Kapitel 13 - Ljudutstrålning från högtalare
X/Y-tekniken använder alltså mikrofoner med 8-karakteristik. Vore det en fördel att återge dessa tvåkanals inspelningar av musiken med högtalare som har 8-karaktäristik också?
Sådana högtalare har ju starka förespråkare som menar att man kommer undan de värsta problemen med rumsakustiken genom att de inte strålar åt sidorna.Det är bra att du ställer den frågan! Jag har hört den många gånger. Något logiskt samband mellan 8-mikrofoner och 8-högtalare (dipoler) finns absolut inte.
Båda har dock en "motfassida". 8-mikrofonerna plockar upp ljud bakifrån, i fel fas. 8-högtalaren genererar ljud bakåt, i motfas - av alla inspelade ljud, både de som nått mikrofonen framifrån och bakifrån!
Högtalarna är inte mikrofonernas komplement lika lite som en resonans i mikrofonen kompenseras av ytterligare en resonans i högtalarna i något register. Båda högtalarna är ju inte heller såsom mikrofonerna placerade i samma punkt och vinklade 90 grader mot varandra.Man skulle däremot kunna påstå att en invers till en X/Y- eller M/S-mikrofon är två direktstrålande högtalare placerade 90 grader isär. Eller möjligen en rundstrålande högtalare med en dipol uppepå. Eller två tätt placerade direktstrålade som ger "lobdarrningar" av skillnadssignal mellan kanalerna!
En sådan högtalare byggde jag 1974, för centerbruk, kanske lite inspirerad av Klipsh som menade att centerhögtalare var väldigt bra. Den arbetade i mitten mellan två vanliga direktstrålande bakhögtalare på några meters avstånd från varandra. Det gav fascinerande effekter men någon god "återgivning" handlade det inte om.
Jag använde den bara några dagar, men omarbetade den några år senare till bakkanalsbruk! Genom att helt enkelt ta bort monokomponenten från dess drivning, och senare även ta bort själva låda och montera elementen direkt på den tvärställda baffeln. Då blev det en ren tvärställd dipol. En sådan lösning fanns förresten beskriven i MoLt nummer 3 -93 (extranumret).
Till sist, 1996, övergav jag principen helt för att bara arbeta med multipla bakhögtalare istället, 4 - 12 stycken identiska högtalare för en, två, tre eller fyra inspelare bakkanaler. Det var nog klokt av mig tror jag.
Lika klokt som det vara dumt att jag inte gjort det tidigare. Jag konstaterade ju redan under 70-talet att multipla bakhögtalare var den bästa lösning, men, jag lät mig övertygas om att det var en lösning som var för opraktisk för att någon skulle acceptera den för hemmabruk.
Med en optimal placering av multipla bakhögtalare åstadkommer man faktiskt samma effekt som om man har en extra EX-kanal med M/S-utstrålningskaraktär som förbinder de två bakkanalerna. Skillnaden är att den sistnämnda lösningen bara fungerar bra med 5.1-programmaterial. Multipla bakkanalshögtalare däremot fungerar perfekt med alla typer av surround-signaler.
Hursomhelst, för framkanalsbruk är jag mycket tveksam till alla dipol-lösningar, utom en, som jag inte kan berätta om för det är ett pågående R&D-projekt…Att leta efter ett exakt komplement till ett par korsade 8-mikrofoner är förresten ett sisyfosarbete, eftersom X/Y-inspelningstekniken är förlustbehäftad informationsmässigt. Det går exempelvis inte att veta om ett ljud kommit framifrån eller bakifrån på inspelningen.
Det ljud som kom bakifrån vänster blir reproducerat i motfas, och hamnar dessutom i höger kanal. Både ljud som kom framifrån och bakifrån vid inspelningen hamnar framåt vid avspelningen. På så vis finns likheter med AB-teknik som dock inte växlar riktning på de bakifrån kommande ljuden. Men med X/Y-teknik förlorar man även all holografisk information, det vill säga de lägesberoende interferenser beroende på de differentiella ankomsttiderna - fas/tidsinformation från ljudbilden. Båda mikrofonerna är ju placerade i samma punkt om det är en ren X/Y-inspelning.
Dessutom genererar alltså dipolhögtalare, liksom helt rundstrålande högtalare, ljud bakåt. I hela frekvensområdet studsas ljud i väggen bakom högtalaren - den vägg som ju inspelningen uppspelad skall substituera! Inte så lyckat. Väggen bakom högtalarna får inte höras, men det gör den garanterat om det studsar kraftiga ljud i den.
Just dipolhögtalare genererar dock en motfasvariant av de inspelade ljuden, vilket är en "onaturlig" signal att skicka ut i lyssningsrummet. Starka motfasspeglingar förekommer ju inte alls naturligt. Dessutom är det reflexen i väggen bakom högtalarna som dominerar när man använder dipolhögtalare. Alltså den minst önskade av alla reflektioner.Men, man bör förstås diskutera dessa saker ur ett psykoakustiskt perspektiv och inte ur ett filosofiskt.
Då kommer man fram till att det inte är så allvarligt att "onaturliga" motfasljud skapas från dipolers baksida. Vi upplever dem nämligen inte väsentligt annorlunda än ifasljud. Åtminstone om de är tillräckligt fördröjda för att inte bredbandigt släcka ut de korrekta ifasljuden. Däremot är det givetvis, även sett ur psykoakustisk synvinkel, alltid en återgivningsdefekt att ljuden är starka och bredbandiga och studsar i väggen bakom högtalaren, där det inte borde finnas någon upplevelse av ytterligare en vägg!Ur psykoakustiskt perspektiv blir även den "fördel" du tar upp i din fråga ifrågasättbar - att högtalarna inte låter sidledes.
Det leder ju till att reflexionerna från sidoväggarna försvinner, trots att hörseln förväntar sig att få höra reflexerna från sidoväggen när det finns andra akustiska ledtrådar till att vår lyssningsloge är beskaffad på så vis att sidoväggsreflexer borde finnas! Det gör de ju i alla normala vardagsrum. Även i livesammanhang reflekterar ju sidoväggar i lyssnarens närmiljö.
Om sidoväggsreflexerna är störande, vilket de kan vara, bör de alltså bekämpas med rumsakustiska medel snarare än genom att använda en högtalare som inte strålar utåt.
Hur man än ser det är dipolhögtalare inte puristiska högtalare. De är svåra att försvara som monitorer. De är inte goda återgivare annat än möjligtvis avlyssnade utomhus. Men det hindrar ju inte att man kan "tycka om dem". Man behöver ju inte vara purist! Många tycker att dipolhögtalare låter utmärkt. Jag tillhör dock inte den gruppen. Jag gör det definitivt inte om vi pratar om högtalare som är dipoler i hela arbetsregistret 20 - 20 000 Hz.
Hur skall då en högtalare "idealiskt" stråla ljud?
Något avancerat absolut svar på frågan finns inte. Ej heller något enkelt svar som är till alla delar korrekt. Men jag vågar mig nog på att påstå att en mer eller mindre njurformad utstrålning ofta är ganska så idealisk.
Gärna lite bredare lob vid låga frekvenser och avsmalnande mot högre frekvenser så att inte reflekterat ljud, jämfört med direktljudet, blir ljusare i klangen än direktljudet, så att det bländar lyssnarens hörsel.
Man kan förstås komplettera en sålunda strålande högtalare med en justerbar diffusstrålare vid högre frekvenser. Då går det att finna en balans mellan direkt och reflekterat ljud som fungerar i varje normalt rum. Men nota bene: Det skall vara en diffusstrålare som inte ger någon direktstuds i bakväggen. En extra diskant på högtalarens baksida duger alltså inte alls!
Vad som är en optimal utstrålning är dock väldigt beroende av förutsättningarna. Ju större lokal desto mera riktad strålning behövs. Om vi talar om en högtalare för återgivning av två- eller flerkanaliga musikinspelningar inomhus i rum mellan 20 och 80 m² tror jag att det är rimligt att hävda att njurliknande utstrålning är optimal om man vill att det skall bli så likt originalljudhändelsen som möjligt. Men det finns en rad viktiga reservationer som kan användas som argument mot att använda en helt frekvensoberoende njurstrålade:1. En njurhögtalare, liksom en dipol, uppvisar olika tonkurva i basområdet på olika avlyssningsavstånd. Av fysikaliska skäl blir en njurstrålare också mekaniskt ineffektiv vid låga frekvenser. Dock betydligt bättre än en dipol.
2. Vid extremt låga frekvenser (< 30 Hz) är endast fullständigt rundstrålande källor effektiva. När ½ våglängden (> 5,5 meter) inte lägre får plats i ett normalt bostadsrum kommer nästan all riktad energi att vara bortkastad.
3. Dessutom är det helt meningslöst att använda riktade högtalare i registret under rummets resonansfrekvenser - eftersom inga resonanser finns att undertrycka!
4. Människans hörsel har egenskaper som gör att stereosystemfelen yttrar sig väldigt tydligt illa om högtalarnas övre mellanregisterområdet uppvisar vissa olämpliga utstrålningsmönster. Man bör med alla medel undvika dessa utstrålningsmönster. Ökad riktverkan i registret runt 3 -4 kHz är till exempel något man bör undvika. Ytterörat bör nämligen inte utsättas för ljud i det frekvensområdet bara i två riktningar (direkt från högtalarna).
Man kan faktiskt, om man vet hur man gör, åstadkomma väsentligt förbättrad fantom-projektion mellan högtalarna genom att noggrant utforma högtalarens strålningsmönster. Alltså jämfört med högtalare med helt frekvensoberoende spridning.
Man kan till och med göra en liten "stereosystemkorrigeringsmatris" som man kopplar in före högtalarna. Egentligen skall den förstås användas redan i inspelningsled så att man inte riskerar att korrigera två gånger.
Spridning från högtalare är ett stort ämne…
Ja, en högtalare är ju inte såsom en förstärkare en apparat med bara en insignal och en utsignal. Högtalarnas utsignaler är legio och utbreder sig i tre dimensioner och måste i frekvens- och amplitudplanet formas mycket noggrant i alla dessa rumsdimensioner för att maximalt återställa inspelningens händelseförlopp, i tiden och rummet.
De här effekterna har snarare audiologiska orsaker än psykoakustiska, men av patentskäl kan jag inte gå in mera på dem i detalj. Just nu. Jag håller på med ett projekt där de kan komma att få betydelse.
Hur strålar en "normal" högtalare?
När man kommer upp en liten bit i frekvens, och om man struntar helt i det allra högsta registret där det inte brukar se så roligt ut, så uppvisar de flesta högtalare faktiskt just en ganska njurliknande karakteristik! Sålunda är förutsättningarna inte så dåliga.
Däremot har de förstås mer eller mindre stora störningar i delningsområdena - som får mer eller mindre ödesdigra konsekvenser för hur man uppfattar högtalarens ljud. Kanske är högtalares spridningsegenskaper, näst rummets inverkan, de mest undervärderade felen i hifi-kedjan?
Vid låga frekvenser är normala högtalare helt rundstrålande om de placeras fritt i rummet. Placeras de nära rumshörn måste hörnet räknas som en del av högtalaren och då ökar andelen direktljud, och dessutom ökar både verkningsgrad och maxmal ljudtrycksförmåga i basområdet.
Hörnplacering har alltså vissa påtagliga fördelar i basområdet, men brukar leda till katastrof för det högre frekvensregistret, så det går i praktiken inte att placera normala högtalare i hörn om man vill att de skall bli välljudande. Dessutom är det ju inte alls säkert att det finns några hörn som sitter på lämpliga ställen i förhållande till lyssningsplatsen.
Hur åstadkommer man bäst optimala spridningsegenskaper vid alla frekvenser?
Vill man utnyttja hörnplacering kräver det ett nytt koncept - högtalarsystemet måste delas upp i två olika delar, för höga respektive låga frekvenser - sidosystem och basmoduler. Dessutom följer med hörnplacering en mängd nackdelar. Men de är inte oöverstigliga.
Det går annars att bygga högtalare som är "njurstrålare" även vid lägre frekvenser, även fritt placerade, men de blir mekaniskt ineffektiva så det blir ganska speciella konstruktioner om de skall pumpa tillräckligt med luft.
Berätta mer
Jag byggde för kanske 15 år sedan en basnjurstrålare som använde 16 stycken 8"-element per låda. Trots det var det ganska smidiga konstruktioner. De var inte speciellt tunga och var trots 16 drivelement bara 32 cm breda, 120 höga och drygt 70 cm djupa. Fast vid mycket låga frekvenser var de snarare dipoler än njurar. Bakom varje element satt det en nogsamt dämpad, med täckjacksfoder faktiskt, fördröjningsledning avsedd att skapa maximal utsläckning rakt bakåt. Dock frekvensberoende förstås.
En kul grej var att lådorna var förvånansvärt lätta. De vägde bara 35 kg styck trots mångfalden element och den trots allt över en meter höga lådan. Dessutom var konstruktionen helt vibrationsfri!
Man kunde stacka två på varandra om man hade mer än 2,4 meter i tak. Trots att lådorna alltså var avsedda att placeras fritt i rummet gav de samma förhållande mellan direkt och reflekterat ljud som en hörnplacerad högtalare. En högtalare av den typen kan eventuellt vara ett bra sätt att realisera basdelen i ett fullregistersystem som måste placeras fritt i rummet, långt innanför rumsellipsen, eftersom just basen blir så rumsberoende i vanliga högtalare. Min uppfattning är emellertid att det går att åstadkomma ännu bättre utstrålningsmönster i basregistret genom att göra utstrålningen frekvensberoende på ett psykoskustiskt lämpligt sätt.
Anders Eriksson, vår projektledare för LTS-försteget, har förresten hittat på något närbesläktat som möjligen kan vara ännu finurligare än en njurhögtalare, nämligen en "halvfältshögtalare". Verkar faktiskt fungera, tror jag.
Jag har tittat på de mätningar han gjort på den men har inte själv räknat eller mätt på den. Konstruktionen är tänkt att generera ett ännu mera styrt strålningsmönster än en njure, nämligen ett som gör det helt tyst överallt bakom högtalaren. Jag har inte heller hört högtalarna, men de lider naturligtvis, av naturnödvändighet, av samma mekaniskt dåliga verkningsgrad som alla riktade högtalare - membranrörelserna vid mycket låga frekvenser blir stora i förhållande till ljudtrycket.Hursomhelst tror jag inte att det finns någon helig graal i högtalarutstrålningsfrågan. Jag tycker inte om låtsasaxiom. Axiomatiska påståenden används nästan alltid för att den som kommer med dem vill slippa förklara. Det är enklare att bara påstå: "det är ju på det viset att…"
Den som kommer fram till att högtalare måste vara av en väldigt bestämd riktningskaraktär kan näppeligen kallas för en vetenskapsman. Med det menar jag inte att det är fel att vara förespråkare för ett viss utstrålningsmönster hos högtalaren, jag menar att svaret på frågan om vilket utstrålningsmönster som är bäst inte är generellt - det beror helt på vad högtalaren skall användas till.
Hur undersöker man då bäst hur en högtalare skall stråla?
Jag vet inte hur man gör det bäst, men jag kan ju berätta hur jag har gjort för att bilda mig en uppfattning.
Jag gjorde, efter njurstrålaren med 16 stycken 8" basar jag nämnde tidigare, kanske ett år efteråt, alltså för 14 år sedan, en rolig bashögtalare som bestod av två delar, ihopbyggda. Dels en dipolhögtalare bestyckad med fyra 12" basar och dels en helt rundstrålande högtalare, en 12" bas i sluten låda med första ordningens HP-seriefilter. Båda systemhalvorna var alltså tredje ordningens system. De drevs av varsin förstärkare och hade dessutom varsitt elektroniskt delningsfilter som kunde tonkontrolleras oberoende av varandra.
Vitsen med arrangemanget var att man genom att kombinera de två sammanbyggda bassystemen kunde åstadkomma ett system med valfri riktningskarakteristika. Genom av välja olika tonkurva på de två bassystemen kunde man dessutom ge det kombinerade systemet olika spridning vid olika frekvenser.
Jag gjorde en mängd olika experiment med detta system och tyckte att jag lärde mig mycket. Men det fick mig även att fundera på vad man egentligen menar med begreppet "återgivning". Följande iakttagelse var speciellt intressant:
Ju större riktverkan jag gav systemet, desto tydligare och mer artikulerad upplevdes basen, störst riktverkan fick man när man närmade sig supernjure. Man kan alltså lätt tro att mer riktverkan alltid måste vara bättre - korrektare återgivning. Men är det verkligen sant? Sanningen är nog den att man utan vidare kan "överfokusera" basen så att den upplevs onaturligt tydlig i det använda lyssningsrummet. Det kan börja låta hörlurar - "ljud i huvudet".
Vad jag menar med "onaturligt tydlig" är alltså att levande musiker som spelat i den aktuella "lyssningslogen" hade låtit mindre artikulerade än högtalarna gör. Enligt min definition är en maximalt artikulerad men överfokuserad återgivningen dålig.Jag kom fram till att två fritt placerad basdelar lät naturligast då de strålade som njurar vid 150 Hz, halvnjurar (-6 dB vid -180 grader) vid 60 Hz och var nästan helt rundstrålande under 30 Hz. Ungefär samma beteende som man får från två hörnplacerade basmoduler, eller från två fritt placerade rundstrålande högtalare med att par extra basar bakom för att "fylla i" utsläckningarna på grund av effekten från bakväggsreflexen.
Jag gjorde till sist en specialversion med sex 8" basar och två 12" basar. Elementen var konfigurerade på så vis att längst till vänster satt det tre åttatummare i rad ovanför varandra, i slutna lådor, därefter satt de två tolvtummarna ovanför varandra i mitten av lådan, i öppen baffel. De resterande tre åttatummarna satt längst till höger, i slutna lådor.
Den mycket speciella basmodulens spridningsegenskaper gick att ställa in i två lägen utan att tillgripa dubbla förstärkare. Basmodulen behövde bara en förstärkare för att drivas, fast jag delade den naturligtvis aktivt mot huvudsystemet.
Det var en alldeles utmärkt högtalare som dock var fruktansvärt anskrämlig estetiskt. Den var 80 cm hög, lika bred, nära 40 cm djup och tung som bara attan. Kanske kan funktionalistiska saker bli fula ändå…
Jag kom väl fram till att bashögtalaren, trots övertygande ljudkvalitet, var svår att föredra. Dess fördelar var bara uppenbara tillsammans med stora hornsystem som arbetade över 200 Hz, eller om man absolut krävde maximalt friplacerade högtalare, vilket i sig har sina nackdelar möbleringstekniskt i alla utom mycket stora rum.
Men för den som har ett stort rum, älskar hornsystem, kräver högsta tänkbara ljudkvalitet och har tjock plånbok…Jag kan förstås bygga dem på beställning.