Kapitel 6 - Dynamisk signalhantering

Vilka åtgärder har du gjort för att få högtalarna så effekttåliga och dynamiskt kapabla som möjligt?

Oj, massor! Det finns nog inte en del i det rörliga systemet som inte har stor betydelse för den dynamiska kapaciteten.
Även delningsfiltret är faktiskt betydelsefullt för dynamiken, och är mycket krävande att optimera för maximal dynamisk linjäritet, trots att delningsfilterkomponenterna som sådana inte är speciellt svåra att få dynamiskt linjära.

Jag tror att en av de viktigaste sakerna man måste göra när man skall utveckla högtalare med extrem dynamisk öppenhet är att lära sig att verkligen förstå alla distorsionsmekanismer. I detalj. Alla. Och vilken betydelse de har i förhållande till varandra.

Man kan tro att det bara finns en eller några få distorsionsmekanismer i ett högtalarelement, men verkligheten är den att det finns åtminstone ett hundratal olika. Vid olika frekvenser är det olika fenomen som bestämmer hur distorsionen yttrar sig, och det är viktigt att förstå att det hos ett högtalarelement är helt andra fenomen som dominerar distorsionen vid höga ljudtryck än vid låga.
Man bör också ha klart för sig att endast en minoritet av de distorsioner som de flesta högtalare ger ifrån sig är av typen harmonisk distorsion, eller intermodulation. Många distorsionstyper är av annat slag, ofta omöjliga att mäta med köpbar mätutrustning som alltid inriktar sig på spektralkomponenter med definierbar relation till musiksignalen.

Alla studier på högtalarelementdistorsion man har kunnat läsa om i vetenskapliga sammanhang behandlar några få, oftast bara en enda distorsionsmekanism. Nästan alltid är det dessutom bara lågnivådistorsion som avhandlas, och bara sådan som är av elektromagnetiskt, elektromotoriskt eller elektromekaniskt ursprung, och samtliga betraktas ur ett förhållandevis DC-nära perspektiv.
När jag utformar ett högtalarelement får det tidiga prototypelementet till att börja med genomgå en serie undersökningar avseende lågnivådistorsionsbetydande parametrar. Det finns många, många fler än de få som omtalas i litteraturen.
Att få lågnivådistorsionen låg och godartad är inte speciellt besvärligt även om det naturligtvis är en väl så viktig del i elementdimensioneringen. Men det är inte lågnivådistorsionen som skiljer mest mellan olika högtalarelement. Lågnivådistorsionen har i själva verket knappt några samband med de distorsionsfenomen som har mest betydelse för en högtalares dynamiska förmåga.

Det som ger de stora upplevda dynamiska förbättringarna är definitivt insatser för att minska "storsignaldistorsion", med reservation för att begreppet storsignaldistorsion är lite krystat.

Om man bortser ifrån de allra lägsta frekvenserna så är mekanismerna som har betydelse för storsignaldistorsion till övervägande delen mekaniska. Det handlar för det mesta om lokal mekanisk överstyrning, det vill säga att delar av elementens rörliga system vid lite kraftigare signalamplituder fjädrar olinjärt, eller till och med extremt olinjärt.
Dessa problem uppstår främst vid de frekvenser som uppvisar antingen resonansfenomen, eller reflektiva interferensfenomen. Märk väl att det inte behöver vara "öppna" resonanser, det vill säga sådana som syns i tonkurvan, utan det är ofta dolda resonanser, som inte ger några synliga effekter i tonkurvan, ibland inte ens i impedanskurvan. Men som likväl smalbandigt ger elementet utomordentligt bristande dynamisk förmåga.

Eftersom varken ljudhastigheten eller dämpningen är oändlig i de rörliga delarna finns det alltid massor av sådana här resonanser - i alla högtalarelement. Speciellt besvärligt brukar det vara att få styr på membran i blandmaterial, såsom till exempel papper med inblandade kolfiberbitar. Ett sådant membran kan verka styvt, men det kan lokalt vara mycket mjukt. Huruvida en olinjärt fjädrande del i ett element tvingas in i sitt olinjära område beror på om det i elementets rörliga system finns någon resonans som påfrestar svagheten - och det gör det nästan alltid vid någon frekvens.
Dynamiska kapaciteten blir ofta väldigt begränsad i de här "svaga frekvenserna". Det gäller alla element som finns att köpa. Alla. Vissa är urdåliga, andra är lite mindre dåliga. Några få är förvånansvärt bra, men chansen att småsignalparametrarna samtidigt skall passa för den applikation man har tänkt sig är inte överdrivet stor.
Så jag konstruerar alla mina egna högtalarelement. Det är inte roligt, men nödvändigt om man skall få dem precis som man vill ha dem.

Att finna en dimensionering fri från lokal mekanisk överstyrning är ett oerhört tidsödande arbete eftersom det inbegriper fysikaliska fenomen som inte kan beräknas med analytiska metoder, och simuleringar fungerar väldigt, väldigt dåligt.
Vi talar ju om ickelinjära system som dessutom är behäftade med kraftigt reaktiva karakteristika. De olinjära och linjära-men-reaktiva egenskaperna är liksom ihopvävda med varandra i ett högtalarelement. Det verkar nästan som om någon har ansträngt sig för att det inte skall vara enkelt beräkningsbart! J

 

Är det överhuvudtaget beräkningsbart?

Mnja… Partiellt. Man får beräkna så mycket som går, mäta, tänka noga och ändra. Sen mäta, eventuellt tänka och ändra igen. En iterativ process baserad på fragmentariska iterativa beräkningar… Det kan bli ganska tidskrävande.

Vissa saker går föralldel utmärkt att beräkna, men modellerna kan bli extremt komplicerade, som när man till exempel vill beräkna vågutbredningen från talspoletråden upp genom bobinen, reflexion i spidern, vidare genom membranet och sen till upphängningen där vågen delvis reflekteras och delvis absorberas.
Upphängningens form påverkar dess ögonblicksegenskaper, så beräkningarna för vad som händer med en komplex insignal, till exempel en låg och låt säga fem höga frekvenser samtidigt, går svindlande snabbt mot det oändligt komplexa om man vill beskriva skeendet noggrant.
Observera att jag här i resonemanget helt ignorerar alla de elektrodynamiska distorsionsfenomenen för att det inte skall bli för komplicerat. I verkligheten måste man förstås ha dem med i ekvationen också.
Du förstår att det inte är görligt att dimensionera högtalarelement enkom med hjälp av analytiska beräkningar. Man får skaffa sig en generell förståelse för alla förefintliga fenomen, och med den förståelsen som grund öva upp sin intuition så att den fungerar som en analog beräkningsmaskin, extremt snabb, och tillräckligt noggrann.
Det är den effektivaste metoden. Används den skickligt tar det inte många år att utforma ett riktigt bra högtalarelement. Man måste förstås använda massor av lyssning och lite mätningar också, för att verifiera att intuitionen har "räknat rätt".

Observera att jag nu talar uteslutande om sådant som har betydelse för den dynamiska förvrängningen. Dimensionera småsignalparametrarna, alltså sådana man kan utläsa i högtalarelementkataloger, gör man ju på två minuter. Förutsatt förstås att man vet vad man vill. Det kan det ju ta längre tid än två minuter att komma på ibland…
Förresten talar jag hela tiden om element med stor bandbredd. Att utforma ett element som bara skall arbeta under 80 Hz är inte så svårt. De kan ju dimensioneras så att endast basresonansen hamnar i arbetsområdet.

 

Och målet med den "dynamiska dimensioneringen" är att elementet aldrig skall komma i närheten av sitt dynamiska tak?

Exakt. Bra formulerat förresten!
I ett färdigutformat element får aldrig några strukturella detaljer under några omständigheter plasticera, det är väl självklart för alla, med de får inte heller påfrestas med belastningar väsentligt större än vad de kan hantera rimligt linjärt fjädrande.
För att uppnå detta kan man ibland behöva göra justeringar på enstaka mått så små att de knappt syns. Det kan röra sig om några tiondels millimeter.
Ibland är det viktkvoten mellan två ingående detaljer som måste justeras några procent, eller ett fjädrande material som måste justeras vad avser form, styvhet, styvhet kontra viktkvot, eller de olika materialens inre förluster.

Två estetiskt identiska bas-/mellanregisterelement kan skilja sig åt flera 100 ggr vad avser förmågan att hantera dynamiska fenomen. Mäter man det som "man brukar mäta" på högtalare kan de vara till förväxling lika varandra, men spelar man musik och lyssnar kan man bli varse att det ena elementet har ett antal "svaga frekvenser" där katastrofal distorsion uppstår redan vid några få watt så det låter bluddrigt och oartikulerat eller öronpinande orent - medan det andra klarar att hantera transienter på tusen watt och låter fortfarande obesvärat och luftigt.
Skillnaden är enorm när programmaterialet är krävande. Det är därför, menar jag, viktigt lyssna noga, och att mäta på klokare sätt än såsom "man brukar mäta". Inte minst viktigt under lyssningstest är att veta vad man gör så att man inte blandar ihop fel på inspelningen med fel i återgivningen. Vissa dynamiska fel hos högtalare kan få fula ljud på inspelningar att höras mindre, och det får man inte missta för en förbättrad återgivning.
Även filter- och låddimensioneringen har stor betydelse för en högtalares förmåga att obesvärat kunna hantera svåra insignaler, men elementets grundläggande mekaniska egenskaper är ändå det viktigaste.

 

Hur stor del av konstruerandet adresserar just dynamikegenskaper?

Tja… kanske 20 procent?
Det här med dynamiska olinjäriteter kan man ju prata om i evigheter, men totalt sätt är de ändå en liten del av alla åthävor som ingår i högtalarkonstruerandet, och egentligen är det ganska triviala saker att jobba med intellektuellt, eftersom de är tämligen endimensionella.
Problemet med olinjäriteter är att de är så många, till sin natur så olika varandra och så svåra att hitta den "sanna" orsaken till. Få enskilda uppgifter är lika tidskrävande och tråkiga som det iterativa arbetet med att hitta orsaken till, och få bukt med alla dynamiska slöjor som vill ligga i vägen för musiken - fast de var för sig är ganska triviala och endimensionella.
Men, det finns för varje högtalare som skall konstrueras, mycket större och intressantare fenomen, märkvärdigheter och problem att lösa än distorsion och dynamiska problem.

Jag har ju arbetat med egenskaperna som berör dynamisk signalbehandling i mer än 20 år och undrar förstås varför de inte tycks intressera någon annan, men jag tror att andra högtalartillverkare kommer att börja titta på dem snart. Om de börjar F/E-testa sina produkter så kommer de att märka att de borde.
Det finns verkligen en massa dynamiska artefakter att åtgärda på nästan alla högtalare på marknaden. Fast många högtalare har förstås ännu mycket värre problem, på andra områden…

Vidare till nästa kapitel.

Tillbaka till innehållsförteckningen.