sig som en sammanhängande yta, men samtidigt inte så tungt att det blir trögt att flytta när de snabba impulserna ska återges. Därför experimenterar tillverkarna ständigt med nya material: aluminium, magnesium, keramik, kolfiber och speciella typer av papper. I diskanter kan man till och med hitta verkligt exotiska material som beryllium och diamant.

Elektrostatiska högtalare

Dynamiska högtalare använder magnetism, men elektrostatiska högtalare använder statisk elektricitet. I stället för en kon eller en dome som flyttas fram och tillbaka har de ett ultratunt membran (ofta bara ett par mikrometer tjockt) som sitter uppspänt mellan två perforerade metallplattor.

Membranet utsätts för en konstant elektrisk laddning, medan de två plattorna växelvis blir positivt och negativt laddade i takt med musiksignalen. Det laddade membranet dras mot den ena plattan och stöts bort av den andra, vilket får det att röra sig.

Till skillnad från dynamiska högtalare, där kraften bara påverkar talspolen direkt, drivs membranet i en elektrostatisk högtalare över hela sin yta. Detta innebär mindre förvrängning och en otroligt exakt återgivning, framför allt i mellan- och diskantregistret.

Men elektrostathögtalare har också en del svårigheter. De kräver hög spänning för att fungera (ofta flera tusen volt) och de stora panelerna kan vara svåra att möblera med i vanliga vardagsrum. Eftersom den elektrostatiska högtalaren saknar kabinett begränsas ljudnivån i basregistret på grund av att ljudet bakifrån fasas ut. Därför är det vanligt att elektrostatiska element kombineras med dynamiska baselement.

Magnetostatiska högtalare

Magnetostatiska (som även kallas planarmagnetiska eller planmagnetiska) högtalare försöker kombinera det bästa av två världar. De har ett tunt membran som är fasttryckt på ett ledande band som fungerar som en talspole. Membranet rör sig mellan rader av magneter som skapar ett jämnt magnetfält.

Precis som elektrostatiska högtalare har magnetostatiska högtalare fördelen att effekten fördelas över en stor yta. De undviker dock problemet med hög spänning eftersom de arbetar med normala förstärkarspänningar.

Magnetostatiska högtalare är särskilt populära för mellan- och diskantregistret, där det detaljerade och öppna ljudet kommer till sin rätt.

De exotiska principerna

Hifi-världen har alltid lockat uppfinnare och experimenterande själar, och det finns flera exotiska högtalarprinciper. De som nämns här används vanligtvis bara i diskantelement, där det bara ska flyttas små mängder luft men där kraven på hastighet är höga.

Bandelement har ett tunt ledande band som är uppspänt i ett magnetfält. Bandet fungerar som både membran och talspole. Bandhögtalare kan återge otroligt fina detaljer, men är ömtåliga. Och eftersom bandet vanligtvis har en mycket låg resistans krävs transformatorer för att matcha impedansen till vanliga förstärkare.

AMT-element (Air Motion Transformer) liknar bandhögtalare. Men membranet är veckat som ett dragspel och ”pumpar” ut luften mellan vecken. Till skillnad från banddiskanter har AMT-elementet en stor membranyta, vilket ger högre effektivitet och en lägre arbetsfrekvens. Air Motion Transformer uppfanns av Dr. Oskar Heil och i många år var högtalartillverkaren ESS den enda som använde principen. Men efter att patentet löpt ut har denna typ av element blivit mycket mer utbredd.

Piezoelektriska högtalare använder kristaller som ändrar form när spänning appliceras. De är särskilt populära för billiga diskanter i partyhögtalare, eftersom de är enkla och tåliga. Piezo-element kan ge ifrån sig höga ljudtryck med låg effekt, men har ett begränsat frekvensområde och ofta en hård, metallisk klang.

Plasmahögtalare skapar ljud genom att modulera en joniserad luftpelare. En högfrekvent gnista joniserar luften mellan två elektroder och musiksignalen modulerar denna jonisering, vilket får luftpelaren att expandera och dra ihop sig. Plasmahögtalare kan ha en fantastisk transientrespons, eftersom det inte finns något fysiskt membran att accelerera alls. Men de kräver för det första en högspänningskrets för att fungera och för det andra producerar de ozon som en biprodukt, och det är en giftig gas.

Delningsfilter

Det är så gott som omöjligt att täcka hela det hörbara frekvensregistret med ett enda högtalarelement. Därför har de flesta högtalare två eller flera element som är anpassade för olika frekvensområden.

Att förklara delningsfiltret mer i detalj skulle kräva flera separata kapitel i Hifi-skolan. Men även om ett enkelt filter kan byggas med väldigt få komponenter (i princip kan man göra det med en enda kondensator i serie med diskanten) är delningsfilter i mer avancerade högtalare ofta mycket komplicerade för att korrigera för frekvens- och impedansfluktuationer i just de element som används i ett visst högtalarkabinett.

Kabinett

Högtalarkabinettet är minst lika viktigt som elementen som sitter i det. Framför allt handlar det om basåtergivning. Det finns ett antal olika konstruktionsprinciper. Men de har en sak gemensamt: bas kräver plats! Att ett kabinett överhuvudtaget behövs beror det på att ljudet från baksidan av ett element är ur fas med ljudet från framsidan. Om det inte finns någon form av kabinett som separerar de två tar ljudvågorna ut varandra vilket innebär att det i stort sett inte hörs någon bas alls.

Slutna kabinett

Det slutna kabinettet är enklast att förstå. Högtalarelementet är monterat i en sluten låda. Eftersom ljudutstrålningen från membranets baksida stannar kvar inuti lådan sker ingen utfasning. Men kabinettet innebär begränsningar. Luften i kabinettet fungerar som en fjäder för membranet. Ju mindre lådan är i förhållande till enhetens storlek, desto styvare blir fjädern. Och en styvare fjädereffekt innebär en högre resonansfrekvens – och därmed mindre djupbas.

Slutna högtalare är kända för att ha en fin, kontrollerad basåtergivning utan pucklar. Å andra sidan kräver de större kabinett för att komma djupt ner i basen än exempelvis basreflexkabinett.

Basreflex

Basreflexkabinettet har en öppning – basreflexporten. När kabinettet och porten är korrekt dimensionerade ger porten ett tillskott i basregistret och gör det möjligt för högtalaren att återge djupare bas än i ett slutet kabinett av samma storlek.

Porten fungerar genom att luftmassan vid resonansfrekvensen svänger i takt med utstrålningen från baselementets framsida, så att portens utstrålning förstärker den totala basåtergivningen. På samma gång dämpar portens svängningar baselementets egen rörelse vid resonansfrekvensen.

Under resonansfrekvensen blir porten gradvis mer och mer ur fas, och porten bromsar inte längre ner elementets svängningar. Ljudtrycket från ett basreflexkabinett sjunker vanligtvis brant under resonansfrekvensen.

Priset för den extra skjutsen i den djupaste basen kan vara en sämre impulsåtergivning än från ett slutet kabinett.

Slavsystem

I stället för en basreflexport kan man använda ett passivt baselement, en så kallad ”slavbas” utan magnetsystem och talspole. Slavelementet fyller samma funktion som luften i porten, men eftersom en basreflexport inte kan göras oändligt stor och lång går det att avstämma ett slavsystem till en lägre resonansfrekvens än ett system med basreflexport.

Med slavprincipen kan man få riktigt imponerande djupbas från ett kompakt kabinett. Men priset för överdrift kan vara en mindre exakt impulsåtergivning.

Slavbassystem kallas också med en dålig översättning från engelska för ”passiv radiator”, vilket är missvisande eftersom en passiv radiator är en radiator som inte avger värme.

Transmissionslinje

I ett transmissionslinjekabinett leds ljudet från baksidan av elementet genom en lång, vanligtvis vikt kanal genom kabinettet innan det kommer ut. Kanalen är gjord så att den är lika lång som en kvarts våglängd av systemets resonansfrekvens.

Principen utnyttjar det faktum att en kvartsvågs-transmissionslinje omvandlar en hög akustisk impedans i den slutna änden till en låg impedans i den öppna änden. Detta innebär att baselementets egenresonans dämpas och möjliggör en mer utökad frekvensrespons.

I den långa labyrintkanalen fördröjs ljudet så mycket att det vid utgången av transmissionslinjen är i fas med högtalarelementet vid låga frekvenser, vilket förstärker basåtergivningen. Kanalen är ofta fylld med dämpande material för att kontrollera reflektioner och resonanser av högre ordningar.

Transmissionslinjer kan ge mycket djup och kontrollerad bas, men kräver stora kabinett och komplex avstämning.

Horn

Hornhögtalare använder en konformad ”tratt” för att koppla högtalarelementet till luften. Hornet fungerar som en akustisk transformator och matchar det lilla elementets höga impedans till luftens låga impedans. Något förenklat brukar man säga att horntratten hjälper elementet att greppa luften i rummet.

Denna impedansomvandling ökar effektiviteten dramatiskt – en bra hornhögtalare kan ha en känslighet på över 100 dB. Hornet styr också strålningsmönstret och kan koncentrera ljudet i önskade riktningar.

Hornets mynningsfrekvens (den lägsta frekvensen den kan arbeta på) bestäms av mynningens area. För att fungera vid låga frekvenser måste mynningen vara stor. Därför är hornkabinett för basar i stort sett begränsade till PA-högtalare – och till verkligt exotiska och dyra highend-system.

Open baffle

Öppen baffel-högtalare är den äldsta typen av kabinett. Om man nu kan kalla det för ett kabinett, eftersom elementen är monterade på en öppen platta (baffel). Utan kabinett utsätts högtalaren för en brant avrullning på grund av den akustiska kortslutningen som uppstår när ljud från baksidan av membranet möter ljudet från framsidan.

För att leverera tillräckligt med bas måste högtalare med öppen baffel därför antingen ha en mycket stor baffel eller ha stora baselement med långa membranrörelser för att kompensera för basförlusten. Å andra sidan ger de öppna konstruktionerna ett mycket naturligt och ”luftigt” ljud utan kabinettresonanser.

Hoffmann’s Iron Law – den järnhårda kompromissen

År 1976 formulerade ingenjören J.A. Hoffmann högtalarnas ”grundlag”, som förklarar varför det är omöjligt att bygga den perfekta högtalaren.

Hoffmanns lag säger att man inte kan ha både basfrekvenser, hög effektivitet och liten kabinettvolym på samma gång. Man kan bara välja maximalt två av tre.

Om man vill ha djup bas i ett litet kabinett måste man acceptera låg effektivitet (och därmed behovet av hög förstärkareffekt). Om man vill ha hög effektivitet och djup bas måste kabinettet vara stort. Om man vill ha hög effektivitet i ett litet kabinett kan man glömma allt om djupbas.

Den här kompromissen förklarar varför det finns så många olika typer av högtalare. Små högtalare offrar basåtergivning för storlek. Stora golvhögtalare offrar inredningsvänlighet för att få full frekvensåtergivning. PA-högtalare offrar linjär frekvensgång för hög effektivitet.

Hoffmanns järnlag kan inte kringgås – bara kamoufleras. Aktiv basförstärkning, digitala korrigeringsalgoritmer och avancerad kabinettkonstruktion kan dölja kompromisserna, men inte eliminera dem.

En modern subwoofer är ett bra exempel på ett försök att kringgå Hoffmans lag. I dag går det att hitta en kompakt subwoofer som kan gå djupt ner i basen och spela riktigt högt. Men det beror på att klass D-förstärkare på flera tusen watt har blivit tillgängliga, så att man har råd att ignorera den vansinnigt låga effektiviteten.

Aktiva högtalare

De flesta högtalare till hifi-anläggningen är passiva. Det betyder att det behövs en förstärkare för att få upp signalen från CD-spelaren eller skivspelaren till en nivå som orkar driva högtalarna.

Men i en del högtalare är förstärkaren inbyggd. Det ger vissa fördelar och möjligheter.

I en aktiv högtalare kan varje element ha sin egen, specialanpassade förstärkare. Delningen görs elektroniskt vid låg signalnivå, där den kan göras mycket exakt. Varje förstärkare optimeras för sitt specifika element och det finns ingen effektförlust i passiva delningsfilter.

Dessutom kan aktiva högtalare använda digital signalbehandling (DSP) för att korrigera för element- och kabinettegenskaper. Resultatet kan bli en linjaritet som är omöjlig att åstadkomma i en passiv konstruktion.

Men det finns nackdelar med aktiva högtalare också: Mer elektronik gör högtalaren dyrare att köpa. Detta uppvägs dock av att man sparar pengar genom att slippa köpa en extern förstärkare. Aktiva högtalare är också en allt-eller-inget-lösning som innebär att en lekfull audiofil inte har någon möjlighet att experimentera med olika förstärkare.

Förstärkta högtalare

Inte alla högtalare med inbyggd förstärkare är riktigt aktiva. I den billiga änden hittar man högtalare som är enkelt förstärkta. Det betyder att de har en enda förstärkare som driver alla element genom ett vanligt passivt delningsfilter.

Förstärkta högtalare har praktiska fördelar i form av färre kablar och matchade komponenter, men inte samma möjligheter för anpassning och digitala korrektion som äkta aktiva högtalare. De är dock ofta en bra kompromiss för hemmaanvändare som vill ha ett enkelt ljudsystem.

I nästa del av Hi-Fi-skolan ska vi titta närmare på förstärkaren och hur den fungerar.