PUHDASVIRTAINEN  KAIUTIN

Keksintö liittyy sähködynaamisiin kaiuttimiin, joita käytetään äänentoistolaitteistoissa sähköisen audiosignaalin muuntamiseen akustiseksi äänisignaaliksi. Keksinnön kohteena on passiivinen eli vahvistimia sisältämätön kaiutinyksikkö, joka sisältää erityisiä sarjavastuksia, joiden avulla kaiutinelementtien läpi kulkeva virta saadaan seuraamaan syötettävää audiosignaalia paljon tarkemmin kuin tavanomaisissa kaiuttimissa, joissa elementtien läpi kulkeva virta kokee vääristymistä elementtiin indusoituvien hallitsemattomien sähkömotoristen voimien vuoksi. Keksinnön mukainen kaiutinyksikkö soveltuu käytettäväksi tavanomaisten, markkinoilla olevien, jänniteantoisten audiovahvistimien kanssa, jolloin ei tarvita erityistä transkonduktanssivahvistinta kontrolloimaan kaiuttimen virtaa. Sarjavastusten aiheuttama herkkyden ja hyötysuhteen lasku saadaan osittain kompensoitua käyttämällä kahta tai useampaa rinnakkaisesti toimivaa elementtiä.

Keksinnön mukaisella kaiutinyksiköllä saavutetaan vähäisempi särö ja siten parempi äänenlaatu tunnettuun tekniikkaan verrattuna. Keksinnölle on tunnusomaista, että kaiutinelementtien näkemä impedanssi tehdään sarjavastusten avulla suureksi siten kuin suojavaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa on esitetty.

TAUSTAA: VIRTAOHJAUKSEN LAADULLINEN PAREMMUUS

Tänä päivänä kaikki kaupallisesti saatavat audiovahvistin- ja kaiutinlaitteet toimivat jänniteohjausperiaatteella ilman merkittäviä poikkeuksia. Tämä tarkoittaa, että vahvistin toimii jännitelähteenä ja omaa siten pienen ulostuloimpedanssin. Kuitenkin sekä teknilliset näkökohdat että kuuntelukokemukset osoittavat selvästi, että kaiutinelementtien ohjaaminen jännitteellä on väärä valinta, jos äänenlaatua pidetään tärkeänä. Syynä on, että elementin tuottamat sähkömotoriset voimat (SMV) häiritsevät välttämätöntä jännite/virta-muunnosta, joka jänniteohjausperiaatteessa on jätetty kaiuttimen tehtäväksi.

Kaiutinkalvon liikkeeseen laittava ajovoima (F) on suoraan verrannollinen puhekelan läpi kulkevaan virtaan (i) yhtälön F = Bli mukaan, missä tuloa Bl kutsutaan voimakertoimeksi (B = magneettivuon tiheys; l = langan pituus magneettikentässä). Jänniteohjatussa kaiutinelementissä tämä virta tulee kuitenkin korruptoiduksi hyvin moninaisilla tavoilla.

Liikkuvakelaisen elementin sähköinen sijaiskytkentä voidaan esittää kuvan 1 mukaisesti. R_c kuvaa puhekelan resistanssia, jännitelähde e_m edustaa elementin liike-SMV:tä (vasta-SMV), joka lasketaan: e_m = Blv (v = puhekelan nopeus), ja jännitelähde e_i edustaa induktanssi-SMV:tä, joka on peräisin puhekelan häviöllisestä induktanssista.

e_m on yleensä hallitsevassa asemassa elementin toistoalueen alapäässä, ja e_i on vastaavasti hallitsevassa asemassa toistoalueen yläpäässä. Tyypillisessä kartio- tai kalottielementissä e_m:n ja e_i:n itseisarvojen summa on koko käyttötaajuusalueella suuruudeltaan vähintään samaa luokkaa kuin jännitehäviö resistanssissa R_c.

Sekä e_m että e_i ovat alttiita monille vakaville häiriötekijöille, minkä vuoksi nämä jännitteet eivät seuraa toistettavaa signaalia lineaarisesti, vaan sisältävät hyvin monenlaisia särökomponentteja. Ohjattaessa kuvan 1 sijaiskytkentää tavanomaisella pienen antoimpedanssin omaavalla vahvistimella, joka vastaa toiminnallisesti jännitelähdettä, lähteet e_m ja e_i sekä kaikki näiden sisältämät epämääräiset särökomponentit moduloivat resistanssin R_c yli jäävää jännitettä ja siten piirissä kulkevaa virtaa seurauksin, jotka ovat äänenlaadulle hyvin vahingollisia kaikkialla maailmassa.

Sen sijaan ohjaamalla kuvan 1 sijaiskytkentää suuren antoimpedanssin omaavalla vahvistimella, tai kytkennällä, joka vastaa toiminnallisesti virtalähdettä, lähteet e_m ja e_i sekä näiden sisältämät epämääräiset särökomponentit eivät pääse moduloimaan piirissä kulkevaa virtaa, joka määräytyy nyt suoraan ohjaavasta virtalähteestä, joka seuraa häiriöttömästi toistettavaa signaalia.

Seuraavat häiriötekijät sekoittavat puhekelan virtaa jänniteohjauksella mutta luonnollisesti eivät virtaohjauksella:

1) Puhekelan toimiminen mikrofonina kotelon sisäpuolelta heijastuville ja kalvon läpi pääseville ääniaalloille
2) Puhekelan toimiminen mikrofonina vierekkäisistä elementeistä lähteville ääniaalloille
3) Liikkuvien osien mekaanisten ja pneumaattisten epäideaalisuuksien aiheuttamat hallitsemattomat SMV-ilmiöt.
4) Bl-vaihtelusta johtuva impedanssin suuntakulman vaihtelu, joka aiheuttaa virtaan vaihemodulaatiota keskitaajuuksilla.
5) Poikkeama-asennosta riippuva puhekelan induktanssi, joka aiheuttaa virtaan sekä amplitudi- että vaihemodulaatiota
6) Puhekelan induktanssi riippuu signaalin voimakkuustasosta aiheuttaen epäharmonista säröä
7) Resistanssin muutokset johtuen lämpötilan vaihteluista ja valmistustoleransseista
8) Ohjelmasignaalista riippuvat kontaktiresistanssivaihtelut liittimissä ja kytkimissä

Yksityiskohtaista tietoa näistä jänniteohjauksen vakavista häiriömekanismeista ja virtaohjauksesta yleensä on saatavissa kirjassa: Esa Meriläinen: Current-Driving of Loudspeakers, CreateSpace 2010 (ISBN: 1450544002). Kirja sisältää myös käytännöllisiä neuvoja elementtien sekä sähköiseen että akustiseen mallitukseen piirisimulaattoria käyttäen.

TEORIAA: VIRTAOHJAUKSEN AIKAANSAAMINEN

Täysin ideaalista virtaohjausta samoin kuin täysin ideaalista jänniteohjaustakaan ei voida toteuttaa, joten käytännössä joudutaan aina tyytymään kompromissiin, joka on jokin välimuoto näiden kahden ääripään välillä. Se, kummassa tilassa kaiutinelementti lopulta toimii, määräytyy syöttävän lähteen impedanssin ja elementin oman impedanssin keskinäisestä suhteesta.

Kuvassa 2a elementtiä syötetään jännitelähteestä (E) sarjaimpedanssin (Z) kautta. Mikäli Z on hyvin pieni verrattuna kuormaimpedanssiin Z_L, kuormavirta I_L määräytyy lähes yksinomaan Z_L:n perusteella, ja kuormajännite U_L seuraa oleellisesti syöttävää lähdettä E, joten elementti toimii tällöin jänniteohjattuna. (Puhuttaessa impedanssien suuruudesta tarkoitetaan niiden itseisarvoa eli osoittimen pituutta.)

Mikäli Z taas on hyvin suuri suhteessa Z_L:ään, Z_L muodostaa vain hyvin pienen osan piirin kokonaisimpedanssista. Kuormavirta I_L on tällöin lähes riippumaton Z_L:stä ja sen vaihteluista, joten elementti toimii virtaohjattuna. Suuri sarjaimpedanssi vaatii myös suurta lähdejännitettä, jos virta halutaan pitää riittävänä, joten suuria äänitehoja tarvittaessa virtaohjausta ei kannata toteuttaa kuvan 2a periaatteella.

Mikäli Z on samaa luokkaa Z_L:n kanssa, voidaan sanoa, että virta määräytyy puoliksi kummastakin impedanssista ja Z_L:n vaihtelut kuvautuvat virtaan puolella voimakkuudella verrattuna tapaukseen, jossa Z = 0. Toimintatilaa voidaan tällöin pitää puoliksi jännite- ja puoliksi virtaohjattuna.

Kuvassa 2b jännitelähde on korvattu virtalähteellä ja sarjaimpedanssi rinnakkaisimpedanssilla. Kuorman kannalta katsoen kuvien 2a ja 2b kytkennät toimivat täysin identtisesti, mikäli I = E/Z. Elementin toimintatilaa tarkasteltaessa voidaan siten käyttää kumpaa tahansa mallia tarpeen mukaan.

Mikäli Z kuvassa 2b on hyvin pieni verrattuna kuormaimpedanssiin Z_L, jännite U_L määräytyy lähes yksinomaan Z:n perustella, sillä kuormavirta on tällöin hyvin pieni. Elementin toiminta on siten oleellisesti jänniteohjattua. Mikäli Z taas on hyvin suuri suhteessa Z_L:ään, Z:n merkitys jää olemattomaksi, ja elementti toimii oleellisesti virtaohjattuna.

Kummassakin mallissa suuri Z:n arvo merkitsee siis virtaohjausta ja pieni arvo jänniteohjausta. Lähteiden suuruudella sen sijaan ei ole merkitystä ohjaustilan kannalta, joten ne voidaan ajatella vaikka nolliksi. Nollan arvoinen jännitelähde vastaa oikosulkua ja nollan arvoinen virtalähde puolestaan katkosta, joten käytettiinpä kumpaa mallia hyvänsä, elementin näkemä impedanssi eli ohjaustilan määräävä impedanssi on aina Z (kuva 2c).

Kuvan 2 malleja voidaan käyttää kuvaamaan lineaarisista komponenteista koostuvaa verkkoa myös yleisesti, ei vain yhden lähteen ja yhden lähdeimpedanssin tapauksessa. Ns. Théveninin teoreeman perusteella mikä tahansa resistansseja, kapasitansseja, induktansseja sekä jännite- ja virtalähteitä sisältävä verkko voidaan minkä tahansa kahden navan väliltä tarkasteltuna nimittäin korvata aina yhden jännitelähteen ja yhden impedanssin sarjaankytkennällä, jota nimitetään ko. verkon Thévenin-vastikkeeksi. Korvauksessa voidaan yhtä hyvin käyttää myös virtalähteen ja impedanssin (tai admittanssin) rinnankytkentää, jota nimitetään Norton-vastikkeeksi.

Mikäli sarjavastuksia ei käytetä, Z:n suurena pitämiseksi on vahvistimen lisäksi myös mahdollinen jakosuodatin suunniteltava suuri-impedanssiseksi, jolloin kyseeseen tulevat lähinnä 1. kertaluvun suodattimet. (Täysin vastaavanlaiset rajoitukset koskisivat myös tavanomaisia jänniteohjausjärjestelmiä, mikäli niissä vastaavasti pidettäisiin kiinni elementin näkemän impedanssin pienuuden vaatimuksesta. Käytännössä tästä asiasta ei kuitenkaan juuri välitetä, jolloin elementin todellinen ohjaustila vaihtelee taajuudesta riippuen jossain jännite- ja virtaohjauksen välimaastossa, yleensä kuitenkin lähempänä jänniteohjausta.)

SMV-PERÄISET VIRRAT

Äänenlaadun kannalta kaikkein oleellisinta on se, kuinka suuria ovat häiriöitä sisältävien sähkömotoristen voimien e_m ja e_i synnyttämät virtakomponentit puhekelassa verrattuna ilman näitä voimia puhekelassa kulkevaan signaalivirtaan. Liike-SMV:n e_m suuruutta ei käytännössä voida pienentää pienentämättä elementin herkkyyttä. Induktiivista SMV:tä e_i voidaan jossain määrin pienentää magneettirakenteen suunnittelulla ja oikosulkurenkailla, mutta ei ratkaisevasti. Näin ollen ainoa toimiva keino ehkäistä tai minimoida näiden haitallisten SMV-virtakomponenttien kulkeminen on se, että kaiutinelementin näkemä sähköinen impedanssi, jota kuvaa Z kuvassa 2c, tehdään mahdollisimman suureksi.

Asian tarkastelemiseksi voidaan kuvitella kaiutinelementin kanssa sarjaan syntyvän ikäänkuin ylimääräinen jännitelähde kuvan 1 tapaan ja tutkia sitten, kuinka suuren suhteellisen virran tämä lähde saa aikaan kyseisen elementin puhekelassa sekä mahdollisten muiden samassa piirissä toimivien elementtien puhekeloissa.

YLEISIÄ LUULOJA

Virtaohjauksen käyttöönottoa on kenties rajoittanut ennakkoluulo, jonka mukaan bassoelementin perusresonanssia ei voitaisi helposti vaimentaa jänniteohjaukseen liittyvän ns. sähköisen vaimennuksen jäädessä pois. Tarvittava resonanssivaimennus saadaan kuitenkin aikaan käyttämällä pienen mekaanisen Q-arvon omaavaa elementtiä, täyttämällä kotelo tehokkaalla vaimennusaineella ja käyttämällä tarkoitukseen sopivaa aktiivista tai passiivista vaimennuskytkentää, jolla bassovaste voidaan hienosäätää kohdalleen.

Laajalle levinneen mutta vain toiveajatteluun perustuvan käsityksen mukaan vahvistimen ulostuloimpedanssin pitäisi olla mahdollisimman pieni, jotta kalvon liike olisi "kontrolloitua" ja jotta elementin tuottamat SMV:t jotenkin häviäisivät olemattomiin. Fysikaalinen tosiasia on, että kalvon liikettä (tarkemmin sanottuna kiihtyvyyttä, josta akustinen paine syntyy) voidaan hallita vain virralla, eikä sähkömotorisia voimia itsessään voida koskaan vaimentaa, sillä laki e_m = Blv ei voi koskaan lakata pitämästä paikkaansa, käytettiinpä millaisia impedansseja tai piirejä tahansa. Sen sijaan vahingolliset SMV-peräiset virrat ovat se, mitä voidaan ja täytyy vaimentaa, ja tämä saadaan aikaan vain huolellisella virtaohjaussuunnittelulla.

KEKSINNÖN YLEISPERIAATE

Tämä keksintö kuvaa kaiutinyksikköä, jossa kunkin kaiutinelementin (1a, 1b, 2) näkemä sähköinen impedanssi pidetään suurena verrattuna ao. elementin (1a, 1b, 2) omaan impedanssiin ainakin bassoalueen ulkopuolisilla taajuuksilla käyttäen kuvien 3 ja 4 mukaisesti kullekin elementille (1a, 1b, 2) omaa sarjavastusta (3a, 3b, 4).

Bassotaajuuksilla virtaohjauksen tuomat äänenlaadulliset edut ovat yleensä vähäisiä verrattuna keskiääni- ja diskanttialueeseen, joten mikäli bassoelementtien (1a, 1b) perusresonanssin vaimentamiseksi eli Q-arvon alentamiseksi on tarpeen, voidaan näille elementeille (1a, 1b) käyttää myös rinnalle kytkettyä kompensointipiiriä (5a, 5b) kuvan 4 tapaan. Kuvassa 3 bassoelementtien (1a, 1b) resonanssikompensointi on toteutettu sarjamuotoisesti, jolloin se ei pienennä elementtien (1a, 1b) näkemää impedanssia millään taajuuksilla.

Jotta kaiutinelementit (1a, 1b, 2) toimisivat olennaisesti virtaohjattuna, niiden sarjaresistanssien (3a, 3b, 4) on oltava suhtellisen suuria, edullisesti n. 5 kertaa ao. elementin (1a, 1b, 2) nimellisimpedanssi. Vain yhtä bassoelementtiä käytettäessä kaiutinyksikön herkkyys jäisi tällöin epäkäytännöllisen pieneksi. Herkkyyden parantamiseksi on siten syytä käyttää vähintään kahta elementtiä matalille taajuuksille.

Kaikkien elementtien kannattaa olla nimellisimpedanssiltaan mieluummin 4- kuin 8-ohmisia, koska vahvistimen antojännitteen ollessa rajoittavana tekijänä 4-ohmisiin elementteihin saadaan käytännössä menemään kaksinkertainen virta 8-ohmisiin verrattuna samalla impedanssisuhteella (elementin näkemä impedanssi / elementin oma impedanssi).

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS

Kuvat 1 ja 2 valaisevat edellä esitettyä teoriaa kaiutinelementin sähkömotorisista voimista ja virtaohjauksen aikaansaamisesta.

Kuva 3 esittää keksinnön mukaista kaiutinkytkentää, jossa bassoelementtien vaimennus on hoidettu sarjaan kytketyllä resonanssipiirillä.

Kuva 4 esittää keksinnön mukaista kaiutinkytkentää, jossa bassoelementtien vaimennus on hoidettu rinnalle kytketyillä resonanssipiireillä.

Kuvassa 3 on esitetty yksinkertainen keksinnön mukainen kaksitiekaiutin. Matalia taajuuksia toistaa kaksi rinnakkaismuotoisesti toimivaa elementtiä (1a, 1b) ja korkeita yksi (2). (Elementtien rinnakkaismuotoisella toiminnalla tarkoitetaan tässä sitä, että niitä ei ole kytketty sarjamuotoisesti, eli toisen elementin virta ei kulje toisen kautta.)  Jakosuodatus on tässä ensimmäistä astetta ja toteutettu kelalla 6 sekä kondensaattorilla 7. Kelasta 8, vastuksesta 9 ja kondensaattorista 10 muodostuvalla resonanssipiirillä pienennetään elementtien 1a ja 1b saamaa virtaa näiden perusresonanssitaajuuden alueella, koska tyypillisen jänniteohjattavaksi suunnitellun elementin mekaaninen Q-arvo on liian suuri siihen että elementtiä voitaisiin ohjata virralla ilman jonkinlaista resonanssin vaimennusta.

Bassoelementeiksi (1a, 1b) kannattaa valita pienen mekaaninen Q-arvon omaavia tyyppejä, jotta sähköisen resonanssivaimennuksen tarve säilyisi vähäisenä. Täyttämällä kaiutinkotelo tehokkaalla vaimennusmateriaalilla, kuten puuvillakangas, mekaanista Q-arvoa voidaan edelleen merkittävästi pienentää, jolloin nykyisilläkin elementeillä voidaan päästä alle 1,5:n oleviin arvoihin. Tällöin kelaa 8 ei välttämättä tarvita lainkaan.

Koska virtaohjatussa kaiutielementissä puhekelan induktanssi ei rajoita virtaa korkeilla taajuuksilla, niin kuin tapahtuu jänniteohjauksella, virtaohjatun elementin taajuusvaste nousee taajuuden kasvaessa verrattuna jänniteohjattuun tapaukseen. Kartion aiheuttaman torvivaikutuksen vuoksi virtaohjatun kartioelementin vaste on yleensä aina jossain määrin nouseva, ja jotta tätä nousua ei tarvitsisi kompensoida piiriteknisesti, kannattaa käyttää elementtejä, joissa se on mahdollisimman loivaa.

Elementtien näkemää impedanssia tarkasteltaessa sisääntulonavat (11, 12) tulkitaan oikosuljetuksi, koska kaiutinta syötetään käytännössä mitättömän pienen ulostuloimpedanssin omaavalla, tavanomaisella vahvistimella. Esimerkiksi elementin 1a näkemä impedanssi on tällöin aina vähintään resistanssin 3a suuruinen ja kuvassa 3 toimintakaistan ylä- ja alapäässä hieman suurempikin. Korkeaäänielementin 2 näkemä impedanssi on niin ikään aina vähintään resistanssi 4 suuruinen.

Mikäli elemntin sarjavastus on esim. viisinkertainen ao. elementin nimellisimpedanssiin nähden, saatava äänenpaine laskee noin 1/6-osaan eli 15-16 dB verrattuna suoraan syöttöön. Käyttämällä kahta rinnakkaisesti toimivaa elementtiä, kuten kuvissa 3 ja 4, äänenpainetaa saadaan kuitenkin kasvatettua 6 dB, jolloin nettovaimentuma jää alle 10 dB:n. Vastaavasti neljällä elementillä nettovaimentuma olisi enää 4 dB.

Käytettäessä 2. tai korkeamman asteen jakosuodatusta suodatuskomponentit kytketään siten, etteivät ne pienennä elementtien (1a, 1b, 2) näkemää impedanssia, eli elementin (1a, 1b, 2) ja sen sarjavastuksen (3a, 3b, 4) väliin ei tehdä haaroituksia (lukuun ottamatta mahdollisia resonanssinvaimennuspiirejä (5a, 5b), jotka vaikuttavat vain bassoalueeseen.)

Yleensä kaiutinsuunnittelussa yläkeskiääniä ja diskanttia joudutaan hieman vaimentamaan suhteessa matalampiin taajuuksiin johtuen kaiuttimen etulevyn aiheuttamasta suuntausvaikutuksesta (ns. baffle step -ilmiö). Tämä kompensointi voidaan toteuttaa esim. lisäämällä toisen bassoelementin (1a, 1b) kanssa sarjaan induktanssia sisältävä impedanssi.

MUITA LÄHESTYMISTAPOJA

Voitaisiin ajatella, että sarjavastuksissa kuluvaa kokonaistehoa saataisiin pienennettyä kytkemällä bassoelementit sarjamuotoisesti rinnakkaismuodon sijaan. Tällöin saman herkkyyden aikaansaamiseksi näille elementeille riittäisi periaatteessa yksi sarjavastus, joka voisi olla myös arvoltaan hieman edellistä pienempi. Ratkaisun ongelmana on kuitenkin, että yhden elementin tuottamat SMV-peräiset virrat kulkisivat molempien elementtien kautta, jolloin elementtien näkemä impedanssi tulisi kaksinkertaistaa rinnakkaismuotoiseen tapaukseen verrattuna, jotta SMV-peräisten virtojen kokonaishaittavaikutus pysyisi ennallaan.

Voitaisiin myös ajatella, että sarjavastuksista voitaisiin luopua kokonaan valmistamalla elementtien puhekelat niin ohuesta langasta, että tarvittava impedanssitaso saavutetaan jo tällä. Ongelmaksi nousee tällöin kuitenkin puhekelojen suuri hukkateho ja siitä seuraava lämpeneminen, koska elementtien voimakerrointa Bl ja herkkyyttä ei kuitenkaan kannata kasvattaa normaalista. Voimakertoimen kasvatus näet kasvattaa sekä elementin sähkömotorisia voimia että elementin herkkyyttä sen itsensä tuottamille SMV-peräisille virroille, joten nettovaikutus on äänenlaadulle haitallinen, vaikka herkempi elementti tulisikin toimeen pienemmällä ohjausvirralla.

Yksi mahdollisuus SMV-virtojen pienentämiseksi olisi myös sarjavastusten sijaan käyttää pienempää magneettivuon tiheyttä B. Tällöin liike-SMV-peräiset häiriövaikutukset pienenisivät kylläkin tehokkaasti, mutta elementin induktanssin pysyessä likimain ennallaan induktanssi-SMV-peräiset häiriöt eivät alenisi lainkaan tavanomaiseen kaiuttimeen verrattuna. Lisäksi lämpenemisongelma olisi sama kuin edellä kuvatussa ohuen langan tapauksessa.