Pienikokoiset – jopa vain hieman perinteisistä diskanttielementeistä suuremmat – laajakaistaiset kaiutinelementit ovat lisänneet suosiotaan autohifiharrastajien keskuudessa viimeisten kymmenen vuoden aikana. Elementeillä on teoriassa monia kiinnostavia ja soundin suhteen positiivisia ominaisuuksia, mutta miten mutkatonta lähes koko taajuuskaistan toistaminen yhdellä kaiutinparilla käytännössä on?
Teksti: Antero Kölli ja Janne Soilakari
Laajakaistakaiuttimeksi voidaan kutsua mitä tahansa laajan toistoalueen omaavaa kaiutinta. Laakean toistokaistan omaavia kaiuttimia käytettiin äänentoiston alkuaikoina lähes yksinomaan, sillä monitieratkaisut alkoivat yleistyä vasta 60-luvulla. Kotihifin puolelta löytyy myös sähköstaattisia toteutuksia, mutta normaalisti laajakaistoista puhuttaessa tarkoitetaan kuitenkin tavallisia dynaamisia kaiutinelementtejä.
Autohifipiireissä termiä käytetään yleensä kaiuttimesta, joka pystyy toistamaan äänen keskiäänialueelta aina ihmisen kuuloalueen ylärajalle asti. Kotihifipuolella laajakaistoilla pystytään toistamaan huomattavasti laajempikin taajuusalue. Laajempi toistoalue saavutetaan suuremmalla kartiopinta-alalla tai alas viritetyillä koteloilla. Kun autoissa yleensä käytettävät laajakaistakaiuttimet ovat kooltaan 2” – 4” (vaikka on Suomessakin kilpailukentillä nähty jopa 8” laajakaistat), löytyy kotikäyttöön toteutuksia jopa 15” elementeillä.
Laajakaistan edut verrattuna normaaliin keskiääni ja diskantti -kokoonpanoon ovat teoriassa selkeät. Kun toistetaan koko äänialue yhdellä elementillä, ei elementtien väliselle jakotaajuudelle synny toistoa sotkevia vaihevirheitä. Äänikuva pysyy yhtenäisempänä ja stereokuva tarkempana. Autokäytössä saadaan helposti keskiäänialue nousemaan jalkatilasta kojelaudan päälle, kun kojelaudan yläpuolella on pelkän diskantin sijaan keskiäänialueenkin toistava laajakaista. Lisäksi yhteen kaiutunelementtiin pohjautuva pääkaiutinratkaisu on säteilylähteeltään pistemäinen ja siten erittäin hyvä.
Monitieratkaisut – esimerkiksi 3-tie etupää erillisillä diskanteilla, keskiäänisillä ja midbassoilla – saattavat integroitua hyvin vasta kun kuunteluetäisyyttä on vähän enemmän. Liian läheltä kuunneltuna äänikuva saattaa hajota, vaikka käytössä olisikin aikaviivekorjaukset. Näin käy kun eri taajuuskaistoja toistavat elementit eivät summaudu kuuloaistille yhdeksi äänilähteeksi.
Miksi laajakaistat eivät sitten ole vieläkin yleisempiä? Siksi koska ideaalista koko ihmisen kuuloalueen virheettömästi toistavaa laajakaistakaiutinta ei ole olemassa.
Autokäytön rajoitukset
Elementin alarajataajuus tarkoittaa matalinta taajuutta, jonka elementti kykenee toistamaan. Karkeasti yleistäen voidaan sanoa, että mitä suurempi kartiopinta-ala elementissä on, sitä alemmas elementin toisto yltää. Autokäytössä tämä käytännössä määrittää matalimman käyttökelpoisen ylipäästötaajuuden laajakaistaelementille, koska harvoin autossa on mahdollista asentaa järkevästi riittävän suuria laajakaistoja, että niillä voitaisiin toistaa koko äänialue aina subitaajuuksista alkaen. Niinpä autossa on yleensä laajakaistojen lisäksi erilliset midbassot ja subwoofer.
Järjestelmän kyky toistaa kaikkein korkeimmat äänet on laajakaistojen suurin haaste autossa. Korkeimmat äänet ihmisen kuuloalueen ylärajalla ja jopa kuuloalueen yläpuolella aistittavat taajuudet tuovat ääneen ilmavuutta. Jos äänestä puuttuvat korkeimmat taajuudet, soundi jää helposti “tumpuksi”. Elementin toistokaistan ylärajaan vaikuttaa mm. kartion massa. Ihmisen kuulon ylärajana pidetty 20 kHz taajuus vaatii elementin kartiolta kykyä liikkua edestakaisin 20 000 kertaa sekunnissa. Luonnollisesti, mitä raskaampi kartio on, sitä hankalampi kartion on liikkua niin nopeasti.
Kun yritetään tehdä suurella pinta-alalla varustettuja kevyitä kartioita, päädytään helposti ohuisiin, jäykkiin materiaaleihin, kuten muovi, alumiini ja erikoisemmat metallit. Ongelma näissä jäykissä materiaaleissa on korkeille taajuuksille syntyvä kartioresonanssi. Monissa elementeissä resonanssitaajuus osuu ihmisen kuuloalueelle ja se näkyy sekä kuuluu selkeänä, toistoa sotkevana piikkinä elementin taajuusvasteessa. Tällaisilla elementeillä kuuntelu voi olla hyvinkin raastavaa ilman resonanssitaajuuden vaimennusta. Kartioresonanssien hillitsemiseksi myös laajakaistan toistoa saatetaan joutua korjaamaan ylemmillä taajuuksilla toimivilla passiivisilla imupiireillä. Näin ollen kaikkia laajakaistoja ei ongelmiensa vuoksi voida käyttää ilman jakosuotimia. Raskaammilla kartiomateriaaleilla taas ylärajataajuus jää helposti alle 20 kHz:n.
Suuntauksen tärkeys
Kartioelementin suuntakuvio muuttuu taajuuden mukaan matalien taajuuksien lähes ympärisäteilevästä kuviosta korkeiden taajuuksien voimakkaasti suuntaavaan kuvioon. Jotta elementin toistamat korkeimmat taajuudet kuuluisivat kaiuttimen valmistajan tarkoittamalla tavalla, tulisi elementin olla suunnattu kohti kuuntelijan korvia. Pienikin poikkeama suuntauksessa vaikuttaa kuultavaan ylärajataajuuteen. Tämä lienee suurin syy laajakaistojen harvinaisuuteen autokäytössä. Kotona kaiuttimien suuntaaminen kohti kuuntelijaa ei monesti ole mikään ongelma, mutta autossa tilanne on toinen. Tilaa asennukseen on rajallisesti ja elementin ja kuuntelijan välissä ei saisi olla mitään ylimääräisiä heijastavia pintoja, kuten esimerkiksi rattia.
Luonnollisesti myös elementtien ympärillä olevat pinnat vaikuttavat kuuntelijan korviin saapuvaan ääneen, mutta tämä ei ole ainoastaan laajakaistojen ongelma. Autoissa on aina vasemman ja oikean puolen elementtien ympärillä erilaisia heijastavia pintoja eri kulmissa. Ellei elementtien suuntaavuutta saada hallittua, tulee kuuntelupaikalle kuuluvaan ääneen monenlaisia heijastumia, jotka jälleen sotkevat ääntä. Niinpä kilpailuautoissa on nähty jos jonkinlaista suuntainta ja vaimennusmateriaalia elementtien ympärillä.
Monesti juuri suuntauksen hankaluuden takia useissa seteissä käytetään laajakaistan lisäksi erillistä diskanttia. Kotihifipuolella tästä käytetään nimitystä superdiskantti. Nimitys lienee peräisin 60-luvulta, jolloin Bowers & Wilkins käytti DM3-mallissaan ns. superdiskanttia toistamaan ääntä “normaalin” diskantin toistoalueen yläpuolella. Erillisellä diskantilla päästään autossa eroon laajakaistojen väärän suuntauksen aiheuttamasta korkeiden taajuuksien vaimenemisesta. Tämä taas tarkoittaa, että elementtien ohjaamiseen tarvitaan enemmän vahvistinkanavia ja monipuolisempi signaaliprosessori. Niinpä moni autohifisti päätyykin mieluummin perinteiseen keskiääni + diskantti -etupäähän, kuin midbasso + laajakaista tai midbasso + laajakaista + “superdiskantti” -ratkaisuun.
Laajakaistaelementin rakenne:
- Elementin kartio on valmistettu kevyestä, ohuesta mutta myös jäykästä materiaalista, esimerkiksi alumiinista. Elementin liikkuvien osien massa vaikuttaa oleellisesti korkeimpien taajuuksien ylärajataajuuteen. Äärimmilleen kevennetty dynaaminen elementti alkaakin muistuttaa toiminnaltaan jo jossain määrin sähköstaattista kaiutinta. Lisäksi kartio saattaa olla kiinnitetty puhekelaan joustavasti, jolloin kiinnityksestä tulee tavallaan mekaaninen alipäästösuodin ja korkeimmat taajuudet eivät siirry kartioon ollenkaan.
- Ylimmällä diskanttialueella käytännössä vain puhekelaan täysin jäykästi kiinnitetty osa eli pölykuppi, tai erillinen pieni kartio, tuottavat ääntä. Optimaalinen rakenne siirtyisi mahdollisimman pehmeästi ja halutulla tavalla koko kartiolla säteilevästä asteittain vain pieneltä alueelta säteileväksi. Tässä asiassa harvoin onnistutaan täydellisesti.
- Myös kartion yläripustus on tärkeässä roolissa. Bassotoistoa varten reilunkokoinen (yleensä kuminen) ripustus mahdollistaa pitkän lineaarisen liikepoikkeaman. Laajakaistojen kohdalla taas ohut ja mahdollisesti poimutettu yläripustus auttaa kartioon syntyvien keskialueresonanssien hallinnassa. Monet valmistajat ovat pyrkineet valitsemaan ”kultaisen keskitien” näiden väliltä, joten kompromisseja tehdään suuntaan jos toiseenkin.
- Elementin puhekelan keskittävästä alaripustuksesta tehdään mahdollisimman vähän kartion liikettä vastustava. Se voidaan joissain (tosin sangen harvinaisissa) tapauksissa jättää myös kokonaan pois.
- Runkorakenteesta pyritään tekemään mahdollisimman avonainen, jotta elementti pääsee hengittämään vapaasti taaksepäin ja rungosta takaisin kartioon lähtevien haitallisten heijastuksien määrä olisi mahdollisimman vähäinen.
- Myös ns. moottorirakenteesta (puhekela ja magneetti) olisi saatava fyysisiltä mitoiltaan niin kompakti, ettei se estä elementin hengittämistä tai aiheuta liiallisia, ääntä sotkevia heijastumia kartion suuntaan. Autokäyttöä ajatellen ferriittiversiota selvästi tehokkaamman neodymium-magneetin käyttäminen on perusteltua myös asennusteknisistä näkökulmista (yhtä tehokas mutta pienempi magneetti = helpompi asentaa).