Mozak zvučnika

Pre tačno šest godina, u četvrtom broju magazina Hi-Files, govorili smo o osnovnim komponentama zvučnih kutija. Tom prilikom kabinete smo nazvali skeletom, koji drži sve elemente na okupu. Zvučničkim jedinicama dodelili smo ulogu mišića, koji našim zvučnicima daju snagu. Na kraju, onom skrivenom i često zapostavljenom trećem činiocu – poznatom kao skretnica – poverili smo funkciju mozga svakog zvučnika.

Uloga skretnice
U osnovi, skretnica je zadužena za upravljanje, odnosno deljenje signala po frekvencijskim opsezima. Ipak, pasivna skretnica ima i druge, sporedne uloge. Recimo, ona omogućava da paralelno povežete dva 8-omska zvučnika, jedan za visokotonski opseg, a drugi za niske tonove, a da ukupna impedansa ostane osam oma. Da nije skretnice, pojačalo bi ovako vezane zvučnike tretiralo kao 4-omske. Zatim, skretnica omogućava da uskladite dve jedinice različitih efikasnosti i usaglasite frekvencijske odzive. Na kraju, skretnica ujednačava frekvencijske odzive visokotonske ili niskotonske jedinice, čineći ukupan odziv ravnomernijim nego što bi bio bez filtracije. Kako se sve ovo postiže?

Ako za primer uzmemo skretnicu namenjenu dvosistemskom zvučniku, koji sadrži visokotonac i drajver za midbas, videćemo da je osnovni zadatak skretnice da visokotoncima prosledi samo informacije o visokim tonovima, a da eliminiše informacije o srednjotonskom i niskotonskom opsegu. Logično, midbas skretnica mora da uradi dijametralno suprotnu stvar – da prosledi signal sa informacijama o niskim i srednjim tonovima, a da eliminiše visokotonski opseg. Dakle, skretnica se sastoji od dve filterske sekcije koje istovremeno primaju izvorni signal i funkcionišu simultano – jedna sekcija eliminiše srednjotonski i niskotonski opseg i prosleđuje ostatak signala visokotoncu, a druga eliminiše visoke tonove i šalje ostatak signala midbas jedinici. Dakle, standardna dvosistemska skretnica će imati ukupno šest terminala – dva ulazna i četiri izlazna. Uobičajeno, dve sekcije su postavljene paralelno i funkcionišu kako treba samo kad su obe zvučničke jedinice (visokotonac i midbas) povezane.

Na kraju, da razjasnimo čestu nedoumicu mnogih audiofila: na engleskom jeziku navedeni filteri se nazivaju high pass (propušta visoke tonove, a zadržava niske) i low pass (obrnuto, propušta niske tonove, a zadržava visoke). U srpskom jeziku logika je drugačija, pa tako imamo filter visokih frekvencija (VF filter), koji eliminiše visoke tonove a propušta niske, pa je ekvivalent low pass filteru. Na drugoj strani je filter niskih frekvencija (NF filter), koji funkcioniše dijametralno suprotno. Dakle, low pass = filter visokih frekvencija (VF filter), a high pass = filter niskih frekvencija (NF filter).

Elementi skretnice
Tri glavna pasivna elementa svake skretnice jesu otpornici, kondenzatori i kalemovi, a impedansa je pokazatelj koliko ovi elementi ometaju protok elektrona. Otpornici su najjednostavniji elementi i najlakši su za razumevanje – oni pružaju konstantan otpor protoku elektrona, koji ne varira u zavisnosti od frekvencije signala. Otpornici ne utiču na fazu signala ili na vremensku usklađenost napona i protoka elektrona, već samo pretvaraju snagu u toplotnu energiju. U slučaju savršenih zvučnika ne bi bilo potrebe za otpornicima, ali, kako savršenstvo ne postoji, otpornici su i dalje nezaobilazan deo svake skretnice.

Drugi element skretnice – kondenzator – ometa protok elektrona, ali u zavisnosti od frekvencije signala. Naime, svaki kondenzator ima impedansu, koja je u suprotnosti sa frekvencijom – otpor se smanjuje sa povećanjem frekvencije signala, odnosno raste sa smanjenjem frekvencije signala. U praktičnom smislu, ovo znači da kondenzator propušta najviše signala visokih frekvencija, a najmanje signala niskih frekvencija. Jasno je da ovakav vid selekcije signala ima veoma veliki značaj prilikom razdvajanja izvornog signala na frekvencijske opsege.

Kalemovi (prigušnice), kao treći važan element, funkcionišu isto kao i kondenzatori, ali uz jednu „sitnicu“ – naime, za razliku od kondenzatora, kod kalemova otpor raste sa povećanjem frekvencije signala, pa oni propuštaju niske frekvencije a zadržavaju visoke. Dakle, low pass (VF) filter prvog reda bi sadržao kalem, dok bi high pass (NF) filter prvog reda, umesto kalema, na putu signala imao kondenzator. Jednostavno, zar ne?

Prvi red, drugi red… Izvinite, gde je razvodnik?
Svako od nas se, u pokušajima što boljeg tehničkog informisanja o principima rada zvučnih kutija, susreo sa različitim terminima koji opisuju filtere unutar skretnica. Tako, razlikujemo filtere prvog, drugog, trećeg i četvrtog reda, koji postižu pad od 6, 12, 18 i 24 decibela po oktavi. Sa druge strane, topologija filtera najčešće nosi naziv naučnika koji ga je prvi opisao, pa imamo Butterworth, Linkwitz-Riley, Chebyshev, Bessel i druge tipove filtera. Dakle, tip i red filtera nisu isto, pa možemo imati Linkwitz-Riley filter drugog ili četvrtog reda, Butterworth filter prvog i trećeg reda i slično. Očekivano, skretnice najčešće sadrže filtere istog tipa i reda jer ih je najlakše uskladiti. Upotreba različitih filtera zahteva opsežna dodatna merenja i, u većini slučajeva, naknadna podešavanja u toku slušnih testova zvučnika.

Filteri prvog reda sastoje se od najmanjeg broja komponenata, daju najmanji fazni odziv (kod Butterworth tipa) i maksimalno ravan odziv amplitude. Ipak, pad od samo šest decibela po oktavi često je suviše mali da bi sprečio izobličenja, naročito kod visokotonaca.

Skretnica prvog reda

Filteri drugog reda sastoje se od relativno malog broja komponenata i daju maksimalno ravan odziv amplitude. Imaju fazni pomeraj od 180 stepeni, što se najčešće kompenzuje obrtanjem polariteta na visokotoncu. U odnosu na filtere prvog reda, manje su osetljivi na postavljanje zvučničkih jedinica van ose. Iako imaju veći pad (12 decibela po oktavi), ponekad ni to nije dovoljno da bi se izbegla izobličenja.

Skretnica drugog reda

Filteri trećeg reda pružaju gotovo potpuno ravan odziv amplitude i još manje su osetljivi na pozicioniranje drajvera van ose. Takođe, pad od 18 decibela po oktavi je, u većini slučajeva, sasvim dovoljan za umanjenje izobličenja. Sastoje se od većeg broja komponenata, a fazni pomeraj od 270 stepeni može proizvesti neželjene efekte i zahtevati dodatna podešavanja.

Skretnica trećeg reda

Filteri četvrtog reda obezbeđuju maksimalno ravan odziv amplitude, a pad od 24 decibela po oktavi garantuje najbolje razdvajanje po opsezima uz najmanje izobličenja. Fazni pomeraj od 360 stepeni praktično znači ponovno vraćanje u fazu, pa su neželjeni efekti svedeni na minimum. Najmanje su osetljivi na pozicioniranje zvučničkih jedinica, ali veliki broj kalemova može uticati na slabljenje ulaznog signala. Naravno, veliki broj komponenata čini ih najskupljim od svih filtera.

Dobro došli u stvarni svet
Dakle, u dosadašnjem delu teksta ustanovili smo koji su osnovni pasivni elementi skretnice, kako funkcionišu i na koji način se primenjuju. Pored toga, objasnili smo četiri osnovna tipa filtera, sa njihovim vrlinama i manama. Ipak, u stvarnom svetu stvari se ne odvijaju uvek onako kako nam teorija govori, u šta su se mnogi samograditelji i sami uverili. Jedan od najčešćih problema predstavlja stvarna impedansa zvučničke jedinice, čija amplituda i faza mogu varirati u zavisnosti od frekvencije. Ovo znatno komplikuje stvari, pa se krajnji rezultat može veoma razlikovati od proračuna iz domena teorije. Raskorak između teorije i prakse najčešće nastaje zbog pretpostavke da se zvučnička jedinica ponaša kao običan otpornik sa fiksnim vrednostima otpora, što, kao što vidimo, nije slučaj. Takođe, a u najboljoj tradiciji Marfijevog zakona, druga pogrešna pretpostavka je da se svi procesi unutar skretnice odvijaju besprekorno i potpuno u skladu sa teorijom.

Svi elementi skretnice, bez obzira na kvalitet izrade ili cenu, u manjoj ili većoj meri jesu nesavršeni – uostalom, o tome govore deklarisane “prihvatljive varijacije” u zadatim vrednostima, koje postoje za svaku komponentu, a nazivaju se tolerancijama. Doduše, najčešće su ispisane onim najsitnijim slovima na poleđini pakovanja, pa ih je teško primetiti ako ne znate šta tačno tražite. Ako za primer uzmemo najjednostavniji deo, otpornik, videćemo da postoje primerci sa tolerancijom od jedan odsto, što se može smatrati prihvatljivim, ali i oni sa tolerancijom od deset procenata. Naravno, ovo je direktno vezano za kvalitet izrade, koji, opet, diktira cenu proizvoda. Gde je problem? Pa, u filteru prvog reda imaćemo jedan otpornik sa određenim stepenom varijacije, što je prihvatljivo. S druge strane, u filteru četvrtog reda imaćemo četiri takva elementa, što već predstavlja solidnu osnovu za brojne probleme. Iz ovog razloga filteri viših redova ne samo da zahtevaju veći ukupan broj komponenata, već sve komponente moraju biti višeg kvaliteta, proces izrade mora biti precizniji, a merenja rigoroznija i sa manjim tolerancijama, što znatno podiže krajnu cenu takvih filtera. Takođe, ovo je glavni razlog zbog čega se veoma retko sreću filteri iznad četvrtog reda – iako teoretski potpuno izvodljivi, ovakvi filteri su ekstremno komplikovani za praktičnu izradu i izuzetno skupi.

Kalemovi (prigušnice) predstavljaju najproblematičniji deo skretnice, sa verovatno najtežim proračunavanjem karakteristika. Pored toga, oni su često fizički najveći elementi u sklopu filtera, a složenost u izradi čini ih i ubedljivo najskupljim – zaista kvalitetan veliki kalem košta daleko više od kvalitetnog kondenzatora. Naravno, postoje mnogi drugi problemi koji pogađaju zasebne elemente ili sklop u celini. Jedan od njih je induktivnost većih otpornika, izrađenih od žice, koji mogu izazvati probleme sa visokim frekvencijama. Zbog toga, danas nailazimo na otpornike sa oznakom “non inductive”, što govori o tome da je data komponenta oslobođena od navedenih smetnji. Zatim, temperatura je značajan faktor kod svih komponenata jer direktno utiče na njihove karakteristike. Sva merenja koja su navedena u deklaraciji obavljana su pod određenim temperaturnim uslovima. Ovo znači da su deklarisane vrednosti zagarantovane za jedan određeni temperaturni opseg, a svako istupanje (usled pregrevanja, recimo) dovešće do veće varijacije, koja može biti neprihvatljiva. Tu su i problemi sa dielektricima u kondenzatorima, faktor neželjene disipacije i apsorpcije energije, kao i brojne druge prepreke u izradi savršene skretnice.

Mozak – večita misterija
Iz svega navedenog jasno je zbog čega skretnice predstavljaju najređe spominjani element u audiofilskim razgovorima – potpuno razumevanje njihove problematike zahteva ozbiljno poznavanje elektrotehnike, a uspešan razvoj i izrada dobre skretnice iziskuju godine iskustva, budžet za kvalitetne komponente, pristup ozbiljnoj mernoj opremi i vreme za opsežna testiranja. Ipak, nadamo se da smo ovim tekstom uspeli da objasnimo osnove funkcionisanja skretnice i uklonimo veo misterije kojim su obavijene.