Takaisin projekteihin

Liiketakaisinkytketty subbari

Mielessäni oli jo vuosia ollut rakentaa liiketakaisinkytketty subbari. Ideahan takaisinkytkennässä on subbarin vasteen oikaiseminen ja harmonisen särön pienentäminen. Takaisinkytkentä pakottaa vahvistimen ajamaan tehoa elementtiin kunnes se poikkeutuu riittävästi. Toisaalta samalla havaitaan jos kartion liikkeessä on sinne kuulumattomia komponentteja, säröä, ja voidaan poistaa ne ajamalla vastakkaisvaiheista signaalia sekaan.

Syksyllä 2004 projekti liikahti eteenpäin kun satuin lukemaan erään kotimaisen äänentoistoalan lehden testin, jossa eräs lehden niistä kriittisimmistä kultakorvista totesi loppukaneettinaan "Oikea subbari siis". Testin kohteena oli Velodynen DD-15.

Kyseinen merkki on ollut itselleni eräänlainen esikuva samaan tapaan kuin Martin Logan elektrostaateissa. No, mainitun subbarin hinta on jossain määrin suolainen, etenkin kun normalisoi sen tyyliin euroa/hertsi - itse ajattelin toistaa taajuudet 20-50 Hz, siis sen alueen, jonka FRESLut jättävät suosiolla pois.

Aiemmat subbarini olivat kaikki olleet refleksiviritettyjä ja sähköisesti korjattuja. Nyt oli rakennettava suljettu kotelo, sillä liiketakaisinkytkentä ei pelaa tuuletetussa pöntössä. Kotelon mitoitus on tässäkin tapauksessa oleellinen juttu, sillä liian isossa kopassa on vaarana että vahvistin ajaa elementin puhekelan ulos ilmaraosta ja elementistä tulee ns. entinen. Sopivassa kotelossa (ja tietyllä vahvistinteholla) moinen ei ole mahdollista. Vahvistimen teho ei riitä puristamaan kotelon sisällä olevaa ilmaa kasaan niin paljoa että elementti pohjaisi. Liian pieni pönttö taasen tarkoittaa, että suoran vasteen aikaansaaminen vie järjettömän paljon tehoa; joko vahvistin loppuu kesken tai puhekela sulaa.

Kotelon lisäksi tarvitaan pitkäiskuinen elementti ja kiihtyvyysanturi, sekä läjä elektroniikkaa ja tietenkin riittävän tehokas vahvistin.

Teorian mukaan tasainen taajuusvaste (vapaassa kentässä) edellyttää, että elementin liikepoikkeama kasvaa nelinkertaiseksi aina kun taajuus puolittuu. Millin heilunta 50 Hz:llä antaa siis saman äänenpainetason kuin 4 mm heilunta 25 Hz taajuudella. Toki huoneessa matalimmat taajuudet tuppaavat korostumaan, joten sikäli suora vapaakenttävaste ei aina ole ideaalisin.

Toisaalta, signaalin ensimmäinen aikaderivaatta antaa poikkeaman. Toinen aikaderivaatta kertoo kiihtyvyyden. Sinimuotoiselle signaalille saadaan (w=2 pi f):

     Sisäänmeno = sin (wt)
     Poikkeama = d sin (wt) /dt = w cos (wt)
     Kiihtyvyys = d w cos (wt) /dt = -w2 sin (wt)

Kiihtyvyys on siis täsmälleen vastakkaisvaiheinen inputtiin nähden. Lasketaanpa, mitä kiihtyvyydeksi tulee, kun halutaan suora vaste. Puolitetaan taajuus ja nelinkertaistetaan amplitudi, kuten edellä todettiin:

     Sisäänmeno = 4 sin (wt/2)
     Poikkeama = ½ w x 4 cos (wt/2) = 2w cos (wt/2)
     Kiihtyvyys = - ½ w x 2w sin (wt) = - w2 sin (wt/2)

Hämmästyttävää kyllä, tulos on sama kuin yllä. Tasainen vaste siis tarkoittaa, että kiihtyvyysanturi antaa saman amplitudin ulos koko taajuuskaistalla. Näppärää!

Toisin sanoen, kiihtyvyysanturin signaali on mitä oivin takaisinkytkentä. Sen pitäisi automaattisesti oikaista elementin vaste ja siinä samalla kompensoida pois harmoniset särökomponentit, kunhan vain säätöluupissa on riittävä leveä kaista. Alkaa kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta! (No, kuten myöhemmin havaitsin, ei homma mene aivan näin suoraviivaisesti.)

(Mainittakoon, että käytettäessä kiihtyvyysanturin sijaan kaksoispuhekelaista elementtiä, jonka toisesta puhekelasta pyydystetään takaisinkytkentäsignaali, on se verrannollinen kartion nopeuteen (1. derivaatta). Toisin sanoen input-signaali on integroitava oparilla, jotta saadaan vaiheet oikein. Lisäksi kelasta saatavan signaalin amplitudi seuraa elementin impedanssikäyrää ja vaatii siksi hieman käsittelyä.)

Homma alkoi kiihtyvyysanturin tuumailulla. Muistelin, että joskus muinoin Elektorissa oli rakennusohje (jota muuten en mistään tähän hätään löytänyt - amikset olivat pöllineet tai tuhonneet ko. lehden kirjastosta), jossa anturina oli piezokide. No, sen huono puoli on se, että anturin joutuu piilottamaan elementin pölysuojan alle, jottei ilmavirta sotke mittausta.

Lopulta valitsin Analog Devicesin ADXL150:n, joka mittaa yhtä akselia, +/- 50 g (g = 9.81 m/s2), ja antaa signaalin suoraan jännitteenä ulos. Taajuusalue ulottuu DC:stä aina 1000 Hz asti (tällä pystyy siis mittaamaan vaikkapa maan vetovoiman aiheuttaman staattisen kiihtyvyyden!). Vehje perustuu MEMS-teknologiaan ja on hermeettisesti paketoitu piiri, joten sen voi liimata kartioon ilman että teurastaa elementtiä mitenkään. Toki liimauskohdan on syytä olla jäykkä, ettei kartion mahdollinen taipuminen vääristä tuloksia.

Elementin löysin kaapista lojumasta: Focalin 12V768:ssä on +/- 9 mm lineaarinen liikepoikkeama ja resonanssitaajuus 19 Hz nurkilla, joten oletin sen soveltuvan ainakin prototyyppiin. Liimasin kiihtyvyysanturin kartion ja pölysuojan liitoskohtaan kuumaliimalla. Tein neulalla reiät kartiopahviin ja vedin ohuet piuhat kartion läpi (+5V, output ja GND). Sitten pulttasin elementin kiinni vanhaan 48 litran koteloon, josta tukin kaikki ylimääräiset reiät.

Kiihtyvyysanturin asennus (46 kB)

Kiihtyvyysanturi kannattaa liimata (tukevasti) niin, että kartion liike osuus sen mittausakselin suuntaan. Ulostulon polariteetti riippuu luonnollisesti siitä, miten päin sen sattuu liimaamaan. Onneksi vaiheen voi kääntää vaihtamalla kaiutinjohdot toisin päin...

Ja eikun skooppi kiinni ja mittailemaan. Mittasin ensiksi taajuusvasteen, se osoittautui odotusten mukaiseksi eli eipä tätä voi juuri subbariksi kehua, selvästi liian pieni kotelo elementille ilman ekvalisointia tai liiketakaisinkytkentää. (Vasteen mittaus on muuten helppoa, kun anturin laittaa kiinni kartioon. Kuten aiemmin mainitsin suora vaste vaatii vakioamplitudin anturista yli taajuusalueen. Anturin antamasta jännitteestä voi suoraan laskea äänenpainetason.)

Taajuusvaste ilman takaisinkytkentää (37 kB)

Sitten eikun ihmettelemään systeemin vaihekäyttäytymistä. Karmea totuus alkoikin heti paljastua. Olisihan se toki pitänyt tajuta aiemminkin. Kaiutinelementti ja kotelo muodostavat ylipäästösuodattimen, jolla (kuten kaikilla muillakin suodattimilla) on tietty vaihevaste. Skoopin ruudulta näkyi selvästi, että elementin sisäänmenosignaalin ja kiihtyvyyssignaalin välillä oli 4-5 millisekunnin viive 20-150 Hz taajuuksilla. Toisin sanoen systeemissä on hitautta. Oheinen kuva valottaa vaihevastetta. Kotelon ja elementin mitattu resonanssitaajuus (50 Hz) lojuu vaihekäyrän kohdassa 90 astetta, niinkuin teorian mukaan pitääkin. Summa summarum: ideaalinen takaisinkytkentäsignaali osoittautuikin vähemmän ideaaliseksi.

Vaihevaste (elementin sisäänmeno - kiihtyvyys) (38 kB)

Aloitin ankaran nettisurffailun ja kaivelin esille aiheeseen liittyviä artikkeleita (mm. IEEE) sekä patentteja. Nettisurffailu tuotti vesiperän. Kovasti jampat kyllä kehuivat tekeleitänsä eri forumeissa ja keskustelupalstoilla, mutta kukaan ei paljastanut miten oli homman tehnyt. IEEE-julkaisut (jotka olivat enimmäkseen 60-luvulta) ja patentit eivät nekään ihmeemmin auttaneet. Ehkä parasta lukemista lopulta oli Russel Bredenin juttu "Roaring subwoofer" (Electronics World -lehti, helmikuu 1997). Siinä käytettiin kaksoispuhekelaista elementtiä ja takaisinkytkentä otettiin toisesta kelasta.

Projekti seisahtui muutamaksi kuukaudeksi kun mietiskelin asiaa. Lopulta päätin kokeilla eri vaihtoehtoja, rakentelin piirilevyn ja mittasin. Muutin kytkentää ja mittasin uudelleen. Yleisin tulos oli joko se että takaisinkytkentä ei vaikuttanut mitään tai sitten se, että systeemi oskilloi hulluna, tyypillisesti n. 100 Hz taajuudella.

Prototyyppi (44 kB)

Lopulta, puoliksi sattumalta keksin miten vaiheongelmasta pääsee melkein kokonaan eroon. Tämän läpimurron jälkeenkin tarvittiin vielä kohtuullisen paljon hierontaa ennenkuin systeemi alkoi pelittää toivotulla tavalla. Tässä vaiheessa piirilevyni oli jo pullollaan 3D-asennettuja komponentteja... Valitettavasti joudun tuottamaan pettymyksen innokkaille lukijoille: skemoja en (minäkään) viitsi paljastaa, niin paljon päänvaivaa systeemin kehittäminen aiheutti...

Kerrotaan kuitenkin, että (kiihtyvyysanturista mitattu) taajuusvaste ulottuu helposti reilusti alle 20 Hz:n, jos niin haluaa. Äänenpainetta ei luonnollisestikaan noilla taajuuksilla enää hirveästi irtoa, koska elementti on vain 12-tuumainen. Alimpien taajuuksien vastetta voi säätää takaisinkytkentää ruuvaamalla. Ohessa kuva jossa vaste on ruuvattu mahdollisimman suoraksi (nämä mitattu lopullisessa kotelossa).

Taajuusvasteet: ilman takaisinkytkentää ja sen kanssa, eri jakotaajuuksilla (44 kB)

Systeemi yrittää korjata särökomponenttejakin, tosin kunnon evidenssiä tästä en pysty alkeellisilla laitteillani näyttämään. Ohessa kuitenkin kuva tilanteesta, jossa estin sormellani elementin kartiota liikkumasta. Kartio siis naputti sormeni päätä vasten hulluna. Kiihtyvyyssignaalissa (alempi käppyrä) näkyy selvä "kuoppa", jota systeemi yrittää korjata kasvattamalla vahvistimelle menevää signaalia (ylempi käppyrä).

Takaisinkytkennän toiminta (34 kB)

Protoiluvaiheessa käytin subbarin vahvistimena Pioneerin mallia A-333, siltakytkettynä. Luonnollisesti hieman arvelutti, riittäisikö vehkeessä teho, joten mittailin myös sitä. Ei muuta kuin taajuusgeniksestä signaalia sisään ja skooppi kiinni kiihtyvyysanturin lähtöön ja toinen kanava elementin napoihin. Mittausten perusteella tehoa oli riittävästi elementin kykyihin nähden. Ajoin esimerkiksi 40 Hz taajuudella elementtiin 25 Vrms (~80 W jatkuvaa tehoa), jolloin kartio heilui jo hirvittävän paljon. Kiihtyvyysanturin ulostulo näytti silti edelleenkin (silmämääräisesti) sinimuotoiselta, joten siinä mielessä homma oli "hanskassa". Ei ollut syytä päivittää vahvistinta. Piikkikiihtyvyys em. tilanteessa oli muuten luokkaa +/- 40 g!

Mittailin myös maksimiäänenpaineita, siihenkin kiihtyvyysanturi soveltuu: ajetaan ensin elementtiin vaikkapa 100 Hz taajuutta tasolla 2.83 Vrms (1 W / 8 ohm) ja mitataan mitä kiihtyvyysanturi antaa ulos. Lukema vastaa suurin piirtein elementin herkkyyttä, eli tässä tapauksessa 90 dB metrin päässä vapaassa kentässä. Sitten ajetaan elementtiin eri taajuuksia niin suurella tasolla kuin mahdollista (tarkistetaan järkevä liikepoikkeama silmämääräisesti) ja mitataan kiihtyvyysanturin ulostulotaso (samalla tarkkaillaan skoopilla että signaali pysyy suunnilleen sinimuotoisena). Saatua lukemaa verrataan sitten hetki sitten mitattuun vertailuarvoon ja lasketaan SPL. Ohessa mittamani & laskemani arvot:

     20 Hz: 87 dB
     25 Hz: 92.5 dB
     30 Hz: 96 dB
     40 Hz: 102 dB

Aika vaatimattomia lukemia on 20-25 Hz kohdalla, mutta eipä tästä elementistä juuri enempää saa irti vaikka tekisi mitä. (Onneksi huonetilassa saadaan käytännössä 3-6 dB enemmän tasoa.) Tarkistin samalla paljonko elementtiin voi ajaa tehoa: mainituilla taajuuksilla n. 25 Vrms, mikä vastaa n. 80 W / 8 Ohm. Tuloksesta päätellen kotelon mitoitus meni aika lailla nappiin.

Vaikka subbari näytti pelittävän mallikkaasti, yksi pieni kauneusvirhe jäi vaivaamaan. Elementistä kuului vaimeaa kohinaa muutaman sadan hertsin nurkilla. Ilmeisesti kiihtyvyysanturin generoima kohina vahvistuu säätöluupissa (vaiheet kääntyvät sopivasti?)...

Protoiluvaiheen jälkeen homma etenikin jo varsin suoraviivaisesti: piirtelin uudet skemat ja leiskat, kolvasin komponentit kiinni, rakensin siistimmän kotelon tukevasta vanerista ja pintakäsittelin sen mahonkipetsillä ja lakalla. Tulosta voi ihmetellä oheisista kuvista. Takapaneelissa on tason- ja vaiheensäätöpotikat. Jakotaajuutta voi vaihtaa kun avaa pari ruuvia ja siirtää jumpperit toiseen asentoon. Mainittakoon, että kohinaa en saanut täysin kuriin, vaikka muutin mm. kiihtyvyysanturin maadoituksia. Kuuntelupaikalle asti kohina ei tosin kuulu, eikä edes puoliväliin, mutta hieman tuo jäi kaivelemaan...

Subbarin pääpiirilevy (34 kB)

Subbarin elektroniikkaa (44 kB)

Subbari edestä ilman suojakangasta (42 kB)

Subbari takaa (56 kB)

Lopulta, n. vuosi projektin aloittamisesta kannoin subbarin olohuoneen nurkkaan. Nurkkasijoitus ei tietenkään ole paras mahdollinen, mutta ainoa vaihtoehto nykyisellään. Ja onhan siitä se etu, että aivan alimmat taajuudet korostuvat, mikä helpottaa hieman alimittaisen elementin hommaa. Korostus oli jopa sitä luokkaa, että alimpien bassojen tasoa oli selvästi pudotettava. Ruuvasin vasteen loivasti laskevaksi niin, että 20 Hz oli vaimentunut n. 3-4 dB.

Subbari jatkaa toistoa siitä mihin full range ESL:t lopettavat, eli n. 50 Hz kohdalta. Lopputulokseen voi olla tyytyväinen. Varsinkin äänenpainevarat tuntuvat hämmästyttävän kerta toisensa jälkeen. Vehje murahtaa välillä niin raskaasti, että on pakko käydä vilkaisemassa millaista liikettä elementti oikein tekee - vaikka käytännössä ei kuitenkaan liikuta lähelläkään lineaarisen liikepoikkeaman rajaa! Sointi tuntuu integroituvan pääkaiuttimien kanssa varsin hyvin, kiitos alhaisen jakotaajuuden.

Loppukaneettina voi todeta, ettei tästä nyt ihan DD-15 veroista tullut - suurin ero lienee maksimiäänenpainetasossa ja särössä - mutta selvästi jäykin itse rakentamani subbari kuitenkin - ainakin toistaiseksi.

Projektistaan raportoi säätäjä Eki

Alkuun Takaisin projekteihin Säätäjien kotisivulle


Päivitetty 28.9.2005 © Jäykät Säätäjät ry 2005