PÄÄSIVU
SISÄLLYS
ESIPUHE
NÄYTESIVUJA
JÄNNITEOHJAUKSEN VAKAVAT VIAT
SÄRÖESIMERKKEJÄ
VAHVISTINKYTKENTÖJÄ
PROJEKTEJA
> PUHDASVIRTAKAIUTIN CCS-7
> TRANSKONDUKTANSSIVAHVISTIN
> KAIUTIN CS-12
> KAIUTIN CS-8
> A-LUOKAN PÄÄTEVAHVISTIN
> SERT-VAHVISTIN
VAIMENNUKSESTA
REKISTERÖITYJÄ IDEOITA
TEKIJÄSTÄ
OTA YHTEYTTÄ
KESKUSTELE


Jänniteohjauken vakavat viat

Seuraavassa on tiivistetty katsaus niistä tärvelevistä vaikutuksista, mitä jänniteohjauksella on sähködynaamisen kaiuttimen toimintaan. Yksityiskohtainen analyysi aiheesta mittauksin ja havainnollistuksin on esitetty kirjan luvussa 4.

Tänä päivänä kaikki kaupallisesti saatavat vahvistin- ja kaiutinlaitteet toimivat jänniteohjausperiaatteella ilman merkittäviä poikkeuksia. Tämä tarkoittaa, että vahvistin toimii jännitelähteenä omaten siten pienen ulostuloimpedanssin. Näin vahvistin ikään kuin pakottaa kuormanapojen yli olevan jännitteen seuraamaan ohjelmasignaalia välittämättä lainkaan mitä kuorman läpi kulkevaksi virraksi tulee.

Kuitenkin sekä teknilliset näkökohdat että kuuntelukokemukset osoittavat selvästi, että jänniteohjaus on väärä valinta, jos äänenlaadulla on mitään merkitystä. Perussyynä on, että epäpuhtaat sähkömotoriset voimat (SMV), joita syntyy sekä puhekelan liikkeestä että induktanssista, haittaavat vakavasti kriittistä jännite/virta-muunnosta, joka jänniteohjausperiaatteessa on jätetty kaiuttimen tehtäväksi.

Ajovoima (F), joka saa kalvon liikkeelle, on verrannollinen puhekelan läpi kulkevaan virtaan kaavan

F = Bli

mukaisesti, missä tuloa Bl kutsutaan voimakertoimeksi (B = magneettivuon tiheys; l = langan pituus magneettikentässä). B on tässä se vuontiheys, joka vallitsee johtimen ollessa virraton. (Virta aiheuttaa aina oman magneettikenttänsä, joka voi reagoida lähistöllä olevan raudan kanssa, mutta ilmiö ei liity tähän yhtälöön.) Tämä voima puolestaan määrää kalvon kiihtyvyyden (a), joka päätoiminta-alueella saadaan Newtonin laista F = ma ja joka määrää säteillyn paineen.

Kaiuttimien suhteen huomattavinta tässä on se, että johtimen päiden välinen jännite ei esiinny näissä yhtälöissä missään. Toisin sanoen kaiutinelementti tottelee vain ja yksinomaan virtaa välittämättä mitä napojen välinen jännite sattuu olemaan.

Ei ole olemassa mitään pätevää syytä, miksi jännite on omaksuttu ohjaussuureeksi. Kyse on vain lähes vuosisadan takaisesta, luultavimmin halpuudesta ja yksinkertaisuudesta alkunsa saaneesta historian perinnöstä. Toiminnan laatu ja teknillinen mielekkyys eivät tässä valinnassa ole painaneet. Insinöörit ovat myös tottuneempia ajattelemaan sähköisiä signaaleja jännitteenä kuin virtana.

Ainakin hifi/high-end -yhteisön pitäisi olla kiinnostunut ja kykenevä näkemään paremmin tämän läpi, mutta valitettavasti hekin ovat ottaneet asiaintilan itsestäänselvyytenä ollen suurelta osin johdateltuja siihen erheelliseen kuvitelmaan, että tiukka jännite jotenkin 'kontrolloi' kaikkea jopa keski- ja ylätaajuuksille saakka, kun tällaiselle uskomukselle ei ole mitään todellista tieteellistä pohjaa ja voidaan selvästi osoittaa perusmallituksella ja -analyysillä, että kaikki vaimennusvaikutukset, mitä jänniteohjauksella voi olla elementin toimintaan, rajoittuvat tiukasti bassoresonanssin alueelle.

Impedanssin osatekijät

Liikkuvakelaisen elementin sähköinen sijaiskytkentä voidaan esittää vastuksen ja kahden jännitelähteen sarjaankytkentänä kuten alla. Rc kuvaa puhekelan DC-resistanssia, jännitelähde em edustaa elementin liike-SMV:tä (ns. vasta-SMV), joka lasketaan: em = Blv (v = puhekelan nopeus), ja jännitelähde ei edustaa induktanssi-SMV:tä, jonka synnyttää puhekelan häviöllinen induktanssi.

Sekä em että ei ovat alttiita moninaisille häiriötekijöille, jotka tärvelevät virran kulkua syötettäessä kuvan kytkentää jännitelähteellä.

Tyypillisen liikkuvakelaisen elementin impedanssikäyrässä nämä kaksi osatekijää, ollen lähes vastakkaisvaiheisia, peittävät suurelta osin toinen toisiaan, jolloin voi helposti erehtyä luulemaan, että em on merkityksellinen vain perusresonanssitaajuuden lähistöllä tai että ei on merkityksellinen vain korkeimmilla käyttötaajuuksilla. Tyypillisessä kartio- tai kalottielementissä em:n ja ei:n itseisarvojen summa on kuitenkin tosiasiassa koko käyttötaajuuskaistalla suuruudeltaan vähintään samaa luokkaa kuin jännitehäviö resistanssissa Rc.

jänniteohjauksen haittailmiöt

Puhekelan mikrofonitoiminta

Liikkuvakelainen elementti on kaksisuuntainen laite, joka toimii mikrofonina kaiken aikaa, haluttiinpa sitä tai ei. Siten kaikki kaiutinkotelon sisään syntyvä melu, josta tyypillisesti vielä paljon pääsee bassokartion läpi, kuvautuu puhekelaan mikrofoni-SMV:ksi. Tämä kotelomelu-SMV, johon vaikuttavat myös seinämävärähtelyt, summautuu kokonais-liike-SMV-jännitteeseen em moduloiden vastaavasti virran kulkua ja siten itse ohjaussignaalia jänniteohjatussa kaiuttimessa. Näin muodostuu huonolaatuinen takaisinkytkentälenkki, joka kierrättää vielä huonolaatuisempaa kaikumissignaalia.

Alakeskitaajuuksilla tämän kotelomelu-SMV-komponentin suuruus on jopa epäherkässä hifi-elementissä tyypillisesti useita prosentteja elementin napajännitteestä ja kasvaa herkkyyden kasvaessa niin, että vielä alle 95 dB/W arvoilla tämän melu-SMV:n osuus on reilusti päälle 10 % napajännitteestä. Tässä on myös yksi syy, miksi PA-kaiuttimet kuulostavat miltä niiden tiedetään kuulostavan, mutta kotilaitteistoissakaan häiriön suuruus ei ole mitenkään hyväksyttävissä.

Kotelomelun pääsy kartion läpi alakeskitaajuuksilla on vakava ja silti laajasti huomiotta jätetty ongelma kaikissa aikamme koteloiduissa kaiutintoteutuksissa. Asiaa voidaan auttaa kunnolla vain pakkaamalla kotelo tiukkaan suhteellisen raskaalla vaimennusaineella, kuten puuvillakankaalla, mutta aukollisissa toteutuksissa tämä ei ole mahdollista. (Huom: ns. sähköisellä vaimennuksella ei ole tässä mitään merkitystä, sillä kyse on taajuuksista, jotka ovat resonanssialueen yläpuolella.) Voidaan näyttää melko helposti, että tyypillisessä keskikokoisessa 6,5 tuuman bassolla varustetussa ja jopa verrattain hyvin vaimennetussa hifi-kaiuttimessa kartion läpäisevän kotelomelun suuruus on 300 Hz:n alueella yli 10% suoraan säteillyn äänen voimakkuudesta. Tämä tarkoittaa, että suoraan säteilevän äänen suhde vuotaneeseen koteloääneen on huonompi kuin 20 dB! Raskaalla ja huolellisella täyttämisellä tätä lukua on kuitenkin mahdollista parantaa jonnekin 40 dB:iin.

Jänniteohjatut diskanttielementit ovat myös alttiita samanlaiselle mikrofoni-SMV- takaisinkytkentähäiriölle johtuen näiden takatilaheijastuksista. Vaikutustaajuudet vaan ovat noin 20-kertaisia basso-keskiäänisiin nähden.

Ulkoinen mikrofonivaikutus

Mikrofonikytkeytymistä tapahtuu myös ulkoisesti lähekkäisten elementtien välillä, jolloin indusoituva häiriö-SMV on karkeasti kääntäen verrannollinen taajuuteen. Voimakkuudeltaan vaikutus on pienenpää kuin sisäisessä kytkeytymisessä mutta ulottuu suuremmille taajuuksille.

Nykyään varsin suosituissa koaksiaalielementeissä on myös merkittävää mikrofonikytkeytymistä ylä-ääni- ja alaääniyksikön välillä. Häiriö-SMV:n voimakkuus riippuu tässäkin vuorovaikuttavien yksiköiden herkkyysominaisuuksista, mutta lisäksi tulee myös vahva modulaatio kartion paikan mukaan.

Mekaanisten epäideaalisuuksien synnyttämät epämääräiset SMV:t

Ylimääräisiä ja hallitsemattomia sähkömotorisia voimia syntyy myös elementissä itsessään ilman ulkoista painetta. Kaikki nämä SMV:t summautuvat myös kokonais-liike-SMV:hen em ja kuvautuvat sellaisenaan jänniteohjatun kaiuttimen virtaan.

Ainakin seuraavat epäideaalisuudet pystyvät tuottamaan puhekelaan ylimääräisiä mekaanisia värähtelyjä riippumatta signaalitasosta:

- Kartion reunuksesta tapahtuvat heijastukset.

- Kalottikalvossa etenevän aaltoliikkeen palautuminen takaisin kelarungon liitokseen.

- Kartion sisäripustuksen irrallinen massa ja heijastevaikutukset.

- Kalvon aaltoilun ja irtikytkeytymisen tuoma tehollisen massan modifioituminen.

- Kartioon tietyillä taajuuksilla syntyvät kelloilmiöt (bell modes), missä kalvo muuttaa muotoaan jakautuen eri vaiheissa värähteleviin sektoreihin.

- Ilmavirtaukset rei'itetyn kelarungon sekä magneettipiirin ilmaraon läpi.

- Ferronesteen liikehdintä puhekelan ympärillä.

- Puhekelan liimausten ja kelarungon joustaminen. Taajuusalueen yläpäässä liikepoikkeamat ovat niin pieniä, että vähäinenkin periksi antaminen liimakerroksissa voi tuottaa vasteen muutoksia ja jopa hystereesiä.

- Akustisen säteilyn vaatima ilmakuormitus, joka voi varsinkin takasäteilyn osalta sisältää epäselviä piirteitä.

Virran vaihemodulaatio

Elementin impedanssin osatekijöiden geometriasta johtuen voimakertoimen Bl vaihtelu suurilla liikepoikkeamilla saa aikaan vaihtelua elementin impedanssin kulmaan erityisesti alakeskitaajuuksilla. Jänniteohjauksella tuloksena on virran vaihemodulaatiota mistä aiheutuu nopeaa taajuusvärinää eli jitteriä

Paikkariippuva puhekelan induktanssi

Puhekelan liikkuessa sisään ja ulos magneettirakenteen ilmaraossa puhekelan magneettinen reluktanssi ja siten induktanssi vaihtelee vastaavasti. Jopa laatuelementeissä tämän induktanssimodulaation aiheuttamat impedanssivaihtelut yltävät tyypillisesti +/-10%:iin ilmoitetun lineaarisen liikepoikkeaman rajoissa. Jänniteohjauksella kaikki tämä impedanssiheilunta kuvautuu suoraan virtaan tuottaen mahtavassa määrin epäharmonista säröä erityisesti yläkeskitaajuuksilla ja ylempänä.

Impedanssin virtariippuvuus

Tyypillisen kaiutinelementin puhekelainduktanssi ja siten impedanssi on voimakkaasti riippuvainen virtatasosta (mekaanisesta liikkeestä riippumatta) varsinkin toimintakaistan yläpäässä. 10%:n impedanssivaihtelukaan hetkellisen signaalitason myötä ei ole epätavallista, kuten voidaan melko helposti näyttää perusvälineillä. Kuten kaikki impedanssiheilahtelut, myös tämä siirtyy suoraan jänniteohjatun kaiuttimen signaaliin.

Raudan magneettinen karkeus

Napakappaleiden magneettinen epälineaarisuus tuottaa myös huomattavaa harmonista säröä jänniteohjatun kaiuttimen suorittamassa jännite/virta-muunnoksessa. Virtaohjauksella tämä särö ilmenee vain elementin jännitteessä ilman mitään vaikutusta ääneen. Samoin teräksessä havaittava magneettinen hystereesi-ilmiö kuten myös mahdollinen alkeismagneettien hyppäyksin tapahtuvan liikkeen tuottama Barkhausen-kohina jäävät pois.

Resistanssivaihtelut

Puhekelan lämmetessä suurilla tehotasoilla sen resistanssi voi kasvaa yli 50%. Tästä seuraavan signaalitasokompression lisäksi tämä muutos pystyy jänniteohjausjärjestelmissä muokkaamaan merkittävästi alataajuuksien viritystä sekä tasapainoa eri kaiuttimien ja taajuuskaistojen välillä.

Virtaohjauksella myös elementtien keskinäinen sovitus paranee, kun tuotantovaihtelut kuormaimpedansseissa menettävät merkityksensä.

Kontaktiresistanssit

Kaiutinliittimiin, releisiin sekä mahdollisiin kytkimiin ja sulakkeisiin kertyvät kontaktiresistanssit voivat ikääntymisen ja likaantumisen myötä osoittaa epälineaarista käyttäytymistä. Aiheutuvat virtasäröt jänniteohjauksella ovat enimmäkseen 3. kertaluvun tuotteita ja yltävät melko helposti kuulokynnyksille tuoden lisänsä vastaaviin elementistä itsestään johtuviin särötuotteisiin.

Suodatinkomponenttien epälineaarisuudet

Jännitekäytössä myös jakosuodatinkomponenttien, erityisesti sarjakelojen, epälineaarisuudet sekoittuvat elementtien virtoihin. Virtaohjatussa järjestelmässä näitä särövirtoja voidaan suurelta osin eliminoida, jolloin esim. tulee mahdolliseksi käyttää ferriittisydänkeloja monissa kohteissa, missä muuten kelpuutettaisiin vain ilmasydämet.

Yksipuolisella jännitelähteellä toimivissa vahvistimissa virtaohjaus tekee mahdolliseksi estää tarvittavan suuren DC-estokondensaattorin epäideaalisuuksien siirtymisen kuormaan.


Jos vakiintunutta käytäntöä verrataan auton ajamiseen, sopiva vastaavuus olisi, että kuljettaja ei pitäisi ratista kiinni käsillään vaan yrittäisi hallita sitä jonkinlaisten keppien välityksellä. Kepit edustavat niitä sähkömotorisia voimia ja muita tekijöitä, jotka vaikuttavat kaiuttimen jännitteen ja virran välissä virtaohjauksen vastatessa normaalia tapaa hallita rattia suoraan käsillä. Pitäisi olla selviö, kummalla ohjaustavalla ajokki pysyy tarkemmin kaistalla.