Kaiutinprojekti CS-12
Seuraavassa esitellään virtaohjaukseen soveltuva 12-litran suljettua koteloa käyttävä 2-tie-projektikaiutin (Current Speaker 12). Malli perustuu aktiiviseen resonanssin ja suuntausportaan (baffle step) kompensointiin ja sopii siksi hyvin käytettäväksi esitetyn transkonduktanssivahvistimen kanssa. Yksityiskohtaiset suunnitteluperiaatteet ja -prosessi optimoiduilla elementtimalleilla ja simulointituloksin on esitetty kirjan kappaleessa 11.4.
Elementit
Alkuperäisissä kappaleissa basso-keskialuetta on hoitanut Vifan elementti P17WJ-00-04, jonka kalvo on seostettua polypropyleeniä. Sittemmin elementin valmistus on lopetettu. Tilalla voidaan kuitenkin käyttää tyyppiä PL18WO09-04 (myös Vifalta), jonka kalvo on päällystettyä paperia ja joka vastaa sekä taajuusvasteeltaan että impedanssiltaan riittävän hyvin suunnittelun perustana ollutta toistinta.
Tymphanyn hankittua Vifan myös PL18WO09-04 on lopetettu, kuten kaikki tästä arvostetusta merkistä. Korvaajana Scan-Speak 15W/4434G00 on myös melko sopiva, vaikkakin on 5-tuumainen ja Qm-arvoltaan suurempi Vifoihin verrattuna.
Mallikappaleissa käytetty diskantti oli Scan-Speakin D2905/990000, jossa on 28 mm:n tekstiilikalotti, takakammio sekä loivasti kovera alumiinilaippa. Koska elementti on kuitenkin melko hintava, se voidaan korvata tyypillä D2905/970000, joka on rakenteeltaan muuten samanlainen mutta laipaltaan tavanomainen. D2905/970000:n hieman pienempi herkkyys saattaa jopa käydä paremmin yksiin mainittujen bassojen kanssa 2-3 kHz:n alueella.
Kytkentä
Kytkentäkaaviossa, joka on esitetty alla, ei ole muuta erikoista kuin diskantin rinnalla käytettävä imupiiri, jonka resonanssitaajuus asetetaan lähelle elementin resonanssitaajuutta. Piirillä tasoitetaan kaiuttimen taajuusvasteeseen syntyvää kuoppaa, joka aiheutuu siitä, että ko. resonanssialueella (n. 500 Hz) elementtien vaihevasteet tulevat väistämättä 180º:een päähän toisistaan. Käytetyn diskantin suurehkon Qm-arvon (n. 3,8) vuoksi ilman imupiiriä vastekuoppa olisi syvyydeltään n. 7 dB.
Puolet mainitusta 180º:sta johtuu virtojen vaihe-erosta ja toinen puoli diskanttielementin resonanssin tuomasta vaihe-edistyksestä, joka on ominaista kaikille liikkuvakelaisille elementeille. (Ongelma esiintyy yhtälailla myös jännitekäyttöisissä kaiuttimissa, vaikkakaan asiaa ei yleensä tiedosteta, vaan ylä-äänielementin ajatellaan käyttäytyvän virheettömästi jonnekin resonanssitaajuuteensa saakka.)
Virtajako
Alla on esitetty simuloidut virta-amplitudit. Jako on asetettu 1,5 kHz:iin siten, että virrat ovat tällä kohdalla ykkösen suuruisia eli vaimentumattomia. Tavanomaisen 90º:een tavoitteen sijaan virtojen vaihe-ero tulee tällöin olemaan lähellä 120º:tta.
Basso-keskiäänisen virta (Il) nousee enimmillään reilun desibelin syöttövirtaa suuremmaksi ja diskanttielementin virta (Ih) puolestaan vajaan desibelin. Yli 90º:een virityksellä ylitykset ovat väistämättömiä, mutta pysyvät tässä vielä kohtuullisina.
Imupiirin läpi kulkeva virta (Ir) on huomattavaa lähinnä vain diskantin resonanssialueella, joten se ei kuormita diskanttia merkittävästi tämän käyttöalueella.
Jaon virityksestä on tehty näin kireä useasta syystä: L1:en ja C1:en impedanssin kasvattaminen kasvattaa elementtien näkemää lähdeimpedanssia, ja diskanttielementin virta estokaistalla pysyy tarpeeksi pienenä samoin kuin basso-keskiäänisen virta ylimmillä taajuuksilla. (On kuitenkin turvallisinta olla käyttämättä hyvin suuritehoisia vahvistimia tämän mallin kanssa.) C1:en pienentäminen auttaa myös mainitun vastekuopan kurissapitämisessä.
Diskantin virrassa voidaan havaita 70 Hz:n kohdalla pieni kohouma, joka johtuu bassoelementin impedanssihuipusta. Esitettyyn vahvistimeen sisällytetyn napojensiirtokorjaimen käyttö kompensoi kuitenkin tämän korostuman, koska kaiuttimen kokonaisvirta tällä alueella pienenee.
Suodatinkomponentit
Ainakin C1 on käytännössä koottava useasta kondensaattorista, sillä arvo ei osu lähelle kaupallisia vakioarvoja. Jakosuodatuksen pitämiseksi hyvin hallittuna C1:n ja L1:n olisi oltava melko tarkkoja.
L1 on ilmasydänkela, jonka tasavirtaresistanssi on mieluiten alueella 0,4-0,5 Ω.
L2 voi olla ohuestakin langasta, koska sen resistanssi ei ole kriittinen. R on vain valittava siten, että resistanssien summaksi tulee 22 Ω.
C2:en tavoitearvo riippuu hieman diskanttielementin resonanssitaajuudesta, joka olisi syytä mitata. Taajuuden ollessa jonkin verran alle 500 Hz arvoksi sopii 8,2 µF, mutta taajuuden ollessa 500 Hz tai yli kannattaa arvoksi laittaa 7,8 µF.
Keloja L1 ja L2 ei pidä sijoittaa lähekkäin, jotta L2:en ferriitti ei kasvattaisi L1:en induktanssia. Muuntajavaikutuksen eli keskinäisinduktanssin minimoimiseksi kelojen akselit kannattaa lisäksi suunnata kohtisuoraan toisiinsa nähden, kuten yleensäkin suositellaan. Edelleen jos kaiutinta tullaan käyttämään teräksisellä jalustalla, keloja ei kannata sijoittaa aivan kotelon pohjalle, koska magnetoituvaa materiaalia oleva alusta voi kasvattaa kelojen induktanssia ja häviöitä.
Rakenne
Kotelon ohjeelliset mitat D2905/970000-diskanttia ja PL18WO09-04-bassoa käytettäessä on annettu alla. 19 mm:n seinämäpaksuudella (mieluiten MDF-levyä) sisätilavuudeksi tulee 12 l. Etupaneelile suositellaan 22 mm:n paksuutta. Piirros sisältää myös tukihyllyn, joka vahvistaa taka- ja sivuseinämiä.
Etupaneelia on kallistettu taakse päin elementtien akustisten lähtöpisteiden välisen eron kompensoimiseksi kuuntelusuunnassa ja jopa hieman enemmän akustisen vaihe-eron säätämiseksi. Sopivin kuuntelukorkeus näillä mitoilla on hieman kotelon yläpinnan tason yläpuolella.
Diskanttielementti upotetaan etulevyn tasoon, mutta basso jätetään upottamatta, sillä näin voidaan vähentää kallistuksen tarvetta. Basson reikää kannatta viistää sisäpuolelta, jotta suhteellisen paksu etulevy ei peittäisi elementin ilmavirtausta.
5,5-tuumaisella bassolla, kuten Scan-Speak 15W/4434G00, reiän keskiö tulisi sijoittaa 2 cm korkeammalle kuin piirroksessa.
Kotelo täytetään tiiviisti puuvillakankaalla, jota saa parhaiten lakanoista. Tähän on kaksi syytä: Se on ainoa tehokas tapa vähentää melupainetta kotelon sisällä ja siten tämän melun pääsemistä kartion läpi alakeskitaajuuksilla. (Ns. sähköinen vaimennus ei vaikuta tällä alueella mitään.) Toiseksi puuvillakangas on hyvin tehokasta järjestelmän mekaanisen Q-arvon alentamisessa ja vakavoimisessa, jolloin sähköisen korjauksen tarve vähenee.
Kangas revitään n. 20 cm:n levyisiksi suikaleiksi, jotka puristetaan mytyiksi ja sullotaan sisään kohtuullisesti voimaa käyttäen. Yksi kotelo vie yhden hengen lakanoita 4-5 kpl, joten tässä voi kannattaa hieman seurata tarjouksia.
Bassoelementin ympärille on kuitenkin jätettävä pari senttimetriä tyhjää huomioiden myös magneetin keskellä oleva aukko. Kangasmytyt pysyvät paikallaan toistensa varassa, mutta kaiuttimen kääntämistä etupuoli alas kannattaa silti välttää. Sisäpuolelle reiän ympärille voidaan kiinnittää joitakin ruuveja sen varmistamiseksi, että materiaali ei kosketa elemettiä.
Tiivisteenä voidaan käyttää n. 1 mm:n paksuisesta kumiarkista sopivan kokoiseksi leikattua rengasta. Ruuvinreiät tähän saa parhaiten tavallisella paperirei'ittimellä.
Etumaskin saa helpoiten tarkoitukseen myytävästä vaahtomuovista liittämällä elastisella liimalla päällekkäin kaksi kerrosta, joista sisempi muodostaa vain raamin. Maskia voidaan haluttaessa vielä ohentaa saksilla diskanttielementin kohdalta. (Kuvassa näkyvät juovat ovat maskinkiinnitystarroja.)
Jalustaksi käy vaikka tavallinen porrasjakkara, mikäli korkeus sopii. Varsinaiset kaiutinjalustat ovat yleensä näin painavalla kuormalla liian epävakaita.
Ekvalisointi
Rakentajalla olisi parasta olla jokin keino mitata kotelossaan olevan bassoelementin resonanssitaajuus ja mekaaninen Q-arvo. Näitä arvoja voidaan sitten käyttää vahvistimen napojensiirtokorjaimen tai vastaavan resonanssintasauspiirin viritykseen.
PL18WO09-04:n vapaan tilan resonanssitaajuus on n. 40 Hz ja Qm n. 2,6. Esitetyssä kotelossa ja kuvatulla täytöllä lopullisten arvojen pitäisi tulla lähelle 62 Hz:iä ja 2,2:ta.
Tässä toteutuksessa suuntausportaan kompensointi on myös tarkoitettu toteutettavaksi aktiivisesti, kuten esitetyssä vahvistimessa on tehty, sillä näin basso-keskiääninen voidaan pitää puhtaammin virtatilassa. Jokseenkin samanlainen suodatustoiminta voidaan tavallisesti saada aikaan myös säätämällä vahvistinten bassonuppia.
Käytettäessä Scan-Speak 15W/4434G00:aa yhtäläisessä kotelossa resonanssitaajuus tulee olemaan samaa luokkaa, ja Qm-arvo päätyy jonnekin lähelle 2,5:tä.
Vaste
Alla on esitetty mitatut virtataajuusvasteet otettuna 2,5 m:n päästä n. 15 cm mallikappaleen yläpinnan tason yläpuolelta. Desibeliasteikko vastaa 0,354 A:n virralla saatavaa äänenpainetta 1 m:n etäisyydellä. Bassoalue on mitattu erikseen lähikentästä.
Tarve suuntausportaan kompensointiin ilmenee tuloksista hyvin, ja 500Hz: tuntumaan jäävä vastekuoppa on melko mitätön.
2 kHz:n lähistöllä havaittava korostuma johtuu elementtien akustisen vaihe-eron lievästä epätasaisuudesta, joka liittyy todennäköisimmin diskantin kammiorakenteeseen. Tällä alueella vasteeseen voidaan kuitenkin vaikuttaa kuuntelukorkeutta säätämällä. Käyttämällä tasalaippaista D2905/970000:aa diskanttina tämän alueen pitäisi myös alentua.
Sivusuunnassa havaittava vaimentuma jakotaajuuden kohdalla johtuu lähinnä basso-keskiäänisen vaihejättämän kasvamisesta minimivaiheisuuden mukaisesti amplitudivasteen laskiessa ja osittain myös akustisten lähtöpisteiden eron muuttumisesta.
Tässä käytetyllä elementillä tuloksena oleva Q-arvo on melko lähellä ykköstä, joten tässä tapauksessa on jo lähes makuasia, tarvitaanko enää resonanssinkorjausta.
Lattiaheijastuksen vähentämiseksi on suositeltavaa käyttää mattoa kaiuttimen ja kuuntelupaikan välissä.