A hangváltó - 2. rész

A hangváltók építésekor előforduló alkatrészekről és ezek alapkapcsolásairól lesz szó, beleértve a hangszórók és hangdobozok különféle nyavajáinak gyógyítására szolgáló áramköröket is.

2007. július 21.

Passzív alkatrészek

A passzív hangváltók jellemzően három alkatrész segítségével valósítják meg a kívánt elektromos szűrést, ezek a tekercs, a kondenzátor és az ellenállás. A tekercsnek induktivitása, a kondenzátornak kapacitása, az ellenállásnak pedig a nevének megfelelően ellenállása van. Mértékegységeik rendre Henry (H), Farád (F) és Ohm (Ω, R).

Az 1 H-hez és 1 F-hoz tartozó induktivitás és kapacitás nagyon nagy, passzív hangváltókban ezeknek csak a töredékeivel találkozunk. A két gyakori váltóegység a milli (ezred) és mikro (milliomod), előbbit a kis "m" betű, utóbbit a µ (görög "mű") betű jelzi. Mivel a µ előállítása a számítógépes környezetben nem mindig egyszerű, helyette sokszor a rá leginkább hasonlító "u" betűt használják.

A passzív hangváltókban használt tekercsek tipikusan a 0,1 - 10 mH, a kondenzátorok az 1 - 150 µF tartományban mozognak. Persze vannak esetek, amikor ezeknél kisebb illetve nagyobb értékekre van szükség, de a nagyságrend alapvetően ez. Néha előfordul, hogy egyes leírásokban illetve kapcsolásokon a mikrot is a kis "m" betűvel jelölik. A nagyságrendek ismeretében kikövetkeztethető, hogy ha egy tekercshez 330 mH-t írnak, akkor ott nyilván nem milli, hanem mikrohenryről van szó.

A kapcsolási rajzokon ezeket az alkatrészeket különféle szimbólumok testesítik meg. A tekercsé a tekercselt drótra utaló jel, a kondenzátoré két egymás mellé húzott vonal ami a benne lévő fegyverzetekre utal. Az ellenállást vagy egy fűrészfoggal vagy egy téglalappal jelölik.

A tekercs áramköri jele L, a kondenzátoré C, az ellenállásé R. Ha az áramkörben több van belőlük akkor számozással különböztetik meg az egyes alkatrészeket (pl. L1, L2, R1, R2 stb). Az értéküket vagy a kapcsoláson közvetlenül az alkatrész mellett, vagy a kapcsolás mellett az alkatrészre a szövegben hivatkozva adják meg. Az értéket vagy teljesen kiírva, pl. 3,3 µF, vagy rövidítve, pl. 3µ3 adják meg. Utóbbi esetben a tizedesvessző helyén a váltóegység szerepel. Ezek a jelölések ekvivalensek.

Több azonos típusú alkatrész összekapcsolható egymással sorosan vagy párhuzamosan egy bizonyos célérték pontosabb közelítése érdekében.

Soros kapcsolásban az eredő érték

  • Tekercs esetén az induktivitások összege;
  • Kondenzátor esetén a kapacitások replusz értéke;
  • Ellenállás esetén az ellenállások összege.

Párhuzamos kapcsolásban az eredő érték

  • Tekercs esetén az induktivitások replusz értéke;
  • Kondenzátor esetén a kapacitások összege;
  • Ellenállás esetén az ellenállások replusz értéke.

Az alkatrészek típusai

Balról jobbra: fazékmagos, vasmagos és légmagos tekercs

A tekercs tulajdonképpen egy egyszerű, valamilyen mag köré feltekercselt drót. A mag lehet akár a levegő (légmagos tekercs), vagy vasmag, fazékmag, trafómag, stb. A mag anyaga és a drót keresztmetszete határozza meg az induktivitás eléréséhez szükséges hosszt. A tekercs induktivitása a drót hosszával egyenesen, keresztmetszetével fordítottan arányos. A legjobb akusztikai tulajdonságai a légmagos tekercsnek vannak, viszont ehhez szükséges a leghosszabb drót is. A drót hossza azért lényeges, mert vele egyenesen, míg keresztmetszetével fordítottan arányos a tekercs egyenáramú ellenállása. Ha az ellenállás túl nagy, a hangszóróra jutó teljesítmény - ellenállással arányos - részét a tekercs fogja eldisszipálni ami determinálja a terhelhetőségét. Vasmagos tekercsnél a teljesítményt a mag is befolyásolja, az ugyanis nagy teljesítménynél telítődik és torzítást okoz. Az előbbi okokból légmagos tekercseket jellemzően csak kb. 2 mH-ig alkalmaznak.

Balról jobbra: bipoláris elko, poliészter (MKT), polietilén-tereftalát (MKT), polipropilén (MKP)

A kondenzátoroknak szintén sokszínűek. Legolcsóbb az elko, ez azonban - mivel polarizált - hangváltóban nem használható. A hangfrekvenciás jelek szűrésére használható alfaja a bipoláris elko. Ennek legnagyobb hátránya, hogy idővel kiszárad és veszít kapacitásából. Jobb minőségűek, időtállóak, nagyobbak és természetesen drágábbak a fémezett fólia kondenzátorok, amikből számtalan fajta van. A piac kicsit hasonló a kábelekéhez, gyakoriak a drágán árult, de egyébként semmilyen különlegességgel nem rendelkező darabok. Kis szemfülességgel sokszor nagyon olcsón be lehet vásárolni jó hangú darabokat, mint pl. a képen látható orosz PETP MKT kondi. Nagyobb kapacitások esetén sokszor nem éri meg a fólia kondenzátor, de soros ágban ilyet javasolt használni. Viszonylag ritka, drága és körülményesebb beszerezni az olaj-papír kondenzátort. Még nem dolgoztam vele, ezért véleményt nem tudok róla mondani.

Balról jobbra: kerámia ellenállás, huzalellenállás, kerámiatokos huzalellenállás

Az ellenállás nem bonyolult szerkezet, de a hangra legalább akkora hatása van, mint a kondenzátornak. Általában 5 - 10 W körüli teljesítményűre van szükség. Az üzletekben leggyakrabban előforduló fajtája a kerámia ellenállás, ami sajnos nem túl jó minőségű, már egy tisztességes középkategóriás magassugárzót is visszafog. Soros ágban, de legalább a magassugárzó elé huzalellenállás (MOX) használata javasolt, még ha kicsit utána is kell járni.

Mindhárom alkatrész esetén felmerül, hogy teljesítmény szempontjából milyet kell választani. A témában Elliot oldalán kimerítő írás található, mindenkinek, aki érti az angol szöveget javaslom elolvasni. Ez alapján egy 100 W-os rendszerbe Rod a mélyhangszóró impedancia korrigáló áramkörébe 10 W-os ellenállást, a magashangszóró impedancia korrigáló körébe és a szintező körbe 5 W-os ellenállást javasol. A tekercsekkel általában nincs probléma, de érdemes odafigyelni rá, hogy az ellenállásuk a hangszóró egyenáramú ellenállásának (Rdc, Re) 10 százalékánál ne legyen nagyobb.

Ha nem áll rendelkezésre az adott teljesítményhez szükséges ellenállás egyben, több ellenállás soros vagy párhuzamos kapcsolása a megoldás. A teljesítmény az ellenállások közt azok ellenállásainak arányában oszlik meg mindkét kapcsolás esetén (pl. két 12 Ω 5 W ellenállás párhuzamosan kapcsolva egy 6 Ω 10 W terhelhetőségűnek felel meg).

Szűrők

A hangváltó elsődleges összetevője az elektromos szűrő, ami a nem kívánt frekvenciákat választja le a hangdobozba épített hangszórókról. Az elsőrendű szűrő mindössze egy, a hangszóróval sorosan kapcsolt tekercsből (aluláteresztő) illetve kondenzátorból (felüláteresztő) áll. A másodfokú szűrőben az elsőrendűhöz képest a hangszóróval sorosan kell kapcsolni egy kondenzátort (aluláteresztő) illetve tekercset (felüláteresztő). A fokszám növelésével további soros illetve párhuzamos tekercsek és kondenzátorok kerülnek az áramkörökbe.

Az elektromos szűrők csak konstans ohmos terhelés esetén működnek a tankönyv szerint, egy valós hangszóró kompenzálás nélküli, induktív impedancia menetén egészen más karakterisztikát eredményeznek.

A jelmagyarázat elrejtéséhez kattints a grafikonon

Türelem, készül a diagram...

Elsőrendű aluláteresztő szűrő (1 mH) viselkedése 8 ohmos és valós terhelésen

A grafikonon ábrázolt esetben a valós hangszóró emelkedő impedanciája miatt az elméletben 6 dB/oktávos szűrő mindössze 3 dB/oktávos szűrést eredményez és az impedancia a törésponti frekvenciát is elhangolja.

Impedancia korrekció

A hangszóró emelkedő impedancia menetét kompenzálja a Zobelnek nevezett, hangszóróval párhuzamos ellenállásból és kondenzátorból álló áramkör. Alkalmazása a magassugárzó kivételével általában minden hangszóró előtt szükséges.

Közép- és magassugárzók esetén szükséges lehet a rezonancia frekvencián jelentkező impedancia csúcs korrekciójára is. Ez a soros lyukszűrővel lehetséges, mely egy-egy egymással sorosan, a hangszóróval párhuzamosan kapcsolt ellenállásból, tekercsből és kondenzátorból áll.

Egy hangváltóban mindig ezek a hangszóróhoz legközelebbi áramkörök. Mivel mindkettő a hangszóróval párhuzamos ágban van, az alkatrészek minősége nem kritikus.

Impedancia Zobel korrekció

A szűrő számításához meg kell adni a hangszóró egyenáramú ellenállását (Rdc vagy Re) és a hangszóró induktivitását (Le).


mH

A Zobel kiinduló értékeinek kiszámításához használható ez a kalkulátor. Az értékek pontos meghatározásának legegyszerűbb módszere a szimulátor használata. Be kell tölteni a hangszóró impedancia görbéjét, a Zobelhez tartozó ellenállást az Rdc utáni következő E12 értékre kell állítani és addig játszani a kondenzátor értékével (általában 10 µF-ról érdemes elindulni), míg az impedancia menet viszonylag egyenes lesz.

A korrigált impedancia menet sohasem lesz teljesen egyenes, mert az impedancia nem teljesen induktív. A korrekciós tag értékeinek változtatásával a hangváltó finomhangolható, hiszen befolyásolja a szűrő bementi impedanciáját. A Zobel hangolásával a keresztezési frekvencia le-fel egy kisebb tartományban mozgatható és a szűrő meredeksége illetve fázismenete is befolyásolható.

Impedancia csúcs korrekció

A szűrő számításához meg kell adni a hangszóró rezonancia frekvenciáját (Fs), a hangszóró egyenáramú ellenállását (Rdc vagy Re) és amennyiben rendelkezésre áll a mechanikus és elektromos jósági tényezőjét (Qms és Qes).

Hz



A soros lyukszűrő méretezéséhez használható ez a kalkulátor. A lyukszűrőben nem kell alacsony ellenállású tekercset használni, hiszen a körnek tagja egy ellenállás is. Mindössze arra kell figyelni, hogy a tekercs egyenáramú ellenállásával csökkentett értékű ellenállás kerüljön a körbe. Mivel a szűrő nagyon szűk frekvencia tartományban dolgozik, 5 W-os ellenállás bőségesen elegendő.

Használata gyakran szükségtelen. Sok magassugárzónál van ferrofluid a légrésben, ami a csúcsot elsimítja. A magashangszórók elé általában szükséges feszosztó is, ami önmagában is segít az impedancia menet kisimításában. Ezeken felül ha a keresztezési frekvencia és a hangváltó rendje kellően magas és a csúcs nem túl nagy, az általa okozott hiba a kombinált frekvenciaátvitelben nem okoz nagy eltérést. A soros lyukszűrőre elsősorban az alacsony rendű hangváltóknál (elsőfokú) van szükség. Érdemes ilyenkor - amennyiben lehetséges - a szűrő fokának növelésével is próbálkozni, gyakran pusztán ennyivel kezelhető az impedancia csúcs által okozott átviteli hiba.

A lyukszűrő használatát három- vagy többutas rendszereknél a középsugárzó(k)nál többnyire nem lehet elkerülni. A hangváltó szempontjából a mélysugárzó alsó frekvencia tartománybéli impedancia csúcsa(i) irrelevánsak, ezek eltüntetésére csak magas kimenő impedanciájú (csöves) erősítő esetén lehet szükség.

Eltérő érzékenységek szintezése

A legtöbb esetben a többutas hangdobozokban a hangszórók érzékenysége eltér. Ennek összeszintezéséhez a hangosabb hangszóró(k) előtt ellenállás(oka)t kell használni. A legegyszerűbb megoldás a hangszóróval soros ellenállás, de sokkal korrektebb a feszültség osztó (feszosztó, L-Pad) használata, mely az előbbit egy, a hangszóróval párhuzamos ellenállással egészíti ki. A szintező az impedancia kompenzáló és a szűrő / korrekciós áramkör(ök) közt helyezkedik el a hangváltóban.

Az első verzió előnye az egyszerűsége. Hátránya, hogy növeli az impedanciát (ezért a növelt impedanciára kell méretezni a hangváltót) és a hangszóró jóságát. A második megoldás egyetlen hátránya, hogy eggyel több alkatrész kell hozzá, azonban mivel ez párhuzamos ági, használható akár gyengébb minőségű kerámia ellenállás is. Előnye, hogy (megfelelően méretezve) nem változtatja meg az impedanciát valamint segít kisimítani az impedancia egyenetlenségeit, csökkenti a rezonancia frekvencián lévő púpot és az impedancia induktív jellegét.

Feszosztó méretezése

A szűrő számításához meg kell adni a hangszóró névleges impedanciáját és a kívánt csillapítást.


dB

A kalkulátor használható a csillapításhoz szükséges ellenállás értékek kiszámítására. A szimpla soros ellenállás méretezésének legegyszerűbb módja a szimulátorban olyan érték kikísérletezése, mellyel a magas / közép hangszóró érzékenysége a mélyhangszóró szintjéhez illeszkedik. Feszosztó esetén a kalkulátor által számított kezdőértékek finomhangolásával állítható elő az a kombináció, ahol a csillapítás mértéke és az impedancia is megfelel az kívántnak.

Átviteli hibák korrekciója

Passzív hangváltóval erősíteni nem lehet. Egy mélyközép hangszóró gyengébb mélyátvitele nem erősíthető fel, a passzív hangváltóval csak a hangosabb középtartomány csillapítása lehetséges. Természetesen ezzel érzékenység veszik el.

Az első áramkör a magas hangszín csillapító, mellyel a hangszóró közép- illetve magastartománybeli érzékenysége csökkenthető alacsonyabb szintre.

Az áramkör az egymással párhuzamosan, a hangszóróval sorosan kapcsolt ellenállásból és tekercsből áll. A tekercs a szűrő törésponti frekvenciáját, az ellenállás a csillapítás mértékét határozza meg.

Türelem, készül a diagram...

1 mH / 8,2 Ω magas hangszín csillapító viselkedése 8 ohmos terhelésen

Az áramkör használható a baffle step jelenség korrigálására. Azok a hanghullámok, melyek hullámossza nagyobb a hangdoboz előlapjának szélességénél 180 helyett 360 fokban terjednek. Ennek hatására az érzékenység 6 dB-lel csökken, ez a 6 dB viszont csak elméleti. A hangdobozt általában nem lehet nagyon messze elhúzni a helyiséget határoló falaktól (kivéve szabadtéri hangosítás és nagyon nagy szobák), így a teljes 360 fokos terjedés nem tud megvalósulni. A valós életben ez azt jelenti, hogy az esés csak kb. 2 - 4 dB és leginkább a 200 - 400 Hz közötti tartományban jelentkezik. A legpontosabb persze a hallgatási pozícióban mért átvitelre alapozni. Ha ez nem lehetséges, a gyári mérésből kiindulva úgy kell tervezni a hangváltót, hogy 400 Hz alatt az átlagosnál 3 dB-lel magasabb legyen az érzékenysége. Teljesen falra tolt doboz esetén a baffle steppel nem kell számolni.

Az előző áramkör ellenkezője a mély hangszín csillapító, mellyel az alacsonyabb érzékenységű magastartomány szintjéhez igazítható a nála hangosabb középtartomány.

Az áramkör a hangszóróval soros, egymással párhuzamos ellenállásból és kondenzátorból áll. Az ellenállás a csillapítás mértékét, a kondenzátor a szűrő törésponti frekvenciáját határozza meg.

Türelem, készül a diagram...

22 µF / 8,2 Ω mély hangszín csillapító viselkedése 8 ohmos terhelésen

Ez az áramkör használható a - tipikusan olcsóbb - magashangszóróknál előforduló felső tartománybeli visszaesés kompenzálására. A gyakorlatban a legtöbbször integrálható a szintező áramkörbe, mindössze a soros ellenállással kell párhuzamosan kapcsolni egy kondenzátort.

A két áramkör kombinációja a párhuzamos lyukszűrő (szívókör), mellyel egy meghatározott tartományban lehet a hangszóró érzékenységét csökkenteni. Az áramkör a hangszóróval soros, egymással párhuzamos kapcsolású ellenállásból, tekercsből és kondenzátorból áll.

Türelem, készül a diagram...

1 mH / 22 µF / 8,2 Ω lyukszűrő viselkedése 8 ohmos terhelésen

Lyukszűrő méretezése

A szűrő számításához meg kell adni a kiemelés középpontjának frekvenciáját, a szűrő effektív szűrési tartománya, azaz a kiemelés teljes terjedelmét (szélességét) oktávban valamint az impedanciát és a kívánt csillapítás mértékét a középponti frekvencián.

Hz
oktáv

dB

Az alkatrészek kezdőértékeinek kiszámításához használható a kalkulátor. Az áramkörben a tekercs a csillapítás alsó, a kondenzátor a csillapítás felső törésponti frekvenciáját, míg az ellenállás a csillapítás mértékét állítja be.

Ezzel az áramkörrel gyakorlatilag ki lehet simítani az átvitelt, de nem szabad túlzásba esni. Véleményem szerint a névlegestől 2 - 3 dB-nél nem nagyobb eltérések esetén egyáltalán nem érdemes simítgatni, csak az ennél nagyobb vagy tonálisan is zavaró hibákat szükséges korrigálni. Ilyen lehet a szélessávú hangszórók túlságosan nagy középfrekvenciás érzékenysége, egyes magassugárzók nagymértékű kiemelése illetve a merev anyagból készített membrános (alumínium, titánium, kevlár, stb.) hangszórók középfrekvenciás betöréseinek szűrése.

A korrekciós áramkör a fő szűrőáramkör előtt vagy mögött is lehet. A méretezéskor az áramkör működési tartományában érvényes átlagos impedanciát kell figyelembe venni. Ez megnehezíti a hangváltó és - amennyiben van - a további korrekciós áramkörök összehangolását.

Szűrés