Högtalare Förstärkare Delningsfilter Onlinebutiker Länkar Bilder FAQ

Hertztabell

Delningsfilter
Detta är ett område som är omfattande och ganska svårt att kunna hantera och kräver en hel del kunskap och förståelse. Därför är delningsfilter för många en rysare som man helst vill glömma men det är bättre att ta tjuren vid hornen och lära sig - den som behärskar delningsfilter är duktig.

Vad gör delningsfiltret ?
I normala fall vill man att filtren ska dela upp frekvensområdet i två eller flera delar och sedan leda energin till olika element, då talar man om ett delningsfilter eftersom man delar upp signalen åt flera olika håll. Man måste ha filter för att elementen ska låta så bra som möjligt och för att de inte ska gå sönder, det sistnämnda gäller mellanregister och diskanter, skulle man koppla in en diskant utan delningsfilter skulle den gå sönder vid ganska måttlig volym, tänk på att de effekttåligheterna man anger på mellanregister och diskanter är vad de tål med ett riktigt konstruerat delningsfilter, med obefintligt eller felaktigt filter försämras effektåligheten dramatiskt. Därför måste vi till diskanter och mellanregister alltid på ett eller annat sätt ha ett delningsfilter.

Aktivt / Passivt
Det finns två olika typer av delningsfilter. Det vanliga passiva som är det som sitter i alla vanliga högtalare. Den aktiva typen som även kallas elektroniskt delningsfilter (aktivt därför att det innehåller aktiva komponenter = förstärkare) och som separerar signalen mellan olika slutsteg som i sin tur kopplas direkt till elementen, man gör alltså delningen innan förstärkaren. Man använder spolar och kondensatorer för att ordna själva delningen (av praktiska skäl använder visserligen bara kondensatorer i aktiva delningsfilter) skillnaden är den att i det elektroniska filtret kan man få bättre prestanda genom att dess teoretiska funktion stämmer med verkligheten - förut (del 1) sade vi ju att det var viktigt att ha rätt delningsfilter till en viss högtalare, nu är det ju så att högtalaren är en ganska komplicerad enhet som gör att det passiva delningsfiltret inte kommer att fungera riktigt som det borde i teorin även om vi har rätt filter, i det elektroniska delningsfiltret kan man i princip göra ett "perfekt" filter eftersom belastningen på filtret är nära nog helt ideal (ett motstånd).

Nackdelen med ett elektroniskt delningsfilter är att det kräver extra förstärkarkanaler vilket gör det dyrare, annars så är det nära nog bara fördelar, förr när de sk operationsförstärkarna (Integrerad Krets som innehåller en komplett förstärkare och som är den delen som gör filtret just aktivt) var betydligt sämre kunde man anmärka mot mer brus men idag är operationsförstärkarna så bra att det knappast är något problem.

Fördelarna med aktiva filter är däremot ganska uppenbara, det ger inga effektförluster i stora filterdrosslar - det har en nära nog perfekt delning, man kan enkelt nivåjustera elementen dessutom utan förluster osv osv.

Passiva filter
Passiva filter är den vanliga typen som sitter i högtalaren och som är uppbyggd med spolar, kondensatorer och motstånd - problemen med denna typen är den att den stjäl en del förstärkareffekt och att filtret måste driva en högtalare som har en del "hyss" för sig och då fungerar inte filtret riktigt som vi har hade önskat oss, om vi förstår varför dessa problem uppkommer så kan vi enklare förstå hur ett bra filter ska vara konstruerat.

Elektriska problem med högtalarelement
Ett högtalarelement är som du säkert förstår en enhet som både har mekaniska såväl som elektriska egenskaper, ofta samverkar dessa och ger nya resultat som man kanske inte direkt tänker sig och detta kan ställa till det en hel del om man inte är medveten om problemen.
Det vi ska studera är hur högtalarens impedans förändras över frekvensskalan och varför och vad man kan göra åt det. Men först en snabb genomgång av passiva delningsfilter, ett passivt delningsfilter ska om man vill att det ska fungera som tänkt ha en konstant belastning annars fungerar det på något annat sätt - 6dB/Okt filter är lättast och förstå och ger mest fel och därför har vi dem som exempel.

Resonans
Nedåt i frekvens har ett element i kombination med sin låda en eller flera resonansfrekvenser, vid dessa frekvenser kräver högtalaren ytterst lite effekt för att gör sitt jobb. För att få mindre effekt så ökar elementet impedansen. Den som har den värsta (största-högsta) impedanstoppen är den slutna lådan men det är å andra sidan bara en topp och det finns botemedel för det i och med olika kompensations kretsar, olika portade lådor har flera olika toppar i impedans kurvan som gör att hela det lägre delen av basområdet ser ut lite som en berg och dal bana och blir då svårare att kompensera. Det som händer är att högtalaren inte vill ha förstärkarens effekt och då ökar den impedansen, om man vill försöka jämna ut detta så får man göra en elektrisk krets som just under detta intervall som impedanstoppen inträffar belastar lagom mycket så att konstlast + element = konstant. En sådan här krets består av en drossel, kondensator och motstånde i serie (LCR - krets) eftersom kretsen suger effekt kallas den också sugkrets. Viktigt att förstå är att man inför en förlust för att vinna linjäritet (jämnhet) hos "högtalaren", totalt blir det trögare att driva.

Över till lite praktisk räkning på det hela då. Det vanligaste stället man har problem med detta är i diskantområdet, för diskanten sitter ju i en liten sluten låda som utgörs av luften bakom membranet! Ett bra värde är att ha dämpat sitt element minst 10dB där resonansproblemen (Fs) inträffar.
Vi har då köpt en diskant som vi ska dela med ett 6dB/okt filter vid 4000Hz - då har vår diskant 8W :s impedans vilket vi har kunnat se i dess datablad och delningsfiltret ska enligt datorn eller tabell bestå av en 5uF kondensator i serie med elementet, delningsfrekvensen anger f.ö. att nivån är dämpad 3dB. Vid 1000Hz har vår diskant då sin resonansfrekvens och vi är 2 oktaver ifrån => -12dB plus de -3dB som utgörs av dämpningen vid delningsfrekvensen, alltså -15dB vid resonans frekvensen vilket ju är gott och väl mer än -10dB, det verkar ju helt Ok.

Vi ser också att vår diskant har 32W :s impedans vid 1000Hz, nyfikna som vi är så undrar vi vad vi skulle ha för kondensator om vi skulle dela vid 1000Hz och datorn svarar 5uF ?!? men det är ju samma som vid 4000Hz - javisst är det och datorn har dessvärre alldeles rätt, ett par rader upp stod det att läsa att vid delningsfrekvensen är elementet dämpat 3dB alltså är diskanten är bara dämpad 3dB vid sin resonansfrekvens och vi ville ju ha 10dBs dämpning alltså var vårt filter inte fullt så himla bra. Impedanstoppen vid resonansfrekvensen motverkar delningsfiltret. Det man kan göra är att införa en LCR krets som fixar bort impedanstoppen enligt den metod som vi beskrev tidigare. Men ofta så är det inte så här illa för i allmänhet brukar man alltid ha lite dämpning (eller så inför man det ändå) och då får man automatiskt en reducering av detta fenomenet speciellt om man använder sig av en sk. impedanslinjärt dämpled (ett med två motstånd också kallad attentuator en L-pad fungerar också).

Men även om du nu inte vill dämpa din diskant så kan du vara lite ful och slösa med effekt (det är precis den här iden vi använde med dämpledet) , du kan koppla ett motstånd parallellt över diskanten och väljer du ett lagom värde så kan du reducera impedansstegringen drastiskt, låt oss säga att vi använder den 8W :s diskant vi använde förut och kopplar ett motstånd på 8W parallellt med diskanten så kommer du att behöva räkna om filtret för 4W (10uF kondenator). Vid resonans kommer impedansen att bli 6.4W alltså ändrar sig impedansen +60% mot +300% utan motstånd. Fördelen med denna lösning är att den är okritisk - den fungerar som man har tänkt sig även om elementen eller komponenterna har lite toleranser, LCR kretsen är mycket känsligare, nackdelen är att man gör av med lite effekt i onödan med motståndet.

Till midbasar då, som delas runt 100Hz ?
Ja då kan man knappast koppla motstånd parallellt och ödsla halva effekten på värme! Det man får göra då är att antingen ha ett LCR-led vilket kan får enorma dimensioner! Eller att man medvetet misslyckas lite med sin låda - stoppa i ett stort basreflexrör men med ca 4cm tjock skumplast i - eller köp Dynaudios Variovent så har du reducerat impedanstoppen ganska ordentligt, det man gör här är i princip samma sak som med motståndet bara att man löser problemet akustiskt istället - resultatet blir i stort detsamma för impedanskurvan. Men det är ganska sällan man i hemmabruk vill dela av högtalarna så lågt i frekvens så där är problemet oftast inte är så stort, sedan så kan man ju använda ett brantare filter då minskar också problemet - eller har du råd kan du dela elektroniskt så behöver du inte tänka på problemet alls. I detta avsnitt så kunde det vara kul att räkna en massa och få en massa siffror på de olika situationerna men då börjar det att likna lite överkurs - så vi struntar i det, ni får tro på det ändå.

Induktans i Talspolen
Talspolen är lindad som en cylinder detta gör att den kan åstadkomma ett magnetfält som behövs för att elementet ska fungera, men det gör också att talspolen uppträder som en drossel elektriskt - kännetecken för en drossel är ett lågt likströms motstånd och sedan stiger motståndet (impedans som växelströmsmotstånd egentligen heter) med frekvensen alltså den släpper igenom mindre och mindre ström. Detta gör att belastningen på filtret minskar vid höga frekvenser, impedansen ökar - med följd att delningfiltret delar sämre eller rättare sagt inte lika brant. Problemet är samma som i fallet med diskanten och resonansfrekvensen men här fungerar det åt andra hållet så att säga. Men detta kan man kompensera billigt och enkelt genom en sk. konjungatlänk som består av en kondensator och ett motstånd som sitter i serie och kopplas parallellt med elementet - denna lilla enkla krets har motsatt verkan mot elementen och lägger man ihop bidragen från elementet och konjungatlänken så blir resultatet en ganska konstant impedans och detta innebär att belastningen på delningsfiltret blir betydligt mer konstant och att det fungerar bättre, men även här är det en förlust man inför för att vinna impedanslinjäritet.

Ett annat intressant fenomen man kan få är om man dämpar en diskant med endast ett seriemotstånd så kommer dämpningen att minska med ökad frekvens alltså får man en diskanthöjning i frekvensområdets övre del om man inte har en konjungatlänk, mycket individuellt mellan olika diskanter om det behövs eller ej men nu har vi nämnt det i varje fall. Ett alternativ till konjungatlänk vore att sätta en liten drossel i serie med seriemotstånd som dämpled - då skulle både diskanten och dämpledet bete sig likadant och dämpningen skulle vara linjär men denna lösning är oftast dyrare än den med konjungatlänk så den är ganska ovanlig, dessutom så är det inte främjande för ljudkvaliten att leda signalen genom en lång kopparledare..

Ett litet problem är att man har ju ofta har en impedanskurva på elementet och sedan tillför man en konjungatlänk och då vet man inte riktigt vad impedansen blev som summa och man vet inte heller riktigt hur man ska konstruera sitt delningsfilter, och då behöver man mäta för att se hur det blev - men alla har ju tyvärr inte mätutrustning så då får man ta det lite mellan tummen och pekfingret men man hamnar ju hur som helst närmare det rätta än om man struntade i konjungatlänken. Trots att det i teorin verkar som om nästan alla högtalare skulle behöva en konjungatlänk så kommer du att se att i färdiga högtalarkonstruktioner är det är ganska olika hurvida man använder konjungatlänkar eller ej - trots att man kanske rent utav använder samma element och det beror på att man i vissa fall räknar med att elementet har lite lustigheter för sig i sin filterkonstruktion, med ett 6dB/okt filter t.ex. syns detta som om man verkar har valt en för låg delningsfrekvens på bas/mellanregister elementet, man får emellertid kanske bara 3.5-4 dB/okt delning men det kanske anses räcka.

Filter Karakteristik
Man delar in filtren beroende på hur de delar dvs om de släpper igenom höga eller låga frekvenser eller bara inom ett visst område, man säger att filtren har olika karakteristik.

Högpass
Ett Högpass filter filtrerar bort låga frekvenser och släpper igenom höga frekvenser och används då man inte vill att högtalaren ska arbeta med för låga frekvenser det bästa exemplet är diskanten men även mellanregister delar man nedåt i frekvens. Även filter som filtrerar bort subsoniska (under 16Hz) störningar är högpassfilter.

Lågpass
Ett Lågpass filter filtrerar bort höga frekvenser men släpper igenom låga och används då man inte vill att högtalaren ska spela för höga frekvenser. Vanliga användningsområden för lågpass filter är t.ex. till en subwoofer eller bas.

Bandpass
Bandpass filter är egentligen ett användningsområde för HP och LP filter, i bandpass filter har man kopplast ihop ett LP och ett HP filter och genom detta åstadkommer man att högtalaren bara spelar inom ett område t.ex. 80-500Hz. De frekvenser som ligger under 80 Hz skärs bort av HP filtret och de frekvenser ligger över 500Hz filtrerats bort av LP filtret.

Branthet
Nästa viktiga parameter är filtets sk branthet. Ett enkelt filter dämpar signalen utanför det område det ska arbeta (släppa igenom) ganska långsamt och ett sådant filter är således inte särskilt brant, ett aktivt filter dämpar oftast frekvenser utanför sitt arbetsområde snabbt och är då brant. Branthet räknas i dB/Oktav (eller i vissa sammanhand per dekad vilket är 3,33 oktaver) ett enkelt filter har brantheten 6 dB/Oktav ett aktivt är ofta brantare med t.ex. 18 dB/Oktav.

I tabellen nedan ser vi hur snabbt ett bandpassfilter med övre och nedre frekvens på 1000Hz ändras(bara 1khz tonen ska ta sig igenom, om filtret vore oändligt bra)

Vi ser hur olika brantheter beter sig (teoretiska filter).

Det kan vara intressant att veta hur mycket effekt som tar sig igenom. Se nedan.
-6dB = 1/4 del av effekten
-12dB = 1/16 del av effekten
-18dB = 1/64 del av effekten

Hur fungerar passiva filter ?
Ett passivt filter består enbart av passiva komponenter - passiva komponenter arbetar med att införa lämpliga förluster på rätt ställe, alltså dämpar man alltid bort oönskade frekvenser genom att införa förluster eller att utnyttja att komponenterna ändrar egenskaper i takt med frekvensen.

Motstånd är en komponent som har ett "dämpvärde" som är oberoende av frekvensen och är alltså konstant. Motståndet i en bit koppartråd är alltså en resistans och skulle kunna ersätta varandra. Motståndet har dels ett värde som anges i Ohm, dessutom har man en maxeffekt på motståndet som talar om hur mycket effekt det maximalt kan kyla bort.

Spolar heter egentligen drosslar. Runt alla elektriska ledare som det går ström i blir det ett magnetfält, genom att lägga flera trådar parallellt kan man öka magnetflödet. För att kunna lägga trådarna så effektivt som möjligt lindar man dem i en spole vill man sedan öka magnetfältet ännu mer kan man sätta en järnkärna mitt i spolen. Magnetfältet gör att spolen blir trög för förändringar i ström och kan både hålla emot eller driva ström - ju större värde spolen har desto trögare är den. Ju fortare man vill ändra strömmens riktning desto mer trögar spolen. Detta gör att den inte släpper igenom höga frekvenser medan låga frekvenser släpper den igenom. För ren likspänning så är spolen inget annat än en bit metalltråd precis som vilken sladd som helst. Värdet på spolar mäts i Henry, spolar till högtalare är i regionen av 1000dels Henry

Kondensatorn är en komponent som elektriskt beter sig precis tvärt emot spolen. Den släpper inte alls igenom likspänning (oändligt högt motstånd) men vid högre frekvenser leder den allt bättre - ju större värde desto bättre leder den. Används alltså då man inte vill släppa igenom låga frekvenser. Kondensatorer mäts i Farad och till högtalare är man i regionen mellan miljondels till tusendels Farad.

Spolar och kondensatorer orsakar fasförändringar d.v.s. att ström och spänning inte ligger tidsmässigt samtidigt, det finns en viss tidsskillnad mellan dem - fasskillnad. Men detta går vi inte in på här det är ganska komplicerat, man får komplexräkna och ha sig.

Det finns olika branta delningsfilter och normalt så används endast de mellan 6dB och 24dB per oktav för delningsfilter i högtalare. Brantare delningsfilter finns dock men de används normalt inte alls till högtalare då de både är komplicerade (att få att fungera) och blir dyra förutom att de inte behövs. Men först ska jag säga att i denna text gör vi ett likhetstecken med att det som heter 1:a ordningens filter också delar med 6dB/oktav och ett 2:a ordningens 12dB/oktav, att det i verkligheten inte är så vet vi redan nu men vi låtsas att det är idealt tills vidare. Varje gång ordningen ökar ökas också brantheten 6dB extra och en extra filterkomponent åtgår. Se Hertztabell

6dB/oktav
Är den enklaste principen av de alla den består i all sin enkelhet av en kondensator i serie med diskanten, detta bildar då ett högpassfilter och en drossel i serie med basen som bildar lågpassfilter, till ett mellanregistret så får man används både en drossel och en kondensator i serie med elementet.

12dB/oktav
I grunden samma som ett 6dB filter men här har man dessutom efter den tidigare filter komponenten kopplat ytterligare en som är ansluten till jord, såvida man inte har några andra komponenter inblandat så skulle man kunna säga att man kopplar en komponent parallellt med elementet, för ett lågpassfilter kopplar man en kondensator parallellt med elementet och en drossel på motsvarande sätt för ett högpass filter (alltså motsatt mot den som sitter i serie), med ett bandpassfilter så kopplar man först ett 12dB högpass filter och därefter ett 12dB lågpass.

Filtret fungerar som så att först dämpar man det oönskade området med den första komponenten, det som sedan finns kvar trots filtreringen kommer att ledas till jord istället för elementet. Om du har svårt att förstå logiken så låtsas att komponenterna vore oändligt bra då skulle det i ett högpassfilter endast passera höga frekvenser genom kondensatorn och inga låga alls, men om det ändå skulle det så det så borde en spole ansluten till jord efter kondensatorn kortsluta alla låga frekvenser men inte påverka höga alls. Och kortsluter man en högtalare (eller dess terminal) så låter den inte - snälla prova inte bara, jag lovar att det stämmer!

18dB/oktav
Här har man i princip kopplat först ett 12dB filter och sedan ett 6dB filter efter, vi talar schematiskt - värdena på komponenterna stämmer inte med 6 och 12dB fallen!.

24dB/oktav
Här har man istället kopplat 2st 12dB filter i serie. Även här talar vi schematiskt. Teoretiskt skulle man kunna hålla på så här i all evighet (t.ex. består ett 60dB filter av 5st 12dB filter).

Nu vet vi då hur filtret ser ut i "verkligheten", men än är det inte slut på det roliga det finns dessutom finns det flera olika varianter av de brantare typerna som alla har lite olika egenskaper. Skillnaden beror på hur de olika komponenternas värden förhåller sig till varandra, alltså ser ett Butterworth filter och ett BEC filter exakt likadana ut på ett schema men mäter man på dem så finns det skillnader!



Karrakteristik
Trots att filtren i den nedanstående fallen har komponenterna identiskt placerade så kan man genom att ändra värdena inbördes erhålla lite olika egenskaper runt delningsfrekvensen, man påverkar både fasläget och nivån. Skillnaderna är inte enorma men de existerar. Vi kommer inte att gå djupare på vad som skiljer och varför typ si eller så skulle vara bättre. Det man egentligen är intresserad av är hur utsignalen ser ut från högtalaren och genom att ansluta en icka linjär last till filtret så påverkar man dess funktion så att det inte stämmer med dess ideala beteende. Man kommer till slutsatsen att passiva filter kommer ändå aldrig att fungera som man tänkt sig.

Butterworth
Butterworth filtret ger en rak och fin frekvensgång och finns med samma karakteristik i alla brantheter. Butterwortfiltren kommer att i vissa brantheter ge upphov till små tidsfel som man om man är petig kan tidkompensera för. Om man tänker använda 1:a ordningens filter finns bara Butterworth att välja på. Dessa tidsfel är i och för sig inte så märkvärdiga men man kan ju veta om att de finns - och har du 6dB filter uppåt och 18dB nedåt så är det inget problem, eller 12dB åt bägge håll eller 12dB och 24dB - titta i tabellen ovan, där står det vad som händer..

Ett butterworthfilter strävar efter att ge ett jämt elektriskt förlopp dvs konstant impedans, detta medför att det kommer att vid delningsfrekvensen ge upphov till lite extra förstärkning av ljudet - ofta så har dock detta inte fullt så stor betydelse då brister hos elementen eller lyssnarvinkeln i viss mån kan komma att kompensera ut detta.

Linkwitz-Riley
Är den typ av delningsfilter var på stark frammarsch för några år sedan, designen kom så sent som 1976 och börjar därför först nu slå igenom fullt ut!. Linkwitz-Riley filtret finns dock bara i 2:a och 4:e ordningen. Linkwitz-Riley filtet ger inga tidsfel och ger en rak frekvensgång men har i gengäld en impedanstopp precis vid delningsfrekvensen. Detta ställer dock sällan till med något som helst problem rent elektriskt .

Bessel
Är en kompromiss där impendansgången är rak och tidsfelen är noll men istället får man en liten topp i frekvensgången på 1.75dB. Besselfiltret var före tiden med Linkwitz-Riley, ofta använt som filter till mer avancerade tillämpningar. Toppen i frekvensgången kan till största delen kompenseras bort genom att men inte väljer delningspunkten på exakt samma ställe för diskant- och baselement utan med ett litet mellanrum. Detta kommer dock istället att ge en svag höjning i impedans gången runt detta intervall. (vi närmar oss L-R filtret).

BEC
Har precis samma egenskaper som Bessel men har en något mindre topp i frekvensgången .