Mi szükség van a hangváltóra?
A hangváltó célja a dobozba épített hangszóró(k) frekvencia átvitelének (egymáshoz) illesztése úgy, hogy a kombinált átvitel a lehető legkevésbé térjen el a lineáristól. Egy rossz hangváltóval még a világ legjobb hangszóróival is pocsék lesz a végeredmény, viszont egy jó hangváltóval közepes hangszórókkal is lehet jó eredményt elérni.
A hangváltó feladata
- Többutas rendszerben a hangfrekvenciás tartomány sávokra bontása;
- A hangszórók átviteli hibáinak korrigálása;
- A hangdoboz akusztikai tulajdonságainak (pl. baffle step) korrigálása;
- Impedancia illesztés, amennyiben az erősítő igényli.
A legtöbb egyutas rendszer is igényel hangváltót. A szélessávú hangszórók rengeteg tervezési kompromisszumot hordoznak magukban, melynek eredményeként gyakran szorulnak korrekcióra a frekvencia átvitel lineárisabbá tételéhez. Még ha a hangszóró átvitele önmagában nem is, hangdobozba építve szinte biztosan igényel korrekciót.
Hangfrekvenciák sávokra bontása
A hangszóróknak van egy frekvencia tartománya, melyben jól működnek. A tartomány meghatározásakor figyelembe kell venni, milyen a hangszóró:
- Frekvencia átvitele;
- Tranziens viselkedése (vízesés diagram);
- Irányítottsága;
- Terhelhetősége;
- Torzítása;
- A szomszédos frekvenciasávokat lefedő hangszóró(k) optimális átviteli tartománya.
Az szomszédos tartományok határa a keresztezési frekvencia. A tartományokat egymástól szűrők választják el.
Szűrő alapok
A szűrők feladata eltávolítani a törésponti frekvencia alatti (felüláteresztő) vagy feletti (aluláteresztő) frekvenciatartományt. Az analóg szűrők nem képesek tökéletes szűrésre, több/kevesebb információt a szűrt tartományból is átengednek. A szűrés annál hatékonyabb, minél nagyobb a szűrő meredeksége, mely a szűrő rendjeként vagy fokaként is megadható. Az elsőrendű (elsőfokú) szűrő 6 dB / oktáv, a másodrendű (másodfokú) 12 dB / oktáv, a harmadrendű 18 dB / oktáv meredekséggel szűr, és így tovább. A törésponti frekvencia relatív jelszintje a jóság (Q, csillapítás) mértékétől függ, minél magasabb, annál magasabb jelszint mérhető a szűrő kimenetén a töréspontnál.
- Elsőrendű aluláteresztő
- Másodrendű aluláteresztő
- Elsőrendű felüláteresztő
- Másodrendű felüláteresztő
A hangolásnál leírtakkal megegyezően ha a jóság 0,5, a törésponti frekvencián a relatív jelszint -6 dB, Q = 0,707 esetén -3 dB, Q = 1 esetén pedig 0 dB (azonos a névleges jelszinttel). Q > 0,707 felett ugyanúgy megjelenik a csúcs az átvitelben, mint a hasonlóan magas jóságú zárt doboznál. A jóság csak rezonáns szűrőkben értelmezett. Az elsőrendű szűrő nem ilyen, annak kimenő jelszintje a törésponti frekvencián minden esetben 3 dB-el alacsonyabb a névlegesnél.
- Q = 0,5
- Q = 0,707
- Q = 1
Az elsőrendű szűrő nagyon csekély szűrést biztosít. Egy elméleti 1 kHz törésponti frekvenciájú 6 dB/oktávos felüláteresztő szűrő esetén 1 kHz-en a jelszint 3 dB-el, 500 Hz-en (1 oktáv) 9 dB-el, 250 Hz-en (2 oktáv) 15 dB-el, 125 Hz-en (3 oktáv) 21 dB-el alacsonyabb, mint 1 kHz felett (a szűrő áteresztősávjában).
Elektromos szűrés
Az elektromos szűrés a hangszóróra kerülő bemenő jelalakot szűri, megakadályozza, hogy a hangszóró bementére olyan frekvenciák jussanak, melyeket nem szükséges vagy nem képes megszólaltatni.
Az elektromos szűrés nagyon fontos a terhelhetőség miatt. Egy magassugárzó terhelhetősége töredéke a mélyközép hangszóróhoz képest, átlagosan nagyjából 5 - 10 W. A zenei jelben szerencsére a nagy amplitúdójú összetevők az alacsony frekvencia tartományokban vannak. Az Elliot által közzétett eloszlásdiagram szerint 3 kHz-en váltva az energia kb. 85 %-a lesz 3 kHz alatt és 15 %-a 3 kHz felett.
A szűrés megakadályozza a felesleges membránkitérést is. Egy középsugárzó ne próbálkozzon 40 Hz-es basszusok megszólaltatásával, hiszen úgysem képes rá. Egy magassugárzónál, ahol a membrán mindössze néhány tized mm kitérésre képes ez akár mechanikai károsodást is okozhat.
Valamivel más a helyzet a hangszóró átviteli tartománya feletti frekvenciákkal. Ezeket elméletileg nem muszáj szűrni, mert egyrészt a hangszóró úgysem tudja visszaadni, másrészt ez már csak nagyon csekély plusz terhelés, ami nem okoz gondot. Ennek ellenére általában mégis szükség van rá, mert a membrán ezeken a frekvenciákon fokozottan hajlamos lehet a rezonanciákra, betörésekre.
Akusztikus szűrés
A hangszórók önmagukban, külső szűrőáramkör nélkül is megvalósítanak egy sávszűrő karakterisztikát. A rezgő rendszer másodfokú felüleresztőként viselkedik, a hangszóró magasfrekvenciák felé növekvő induktivitása és a membrán tehetetlensége pedig egy hangszórónként változó aluláteresztő karakterisztikát eredményez.
A hangváltó elektromos részének tervezésekor az akusztikus szűrést is figyelembe kell venni és a két szűrés eredőjére kell a hangváltót tervezni.
Fázis
A szűrők a szűrt tartományban frekvencia függő fáziseltolást okoznak, melyet fokban mérünk. A szűrők teljes fáziseltolása a szűrő fokának 90-szerese, előjele felüláteresztő szűrő esetén pozitív, aluláteresztő szűrő esetén negatív. Pl. egy másodfokú (12 dB / oktávos) felüláteresztő szűrő maximális fáziseltolása 90° × 2 = 180°. Az átengedett tartományban nincs fázistolás (0°), de a két szélső érték közötti átmenet fokozatos. Q = 0,707 esetén a törésponti frekvencián a fáziseltolás 90°.
- Elsőrendű aluláteresztő
- Másodrendű aluláteresztő
- Elsőrendű felüláteresztő
- Másodrendű felüláteresztő
A fázis megértéséhez a hangot fel kell bontani elemi hanghullámokra. Ezek az elemi hanghullámok tulajdonképpen eltérő amplitúdójú és frekvenciájú szinuszos összetevők. A szinuszjel (hullámhossz) teljes periódusa 360°. Pl. 90°-os fáziseltolás esetén a szinuszjel negyed periódusnyit késik, -180°-os fáziseltolás esetén fél periódusnyit siet az eredeti jelalakhoz képest.
- 0°
- 45°
- 90°
- 180°
A fázis által okozott időbeli eltolás ideje önmagában frekvencia függő, hiszen az alapjául szolgáló hang hullámhossza - melyen a fázis időben értelmezhető - is az. A hang hullámhossza másodpercben kifejezve 1 / f, ahol f a hang frekvenciája Hz-ben. Egy 100 Hz-es hang teljes hullámhossza 1 / 100 Hz = 0,01 s = 10 ms. 180°-os fáziskésés esetén a hullámforma kezdőpontja 10 ms × 180° / 360° = 5 ms-el tolódik időben későbbre. 200 Hz esetén ugyanez a számítás 2,5 ms időbeli eltolást eredményez.
- 100 Hz
- 200 Hz
A fáziseltolás rossz hatással van a tranziens átvitelre, mivel a tranziens a hosszától függően egy szinuszjelre (pl. 100 Hz) és annak felharmonikusaira (200 Hz, 400 Hz, 800 Hz, 1.600 Hz stb.) bontható fel. A fázistolás időben eltolja egymáshoz képest az összetevők nullpontját és az összegjelük már nem fog megegyezni az eredeti tranzienssel. A tranziens így elnyúlik, utólengések jelennek meg a kimenő jelben.
A fázisra a hangváltónál különösen figyelni kell. Ha a keresztezési frekvencián a hangszórók azonos fázisban sugároznak, az összegzett jel 6 dB-el magasabb, mint a két hangszóró külön-külön mért hangnyomása. Ellentétes fázis (180° eltérés) esetén viszont a két jel teljesen kioltja egymást. Utóbbi esetben a hangszóró fázisának teljes megfordításával (pozitív és negatív bemenetek cseréje) elérhető az azonos fázis a keresztezési frekvencián.
Időeltolás
A fázissal ellentétben az időeltolás frekvenciától független, állandó késleltetés a jelben mely a jelforrás elektronikájából illetve a hangforrás fizikai távolságából származik. Önmagában az időeltolás nem befolyásolja a jelalakot és nem okoz torzítást.
- 100 Hz
- 200 Hz
Probléma akkor jelentkezik, ha az időeltolás nem érvényesül a teljes jelalakra, csak annak egy részére. Ez minden többhangszórós hangdobozt érinti, mert a hangszórók egymáshoz képest mért (relatív) távolsága (akusztikai síkja) a hallgatási pozíciótól függően változik. Egy hagyományos többutas hangdoboz előlapján a hangszórók már a fizikai méreteikből adódóan sem lehetnek azonos akusztikai síkban.
Az időeltolás átkonvertálható fázisra. Mivel utóbbi a frekvenciától függ, a fázisra konvertált konstans időeltolás a frekvencia növekedésével egyre nagyobb fáziseltolást okoz. A diagram 3,45 cm (0,1 ms) fizikai eltolás fázisra gyakorolt hatását ábrázolja.
A hangszórók akusztikai síkjainak távolsága egy kétutas dobozban kb. jellemzően pont ebben a 2 - 3,5 cm tartományban mozog. Jól látható, hogy az akusztikai síkok eltérése a magastartományban elérhető fázishelyességet mennyire negatívan befolyásolja. A relatív - hangszórók akusztikai síkja közti - időeltolást annak fázisra gyakorolt hatása miatt a hangváltó tervezésekor mindenképpen figyelembe kell venni.
Passzív, aktív, digitális
A kívánt elektromos szűrés többféle módon is megvalósítható:
- Passzívan: a nagyszintű (erősített) jelalak szűrése analóg komponensekkel a terhelő impedancia és a hangszóróra eső feszültség befolyásolásával;
- Aktívan: az alacsonyszintű, erősítetlen jelalak szűrése analóg komponensekkel;
- Digitálisan: a forrásjel mintavételezéssel digitalizált jelalakjának szűrése az idő vagy a frekvencia dimenzióban.
A passzív szűrő (hangváltó) előnye a hordozhatóság. A kész hangdoboz bármilyen szélessávú hangfrekvenciás végerősítővel használható (amennyiben impedancia és terhelhetőség szempontjából kompatibilisek).
Az aktív szűrő előnye a hangszóró impedanciájától és a többi szűrőtől független hangolás illetve a jobb hatásfok. Az aktív szűrők általában parametrikusak, a szűrő egy vagy több karakterisztikája potméterrel állítható. Hátránya, hogy utanként külön végerősítő szükséges.
A digitális szűrő az aktív szűrő egy alesete. Előnye az analóg aktívhoz képest a flexibilitás, hisz tulajdonképpen ez egy szoftver. Eltérő programozással ugyanaz az elektronika többféle célra is felhasználható. A digitális szűrők IIR vagy FIR szűrők, utóbbival tetszőleges frekvencia átvitel és fázis eltolás megvalósítható.