Audio

 Charakterystyka zwrotnicy Alt-18

• Rodzaj: trójdrożna Butterwortha 3-go rzędu.
• Częstotliwości podziału: 1 i 5.5 kHz.
• Nachylenie zboczy: 4 × 18 dB/okt.
• Tłumienie zwrotnicy: 0.5 dB.
• Względne tłumienie dla głośnika średniotonowego: 4 dB.
• Moc: 100 W / 8 Ω (powyżej 5.5 kHz 6 Ω).
• 5 cewek powietrznych i 1 na rdzeniu ze sproszkowanego żelaza PERMITE 75.
• Wymiary: 205 × 170 mm.
• Zoptymalizowana do zestawu Altus 110 + Vifa PL27TG-35 6ohm, ale może współpracować też z innymi zestawami tej serii, do podanej wyżej mocy.
• Możliwość pracy z całkowicie innymi trójdrożnymi zestawami przez ewentualny dobór kondensatorów w kompensatorach zmian impedancji poszczególnych głośników i/lub elementów dzielnika sekcji średniotonowej (rys. 4). Zalecana szczególnie do trójdrożnych zestawów z zamkniętym głośnikiem średniotonowym lub o zbyt małej objętości jego komory.
• Głośnik wysokotonowy 6 lub 8 Ω. Możliwość konfiguracji poprzez równoległe podłączenie z wysokotonowym 8 Ω, rezystora dopasowującego do filtra górno-przepustowego o projektowej R_obc = 6 Ω (rys. 4).

Filtr Butterwortha cechuje się najbardziej płaską charakterystyką amplitudową w paśmie przepustowym i stromym nachyleniem w paśmie zaporowym. Ogólnie, dla zwrotnicy nie jest to sprawa pierwszorzędna, gdyż istotna jest równomierność charakterystyki amplitudowej, a najlepiej też fazowej, czyli charakterystyki Bodego, ale dla całej zwrotnicy, traktowanej jako wektorowa suma napięć wyjściowych wszystkich jej dróg. Wydaje się jednak, że w przypadku głośników o względnie wąskim paśmie dobrego brzmienia, filtry Butterwortha mogą być dobrym rozwiązaniem.

Przy projektowaniu zwrotnicy Butterwortha o nachyleniu 18 dB/okt, podobnie jak przy 6 dB/okt, nie koryguje się częstotliwości granicznych poszczególnych jej dróg – dla sąsiednich filtrów powinny być one sobie równe. Również, podobnie jak przy 6 dB/okt, w 18-tce z punktu widzenia charakterystyki amplitudowej wzajemna polaryzacja sąsiednich głośników może być dowolna. Zawsze zwrotnice te dają idealnie płaski przebieg tej charakterystyki. Do kwestii polaryzacji za chwilę wrócimy, bo ogólnie nie jest ona obojętna.

To podobieństwo zwrotnic Butterwortha 18 dB/okt i 6 dB/okt wynika z identycznej bezwzględnej różnicy faz sąsiednich filtrów przy ich częstotliwościach granicznych, pomijając w kwestii charakterystyki amplitudowej nieistotny fakt, że bezwzględna różnica faz na wykresie niezawijanym (unwrapped) dla 18 dB/okt wynosi aż 135° − (−135°) = 270°, a dla 6 dB/okt tylko 45° − (−45°) = 90°. Taki sam wynik będzie po odwróceniu wzajemnej polaryzacji głośników.

Inaczej jest w zwrotnicy Butterwortha 12 dB/okt – konieczne jest tu niewielkie wzajemne rozsunięcie częstotliwości granicznych poszczególnych dróg oraz odwrócenie polaryzacji sąsiednich głośników. Jednak mimo tych zabiegów nigdy nie osiągniemy idealnie płaskiego przebiegu charakterystyki amplitudowej. Niemniej zafalowanie jest tu dość małe, teoretycznie ±0.5 dB. Dla takiego nachylenia naturalniejszym rozwiązaniem jest zwrotnica Linkwitz-Rileya 2-go rzędu (LR2) dająca idealnie płaski przebieg charakterystyki amplitudowej (podobnie LR4 dla 24 dB/okt).

Powyższe pojęcie „idealnie płaski” odnosi się do zwrotnic 2-drożnych. W przypadku zwrotnic 3 i więcej drożnych, w praktyce trzeba dodać niewielkie zafalowanie (na poziomie ułamków dB) charakterystyki amplitudowej zwrotnicy wynikające z różnic dobroci (pasma) sąsiednich filtrów oraz wpływu pasm zaporowych pozostałych dróg kolumny. Jednak istnieją sposoby na eliminację też tych zafalowań.

Niestety już w kwestii charakterystyki fazowej, a co za tym idzie odpowiedzi impulsowej w dziedzinie czasu, nie ma analogicznego podobieństwa zwrotnic Butterwortha 18 i 6 dB/okt. Kiedy po wektorowym zsumowaniu napięć wyjściowych np. FDP i FGP 6 dB/okt (napięcie wyjściowe zwrotnicy) otrzymamy wierną kopię napięcia wejściowego, taka operacja w 18-tce (i oczywiście też np. w 12-tce) da dodatkowe szybko gasnące oscylacje. Jednak aspekt ten może nie mieć aż tak dużego znaczenia wobec dużo gorszych analogicznych parametrów obudów i ew. pomieszczeń odsłuchowych.

Powróćmy jednak do kwestii wzajemnej polaryzacji sąsiednich głośników w zwrotnicy Butterwortha 18 dB/okt, a więc też Alt-18. Jak zostało to już zaznaczone, polaryzacja ta nie ma wpływu na przebieg charakterystyki amplitudowej całej zwrotnicy, ale ma wpływ na przebieg jej charakterystyki fazowej, a w związku z tym i opóźnienia grupowego oraz odpowiedzi w dziedzinie czasu. Otóż, odwrócenie wzajemnej polaryzacji głośników poprawi w okolicy f granicznych przebieg fazy i opóźnienia grupowego, ale może pogorszyć charakterystykę kierunkową kolumny w płaszczyźnie pionowej.

Z powodu wysokich częstotliwości podziału w Alt-18 (1 i 5.5 kHz) zmiany opóźnienia grupowego t_g tej zwrotnicy w funkcji częstotliwości w najgorszym przypadku tj. w okolicy 1 kHz i zgodnych polaryzacjach głośników, nie przekraczają 700 µs (wówczas Alt-18 jest filtrem APF2 @ Q = 1). Przy przeciwnych polaryzacjach spadają one do około 300 µs, czyli są tak małe jak w zwrotnicy LR2 (wówczas Alt-18 jest filtrem APF1). Mamy więc 2-krotny spadek zmian t_g, ale nawet te większe są trudne do słuchowego uchwycenia (dla porównania w obudowie Bass-Reflex zmiany t_g sięgają kilkunastu ms). Jak wiemy, słuchowa percepcja zniekształceń fazowych obiektu dla sygnałów skokowych jest mniej więcej proporcjonalna do wielkości i szybkości zmian opóźnienia grupowego tego obiektu w funkcji częstotliwości. Gdyby zaprojektować Alt-18 z niższymi częstotliwościami podziału, zmiany t_g byłyby proporcjonalnie większe – poniżej 500 Hz powoli traci sens w tej zwrotnicy opcja zgodnych polaryzacji głośników.

Natomiast zmiana charakterystyki kierunkowej w płaszczyźnie pionowej jest związana z istnieniem w tej zwrotnicy odchylenia głównego listka promieniowania kolumny przy częstotliwości podziału filtrów (przy założeniu dookólnych charakterystyk samych głośników). Normalnie płaska charakterystyka amplitudowa zwrotnicy jest w kolumnie mierzona na osi prostopadłej do jej przedniej ścianki (on-axis), a więc nie na tym głównym listku. Natomiast ów listek dla zgodnych polaryzacji głośników oraz ogólnie GDW umieszczonym ponad GDN daje wzmocnienie 3 dB pod kątem +15° (powyżej on-axis) oraz co istotne – teoretycznie pełne wygaszenia, z których najważniejszym jest to pod kątem −15° (poniżej on-axis). Wzmocnienie listka może korzystnie poprawiać rzeczywiste charakterystyki kierunkowe samych głośników dla osoby stojącej, a więc odsłuchującej z miejsca powyżej on-axis.

Niestety, po odwróceniu wzajemnej polaryzacji głośników (wystarczy odwrócić GDM w Alt-18) sytuacja się niekorzystnie odwraca. Listek przechodzi w dół, a wygaszenie w górę. Podobne problemy kierunkowe mają prawie wszystkie zwrotnice. Jedynie zwrotnice Linkwitz-Rileya mają listki skierowane zawsze zgodnie z on-axis, ale ten typ zwrotnic można budować praktycznie tylko dla rzędów 2 i 4.

Warto poeksperymentować polaryzacją GDM i wybrać optymalniejsze dla siebie rozwiązanie (opóźnienie grupowe vs chka kierunkowa), gdyż w praktyce fale akustyczne rzadko sumują się i odejmują tak idealnie jak na papierze.

W zwrotnicy Alt-18 jako FSP zastosowałem "prawdziwie" środkowo-przepustowy filtr typu T, a nie kaskadowe połączenie FDP i FGP (rys. 3). Daje to dwie korzyści:

1. Projektową. Do takiego układu stosują się wzory, które ściśle wyliczają FSP na dane wartości f_d i f_g niezależnie od szerokości pasma. W układzie kaskadowym dla węższych pasm pojawia się błąd wyliczenia.
2. Funkcjonalną. Układ ten, szczególnie dla węższych pasm, osiąga korzystniejszy (mniejszy) od kaskady wsp. prostokątności (kształtu), który określa się jako stosunek pasm B_−60dB / B_−6dB i który w idealnym przypadku spada do wartości 1. W przypadku filtra Butterwortha objawia się to w postaci lepszego tłumienia w najbliższym sąsiedztwie pasma (wklęsły kształt w tym obszarze), ostrzejszych krawędzi charakterystyki oraz jej bardziej płaskiego przebiegu w paśmie przepustowym. Przy dostatecznie wąskim paśmie charakterystyka kaskady ulega znacznemu zdeformowaniu, natomiast "prawdziwego" FSP zbliża się do prostokąta. Trzeba jednak zaznaczyć, że bardziej stromy filtr zwrotnicy nie musi być zaletą samą w sobie, gdyż przy względnie szerokopasmowych głośnikach łagodniejsze filtrowanie może być słuchowo korzystniejsze.

Obie powyższe cechy nabierają znaczenia przy węższych pasmach i wyższych rzędach filtrów, kiedy to w skrajnym przypadku kaskada traci zastosowanie. W Alt-18 cechy "prawdziwego" FSP nieznacznie zaczynają się ujawniać (rys. 5). Trzeba bowiem przyznać, że GDM pracuje tu w koniecznym dość wąskim paśmie. Oczywiście rozróżnienie "prawdziwy – nieprawdziwy" nie odnosi się do FDP i FGP z osobna – te są zawsze "prawdziwe".

Pozostał jeszcze jeden czynnik wyróżniający filtry 18 dB/okt. Otóż z teorii filtrów analogowych wynika, że wraz ze wzrostem rzędu filtra wzrasta wrażliwość jego charakterystyki amplitudowo-fazowej na tolerancję elementów składowych. Dlatego np. 18-tkę trudno jest już zrobić z typowych pojedynczych kondensatorów – często trzeba składać z dwóch egzemplarzy. W związku z tym liczba elementów składowych Alt-18 może być większa od 12-tki więcej niż 1.5 razy. Jest to też ekonomiczną barierą dla producentów gotowych zwrotnic.

Na rys. 6 przedstawiam rzeczywistą charakterystykę amplitudową zmontowanego egzemplarza zwrotnicy Alt-18. Została ona zmierzona przy znamionowych rezystancjach obciążenia poszczególnych filtrów, czyli dla przypadku idealnego zgrania wartości elementów kompensatorów zmian impedancji głośników. Przy niewłaściwym ich doborze charakterystyka ta ulega zdeformowaniu objawiającemu się w postaci zbyt dużego tłumienia lub podbicia na krańcach pasma, dochodzących w skrajnych przypadkach do ±3 dB.