Vad är den idealiska högtalardrivrutinskonfigurationen?

Den som har hållit på med ljud ett tag har förmodligen utvecklat en preferens för en viss högtalarstil och en viss drivrutinskonfiguration. Denna preferens kan baseras på personlig erfarenhet, åsikter från en betrodd granskare, teknisk kunskap eller kanske till och med några ansträngningar för att bygga upp högtalare. Det finns faktiskt många sätt att bygga en bra högtalare, och det finns verkligen utrymme för personlig smak. Ändå blir jag ofta förvånad över hur lite de flesta människor (även några som är djupt involverade i ljud) verkligen förstår om prestandakonsekvenserna av olika drivrutinskonfigurationer.

Mycket av detta förklaras i The Loudspeaker Design Cookbook. När jag först läste The LDC för 20 år sedan ökade det förmodligen min förståelse för hur högtalare fungerar med en storleksordning. Det jag kommer att presentera här är mycket mindre tekniskt. Jag uppmuntrar alla audiofiler och recensenter att gräva djupare genom att plocka upp ett exemplar av LDC, som nu är i sin sjunde upplaga och som skrevs av Vance Dickason, redaktör för tidskriften Voice Coil och en av världens mest erfarna högtalardesigners.

För att förstå varför vissa drivrutinskonfigurationer fungerar bättre än andra i vissa situationer är det viktigt att förstå ett par allmänna principer:

1) Allt annat lika, ju större diameter en driver har, desto lägre frekvenser kan den spela och desto svårare kommer den att ha att återge höga frekvenser. Återigen, det är en allmän princip, giltig endast när alla andra saker är lika.

2) Spridningen av en drivenhet (den jämnhet med vilken den sprider ljud i alla riktningar) är mest en funktion av dess diameter – eller, i fallet med ovala eller rektangulära drivenheter, deras horisontella och vertikala dimensioner. En bra tumregel är att en förares spridning börjar minska (eller "stråle") vid den frekvens vars våglängd överensstämmer med förarens dimension. För att beräkna detta, dividera 13 512 (ljudhastigheten i tum vid havsnivån) med förarens effektiva strålningsarea. Till exempel, en 6,5-tums bashögtalare med en effektiv strålningsareadiameter på fem tum (mätt från toppen av surround till den motsatta toppen) börjar stråla vid cirka 2 702 Hz, eller 13 512 dividerat med fem.

Dispersion är viktigt eftersom det ger en högtalare ett stort, öppet, naturligt ljud. Om en högtalares spridning är dålig verkar det mer som att ljudet kommer från högtalarboxen istället för från en riktig sångare eller ett instrument. Dålig spridning i mellanregistret kan också skapa "kupade händer"-färgning i röster, som om sångare hade händerna kupade runt munnen.

Du kanske redan har räknat ut vad det största dilemmat i högtalardesign är: Ju mindre drivrutinen är, desto bredare är dess spridning (se mättabellen nedan, klicka på bilden för att se den i ett större fönster); dock, ju mindre drivrutinen är, desto mindre kan den hantera låga frekvenser. Lite mer kontemplation kan leda till insikten att "enklare är bättre" sällan gäller i högtalare. Ju enklare högtalaren är, desto mer sannolikt är det att den har någon kombination av ojämn frekvensrespons, dålig spridning, bristande bas- och/eller diskantrespons och/eller hög distorsion.

Låt oss överväga fördelarna och nackdelarna med några av de mest populära högtalardrivrutinkonfigurationerna. En anmärkning: Det finns otaliga faktorer som påverkar högtalarens prestanda, inklusive drivrutinsdesign och material, kapslingsdesign och material, kapslingsbasladdning, crossover-sluttningar, etc. Dessa ligger dock utanför ramen för denna artikel, som specifikt handlar om drivrutinskonfigurationer. För en mer grundlig förståelse av högtalarnas inre funktion, kolla in högtalardesignkokboken eller ett annat djupgående referensverk.

Enkelriktad (single driver, full-range)
Vissa audiofiler och recensenter dras till en-drivrutiner eftersom de tror att eliminering av crossover-kretsen för att dela upp ljudsignalen i bas och diskant ger större ljudrenhet. Problemet är att detta kommer till en kostnad, som ofta är extrem. Större full-range drivers har ojämn högfrekvensrespons och extremt dålig dispersion i diskanten. Mindre full-range drivrutiner, som 3,5-tummaren som används i Role Audio Sampan FTL-högtalaren som nyligen granskats här, kan ha en ganska jämn diskantrespons och jämn spridning upp till någonstans mellan 5 och 7,5 kHz, så de kan låta bra – men eftersom dessa förares resonansfrekvenser tenderar att vara 100 Hz eller högre kommer de att erbjuda lite eller ingen basrespons. Jämfört med en anständig en-tums diskanthögtalare kommer deras diskantrespons inte att vara lika jämn, och deras spridning kommer inte att vara lika bred.

Som sagt, i lågprisprodukter är fullsortimentsdrivrutiner ibland det bästa valet. Jag minns med glädje de fantastiskt klingande, billiga Cambridge SoundWorks-systemen designade av den legendariske Henry Kloss, som innehöll 2,5- eller tre-tums fullomfångshögtalare i kubformade höljen, förstärkta med en billig men effektiv bandpassbasmodul. Jag har många gånger tipsat tillverkare av lågprisljudspaneler att använda enkla drivrutiner med full frekvens istället för separata bashögtalare och diskanthögtalare; till de priserna är det nästan omöjligt att hitta en anständigt klingande diskanthögtalare och att inkludera en lämplig delningskrets.

Högtalare med små fullomfångsdrivrutiner, som Sampan FTL eller Kvart & Bolge Sound Sommeliers (visas här) har sin charm, och levererar ofta helt platt respons och vackert konsekvent spridning från det nedre mellanregistret genom den lägre diskanten, vilket översätts till mjuk och naturlig röståtergivning. Däremot låter de inte lika luftiga eller rymliga som en högtalare med en typisk entumsdiskant, och de spelar inte riktigt högt eller levererar mycket bas. Men de kan utökas med en subwoofer.

Jag ser inte hur högtalare som använder större enstaka drivrutiner kan betraktas som högkvalitetsprodukter. Vissa audiofiler gillar dem, men vad jag kan säga är deras attraktion mer filosofisk än musikalisk. Frekvenssvaret och dispersionsavvikelserna som dessa högtalare introducerar är lätta att höra och mäta; så enligt min mening finns det inget trovärdigt sätt att kalla deras ljud naturligt eller neutralt. Vissa av dessa högtalare lägger till en super-tweeter för mer utökad diskantrespons, men deras totala frekvensrespons kommer fortfarande att vara grov och deras spridning smal i den nedre diskanten och det övre mellanregistret.

Det finns också högtalare för elektrostatiska och magnetoplanära paneler med full frekvens, som de som tillverkas av MartinLogan respektive Magnepan. Dessa är en helt annan sak eftersom de utstrålar ljud bakåt och framåt, vilket hjälper till att motverka spridningsproblem som orsakas av panelernas stora strålningsytor. Många av dessa högtalare använder böjda paneler för att bredda sin spridning. De kan inte leverera djup bas vid höga volymer eller den typ av fokuserad bild som en bra dynamisk (dvs cones’n’domes) högtalare kan producera, men fortfarande anser många audiofiler och recensenter att dessa högtalare är bland de bästa tillgängliga överhuvudtaget pris.

Tvåvägshögtalare (bashögtalare/diskanthögtalare)
som kombinerar en enkel bashögtalare och en enkel diskanthögtalare är de vanligaste, och vissa audiofiler och recensenter anser dem vara de bästa, ofta med hänvisning till maximen "enklare är bättre". Återigen gäller inte den uppfattningen. Ja, tvåvägshögtalare är vanligtvis enklare än trevägsmodeller, men den enkelheten kräver en kompromiss som tenderar att inträffa vid frekvenser mellan två och fyra kHz, där örat är mest känsligt.

Problemet med tvåvägshögtalare uppstår i delningspunkten, den frekvens med vilken ljudet överförs från basen till diskanthögtalaren. Som vi diskuterade ovan, ju större bashögtalaren är, desto mer börjar dess spridning att minska vid högre frekvenser. Så när du går från mellanregistret till diskanten, minskar spridningen när den närmar sig övergångspunkten och öppnar sig sedan brett igen när ljudet övergår till diskanthögtalaren, som vanligtvis är en eller 0,75 tum i diameter och därmed sprider ljudet brett upp i toppoktaven av diskant (mellan 10 och 20 kHz).

En lösning är att använda en mindre bashögtalare, i så fall offrar du basresponsen. Eller så kan du flytta delningspunkten lägre, så att basen inte är aktiv vid höga frekvenser. Men sedan börjar du lägga överdriven stress på diskanthögtalaren, som förmodligen inte har tillräckligt med utstrålningsarea eller exkursion (fram-till-bak-rörelse) för att reproducera de lägre frekvenserna.

Uppenbarligen har många högtalardesigners gjort denna kompromiss framgångsrikt eftersom det finns otaliga tvåvägshögtalare som låter bra. Med några få undantag föredrar jag tvåvägshögtalare med en-tums diskanthögtalare och bashögtalare som inte är större än 5,25 tum, med delningspunkter ner runt 2,2 kHz eller så. Naturligtvis kan alla tvåvägshögtalare utökas med en subwoofer.

Det finns dock två undantag här. Det första är att vissa högfrekventa förare har tillräckligt med respons ner i mellanregistret för att de säkert kan passeras över till en bashögtalare vid en lägre frekvens, vanligtvis mellan 800 Hz och 1,5 kHz. Dessa inkluderar horndiskanter som använder kompressionsdrivrutiner (inte dome-diskanter med en hornformad vågledare), vissa banddiskanter och elektrostatiska och magnetoplanära paneler. Därför fungerar tvåvägsdesign bra i till exempel hornhögtalare från JBL och Klipsch, samt tvåvägs elektrostatiska högtalare från MartinLogan.

Det andra undantaget är att stora bashögtalare med låg rörlig massa och hög känslighet kan producera naturligt klingande mellanregister och kan korsas över vid relativt höga frekvenser. Ofta kommer bashögtalaren att ha en veckad ram (den del som förbinder konen med korgen) istället för den vanligare halvrullsramen. Med en av dessa kan du få fullomfångsljud från en tvåvägs. Exempel inkluderar JBL M2 professionella monitorer (visas här) och DeVore Fidelity Orangutan-högtalare.

Trevägs (woofer/mellanregister/diskant)
De flesta högtalardesigners jag känner anser att en trevägsdesign är det bästa allroundvalet. En trevägsdesign ger dig fördelen med de små fullomfångshögtalarna som beskrivs ovan: dött frekvenssvar och konsekvent spridning genom större delen av röstomfånget. Det beror på att övergångspunkterna vanligtvis är runt 300 till 600 Hz mellan bashögtalaren och mellanregistret och 2,8 till fyra kHz mellan mellanregistret och diskanthögtalaren. Du får den breda spridningen av en en- eller 0,75-tums diskanthögtalare utan oro för distorsion eller fel på diskanthögtalaren. Designern är också fri att använda en större bashögtalare (eller två eller tre) för att få djupare basrespons. En väldesignad trevägshögtalare kan leverera hög effekthantering, extremt naturligt ljud utan större tonbalansavvikelser och uppmätt prestanda som är nära perfekt.

Därmed inte sagt att trevägshögtalare är perfekta på alla sätt. Högtalare som använder en mellanregisterelement som är av samma storlek eller bara något mindre än bashögtalaren är vanliga; de kommer att spela högre än högtalare med mindre mellanregisterdrivrutiner, men de levererar vanligtvis inte den konsekvent breda mellanregisterspridningen. Dessutom har jag hört några trevägshögtalare där mellanregisterelementet korsades över till en stor bashögtalare med för hög frekvens, vilket gör att röster låter onaturligt uppsvällda eftersom de kommer från en stor bashögtalare.

Det är också svårt att göra en trevägshögtalare till låg kostnad. Konstruktören måste lägga till mellanregisterdrivrutinen, en separat intern kapsling för mellanregisterdrivrutinen, en större kapsling totalt sett och vanligtvis två eller tre extra induktorer, två eller tre extra kondensatorer och ett extra motstånd. Multiplicera kostnaden för dessa extra delar med fem eller sex gånger för att få ökningen i detaljhandelspriset, lägg sedan till lite mer för dyrare frakt, och du börjar förstå varför det finns få trevägshögtalare som kostar under 400 USD per par.

En vanlig variant på trevägshögtalaren är två-och-en-halvvägshögtalaren. Detta använder vanligtvis en diskanthögtalare och två eller tre matchande baselement. Bashögtalaren närmast diskanthögtalaren korsas över till diskanthögtalaren som vanligt. Bashögtalarna under den är lågpassfiltrerade, vanligtvis vid 300 till 800 Hz, så de förstärker basutgången från den övre bashögtalaren men håller sig oftast utanför mellanregistret. Om du körde alla bashögtalare parallellt och korsade dem överallt till diskanthögtalaren, skulle de störa varandra i mellanregistret och producera vertikalt smala ljudstrålar (kallade "lober") vid vissa frekvenser. Medan två-och-en-halvvägsdesigner ger dig mer bas än jämförbara tvåvägsmodeller, erbjuder de fortfarande samma utmaningar som tvåvägshögtalare när det gäller att välja rätt delningspunkt mellan basen och diskanthögtalaren.

Fyra och fler
När du väl kommer in på billigare modeller blir fyr- och femvägshögtalare vanliga. För det mesta är dessa i grunden trevägsmodeller med en stor woofer tillagd för djupare bas. De har alla fördelar med trevägsmodeller med ännu mer bas, men till högre kostnad. En fyrvägsdesign är särskilt fördelaktig för högtalare med första ordningens delningsfilter på grund av de påfrestningar de utsätter för sina förare.

Jag har precis skrapat på ytan av det här ämnet här, och jag uppmuntrar dig att lära dig mer om det genom att läsa LDC eller en annan bra referensbok om talare.