søndag den 25. marts 2007

Delefiltre og aktive systemer.

I denne uge vil vi arbejde os videre ind i problematikken om den dynamiske højttaler. Vi vil se, at der er ganske simple metoder til at minimere ulemperne ved dynamiske højttalersystemer, som uhyre få benytter, og vi vil forsøge at vise hvorfor. Vi kan dog allerede her afsløre, at det drejer sig om penge, selv om det naturligvis aldrig er den officielle forklaring. Vi starter lidt tørt, men lover, at det senere bliver lidt mere saftigt.
Det passive delefilter, som jo findes i næsten alle højttalere, er en helt afgørende forhindring for enhver forbedring af et højttalersystem. Der er der mange grunde til, men vi vil her kun kort kunne berøre de største problemer. Det første problem er altid, at man aldrig rigtigt kan opnå den ideelle stejlhed i filtrene passivt, uden at der kommer for mange komponenter mellem forstærkeren og højttalerens svingspole.
Her forudsætter vi som altid bekendt, at man i passive filtre helt basalt opererer med stejlheder på delefiltrene, der kan være 6, 12, 18 eller 24 dB pr oktav. Et 6 dB filter er således ikke i stand til at rulle bidraget fra bassen af ret hurtigt, og samtidigt beskyttes diskant eller mellemtone dårligt mod for meget effekt. Derfor bruges det sjældent, men kan iøvrigt ellers realiseres med få kvalitetskomponenter. Det kunne have været fint, hvis det ellers ikke stillede urealistiske krav til højttalerenhederne, og hvis enhederne ellers ikke dækkede det samme frekvensområde over så stort et område, selv om der er andre løsningsmuligheder for det sidste.
Både 12 og 18 dB-filtre summerer som bekendt bidraget fra de enkelte enheder alt andet end ideelt og 24 dB sætter jo ikke mindre end 2 ekstra spoler i serie med bassen med med indlysende ulemper, så det benyttes normalt ikke, selv om det ellers elektrisk er en del mere hensigtsmæssigt. Faktisk er det med hensyn til summering af enhedernes bidrag nærmest ideelt. Det er desværre bare ligemeget i passive systemer, fordi det ikke rigtigt kan bruges.
Derudover er der helt andre problematikker i passive delefiltre end i aktiv elektronik, fordi både de anvendte spoler, kondensatorer og modstande i normale højttalere naturnødvendigt har så store tolerancer, at selv nutidens sofistikerede computerudstyr højst kan minimere virkningerne af de store komponenttolerancer, ikke løse dem.
Derudover er alle passive delefiltre selvfølgelig en uønsket reaktiv komponent i signalvejen og endda meget ofte en meget aktiv komponent og de  så kendte "induktionsfrie modstande" eksisterer desværre heller ikke udenfor fantasiens og reklamens verden.
Hvis vi kort skal summere op, er problemerne ved passive delefiltre følgende:
1. Højttalerens Q er under dårligere kontrol på grund af seriemodstand i filtret.
2. Passive filtre præsenterer forstærkerne for problematiske induktive og især kapacitive belastninger, der fremkalder ustabilitet i forstærkeren.
3. Komponenttolerancerne i filtrene er ganske store.
4. Passive filtre passer kun til en bestemt temperatur på svingspolerne.
5. Der er aldrig nogen virkelig løsning i passive systemer på justering af fasen mellem de enkelte højttalerenheder.
Punkt 5 og vel især punkt 4 fører os uundgåeligt over i næste del af ugens emne, nemlig den aktive løsning. Der er nemlig absolut ingen muligheder for at afhjælpe punkt 5 effektivt i passive systemer, og der er overhovedet ingen muligheder for at gøre nogetsomhelst ved punkt 4, og det er et problem.
Vi har tidligere været inde på termisk kompression i højttalerenheder. Dette skyldes som bekendt den ganske simple fysiske kendsgerning, at kobber har en positiv temperaturkoefficient med hensyn til modstand. Når en højttaler har spillet et stykke tid med en stigning i svingspoletemperaturen til følge, passer delefrekvenserne ikke længere, fordi højttalerens impedans ikke længere er den samme som i  kold tilstand.
Designmæssigt giver det alle konstruktører det uundgåelige problem, at man har frit valg på alle hylder til at designe en højttaler med et passivt delefilter, der passer optimalt til en bestemt temperatur i svingspolen, men ikke rigtigt til nogen anden temperatur. Ingen computer kan hjælpe her. Nu er temperaturstigninger til flere hundrede grader temmeligt uundgåeligt i de fleste kommercielle systemer, da en dynamisk højttalerenhed på trods af moderne designeres lovprisninger af egen fortræffelighed stadigvæk er en akustisk generator med en effektivitet i de helt små procenter ligesom en glødelampe.
Ved bare noget der ligner moderate lydtryk afsættes der let måske 100 watt i en svingspole, og den eneste måde et gøre noget noget ved det er at køle svingspolen. Her er det faktisk underligt, at den fra hotelkøleskabe så kendte peltier-kølekrystal aldrig har fundet anvendelse, for den virker og støjer ikke. Det turde ellers være helt oplagt. Man kan selvfølgelig også anvende massive højttalerenheder med store svingspoler og snævre magnetgab, men de koster jo penge og det begrænser som bekendt altid producenternes interesse.
Aktive højttalersystemer har været anvendt i den professionelle lydbranche i mange årtier, fordi de helt fundamentalt giver bedre kontrol med bashøjttaleren for forstærkeren, fordi delefrekvenserne realiseres på liniesignalniveau. Her er det ingen kunst med rettidig ingeniøromhu at realisere en 24 dB pr. oktav deling med aktiv trinløs fasekompensation, der til evig tid må forblive en våd drøm hos designerne af rent passive systemer.
Det er også forbavsende, hvor meget lettere det er at konstruere en forstærker, der er fuldstændigt stabil i den meget forudsigelige belastning en svingspole, der tilmed opererer i et begrænset frekvensområde, udgør. Man ser her ofte en reduktion på den subjektivt særdeles irriterende intermodulationsforvrængning på op mod 20 dB.
Udover muligheden for den helt afgørende finpudsning af faselineariteten er den allermest afgørende forskel på aktive og passive systemer dog , at det aktive filter ikke frekvensmæssigt påvirkes af de uundgåelige impedansændringer i den varme svingspole. Man trækker således ikke længere delefrefrekvensen i en automat ved statiske beregninger og kan så blot håbe på, at temperaturen ikke stiger, for det gør den jo.
Det gør den naturligvis også i aktive systemer, men mindre fordi de ukontrollerede udsving bliver mindre, fordi højttalerenhedens Q ikke ændres af filtret og styringen dermed bliver bedre. At man så også ganske let i den løbende produktion af en aktiv højttaler kan justere højttalersystemet for de uundgåelige tolerancer i højttalerenhederne er en yderligere bonus.
Med hensyn til forstærkere til anvendelse i et aktivt system giver det naturligvis bunker af muligheder for designerne for at kombinere sig til en samlet kvalitet, som langt kan overgå en sædvanlig kombination af forstærker/passiv højttaler. Man kan således anvende en PWM/ICE lignende højeffektiv forstærker til bassen, fordi disse forstærkerprincipper vel strengt taget har deres største styrke der, mens en mere traditionel klasse A/B kan bruges til mellemtonen og en ren klasse A til diskanten. Så undgår man jo også at skulle vælge mellem de forskellige forstærkerprincipers ubestridelige fordele, fordi man jo ganske simpelt kan opnå det bedste af begge verdener, og så er det da forresten en del lettere at designe en stabil forstærker, der ikke behøver at skulle kunne gengive lyden inde fra en mikrobølgeovn i hifi.
Aktive højttalere har været benyttet i over 40 år, selv om de første blot var almindelige passive højttalere med indbyggede forstærkere. Her kan nævnes Rogers, Klein og Hummel og Sennheiser. I 1970-erne var der eksperimenter fra Infinity, ESS og JBL med mere eller mindre gennemførte aktive systemer men det var først finske Genelec, der tidligt lavede en egentlig 3-vejs aktiv studiemonitor sidst i 1970-erne. Den skulle vise vejen frem på godt og især ondt.
Det var nemlig allerede fra starten tydeligvis en fristelse, der var vanskelig at modstå for designerne af de aktive systemer. Man kunne nu nemlig uden problemer anvende langt billigere højttalerenheder end tidligere, fordi man jo i de aktive systemer kunne beskytte enhederne bedre og bedre udglatte oplagte designfejl i både afstemning og enheder.
Allerede de allerførste Genelec indeholdt ganske billige standardiserede Peerless-enheder, og senere hen skulle det jo ikke ligefrem gå fremad. Man gik også ganske hurtigt væk fra de første ganske futuristisk designede og akustisk fine kabinetter med en vistnok hjemmelavet bånddiskant til mere gængse kasser. Til gengæld benyttede man den relative designfrihed i de aktive systemer til stadigt at forsøge at optimere lyden af ganske billige standardenheder, og resten er som bekendt historie og Genelec blev en verdenssuccess og er det den dag i dag. Som mange andre successer er det bare ikke nødvendigvis særligt godt. Faktisk er der jo som med mange andre mærkevareproducenter ikke noget krav om den ypperligste kvalitet, det skal bare være godt på en forudsigelig måde som en IKEA-hylde af presset halm, og det er det, hvis alle skruerne altid er med. Det er de som bekendt.
Mange andre højttalerproducenter lancerede semi-aktive højttalersystemer, hvor man leverede aktive elektroniske delefiltre fra de producenter, der var blevet standard i PA-branchen, og her var BSS førende sammen med UREI. Som et kuriosum skal lige nævnes, at der samtidigt var en del engelske firmaer som NAIM, Linn og især Meridian, der samtidigt begyndte at arbejde med en aktiv udgave af deres passive højttalere. Det var dog kun Meridian, der helt dedikerede deres designafdeling til den aktive verden. Som Genelec faldt de dog allerede fra starten for fristelsen til at bruge ganske blillige standardenheder, først fra KEF og senere fra SEAS, og derfor førte de bestemt ikke kunsten for det opnåelige videre.
Den aktive højttalerløsning har naturligvis hele tiden været hæmmet af, at producenter af kvalitetshøjttalere kun sjældent besidder nogen ekspertise indenfor elektronik. Det har bl. a. været tilfældet for danske Dynaudio, der som flere andre blot leverede deres store aktive højttalere med et færdigjusteret BSS-delefilter pr. højttaler, selv om der senest er en TC-version af de aktive Dynaudio.
Andre producenter som JBL, Krell, Gamut og mange andre besidder begge kompetencer skulle man synes, så hvorfor har vi ikke  set denne naturlige integration af forstærker og højttaler, når den nu så indlysende kan betyde en afgørende forbedring af lydkvaliteten?
Det er der naturligvis en god forklaring på, som der ofte er i den kommercielle verden, nemlig at det er kunderne overhovedet ikke interesserede i. Man er jo ikke hifientusiast, hvis man ikke er på den evige jagt efter det sublime, og tænk blot hvilken rædseldfuld situation det ville være, hvis man ikke kunne komme videre. At man så måske var kommet til målet betyder ikke noget i dette rædselsscenario.
I tilfældet den aktive højttaler er det vistnok kun ATC, der åbentlys bekender sig til fordelene ved aktiv drift. Alle deres lidt større modeller findes både som aktive og passive. Eventuelle tvivlere har så mulighed for at slæbe deres referenceforstærker med og finde ud af, om den passive kan komme til at spille bedre end den aktive. Vi kan efter talrige tests godt oplyse, at det kan den ikke, og det har ikke primært noget at gøre med kvaliteten af forstærkerne eller for den sags skyld højttalerne.
Det er simpelthen er naturlov, som alle højttalerdesignere kender, men kun få vælger at stå ved, fordi det ikke er godt for business, og det er jo faktisk helt forståeligt og rimeligt. Vi kommer bare aldrig rigtigt videre på den måde, men det kan reklameteksterne jo heldigvis råde bod på, og det gør de så.
Heldigvis er du, kære læser, nu blevet meget klogere.

Etiketter:

0 kommentarer:

Send en kommentar

Abonner på Kommentarer til indlægget [Atom]

<< Start