AUDIO / 06
Výhybky, fáze a bi-wiring
Výhybka směruje basy, středy a výšky k příslušným měničům. Začneme kondenzátorem a cívkou, pokračujeme pásmovou propustí a nakonec ukážeme, proč se skutečný návrh neobejde bez vlastností reproduktorů.
Proč hudbu rozdělujeme
Jeden měnič obvykle neumí současně hluboké basy, vysokou hlasitost a široce vyzařované výšky bez kompromisů. Výhybka rozděluje signál tak, aby každá část soustavy dostávala převážně oblast, pro kterou je určena. Basový měnič hraje dolní pásmo, výškový horní a případný středový pásmo mezi nimi. Rozdělení není ostrá hranice: okolí dělicí frekvence hraje více měničů současně.
Pasivní výhybka je mezi výkonovým zesilovačem a měniči. Pracuje s proudy a napětími určenými pro reproduktory a používá hlavně kondenzátory, cívky a rezistory. Aktivní výhybka rozděluje signál před výkonovými zesilovači; DSP je jedna z možností její realizace. Princip rozdělení pásem je podobný, ale součástky i způsob návrhu se liší. Zde se soustředíme na pasivní soustavu.
Kondenzátor před výškovým měničem
Kondenzátor ukládá energii v elektrickém poli. Pro sinusový signál má velikost reaktance Xc = 1 / (2πfC): s rostoucí frekvencí klesá. Když jej zapojíme do série s měničem, na nízkých frekvencích výrazně omezuje proud a napětí na měniči. Na vyšších frekvencích klade menší překážku. Tak vzniká jednoduchá horní propust, která se hodí jako základ vysvětlení větve pro tweeter.
Věta „kondenzátor propouští výšky a nepropouští basy“ je užitečná zkratka, ale není to vypínač. S výjimkou ustáleného stejnosměrného stavu není přenos prostě zapnuto nebo vypnuto: mění se postupně s frekvencí. Větší kapacita při stejné odporové zátěži posune přechod níž. Samotný kondenzátor ale nezaručí bezpečné použití každého tweeteru: rozhodují doporučené dělení, strmost a úroveň buzení.
Cívka před basovým měničem
Cívka ukládá energii v magnetickém poli a brání rychlým změnám proudu. Její reaktance Xl = 2πfL s frekvencí roste. V sérii s basovým měničem proto omezuje vysoké frekvence více než nízké: vzniká jednoduchá dolní propust. Větší indukčnost při stejné odporové zátěži posune přechod směrem dolů. První schéma ukazuje dvě takové větve připojené paralelně k zesilovači.
Skutečná cívka má navíc odpor vodiče. Ten způsobuje ztrátu a může ovlivnit basové ladění. Cívka s magnetickým jádrem má jiné kompromisy než vzduchová: zajímá nás odpor, rozměry i chování při velkém proudu. „Více mědi“ není jediný návrhový cíl. Díl musí odpovídat požadované indukčnosti, zatížení a vlastnostem celé větve.
Dělicí frekvence na jednoduchém příkladu
Pro ideální odpor R a filtr prvního řádu vychází u série s kondenzátorem fc = 1 / (2πRC), u série s cívkou fc = R / (2πL). Pro R = 8 Ω a fc = 2 kHz dostaneme přibližně C = 9,95 µF a L = 0,637 mH. To je názorný školní příklad pro odpor, nikoliv doporučená výhybka k libovolným dvěma 8Ω reproduktorům.
V této frekvenci je velikost přenosu každé jednoduché větve asi −3 dB vůči jejímu propustnému pásmu. Větve mají také rozdílný fázový posun. Nejde tedy jen o dvě čáry, které máme položit vedle sebe. Skutečný měnič má vlastní akustický průběh a proměnnou komplexní impedanci; příruba a poloha v bedně přidávají další vlivy. Elektrický výpočet je začátkem modelu, nikoliv úplným zvukovým výsledkem.
Pásmová propust pro středy
Středový měnič má dostávat frekvence nad dolním dělením a pod horním. Proto jeho větev kombinuje horní a dolní propust. Jedna část zeslabuje basy, druhá výšky a mezi nimi zůstává průchozí oblast. Může například pracovat mezi basákem a tweeterem. Obě hranice musí odpovídat použitelnému pásmu měniče i navázání na ostatní části soustavy.
Ve skutečném pasivním obvodu se jednotlivé části mohou vzájemně zatěžovat. Nelze vždy nezávisle vypočítat dva filtry a jejich chování pouze slepit. Druhý obrázek proto ukazuje modelové přenosy, nikoliv konkrétní montážní plán třípásmové výhybky. Jeho smyslem je vysvětlit, proč středy potřebují omezení z obou stran.
Strmost, fáze a skutečný součet
Filtr prvního řádu má v dostatečně vzdáleném potlačovaném pásmu sklon přibližně 6 dB na oktávu. Druhý řád má přibližně 12 dB, třetí 18 dB a čtvrtý 24 dB. Oktáva je poměr frekvencí 2 : 1. U vyšších řádů se kombinují další prvky, často také prvky paralelně k měniči. Přidávání dílů však není automaticky zlepšení: mění i fázi, zátěž a citlivost návrhu na parametry.
Elektrická strmost není nutně konečná akustická strmost. Pokud měnič už sám v dané oblasti klesá, jeho přenos se s filtrem kombinuje. Akustický součet obou větví navíc závisí na jejich časování a směru poslechu. Volbu polarity určuje konkrétní návrh, nikoliv univerzální zákaz nebo příkaz. Cílem je vhodné navázání na ose i mimo osu a zároveň přijatelná zátěž zesilovače.
Proč univerzální výhybka nemusí sedět
Hotová „8 Ω / 2 kHz“ výhybka nezná skutečnou impedanci, citlivost a charakteristiku našich měničů. Výškový může být příliš hlasitý, basák může mít rezonanci nad dělením a součet může vytvořit propad. Rezistory pro dorovnání úrovně, kompenzační články nebo úzké zádržné filtry řeší konkrétní problémy; nenahrazují chybějící vstupní data náhodným množstvím dílů.
Rozumný postup je vybrat vhodný překryv pásem, získat akustické a impedanční průběhy, vytvořit model a ověřit hotovou soustavu. Někdy je jednoduchý filtr správná volba, jindy nestačí. Dražší kondenzátor sám neopraví nevhodné dělení. Výhybka je místo, kde se měniče mají stát jednou soustavou, proto ji navrhujeme pro konkrétní kombinaci.
Bi-wiring a bi-amping
U běžné pasivní soustavy přivedeme výkonový signál do společného vstupu výhybky. Bedna připravená pro bi-wiring má oddělené vstupy částí výhybky, které v běžném režimu mohou spojovat propojky. Po jejich odstranění vedou od stejného zesilovacího kanálu samostatné kabelové větve například k basové a výškové části. Pasivní filtry v bedně stále rozdělují pásma; dva kabely z ní neudělají aktivní soustavu.
Bi-amping používá samostatné zesilovací kanály. Může pracovat přes zachované pasivní filtry, nebo s aktivním rozdělením signálu před zesilovači a jiným vnitřním zapojením bedny. Tyto režimy nelze zaměňovat. Propojky, zisk kanálů i připojení musí odpovídat zamýšlenému režimu: výstupy zesilovačů nespojíme dohromady. Více svorek poskytuje možnosti propojení, ale samo o sobě nezaručuje lepší zvuk ani správné dělení.