Laadultaan loistavat kaiutinelementit eivät voi loistaa, jos niiden toimintaa ei ohjata optimaalisesti. Jos minä koittaisin ohjata herroja Brad Pitt ja George Clooney, elokuva ei varmastikaan herättäisi minkäänlaisia laineita.
On helppoa ajatella, että kaksitiekaiuttimen jakosuotimen tehtävä on leikata bassoelementiltä korkeat taajuudet pois ja diskantilta matalat taajuudet, piste. Se on silti ainoastaan osa suotimen funktiosta. Juuri minkään kaiutinelementin oma taajuusvaste koteloon tai dipoliratkaisussa pelkkään etulevyyn asennettuna ei ole ilman suodinta tasapainoinen. Jakosuotimen tehtävä onkin muokata kunkin elementin taajuusvaste halutuksi, tasoittaa elementtien väliset herkkyyserot ja sitten vielä suodattaa kullekin kaiutinelementille haluttu taajuusalue toistettavaksi.
Kaiuttimen etulevyn mitat ja kaiutinelementtien sijoittelu etulevyyn vaikuttavat siihen, millainen elementtien taajuusvaste on ilman jakosuodinta. Ja tietysti jokainen kaiutinelementti itsessään toimii eri tavalla. Tämän takia yleispätevä jakosuodin ei voi olla kovinkaan hyvin tarkoitukseen sopiva. Kyllä, se suodattaa matalat taajuudet pois diskantille menevästä signaalista eli estää diskanttielementtiä palamasta, mutta sen sofistikoituneemmasta ratkaisusta ei ole kyse. Eihän kukaan ajattele niinkään, että on olemassa yleisresepti, jolla saa valmistettua hyvää ruokaa riippumatta käytetyistä raaka-aineista!
Kela, kondensaattori ja vastus
Lyhyesti ja yksinkertaistetusti kela päästää matalat taajuudet läpi ja vaimentaa korkeita taajuuksia, kondensaattori päästää korkeat taajuudet läpi ja vaimentaa matalia taajuuksia ja vastus vaimentaa teoriassa tasaisesti (käytännössä vastuksen vaikutus riippuu siitä, mitä muita komponentteja kytkennässä on).
Se, miten suuri komponentin vaikutus on, riippuu tietysti komponentin arvosta eli kelan induktanssista, kondensaattorin kapasitanssista tai vastuksen resistanssista. Sen lisäksi vaikutuksen suuruuteen vaikuttaa kaiutinelementin impedanssi eli vaihtovirtavastus ja usein myös kytkennän muut komponentit.
Kuten sarjan ensimmäisessä osassa puhuimme, ”kahdeksanohminen” ei ole vain suurpiirteinen vaan suorastaan harhaanjohtava määritelmä valmiille kaiuttimelle. Sama pätee yksittäiseen kaiutinelementtiinkin. ”Kahdeksanohmisen” bassoelementin todellinen impedanssi on pienellä alueella jossain 6 – 10 ohmin suuruusluokassa, mutta nousee tyypillisesti useisiin kymmeniin ohmeihin kohti keskitaajuuksia. Lisäksi bassoilla on suljetussa kotelossa tai ilman koteloa matalilla taajuuksilla lisäksi yksi impedanssipiikki, refleksikotelolla kaksi piikkiä vierekkäin. Niiden suuruus voi lähentyä jopa sataa ohmia. Myös monella diskanttielementillä on impedanssivasteessa piikki toiminta-alueen alapäässä ja suuntain tai torvi diskantin edessä voi tehdä lisää muutoksia impedanssivasteeseen.
Yksinkertaistettu oppikirjaesimerkki jakosuotimesta on tehty niin, että matemaattisella kaavalla lasketaan, minkä kokoinen kela ja/tai kondensaattori tarvitaan, jotta suodin asettuu halutulle taajuudelle (eli suodin vaimentaa 3 desibeliä ko. taajuudella). Ongelma on se, että matemaattisessa peruskaavassa elementin impedanssi on kaikilla taajuuksilla vakio, esimerkiksi kahdeksan ohmia. Mutta kuten on jo selvää, ei ole oikeasti kahdeksanohmista kaiutinelementtiä, vain ”kahdeksanohminen”, jonka impedanssi vaihtelee esimerkiksi 6 – 60 ohmin alueella. Ja siihen todelliseen taajuudesta riippuvaan impedanssiin se oppikirjasuodin toimii vain vähän paremmin kuin piirakkapohjaresepti kalakeiton tekoon.
Hyvät simulaattorit ottavat huomioon kunkin kaiutinelementin todellisen taajuudesta riippuvan impedanssin, niille syötetään käytettävään koteloon asennettujen elementtien mitatut impedanssit ja niin suoraan kuin sivuillekin mitatut taajuusvasteet. Jos simulaattorilla suunnittelu kiinnostaa, Kimmo Sauniston tekemä suomalainen VituixCAD on parhaita vaihtoehtoja.
Tästä huolimatta peruslaskuri voi antaa suuntaviivoja tarvittavien komponenttien arvoille eli käyttökelvoton työkalu ei ole sekään. Yksi vaihtoehto on https://www.diyaudioandvideo.com/
Laajakaista, kaksitie, kolmitie…
Laajakaistaelementti pelkässä levyssä tai koteloonkaan asennettuna soi harvoin tasapainoisesti. Käytännössä ne yleensä tarvitsevat luonnollisinta äänensävyä varten imupiirin, joka vaimentaa voimakkaammin soivia taajuuksia samalle äänenvoimakkuustasolle, millä hiljaa soivimmat taajuudet – käytännössä bassot – ovat. Yleistäen voi sanoa, että passiivisella jakosuotimella voi vain vaimentaa eli tasoittaa korostumia kaiutinelementtien taajuusvasteessa.
Kaksitiesuotimessa elementtien äänensävyjen ja herkkyyserojen tasaamisen lisäksi suodatetaan bassokeskiääniseltä korkeat taajuudet pois ja diskantilta matalat. Kolmetiesuotimessa jälleen äänensävyjen ja herkkyyksien korjaus, lisäksi bassolta keskialueen ja korkeiden taajuuksien suodatus, keskiäänielementiltä sekä matalien että korkeiden taajuuksien suodatus ja diskantilta matalien ja keskitaajuuksien suodatus. Kuuloalueen jakaminen kaiuttimessa useammalle kuin kahdelle kaiutinelementille tarjoaa etuja, mutta suodinsuunnittelu muuttuu jo kaksitiestä kolmitiehen yli kaksi kertaa monimutkaisemmaksi ja hyvin tehty kaksitiekaiutin on parhaimmillaan äänenlaadullisesti erinomainen.
suodinsuunnittelu muuttuu jo kaksitiestä kolmitiehen yli kaksi kertaa monimutkaisemmaksi ja hyvin tehty kaksitiekaiutin on parhaimmillaan äänenlaadullisesti erinomainen.
Oli lähtöasetelma sitten yksinkertaisempi tai monimutkaisempi, suotimesta on järkevää pyrkiä aina tekemään mahdollisimman yksinkertainen. Vaikka elementin taajuusvastetta pitää muokata monella tavalla, se saattaa onnistua vain ihan muutamalla komponentilla.
Oikean kaiuttimen suunnittelu
Pelkkä teoria on kuivaa, suunnitellaan hyvin soiva kaiutin! Tämä ohjeen tekeminen on hyvin vaikeaa, koska eri suunnittelijat lähestyvät suodinta eri näkökulmista ja toimivat eri tavalla. Eikä yksi suodinkytkentä tietenkään ole yleispätevä vaan yksi kaksitiekaiutin selviää yksinkertaisella suotimella ja toinen vaatii paljon monimutkaisemman. Saati sitten, jos koko perusrakenne muuttuu tavallisesta kaksitiestä joksikin muuksi.
Sica 5 F 1.5 CP -bassokeskiääninen on hyvä lähtökohta. Bassorefleksikotelon tilavuus ja viritystaajuus saadaan varsin totuudenmukaisesti simulaattorilla (jos toki simulaattorit usein antavat liian pitkän refleksiputken mitan halutulle viritystaajuudelle). Minä käytin yksinkertaista netissä olevaa simulaattoria http://sbp.softica.dk/2.0/en/ syöttämällä siihen kaiutinvalmistajan sivulta löytyvät 5 F 1.5 CP:n T/S-parametrit. Kyllä, tästäkin tulee juuri sellainen refleksikoteloitu kaiutin, vaikka olen tässä artikkelisarjassa kertonut kyseisen kotelotyypin ongelmista.
Tuo bassoelementti kuusilitraisessa 60 hertsiin viritetyssä refleksikotelossa on hyvä lähtökohta. Se toistaa huoneessa bassoja noin 50 hertsiin saakka eli musiikinkuuntelussa kaiutin ei tarvitse heti subwooferia tuomaan tukea bassoille. Bassokeskiäänisen seuraksi otetaan Sica LP 110.28/380 TW -diskantti. LP 110.28:lla on valmiina pieni suuntain etulevyssään ja sen suuntakuvio sopiikin asiallisesti viisituumaisen bassokeskiäänisen suuntakuvioon.
Jotta diskantti kärsii diffraktioista eli kotelon särmistä syntyneistä heijastumista mahdollisimman vähän, särmät viistotaan niin paljon kuin on varaa. Protossa yläreunassa on 20x20mm viistous ja särmissä ylhäältä alkava 20x20mm, joka nollautuu alanurkkiin. Kotelon leveys on 165 mm, korkeus 295 mm ja syvyys 235mm. Prototyyppien materiaali on 19 mm paksu MDF-levy. Basson keskipisteen etäisyys alareunasta on 85 mm ja diskantin 215 mm. Refleksiputki on halkaisijaltaan 50 mm ja pituudeltaan 170 mm.
Asetan kaiuttimen jalustalle ja mittamikrofonin sen eteen 100 cm etäisyydelle etulevystä, korkeussuunnassa bassokeskiäänisen ja diskantin puoliväliin. Nyrkkisääntö minimimittausetäisyydelle on kaiuttimen suurin mitta kertaa 2,5. Silloin kotelon vaikutukset summautuvat jo hyvin mittaukseen. Pienessä olohuoneessa mitattaessa huoneheijastukset voivat kuitenkin olla niin iso riesa, että ainakin välillä täytyy käyttää lyhyempää mittausetäisyyttä.
Huoneessa mitatuissa taajuusvasteissa on aina huoneen aiheuttamia heittoja, mutta niistä pitää vain katsoa läpi. Yksi hyvä tapa on tehdä mittauksia ensin hiljaisemmalla äänenvoimakkuudella ihan läheltä, pienistä kaiuttimista 10 – 20 cm päästä kaiutinelementeistä. Niistä näkee tarkemmin vain kaiutinelementin toiminnan. Sitten kauempaa mitatussa vasteessa näkyvät rosot osaa tulkita huoneen aiheuttamiksi ja keskiarvoistaa mielessään ylös-alas heiluvan taajuusvastekäyrän. Mahdolliset kartioresonanssit voi mitata 1 cm päästä, mutta niin läheltä elementin taajuusvasteen perusmuoto vääristyy.
Ilman pehmennystä mitatut vasteet näyttävät räjähtäneeltä nipulta siilin piikkejä, niistä ei saa mitään selvää. Yleinen tapa on käyttää 1/3 oktaavin pehmennystä, joka tasaa vasteen rosot suurinpiirtein korvan tarkkuutta vastaaviksi. Jos täytyy pureutua esimerkiksi bassokeskiäänisen yksittäiseen resonanssiin, kannattaa käyttää miedompaa 1/6 tai 1/12 oktaavin pehmennystä nähdäkseen tarkasti, että resonanssipiirin tuottama vaimennus osuu juuri kartioresonanssin kohdalle. Ja välillä on hyvä käyttää koko oktaavin pehmennystä, jolloin kaiuttimen yleisen äänensävyn pystyy havainnoimaan helpommin kuin rosoisesta vastekuvasta.
Jos on mahdollisuus tehdä kesällä mittauksia ulkona, sitä kannattaa ehdottomasti hyödyntää. Mahdollisimman korkea torni kaiuttimen alle ja korkea mikrofoniteline käyttöön, jotta viimeinenkin heijastuksia aiheuttava (ja siten mittaustuloksia sotkeva) pinta eli maa saadaan kauas. Talvioloissa he, joilla on käytössään iso, lämmitetty ja tyhjä tilaa sisältävä halli voivat myös taputtaa itseään olalle tehdyistä valinnoista elämässä.
Opettele ulkoa!
Tiedän, tätä te ette olisi halunneet nähdä. Vaan on hyvä tietää, mitkä ovat komponenttien vakioarvot, jotta suodinsuunnittelussa osaa valita jakosuotimeen sellaisia komponentteja, joiden arvot ovat yleisesti saatavilla. Ja yhden vakioarvon hyppäys on muutenkin lähes aina järkevä pienin muutos, koska eivät kaiutinelementitkään ole täsmalleen samanlaisia kaikki, yksilövaihtelua on – elementin laadusta riippuen enemmän tai vähemmän. Desibelin kymmenesosien tarkkuudella ei passiivikaiuttimia tehdä, +/-2 desibeliä välillä 100 – 10 000 Hz on oikein hyvä saavutus ja +/-1 desibeliä todella erinomainen.
Vakioarvoissa on noin 20 % hyppäys kussakin pykälässä. Lista menee 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 6.8 ja 8.2, josta se jatkuisi luonnollisesti 10, 12, 15 jne… Desimaalipilkun paikka vaihtelee, mutta sarja pysyy samanlaisena. Tuo määrä voi kuvata vastuksen resistanssia: 2.7 ohmia, 3.3 ohmia, 3.9 ohmia…, kelan induktanssia: 1.0 mH, 1.2 mH, 1.5 mH… tai kondensaattorin kapasitanssia 4.7 uF, 5.6 uF, 6.8 uF…
Passiivikaiuttimen jakosuotimessa vastusten arvot ovat tyypillisesti ohmeja tai kymmeniä ohmeja, kelojen millihenryjä sekä niiden kymmenesosia ja kondensaattorien mikrofaradien kymmenesosista kymmeniin mikrofaradeihin.
Ensimmäinen vaihe, koko kaiuttimen herkkyyden määrittely
Bassoalue on käytännössä passiivikaiuttimessa aina se, joka määrittää koko kaiuttimen herkkyyden. Kaikki muu soi lujempaa ja pitää vaimentaa vastaamaan sitä noin 100 Hz ympäristön voimakkuutta. Bassokeskiäänisen ensimmäinen mittaus näyttää, miten mikrofonin kuuleman signaalin voimakkuus kasvaa bassoilta keskialueelle. Keskialuetta pitää siis vaimentaa ja kela oli se komponentti, joka päästää läpi matalat taajuudet, mutta vaimentaa korkeampia. Kytkemällä bassoelementin kanssa sarjaan kela, matalat taajuudet pääsevät kelan läpi kaiutinelementille normaalisti, mutta korkeat vaimentuvat.
Mittapiippauksia ei tarvitse tehdä hurjan suurella voimakkuudella, kaiutinsuunnittelua voi hyvin tehdä vaikka kerrostalon olohuoneessa ilman, että kukaan naapuri tietää harrastuksestasi. Jos taustakohinan ja signaalin välille saadaan 20 desibeliä eroa, se on riittävä.
Induktanssiltaan liian pieni kela ei vaimenna keskialuetta riittävästi ja induktanssiltaan liian suuri vaimentaa sitä liikaa, mutta sopivan kokoisella kelalla bassokeskiäänisen taajuusvaste saadaan käännettyä vaakasuoraan. Kelan arvoa joudutaan myöhemmin muuttamaan pykälän tai kaksi suuremmaksi, mutta nyt meillä on tiedossa, mille voimakkuustasolle kaikki muu lasketaan. Tämä on hyvä hetki kokeilla koko oktaavin tasoitusta mittaustuloksen tulkinnassa.
Toinen vaihe, diskantin sovittaminen lopulliseen herkkyyteen
Nyt kun meillä on tiedossa herkkyys, johon tähdätään, voidaan diskanttielementin vastetta muokata siihen sopivaksi. Joskus diskantin herkkyys on niin suuri verrattuna bassoalueeseen, että sitä pitää vaimentaa runsaasti. Silloin jännitejako eli lpad, yksi vastus sarjassa ja toinen rinnakkain elementin kanssa, on hyvä ratkaisu. Tässä sitä ei tarvita vaan tullaan toimeen yksinkertaisemmalla ratkaisulla.
Hakemalla verkosta ”lpad calculator” löytyy lukuisia vaihtoehtoja jännitejaon vastusarvojen laskemiseksi. Tulokset eivät juuri koskaan osu vastusten vakioarvoihin ja pitää vain valita lähin vakioarvo käyttöön. Minulla on usein käytössä tämä laskuri https://sengpielaudio.com/calculator-Lpad.htm.
Bassolla aloitettiin sarjaan kytkettävästä kelasta, joka päästää bassoalueen elementille muuttumattomana ja vaimentaa korkeampia taajuuksia sopivasti. Nyt vastaavasti diskantin kanssa kytketään sarjaan kondensaattori, joka päästää korkeimmat taajuudet lävitseen elementille, mutta vaimentaa matalampia.
Nyt kun jakotaajuusalue on oikealla hehtaarilla, vaimennetaan ylimmät taajuudet samalle voimakkuudella. Tequilan kanssa käytetään tyypillisesti suolaa ja sitruunaa. Jos sinulla on kahvikupillinen suolaa suussa, sitruunasiivu ei enää juuri tunnu. Ja vastaavasti jos sinulla on kokonainen sitruuna suussa pureskeltavana, pieni suolanuolaisu ei sen läpi paljoa maistu.
Kondensaattorin perään kytketään vastus lisukkeeksi ja koska kondensaattori vaikuttaa jo runsaasti 2kHz alueella, pienehkö vastus sen perässä ei tee sinne paljon mitään vaan vaikutus näkyy ylempänä, jossa kondensaattorilla ei ole vaikutusta.
Diskantin taso näyttää kuitenkin tasoltaan tipan vaimealta kautta linjan. Pykälän isompi kondensaattori ja pykälän pienempi vastus nostavat tasoa sopivasti.
Kolmas vaihe, varsinaiset jakosuodot
Nyt kun sekä basson että diskantin taajuusvasteet ovat jotakuinkin halutun muotoiset, tässä tapauksessa vaakasuorat, ja samalla voimakkuudella, siirrytään sovittamaan elementtien vasteet toisiinsa eli tehdään ne varsinaiset jakosuodot.
Sarjassa olevan kelan lisäksi bassolle kytketään elementin rinnalle tuleva kondensaattori. Sarjakela vaimentaa korkeita taajuuksia ja elementin rinnalla oleva kondensaattori päästää korkeita taajuuksia lävitseen helpommin, mitä kulkisivat bassoelementin puhekelan läpi. Näin syntyy toisen asteen suoto, jossa korkeat taajuudet vaimenevat entistä selkeämmin.
Harmaa kuvaaja on pelkkä 1.2mH kela basson kanssa sarjassa ja mittauksista näkee hyvin, miten lisäksi kytkettävä kondensaattori nostaa tasoa jakotaajuusalueen alapuolella. Tähän viitattiinkin jo aikaisemmin sillä, että kelan arvoa pitää myöhemmin suurentaa.
1.2mH kelan korvaaminen 1.8mH kelalla oikaisee vastetta paremmin vaakasuoraksi kun kondensaattori on mukana ja tästä päästään jatkamaan diskantin jakosuotoon.
Diskantin sarjakondensaattori vaimentaa matalia taajuuksia ja kun elementin rinnalle kytketään kela, josta matalat taajuudet pääsevät läpi helpommin kuin diskantin puhekelasta, saadaan jälleen toisen asteen suoto, jossa matalat vaimenevat entistä voimakkaammin. Ja taas tapahtuu myös se, että kelan lisäys aiheuttaa tarpeen säätää sarjakondensaattoria.
Nyt meillä on basson ja diskantin taajuusvasteet, jotka näyttävät olevan samalla voimakkuudella, tasapainoisia ja jakotaajuus asettuu halutulle 2kHz kohdalle. Jakosuotimet muuttavat vaihetta ja diskantin suuntain siirtää elementin akustista keskipistettä taaemmas. Joskus basso ja diskantti samassa vaiheessa tuottaa tasaisen taajuusvasteen ja joskus taas diskantin vaiheen kääntäminen on oikea ratkaisu. Mikäli siistin näköisillä elementtien vasteilla jakoalueelle jää syvä kuoppa, on akustinen vaihe elementtien välillä väärä ja kannattaa kääntää diskantin napaisuus. Tässä tapauksessa diskantin käännetty napaisuus tuottaa siistin lopputuloksen.
Tämä on vain yksi esimerkki terveen hyvä-äänisen rakentamisesta. Toimii toki rakennusohjeena sellaisenaan, mutta toivottavasti herättää kiinnostusta kokeilemaan, saisiko itse suunniteltua kokonaan oman kaiuttimen, jossa jakosuodinta myöten kaikki on omaa käsialaa.
Kaiutintekniikan perusteet -sarjan muut osat:
Kaiutintekniikan perusteet osa 1, mitä kaiuttimen ulkonäöstä ja esitenumeroista voi päätellä?
Kaiutintekniikan perusteet osa 2, kotelotyypit ja kotelottomuus
Kaiutintekniikan perusteet osa 3, suuntain
Kuvat: Samu Saurama
Kommentointi suljettu.