Hi-Fi Skolen del 6

I del 2 af Hi-Fi Skolen så vi på højttalerens rolle i anlægget, de almindelige typer og de grundlæggende parametre. Nu går vi et spadestik dybere og kigger på, hvordan højttaleren egentlig virker. Og hvorfor det er helt uundgåeligt, at der må indgås kompromisser.

For at forstå højttaleren bedre ser vi på de forskellige typer af højttalerenheder og de kabinetter, som de normalt anbringes i. Vi ser også på de muligheder, der åbner sig, når man bygger forstærkeren ind i højttaleren.

Dynamiske højttalere

Langt de fleste højttalerenheder i verden er dynamiske højttalere. Princippet er enkelt og genialt på samme tid: En permanent magnet skaber et magnetfelt, og når der sendes strøm gennem en spole, der sidder i magnetfeltet, opstår der en elektromagnetisk kraft, der bevæger spolen – og dermed membranen, som er fastgjort til spolen. Princippet er det samme, uanset om der er tale om en 18-tommers basenhed eller en 19 millimeters domediskant. Men hvor en stor basenhed kan have en membranvandring på en centimeter eller mere, skal bevægelsen på en diskantenhed måles i brøkdele af en millimeter.

Basenheder i dynamiske højttalere har typisk kegleformede membraner, der kan flytte tilstrækkeligt med luft til at skabe dybe toner. Diskantenheder har ofte halvkugleformede membraner (domer), der kan bevæge sig hurtigt nok til de høje frekvenser. Domeformen hjælper både til en bedre spredning og gør membranen mere stabil.

Valget af materialer til højttalermembranen er kritisk. Membranen skal være stiv nok til at bevæge sig som én sammenhængende flade, men samtidig ikke så tung, at den bliver træg, når de hurtige impulser skal gengives. Derfor eksperimenterer producenterne konstant med nye materialer: aluminium, magnesium, keramik, kulfiber og specielle papirtyper. I diskantenheder kan man endda finde virkelig eksotiske materialer som beryllium og diamant.

Elektrostatiske højttalere

Hvor den dynamiske højttaler bruger magnetisme, benytter den elektrostatiske højttaler statisk elektricitet. I stedet for en kegle eller dome, der skubbes frem og tilbage, har vi en ultratynd membran (ofte kun få mikrometer tyk), der sidder mellem to perforerede metalliske plader.

Membranen udsættes for en konstant elektrisk ladning, mens de to plader skiftevis får positiv og negativ ladning i takt med musiksignalet. Den ladede membran tiltrækkes af den ene plade og frastødes af den anden, hvilket får den til at bevæge sig.

I modsætning til dynamiske højttalere, hvor kraften kun påvirker svingspolen direkte, drives membranen i en elektrostatisk højttaler over hele dens overflade. Det betyder mindre forvrængning og en utrolig præcis gengivelse, især i mellem- og diskantområdet.

Men elektrostatiske højttalere har også deres udfordringer. De kræver høj spænding for at fungere (ofte flere tusinde volt), og de store paneler kan være vanskelige at integrere i almindelige stuer. Da elektrostathøjttaleren ikke har noget kabinet, er lydniveauet i basområdet begrænset på grund af udfasning af lyden fra bagsiden. Derfor er det almindeligt, at elektrostatiske elementer kombineres med dynamiske basenheder.

Magnestatiske højttalere

Magnestatiske (også kaldt planarmagnetiske) højttalere forsøger at kombinere det bedste fra begge verdener. Her er en tynd membran påtrykt et ledende bånd, der fungerer som svingspole. Membranen bevæger sig mellem rækker af magneter, der skaber et jævnt magnetfelt.

Ligesom elektrostatiske højttalere har magnestatiske højttalere den fordel, at kraften fordeles over en stor overflade. Men de undgår problemet med høj spænding, da de fungerer ved normale forstærkerspændinger.

Magnestatiske højttalere er især populære til mellem- og diskantområdet, hvor den detaljerede og åbne lyd kommer til sin ret.

De eksotiske principper

Hi-fi-verdenen har altid tiltrukket opfindere og eksperimenterende sjæle, og der findes flere eksotiske højttalerprincipper. De her nævnte bruges normalt kun i diskantenheder, hvor der kun skal flyttes lidt luft, men hvor kravene til hurtighed er høje.

Båndhøjttalere bruger et tyndt ledende bånd, der er udspændt i et magnetfelt. Båndet fungerer både som membran og svingspole. Båndhøjttalere kan gengive utroligt fine detaljer, men er skrøbelige. Og da båndet oftest har en meget lav modstand, kræves der transformere for at tilpasse impedansen til almindelige forstærkere.

AMT-højttalere (Air Motion Transformer) ligner umiddelbart båndhøjttalere. Men membranen i dem er foldet som en harmonika, der ‘pumper’ luften ud mellem folderne. I modsætning til bånddiskanter har AMT-enheden et stort membranareal, hvilket giver mulighed for højere effektivitet og en lavere arbejdsfrekvens. Air Motion Transformeren blev opfundet af Dr. Oskar Heil, og i mange år var højttalerproducenten ESS ene om at bruge princippet. Men efter at patentet udløb, er denne type af enheder blevet så langt mere udbredte.

Piezoelektriske højttalere bruger krystaller, der ændrer form, når der påføres spænding. De er især populære til billige diskantenheder i festhøjttalere, da de er simple og robuste. Piezo-enheder kan producere høje lydtryk med lav effekt, men har et begrænset frekvensområde og ofte en hård, metallisk klang.

Plasma-højttalere skaber lyd ved at modulere en ioniseret luftsøjle. En højfrekvent gnist ioniserer luften mellem to elektroder, og musiksignalet modulerer denne ionisering, hvilket får luftsøjlen til at udvide sig og trække sig sammen. Ion-højttalere kan have fantastisk transientgengivelse, da der overhovedet ikke er nogen fysisk membran at accelerere. Men de kræver for det første et højspændingskredsløb for at fungere, og som biprodukt producerer de ozon, som er en giftig luftart.

Delefiltre

Det er så godt som umuligt at dække hele det hørbare frekvensområde med en enkelt højttalerenhed. Derfor indeholder de allerfleste højttalere to eller flere højttalerenheder, der er tilpasset de forskellige frekvensområder.

For at hver enhed kun får tildelt det frekvensområde, som den er beregnet til, bruges et delefilter. I den passive højttaler består dette filter af spoler og kondensatorer, der bortfiltrerer visse frekvenser. Der indgår også modstande til at dæmpe signalet eller tilpasse højttalerenhedernes impedans.

At forklare delefilteret mere detaljeret ville i sig selv kræve flere afsnit af Hi-Fi Skolen. Men hvor et simpelt filter kan bygges med meget få komponenter (en enkelt kondensator i serie med diskanten kan i princippet gøre det), så er delefiltre i mere avancerede højttalere ofte meget komplicerede for at korrigere for frekvens- og impedansudsving i lige præcis de enheder, der bruges i lige præcis det valgte højttalerkabinet.

Kabinettyper

Højttalerkabinettet er mindst lige så vigtigt som enhederne i det. Her handler det ikke mindst om basgengivelse. Der er en række forskellige konstruktionsprincipper. Men ét er fælles: Bas kræver plads! Når et kabinet overhovedet er nødvendigt, skyldes det, at lyden fra bagsiden af en højttalerenhed er i modfase med lyden fra forsiden. Hvis der ikke er en eller anden form for kabinet til at adskille de to, udfaser de hinanden med det resultat, at der stort set ikke kan høres nogen bas.

Det lukkede kabinet

Den lukkede højttaler – eller trykkammerhøjttaleren – er umiddelbart den simpleste at forstå. Højttalerenheden monteres i en lukket kasse. Da lydudstrålingen fra bagsiden af membranen bliver inde i kassen, sker der ingen udfasning. Men kabinettet giver begrænsninger. Luften i kabinettet fungerer som en fjeder for membranen. Jo mindre kassen er i forhold til enhedens størrelse, desto stivere bliver ‘fjederen’. Og en stivere fjedervirkning betyder en højere resonansfrekvens – og dermed mindre dybbasgengivelse.

Lukkede højttalere er kendt for at have en pæn, kontrolleret basgengivelse uden pukler. Til gengæld kræver de større kabinetter for at komme dybt ned i bassen end for eksempel basreflekskabinettet.

Basrefleks

Basreflekskabinettet har en åbning – basrefleksporten. Når kabinet og port er korrekt dimensioneret, vil porten give et tilskud i basområdet og sætte højttaleren i stand til at gengive dybere bas end i et lukket kabinet af samme størrelse.

Porten fungerer sådan, at ved resonansfrekvensen svinger luftmassen i porten i takt med udstrålingen fra basenhedens forside, så portens udstråling forstærker den samlede basgengivelse. Samtidig dæmper portens svingninger basenhedens egen bevægelse ved resonansfrekvensen.

Under resonansfrekvensen kommer porten gradvist mere og mere ud af fase, og porten bremser ikke længere basenhedens svingninger. Lydtrykket fra et basreflekskabinet falder normalt stejlt under resonansfrekvensen.

Prisen for tilskuddet i den dybeste bas kan være en dårligere impulsgengivelse end i et lukket kabinet.

Slavesystemer

I stedet for en basrefleksport kan man bruge en passiv basenhed (slaveenhed) uden magnetsystem og svingspole. Slaveenheden udfylder samme rolle som luften i porten, men da en basrefleksport ikke kan gøres ubegrænset stor og lang, er det muligt at afstemme et slavesystem til en lavere resonansfrekvens end i et system med basrefleksport.

Man kan opleve virkelig imponerende dybbas i et kompakt kabinet med slaveprincippet. Men prisen for overdrivelse kan være en mindre præcis impulsgengivelse.

Slavebas-systemer kaldes også med en dårlig oversættelse fra engelsk ‘passiv radiator’, hvilket er misvisende, da en passiv radiator er en radiator, der ikke giver varme.

Transmission line

I et transmission line-kabinet følger lyden fra bagsiden af højttalerenheden en lang, oftest foldet kanal gennem kabinettet, før den kommer ud. Kanalen er beregnet til at være en kvart bølgelængde lang ved systemets resonansfrekvens.

Princippet udnytter, at en kvartbølge-transmissionslinje transformerer en høj akustisk impedans ved den lukkede ende til lav impedans ved den åbne ende. Det betyder, at basenhedens egenresonans dæmpes og tillader en mere udstrakt frekvensgang.

I den lange labyrintgang forsinkes lyden så meget, at den ved transmissionslinjens udgang er i fase med højttalerenheden ved dybe frekvenser, hvilket forstærker basgengivelsen. Kanalen er ofte fyldt med dæmpende materiale for at kontrollere refleksioner og højere ordens resonanser.

Transmission line kan give en meget dyb og kontrolleret bas, men kræver store kabinetter og kompleks tuning.

Horn

Hornhøjttalere bruger en kegleformet ‘tragt’ til at koble højttalerenheden til luften. Hornet fungerer som en akustisk transformer, der matcher den høje impedans fra den lille højttalerenhed til luftens lave impedans. Populært sagt hjælper horntragten enheden til at gribe bedre fat i luften i rummet.

Denne impedanstransformation øger effektiviteten dramatisk – en god hornhøjttaler kan have en følsomhed på over 100 dB. Hornet kontrollerer også udstrålingsmønstret og kan koncentrere lyden i ønskede retninger.

Hornets mundingsfrekvens (den laveste frekvens, det kan arbejde ved) bestemmes af mundingsarealet. For at fungere ved lave frekvenser skal mundingen være stor. Derfor er hornkabinetter til basbrug stor set kun udbredt til PA-højttalere – og til virkelig eksotiske og kostbare high end-systemer.

Open baffle

Open baffle-højttalere er den ældste kabinettype. Hvis man kan tale om kabinet, da enhederne monteres på en åben plade (baffel). Uden kabinet er open baffle-højttaleren udsat for en stejl afrulning på grund af den akustiske kortslutning, der opstår, når lyd fra bagsiden af membranen møder lyd fra forsiden.

For at levere tilstrækkelig bas skal open baffle-højttalere derfor enten have meget store bafler eller store basenheder med lang membranvandring for at kompensere for bastabet. Til gengæld giver de åbne konstruktioner en meget naturlig og ‘luftig’ lyd uden kabinetresonanser.

Hoffmann’s Iron Law – det jernhårde kompromis

I 1976 formulerede ingeniør Josef Anton Hoffmann fra KLH højttalernes ‘grundlov’, der forklarer, hvorfor det er umuligt at bygge den perfekte højttaler.

Hoffmans lov siger, at du ikke kan få både lav nedre frekvens, høj effektivitet og lille kabinetvolumen på samme tid. Du kan maksimalt vælge to ud af tre.

Vil du have dyb bas i et lille kabinet, må du acceptere lav effektivitet (og dermed behov for meget forstærkereffekt). Vil du have høj effektivitet og dyb bas, skal kabinettet være stort. Vil du have høj effektivitet i et lille kabinet, kan du glemme alt om den dybe bas.

Dette kompromis forklarer, hvorfor der findes så mange forskellige højttalertyper. Kompakte højttalere ofrer basudvidelse for størrelsen. Store gulvhøjttalere ofrer indretningsvenlighed for fuld frekvensudbredelse. PA-højttalere ofrer lineær frekvensgang for høj effektivitet.

Hoffmann’s Iron Law kan ikke omgås – kun camoufleres. Aktiv basforstærkning, digitale korrigerings-algoritmer og avancerede kabinetkonstruktioner kan skjule kompromiserne, men de kan ikke eliminere dem.

En moderne subwoofer er et godt eksempel på forsøget på at omgå Hoffmans lov. Det er i dag muligt at finde en kompakt subwoofer, der kan gå dybt i bassen og spille ganske højt. Men det skyldes, at klasse D-forstærkere på flere tusind watt er blevet tilgængelige, sådan at man kan tillade sig at se bort fra den vanvittig lave effektivitet.

Aktive højttalere

De fleste højttalere til hi-fi-anlægget er passive. Det vil sige, at det krævee en forstærker at bringe signalet fra CD-afspiller eller pladespiller op på et niveau, der kan drive højttaleren.

Men i nogle højttalere er forstærkeren indbygget. Det giver nogle fordele og muligheder.

I en aktiv højttaler kan hver enhed få sin egen, specialtilpassede forstærker. Delingen sker elektronisk ved lavt signal-niveau, hvor den kan foretages meget præcist. Hver forstærker kan optimeres til sin specifikke enhed, og der er ingen effekttab i passive delefiltre.

Desuden kan aktive højttalere anvende digital signalbehandling (DSP) til at korrigere for enheds- og kabinet-karakteristika. Resultatet kan være en linearitet, der er umulig at opnå med passive midler.

Men der er også ulemper ved aktive højttalere: Med mere elektronik bliver højttaleren alt andet lige dyrere i indkøb. Men det udligner sig, da man sparer en ekstern forstærker. Aktive højttalere er også en alt-eller-intet-løsning, hvor den legesyge audiofile ikke har mulighed for at eksperimentere med forskellige forstærkere.

Forstærkede højttalere

Ikke alle højttalere med indbygget forstærker er ægte aktive. I den billige ende finder man højttalere, der blot er forstærkede. Det vil sige, at de har en enkelt forstærker, der driver alle enheder gennem et vanligt passivt delefilter.

Forstærkede højttalere giver praktiske fordele i form af færre kabler og matchede komponenter, men giver ikke samme mulighed for tilpasning og digital korrektion som de ægte aktive. De er dog ofte et godt kompromis for hjemmebrugere, der ønsker en enkel opsætning.

I næste del af Hi-Fi Skolen kigger vi dybere i forstærkeren, og hvordan den fungerer.