Azt már tudod, miért kell hangváltó3, milyen alkatrészekből áll és melyek a fontosabb alapkapcsolások1. Tudsz impedanciát4 és frekvenciaátvitelt5 mérni, de még nem terveztél soha hangváltót. Ebben a bejegyzésben részletesen bemutatom a Gract névre keresztelt6, garázsban használt 2.1-es rendszer szatelitjének hangváltó tervezési lépéseit.

A Gract szatelitje kiváló alapot adott ehhez az íráshoz. A hangváltója nem teljesen alap, de nem is annyira bonyolult, hogy követhetetlenné váljon a kapcsolás. Mindenképpen ajánlom az eredeti írás elolvasását6, hogy megismerd a rendszer komponenseit.

Mérések a tervezéshez

A hangszórók vezetékét a csatlakozó terminál helyén kivezettem és a dobozt feltöltöttem kártolt gyapjúval, majd megmértem a dobozba épített hangszórók frekvencia átvitelét5.

A mélyközép hangszóró esetén a közeltéri és távoli mérést kombináltam és minimum fázist számítottam mindkét hangszóró esetén. Ennek eredményeként az alábbi görbéket kaptam:

Nem a legszebb görbék, de a hibák egy részét a hangszórók szintbe süllyesztésének hiánya (erről még később lesz szó) illetve az előlap széli visszavert hanghullámok interferenciája okozza. A mélyközép vízesés diagramja:

2 kHz-en van egy erős rezonancia, ami után beesik az átvitel, aztán 5 kHz-től újra rezonálgat. 7 kHz-en van egy 9 dB-es kiemelés, ezt erősen csillapítani kell. A két rezonancia (különösen a 2 kHz-es) miatt elég alacsonyan kell majd keresztezni. A magas vízesés diagramja:

Itt nem olyan rossz a helyzet. Ideális esetben jó lenne 3 kHz felett keresztezni, de valószínűleg a mélyközép miatt ez nem fog menni.

Érdemes megmérni az összes hangszórót és egymásra tenni a görbéket. Normális esetben csak minimális eltérések lehetnek.

Ez alapvetően jó, de feltűnő, hogy a jobb oldali magassugárzó mélyebbre megy, mint a bal. Ennek oka az alacsonyabb rezonancia frekvencia, ahogy az a lenti impedancia méréseken is látszik. Ilyesmi máshol is előfordul, a Vifa D25TG-05-06-nál is hasonlót mértem7, bár az eltérés azért ott nem volt ennyire nagy. Ez elsőre aggasztónak tűnhet, de ez a tartomány már mindenképpen legalább 10 dB-vel csillapítva lesz, ezért elméletileg nem kellene érzékelhető eltérést okoznia.

A tervezéshez szükség van még az impedancia görbékre4.

Meglehetősen induktív a cséve a mélyközép hangszóróban. A rezonancia frekvencia 106/110 Hz, basszus ebből a dobozból nem nagyon fog jönni. :) A jobb oldali hangszórónak kissé aszimmetrikus a rezonancia csúcsa, ez nem tudom, mitől van, a gyapjús feltöltés után lett ilyen. Üres dobozban kb. 26 Ω az impedancia ugyanitt, a feltöltés jelentősen csillapítja a doboz jóságát (Qtc).

A magassugárzók görbéi szép egyenesek, valószínűleg ferrofluid töltet van a légrésben. A bal oldali hangszóró rezonancia frekvenciája 1,5 kHz, a jobb oldalié 1,37 kHz, de a csúcs is lapítottabb. Nem valami konzisztens az eredmény, ráadásul a jobb oldali végig kb. 0,4 ohmmal alacsonyabb.

A hangváltó felépítése

A folyamat megértéséhez javaslom, hogy VituixCAD8-ben interaktívan kövesd a lenti lépéseket, hogy lásd, melyik lépésben hogyan alakul a hangváltó illetve annak hatása a frekvencia átvitelre. Ehhez segítségül alább letöltheted a hangszórók méréseit.

Frekvencia átviteli mérések letöltése (FRD)

• Bal oldal: mélyközép9
• Bal oldal: magas10
• Jobb oldal: mélyközép11
• Jobb oldal: magas12

Impedancia mérések letöltése (ZMA)

• Bal oldal: mélyközép13
• Bal oldal: magas14
• Jobb oldal: mélyközép15
• Jobb oldal: magas16

Első lépésben felépítem az alap kapcsolást, virtuálisan bekötöm a hangszórókat, illetve megadom az akuszikus síkok közti eltolást, ami jelen esetben a mélyközépnél 4,1 mm.

Ennek csupán az a célja, hogy lássam a kiindulópontot és hogy hogyan viszonyul egymáshoz a két hangszóró.

Mivel itt csak 4,1 mm az akusztikai síkok közti távolság, ezért csak kb. 60 fokkal növekszik a mélyközép fázisa az alapállapothoz képest 20 kHz-en. Az érzékenységek eléggé hasonlóak, kb. 2-3 dB-el kell majd visszafogni a magassugárzót. A rendszer átvitelét csak érdekességképpen teszem ide, ez így amúgy sem maradhatna, hiszen a magassugárzót rövid úton tönkretennénk.

A mélyközép hangolása

A hangváltó tervezést a mélyközép felől szoktam kezdeni. Jól láthatóan 750 Hz-től kezd el emelkedni a hangnyomás, amit a baffle step okoz. Ezt korrigálni kell a hangváltóban és a magas frekvencia miatt jó esély van rá, hogy magában az aluláteresztő szűrőben kezelni lehet. Egy szimpla tekerccsel indítok, mondjuk 1 mH-vel.

Látszik, hogy ez önmagában nem fog célra vezetni. Túlságosan keveset szűr ott, ahol kellene és túl sokat ott, ahol nem. A 7 kHz-es csúcs még mindig nagyon erős, viszont túl sok a csillapítás a 800 Hz alatti tartományban. Az induktivitás csökkentésével még kevésbé lenne szűrve a 7 kHz-es csúcs, a tekercs növelésével pedig a 800 Hz alatti állapot romlik még tovább.

Szinte biztosan kell majd impedancia korrekció (a mélyközép csévéje nagyon induktív, túlságosan meredeken emelkedik az impedancia görbe), de előbb érdemes megpróbálni mi történik a hangváltó meredekségének növelésével, hátha önmagában ennyi is elég.

A helyzet jobb, mint volt, de csak egy kicsivel. Még mindig túl sok a szűrés 800 Hz alatt, de legalább a 7 kHz-es csúcsot már sikerült -5 dB környékére szorítani:

Ez továbbra is messze van attól, amit el kellene érni. A probléma a mélyközép tekercsének induktivitása, emiatt ugyanis nem lehet "szabályos" szűrési karakterisztikát megvalósítani. A fenti 0,82 mH / 4,7 µF kombináció elektromos átvitele az alábbi:

Az alkatrészek értékeinek változtatásával nem lehet megszabadulni a csúcstól, csak a helye változik. Jöjjön az impedancia kompenzáció.

Az ellenállás értékét az egyenáramú ellenállás (Rdc) környékére állítom, jelen esetben 5,6 Ω-ra, ezután a kondenzátor értékét 10 µF-ról indulva addig variálom, míg a legjobb impedancia menetet kapom, így jött ki a 33 µF.

Most, hogy a hangszóró csévéjének induktivitása már nem okozhat problémát, nézzük meg ismét, mit tud egy szimpla tekercs.

Alakul, 0,56 mH-vel már egész jók lennénk, de nincs eléggé csillapítva a 7 kHz-es csúcs:

A meredekség növelésével a 800 Hz alatti vágást is tovább lehetne csökkenteni, hiszen másodfokú szűrőnél már változtatható a jóság (Q).

A 0,82 mH / 15 µF kombináció már kb. azt adja, amire szükség van. Még fogunk rajta finomhangolni, de egyelőre így marad.

A magassugárzó hangolása

Első lépés a szint illesztése, amit soros ellenállással vagy feszosztóval lehet megvalósítani. A magassugárzó egyenletes impedanciája miatt a szimpla soros ellenállást választottam.

Innentől már a teljes rendszer átvitelét is figyelni kell majd, hiszen a hangolás végére a rendszernek is "össze kell állnia". 3,3 Ω nagyjából oda szintez, ahova kell, ezt egyszerű kísérletezéssel meg lehet találni.

Megfigyelhető viszont egy enyhe esés a 6 - 20 kHz tartományban, amit jó lenne korrigálni. Erre van egy nagyon egyszerű trükk, párhuzamosan kell kapcsolni egy kondenzátort a szintező ellenállással.

Az ellenállás 4,7 Ω-ra növelésével és egy vele párhuzamos 2,2 µF-os kondenzátorral a 6 kHz feletti tartomány már rendben van. Az egyetlen nagyobb hiba ebben a tartományban a 15 kHz környéki 2 dB-es lyuk, ezt azonban nem éri meg korrigálni (és mint lentebb kiderül nem is szükséges, mert a magassugárzó szintbe süllyesztése megszüntetni).

Most, hogy a szintek rendben vannak, szűrni is kellene. Itt is egyszerű elsőrendű váltóval kezdek, ami ez esetben (mivel felüláteresztő szűrőről van szó) egy kondenzátor.

Ennek ugyanaz a problémája, mint a szimla tekercsnek volt a mélyközépnél: túl sokat szűr ott, ahol nem kellene (4 kHz körüli tartomány) és túl keveset ott, ahol igen (2,5 kHz alatt):

Jó hír, hogy a fázisok - bár még messze nem fedik egymást - elkezdtek egymáshoz közelíteni. Az összegzett átvitel már mindenhol az egyes hangszórók jelszintje felett van. Próbáljuk meg másodrendű váltással.

Hopp, lassan odaérünk! :) 6,8 µF és 0,33 mH kombinációjával egy egészen vállalható görbe adódik, meglehetősen jó jelösszegzéssel:

A fázisok az átfedés szempontjából kritikus tartományban jól együttfutnak, 2 kHz-en majdnem megvan a 6 dB összegzés. A 4 kHz körüli tartomány is sokkal jobban néz ki, ami a rezonáns felüláteresztő szűrőnek köszönhető:

3,8 kHz-en erősen kiemel a magas jóságnak köszönhetően, így visszahozza ezt a tartományt 0 dB közelébe. Ez nem biztos, hogy jó lesz, a Tunar17-nál kifejezetten rosszat tett mindenféle korrekció a 4 - 5 kHz tartományban. Majd a meghallgatáson kiderül.

Ilyenkor már az impedancia görbére is oda kell figyelni, nehogy a nagy átvitelre optimalizálás közben valahol túl alacsonyra süllyedjen. Szerencsére itt ezzel nincs probléma, a minimum impedancia 4 ohm felett van. Ez szódával még elmegy 6 ohmosnak, de a meghajtó erősítő jelen esetben amúgy is 4 ohm stabil.

A dobozhang megszüntetése

A doboz jósága 1,31, aminek köszönhetően elég jelentős kiemelés van 200 Hz alatt. Ez probléma, mivel dobozhangot okoz, de különösen problémás abban a helyiségben, ahol használom, ugyanis eleve van egy erős állóhullám 125 Hz-en. Ezt mindenképpen szerettem volna korrigálni, ezért egy ősrégi trükkhöz folyamodtam: sorba kötöttem a mélyközéppel egy 500 µF-os kondenzátort.

Ez gyakorlatilag megszünteti a kiemelést anélkül, hogy rontana a doboz mélyátvitelén:

Az első felmerülő kérdés, hogy ez hogyan lehetséges? Nem fekete mágia, csak a kondenzátor és a rezonancia frekvencián található impedancia csúcs összhatása, mely bizonyos körülmények esetén működik. A mélyátvitel az f3 pontig nem romlik, sőt, f3 még valamelyest lejjebb is kerül. A mélyátvitelre nincs negatív hatása egészen a -12 dB pontig, alatta pedig harmadrendű lesz a szűrés (a doboz átvitele 18 dB/oktáv meredekséggel esik, kapunk egy ajándék subsonic szűrőt). Egyéb hatása a kondenzátornak lényegében nincs (400 - 800 Hz közt minimálisan emelkedik a hangnyomás), az impedancia menet viszont kissé szokatlan lesz:

Nyilvánvaló, hiszen a kondenzátor egy felüláteresztő szűrő, így a doboz egyenáramú ellenállása végtelen lesz, egy egyszerű multiméter szakadást fog mérni.

A második kérdés, hogy honnan lehet 500 µF-os nem polarizált kondenzátort szerezni? Leginkább sehonnan, készíteni kell két normál, polarizált elko "szembefordításával":

Két 1000 µF-os elkot a negatív pólusnál összekötve bipolárisként fog viselkedni. A kapacitás feleződik (replusz), a feszültségtűrés nem változik (ha az elkok 25V-osak, az így készített bipoláris is 25V-os lesz).

Finomhangolás

A mély impedancia korrekciós tagjainak és a másodrendű szűrő kondenzátorának hangolásával még kicsit finomítottam a 800 - 2.000 Hz közti tartományon.

Nem nagy különbség, de ebben a tartományban ezek a tized-decibelek is hallhatóak. Mindemellett a 7 kHz-es csúcs -21 dB-re csökkent, így ezen a diagramon már nem is látszik. Nem elhanyagolható tény az sem, hogy 15 és 33 µF-os kondenzátorom pont nem volt itthon. :) Néha a kapcsolást a raktárkészlethez kell igazítani.

Meghallgatás - 1. korrekció

Megépítettem a hangváltót és az első megállapításom azonnal az volt, hogy kevés a magas, ezért némi kísérletezés után a szintező ellenállással párhuzamos kondenzátort megnöveltem 2,2 µF-ról 4,7 µF-ra.

Ez nagyjából a 6,5 kHz-es csúcs szintjére hozta az afeletti tartományt, így a magashiány érzet megszűnt.

A szimulációt méréssel is ellenőriztem és lényegében azonos eredményt kaptam:

A mért impedancia is viszonylag szépen követi a szimulációt. Az eltérés oka lehet az alkatrészek szórása (egyszer javaslom, hogy mérj meg pár kondenzátort, néha nagyon messze vannak a rájuk írt értékektől).

Szintbe süllyesztés - végső állapot

Eredeti állapotban a hangszórók felületszereltek voltak, ami köztudottan nem tesz jót főleg a magassugárzó átvitelének. A Zaph Audio oldalán vannak mérések a felületszerelés hatásairól18 és a köralakú, felületszerelt magassugárzó mérései elég ijesztőek. Úgy döntöttem, utána járok, ezért 4 mm vastag lapból kivágtam egy második előlapot, amivel a magassugárzót tökéletesen, a mélyközepet pedig nagyjából szintbe tudtam süllyeszteni.

A felületszerelt és a szintbe süllyesztett állapot közt jelentős különbség van. A görbe a két szerelési mód közti eltérést mutatja, ennyivel változik az átvitel a süllyesztést követően (ebben a dobozban, ezekkel a hangszórókkal):

Ezáltal a magassugárzón mért problémák nagy része jelentősen mérséklődik, a görbe egyre jobban hasonlít a gyári mérésre:

A teljes hangdoboz mért átvitele is megváltozott:

A változások túlnyomórészt pozitívak, hiszen eltűnt a 15 kHz-es lyuk és a 6 kHz feletti hirtelen ugrás egy kellemes, széles dombbá változott. Az egyetlen kellemetlen változás a 2,5 - 4 kHz közti jelszint növekedés. Szerencsére a már megtervezett hangváltót könnyen hozzá lehetett igazítani az új körülményekhez, mindössze a magassugárzó előtti 6,8 µF-os kondenzátort kellett lecserélni 5,6 µF-ra. Ezzel kialakult a végleges hangváltó:

A szűrők elektromos átvitele:

A rendszer mért frekvencia átvitele:

Az impedancia menetek:

Annak ellenére, hogy mennyire olcsó kategóriás hangszórók, meglehetősen egyformák mérve is, ami jó dolog.

A vízesés diagram elfogadható, a PSS mélyközép 2 kHz-es rezonanciáját a nyers állapothoz képest egész jól sikerült csillapítani.

A hangváltó kiinduló állapota ezzel megvan, a mért görbék jól néznek ki. Innentől további meghallgatás - módosítás iterációkkal lehet tovább fejleszteni, illetve egyéni ízlésre szabni a hangzást.