Subwooferin tehtävä on muuttaa vahvistimen tuottama tasoltaan ja taajuudeltaan monimutkaisesti vaihteleva vaihtosähkö mahdollisimman autenttiseksi äänenpaineeksi. Subwooferin onnistumista tehtävässään voidaan kuunnella subjektiivisesti äänenlaatuna tai mitata äänenpaineena. Tämä akustinen puoli on monelle tutumpi. Vahvistimen näkemään subwooferin sähköiseen puoleen ei kovinkaan moni ole perehtynyt.
Teksti ja kuvat: Harto Viljamaa
Kaiutinelementti on sähkömekaaninen muunnin. Sen tehtävä on muuttaa sähköinen teho mekaaniseksi liikkeeksi ja sitä kautta akustiseksi tehoksi eli äänenpaineeksi. Elementin mekaaniset ominaisuudet näkyvät sähköiselle puolelle. Eri taajuuksilla samansuuruinen jännite saa erisuuruisen virran kulkemaan kaiutinelementin puhekelan läpi. Teho on jännitteen ja virran tulo. Vakiojännite ja suuruudeltaan vaihteleva virta tarkoittavat vaihtelevan suuruista tehoa. Mittaamalla samanaikaisesti jännitteen ja virran saamme mitattua kaiuttimeen eri taajuuksilla menevän tehon. Mikäli mittaamme jännitteen ja virran erillisillä mittareilla, saamme mitattua vain näennäistehon suuruuden. Nämä volttiampeerit eivät kerro, paljonko tehoa kaiuttimessa oikeasti muuttuu lämmöksi. Emme saa mitattua tehon vaihekulmaa. Vaihekulman perusteella laskettu tehokerroin cos φ kertoo meille, mikä osa näennäistehosta on pätötehoa, eli reaalista tehoa ja mikä osa on loistehoa. Impedanssi tarkoittaa jännitteen ja virran suhdetta. Koska vakiojännitteellä kaiutinelementin läpi menevä virta riippuu taajuudesta, myös kaiutinelementin impedanssi riippuu taajuudesta. Koska impedanssi on kääntäen verrannollinen virtaan, niin taajuudella, jolla kulkee suuri virta, impedanssi on pieni. Piirrettäessä impedanssin arvot ja vaihekulma eri taajuuksilla saadaan kuvaaja, jota kutsutaan impedanssivasteeksi. Impedanssivasteista voidaan laskea elementin Thiele/Small-parametrit, joita voidaan käyttää suunniteltaessa kyseiselle elementille koteloa. Impedanssivasteesta voidaan laskea myös impedanssikertoimet eri taajuuksille. Taajuudella mitatun impedanssin arvo jaetaan elementin kelan resistanssilla ja näin saadaan impedanssikerroin kyseisellä taajuudella.
Elementin impedanssivaste suljetussa kotelossa
Kun elementti asennetaan suljettuun koteloon, elementin kartio liikkuessaan puristaa ja laajentaa kotelon ilmamäärää. Se ei tapahdu ilman voimaa. Kotelon ilmatila käyttäytyy jousen tavoin. Lisääntynyt jousivoima nostaa elementin resonanssitaajuutta. Pienemmän kotelon pienempi ilmamäärä muodostaa jäykemmän jousen kuin suuren kotelon. Elementin resonanssi nousee siis pienemmässä kotelossa enemmän kuin suuremmassa. Paine tuottaa pinta-alaan verrannollisen voiman. Isompaan kartioon kohdistuu suurempi jousivoima kuin pieneen. Siksi suurempi kaiutinelementti vaatii toimiakseen useimmiten suuremman kotelon kuin pieni. Suljetulla kotelolla ei ole viritystaajuutta.
Elementin impedanssivaste refleksikotelossa
Kun suljettuun koteloon tehdään aukko, saadaan refleksikotelo. Aukossa olevan ilman massa ja kotelon ilman kokoonpuristumisen muodostavat jousimassavärähtelijän. Värähtelijän resonanssitaajuutta kutsutaan kotelon viritystaajuudeksi. Sen resonanssitaajuus riippuu aukon koosta ja pituudesta sekä kotelon tilavuudesta. Usein aukko korvataan pinta-alaltaan ja pituudeltaan suuremmalla refleksiputkella. Resonanssitaajuudella ja sen ympäristössä värähtelevä ilmamassa liikkuu samaan suuntaan kuin elementin kartio. Tämä aiheuttaa koteloon kartion liikettä jarruttavan vastapaineen. Refleksikotelon viritystaajuudella vastapaine on suurempi kuin suljetussa kotelossa. Kartion liikepoikkeama jää resonanssitaajuudella huomattavasti pienemmäksi kuin se jäisi ilman refleksiputkea. Pienentynyt kartion liikepoikkeama näkyy impedanssivasteessa minimikohtana. Refleksiputken aiheuttama impedanssiminimi yhdistettynä suljetun kotelon impedanssipiikkiin saa aikaan kaksi matalampaa impedanssihuippua ja niiden välissä olevan impedanssiminimin. Viritystaajuutta huomattavasti matalammilla taajuuksilla refleksikotelon kyky kontrolloida kartion liikettä vähenee. Alempi impedanssin maksimi johtuu viritystaajuuden alapuolella kasvaneesta liikepoikkeamasta. Viritystaajuuden yläpuolella sekä refleksiputki että kartio tuottavat ääntä. Parhaimman jänniteherkkyyden taajuudella kartio liikkuu reippaasti ja impedanssi on mukavan korkea. Elementille voidaan syöttää korkea jännite ja saavuttaa erityisen suuri äänenpaine puhekelan palamatta. Useilla bandpass-tyyppisillä koteloilla impedanssin minimi osuu maksimiherkkyyden kanssa samalle taajuudelle. Tällöin ei edellä mainittua ihannetilannetta pystytä hyödyntämään.
Huomioita muista impedanssivasteista
Yleistettynä pätee; resonanssi = korkea impedanssi, viritystaajuus = matala impedanssi. Matalan impedanssin saa aikaan mikä vaan kartion liikettä jarruttava tekijä. Vaimennettu freeair on hyvä erimerkki. Kartion liikuttama ilma pakotetaan kulkemaan vaimennusainekerroksen läpi. Oikein mitoitettu vaimennusaine saa elementin resonanssin katoamaan. Impedanssivaste on hyvin tasainen ja matala. Valitettavasti vaimennusaineen ilmavirtaa ja kartionliikettä vaimentavan vaikutuksen vuoksi myös herkkyys on hyvin matala. Paljon tehokkaampi tapa tuottaa ääntä on torvikaiutin. Torvi toimii impedanssimuuntimena värähtelevän pinnan ja ulkoilman välillä. Kartio tai kalvo kytkeytyy torven välityksellä ulkoilmaan niin tehokkaasti, että liikepoikkeama jää erittäin pieneksi. Hyvin mitoitetussa torvikotelossa on koko käytettävällä taajuusalueella tällainen tilanne. Impedanssivaste on hyvin tasainen ja suuruudeltaan hyvin lähellä elementin resistanssia. Impedanssin vaihekulma on myös hyvin pieni. Tämä mahdollistaa tehon välittämisen vahvistimelta elementille hyvällä hyötysuhteella.
Auton vaikutus koteloidun elementin impedanssivasteeseen
Asennettaessa elementti koteloon käytetyn kotelon ominaisuudet vaikuttavat elementin mekaaniseen käyttäytymiseen. Nämä vaikutukset ovat nähtävissä elementin impedanssivasteesta. Äänenpaine on ilmanpaineen pientä vaihtelua. Harvoin tulemme ajatelleeksi, että tämä pieni paineenvaihtelu kykenee vaikuttamaan myös toiseen suuntaan. Tästä johtuen myös ympäristö, mihin elementti koteloineen on sijoitettu, vaikuttaa elementin impedanssikäyttäytymiseen. Auton kori on ystävämme. Korin rajallinen ilmatila parantaa valtavasti subwooferin herkkyyttä. Samoin toimivat lähellä kartiota olevat rajapinnat. Autossa bassotaajuuksilla saavutettavat herkkyydet ovat kovia jopa verrattuna torvikaiuttimien herkkyyteen. Herkkyys saattaa olla jopa 120 dB/W luokkaa. Joissain tilanteissa autossa oleva elementti näyttää impedanssivasteen perusteella käyttäytyvän lähes samoin kuin se olisi torvessa. Auton korin aiheuttama kartion liikettä vastustava akustinen kuorma näkyy laajalla alueella laskeneena impedanssina. Autohifisteinä meillä on elementin ympärillä myös hyvin haasteellinen ympäristö. Subwoofer autossa on kotelo kotelossa. Tiiviissä sedanin takaluukussa oleva subwoofer on kotelo kotelossa, joka on kotelossa. Auton kori on laadultaan huono kotelo. Se sekä vuotaa että resonoi. Lisäksi auton sisätila ei ole aallonpituuteen nähden pieni. Tämä tarkoittaa, että autoon voi ja muodostuu seisovia aaltoja. Sähköiselle puolelle välittyvät monet näistä akustisen puolen asioista. Seisovat aallot ja korin sekä kotelon resonanssit voivat näkyä impedanssivasteen piikkeinä ja kuoppina.
Pohdintoja
Suorittamani mittaukset herättivät monelta osin enemmän kysymyksiä kuin sain vastauksia. Suoritin mittaukset useilla tasoilla aina 5 dB:n tason nostoin. Kaikissa mittauksissa en voinut elementin rikkoutumisen pelossa suorittaa mittauksia korkeimmilla tasoilla. Mittaustulokset ovat pääosin yhdestä ja samasta bassoelementistä tai sen identtisistä osista mitattuja. Ainoastaan kuvassa, jossa on kahden eri elementin vasteet ilman koteloa, kumpikin elementti on ollut eri. Elementtien tai auton epälineaarinen käytös ei tullut yllätyksenä. Merkkejä oli ollut nähtävissä jo aiemmissa testeissä. Aiemmissa mittauksissa oli esimerkiksi havaittu elementin resonanssitaajuudessa suuria eroja riippuen käytettävästä mittaustasosta. Oletin, että olisin saanut laskettua elementin T/S-parametrit eri jännitetasoilla. Valitettavasti käyttämäni ohjelma REW5.1 olisi tarvinnut laskentaan impedanssivasteen laajemmalta taajuusalueelta. Käyttämäni kalusto ei kuitenkaan mahdollistanut tätä. Kalustoa tai kytkentää en tuo tähän esiin. Puutteet ovat sen verran merkittäviä, että en enää vastaavia valitsisi käyttöön. Tulokset ovat vertailukelpoisia ainoastaan keskenään. Vertailukelpoisuutta muihin mittaustuloksiin en takaa. Annan tässä varoituksen REW:n ominaisuuksista. Ohjelmassa suoritetaan äänikortin kalibrointi. Kalibrointi vaikuttaa lähtevään signaaliin. Äänikortin sisääntulon reilu vaimennus bassopäässä aiheuttaa lähtevään signaaliin reilun bassokorostuksen. Jos käytössä olevan äänikortin sisääntulossa sattuu olemaan vaikkapa 20 dB:n vaimennus 15 hertsin kohdalla, ohjelma korjaa vaimennuksen korostamalla 20 dB:ä vastaavaa taajuutta. Mahtaa pientä laajakaistaa ihmetyttää 90 dB:n tasolla tehtävässä vastemittauksessa, kun bassoilla elementille annetaankin kyytiä 110 dB:n tasoa vastaavasti.
Mittausten tekemistä voi suositella tietyin varauksin. Parantunutta äänenlaatua tai lisääntynyttä äänenpainetta mittaaminen ei takaa. Joitain ongelmakohtia mittauksista voi selvitä. Esimerkiksi kaiuttimen asennuspaneelin resonointi näkyy impedanssivasteen mutkina. Tosin käytettävissä täytyy olla laajemman taajuusalueen tarjoava laitteisto kuin minulla oli. Mittalaitteistoksi hankkisin monikanavaisen tietokoneeseen liitettävän oskilloskooppi/dataloggeri-modulin. Ebay:stä noita saa noin satasella. Virtojen mittaamiseksi hankkisin muutamia laitteen kanssa yhteensopivia virtapihtejä. Laitteiden ohjelmistojen tulisi valmistajien mukaan kyetä antamaan mittaustulokset taulukkolaskentaohjelmien ymmärtämässä muodossa ulos. Siitä eteenpäin pärjääkin sitten vaikka Excelillä.
Dynaaminen kaiutinelementti sähkömekaanisena muuntimena
Dynaaminen kaiutinelementti koostuu ripustuksista, kartiosta ja moottorirakenteesta. Moottori on periaatteessa kestomagneettinen lineaarimoottori. Kestomagneetti tuottaa magneettivuon, jonka raudat ohjaavat ilmarakoon mahdollisimman symmetrisesti. Tähän ilmarakoon on sijoitettuna puhekela. Kaiuttimen puhekela on käytännössä kiepeille käämittyä lankaa. Langalla on sen pituudesta ja paksuudesta riippuva resistanssi (Re). Resistanssi ei riipu taajuudesta ja sen vaihekulma on nolla. Resistanssin impedanssivaste on vaakasuora viiva. Resistanssin läpi kulkeva virta aiheuttaa resistanssin verrannollisen pätötehon.
Kelalla on kelan kierrosluvusta, halkaisijasta ja kelan pituudesta riippuva induktanssi. Induktanssin aiheuttaman induktiivisen reaktanssin arvo riippuu taajuudesta ja se kasvaa taajuuden kasvaessa. Puhtaan induktiivisen reaktanssin vaihekulma on 90 astetta. Vaihtovirralla jännitteen ja virran välillä on siis 90 asteen vaihe-ero. Induktanssin pätöteho on nolla. Logaritmisella taajuusasteikolla puhtaan induktanssin impedanssivaste on nollasta alkava nouseva käyrä. Yhdessä kelan resistanssi ja induktanssi muodostavat impedanssin, joka alkaa resistanssin suuruisena ja kasvaa taajuuden kasvaessa. Resistanssin ja induktanssin suhde määrää impedanssin vaihekulman. Vaihekulma on siis jotain nollan ja 90 asteen väliltä.
Kelan keskelle asennettu rautasydän lisää induktanssia. Kaiuttimessa rautasydämenä toimii magneettirakenteen keskipaalu. Myös magneettirakenteen ylälevy kasvattaa hieman induktanssia. Kaiutinelementin induktanssi (Le) aiheuttaa korkeampien taajuuksien vaimentumista. Tämä johtuu kasvaneen induktiivisen reaktanssin aiheuttamasta lisääntyvästä epäsovituksesta vahvistimeen. Tarjolla olevasta tehosta pienempi osa menee perille. Subwoofereiden kohdalla tämä ei yleensä ole ongelma. Käytettävät taajuudet ovat niin matalia, että induktanssin suuruudesta huolimatta induktiivinen reaktanssi pysyy siedettävänä. Kelan koosta johtuva liikkuvien osien tolkuttoman suuri massa aiheuttaa useimmiten suurempia ongelmia kuin kelan induktanssi.
Ilman kelassa kulkevaa virtaa kartio on keskiasennossa. Ripustukset keskittävät sen siihen. Kelassa kulkeva musiikkisignaalin mukaan vaihteleva vaihtovirta saa aikaan suunnaltaan ja suuruudeltaan vaihtelevan magneettikentän. Yhdessä magneettirakenteen kiinteän magneettikentän kanssa se saa aikaan suunnaltaan ja suuruudeltaan vaihtuvan voiman. Voiman suuruutta suhteessa virtaan kuvataan voimakertoimella (Bl). Syntynyt voima saa kelan liikkumaan edestakaisin. Kela liikuttaa siihen kiinnitettyä kaiuttimen kartiota. Mitä tarkemmin kela kykenee seuraamaan sähköistä signaalia, sen parempi. Monilla elementeillä on ongelmia seurata signaalia tarkasti. Tämä ilmenee kuunneltaessa puutteellisena äänenlaatuna ja mitattaessa särönä.
Kaiutin muuttaa elementtiin kytketyn vahvistimen tuottaman sähköisen signaalin mekaaniseksi liikkeeksi. Toisaalta myös mekaaninen liike muuttuu sähköiseksi signaaliksi. Kelan liike synnyttää kelaan jännitteen, jonka suuruus riippuu kelan nopeudesta. Mikäli kela liikkuu juuri oikealla nopeudella oikeaan suuntaan, syntyvä jännite on samansuuruinen kuin vahvistimen jännite. Tällöin virtaa ei kulje ollenkaan ja impedanssi on ääretön. Resonanssitaajuudella kaiutinelementissä on hyvin lähellä tämän kaltainen tilanne. Kaiuttimien liikkuvien osien massa ja ripustuksien jousivoima muodostavat jousi-massa-värähtelijän. Värähtelyä vaimentavat ainoastaan kitkavoimat ja akustinen säteily. Resonanssi näkyy vakiojännitteellä testattaessa elementin kartion lisääntyneenä liikepoikkeamana ja pienentyneenä virtana. Pienentynyt virta kertoo, että suuren liikepoikkeaman saamiseksi ei tarvita suurta tehoa. Se on tyypillistä erilaisille resonansseille. Resonanssitaajuudella impedanssivasteessa on maksimi. Impedanssihuipun korkeudesta ja muodosta voidaan määrittää elementin mekaaninen (QMs) ja sähköinen hyvyysluku (QEs) eli T/S-parametrien Q-arvot. Kuten muillakin värähtelijöillä, kaiutinelementin liikkuvilla osillakin on niille ominainen resonanssitaajuus (Fs). Mitä korkeampi on liikkuvien osien massa (MMs), sitä matalampi on resonanssitaajuus. Toisaalta mitä jäykemmät ripustukset ovat, sen korkeampi on resonanssitaajuus. Elementin ripustusten jäykkyyttä kuvaa elementin komplianssi (Cms) tai siitä johdettu ekvivalentti tilavuus (Vas).