Basreflex

Själva idén att förse en högtalarlåda med ett basreflexrör är gammal, sedan 30-talet. Här ska bara ges en kort förklaring, som bakgrund för resonemanget om transientförmåga nedan, och det i sin tur för att bedöma de uppmätta och simulerade avstämningar som finns i texterna om respektive högtalarmodell. För den som vill läsa på bättre finns oändligt mycket att googla på, men bättre är att läsa en bok. Många känner sig kallade att skriva på nätet men mycket är högst opålitligt.

I en sluten högtalarlåda uppstår en resonans vid den frekvens där konen och allt annat rörligt plus lite av luften närmast utgör en massa, och dess upphängning tillsammans med luften i lådan utgör en fjäder. Vid resonansfrekvensen är impedansen hög. Under resonansfrekvensen faller tonkurvan teoretiskt med 12dB per oktav.

Om man gör ett hål i lådan och sätter i ett rör där uppstår inte mindre än tre resonanser. Dels den som motsvaras av en sluten låda men också en där luftproppen i röret svänger för sig, alltså med sin massa som tyngd och luften i lådan som fjäder. Det intressanta är att den ju då delar fjädern (luften i lådan) med elementets kon. Luftproppen kommer märkligt nog att svänga nästan helt i mottakt med konen! Alltså, när konen går inåt går luftproppen också inåt och vice versa. Vid den frekvensen rör sig konen knappt alls och luftproppen maximalt. Ljudet kommer nästan helt från basreflexröret.

I impedanskurvan syns det som ett lågt värde. Konen rör sig ju ganska lite trots stor ström, alltså ger elementet ett lågt motstånd. Under den resonansfrekvensen faller tonkurvan teoretiskt med 24dB per oktav. Den tredje resonansen uppstår ännu lägre i frekvens där luften i lådan strömmar ganska fritt ut och in genom röret och alltså utgör en svag fjäder och konen rör sig mycket, med liten dämpning - utan att producera mycket ljud eftersom basporten nu motverkar ljudet från konen.

Impedanskurvor från en OA116. Man ser att den är avstämd till ca 28Hz. Kurvan med bara en puckel är impedansen med basporten pluggad, alltså som sluten låda. Impedanskurvor återspeglar som ett fingeravtryck hur elementets och lådans och basreflexrörets resonanser samverkar. Anm: mitt ljudkort har en fallande tonkurva vid mycket låga frekvenser, vid 10Hz ska kurvan tänkas upp ca 4dB.

Det är alltså ett ganska komplicerat samspel mellan tre aktörer, dessutom med både akustiska, elektriska och mekaniska inslag. Hur de tre resonanserna hamnar i frekvens och i resonansvillighet (Q-värde, spetsighet i kurvan) blir ett resultat av elementets T/S-parametrar (alla dess elektriska, akustiska och mekaniska egenskaper) tillsammans med lådans volym och rörets mått. Lådans dämpmaterial och diverse annat spelar också in. Carlsson-lådornas extra interna finesser med uppdelning i kammare och extra dämpning på vissa ställen påverkar extra mycket, men inte jättemycket, vilket ofta felaktigt görs gällande. Runt tio procent.

Transientförmåga

Redan i basreflexkonstruktionernas barndom hörde folk att man lätt fick en lite tråkig bas. Kraftlös, mullrig, diffus, etc. I gamla dokument beskrivs det ofta med ordet "transientförmåga" eftersom det låter som att plötsliga ljud - anslag på slaginstrument och stränginstrument - blir utjämnade, matta. Om man fördjupar sig lite i texter som går till botten med detta problem inser man att ordet är vilseledande. Det är inte frågan om någon slags komprimering, det är en fråga om tonkurva. Klang, kan man säga med ett vardagligare ord. Klang i det lägsta basregistret.

Om lådans avstämning (basreflexrörets resonansfrekvens, "Helmholzresonansen") görs låg med hjälp av en stor låda och ett långt rör så kan man därmed sträcka ut högtalarens tonkurva neråt i frekvens men får en mer påtaglig (resonansvillig, högt Q) resonans. Men en stor tyngd i en slapp fjäder tar mer energi att få igång och svänger längre efter att man slutat knuffa på den. Så blir det också här. Själva tidsfördröjningen är dock inte - vilket man lätt kan tro - ett stort problem i sig. Problemet blir att under (och kanske också över) resonansfrekvensen faller tonkurvan mycket brant. Där är dilemmat: avstämning till en låg frekvens ger en brant fallande tonkurva direkt under resonansfrekvensen. En avstämning lite högre, ungefär som den skulle bli utan basreflexrör, ger en mindre påtaglig resonans och en flackare tonkurva närmast under resonansfrekvensen.

Djup bas eller bas med sting. Kompromissen görs i och med avstämningen (tuning) i förhållande till elementets T/S-parametrar. Utopin är förstås att få en djup och samtidigt flack avstämning men det kräver stort och dyrt element och stor och dyr låda. Kombinationen element-låda-avstämning brukar kallas "anpassningen" (alignment).

För att förstå varför en tonkurva som faller brant under kanske 40Hz kan vara ett problem måste man se på hur transient ljud faktiskt ser ut, alltså vad de består av för toner. Typiska transienter i basområdet är ju anslag på bastrumma/pukor och på basgitarr/kontrabas. Om man tittar på sådana ljud i oscilloscop ser man att själva anslagsögonblicket är bara någon eller några perioder, typiskt kring 80Hz.

Men i spektrumanalysator ser man att det förutom grundtonen finns ett stort antal ganska starka över- och undertoner. Undertonerna sträcker sig långt neråt i frekvens, ner till några enstaka Hz! Flera experiment (redovisare bl.a. i den vetenskapliga tidskriften JAES) visar att det är närvaron av dessa mycket djupa undertoner som ger basen sting, "transientförmåga". De etablerade gamla lyssningsintrycken som säger att en för djup och därmed brant avstämning ger en otydlig bas får fullt stöd i dessa resultat.

Här en bild från JAES. Översta kurvan är frekvensspektrum från en kort tonskur av tre perioder 50Hz. Det är alltså frekvens på x-axeln och styrka på y-axeln. En ihållande ton av 50Hz innehåller självklart bara 50Hz men en kort transient av samma ton innehåller allt detta - en stark underton vid 25Hz och ganska starka toner neråt 10Hz! Nästa kurva är spektrum för samma ljud kört genom att 2:a ordningens filter (12dB/oktav), i princip som från en sluten högtalarlåda. Tredje kurvan är resultatet av ett 4:e ordningens filter (24dB/oktav), som en medeldjupt avstämd basreflexlåda. Se hur undertonerna försvagas och nästan helt försvinner. Klart att det låter olika!

Bättre alltså att hela basområdet (0-80Hz) är lite svagt, än att halva (det övre) är starkt och andra halvan död.

Nu blir det ändå förstås mycket lockande för en högtalartillverkare att göra lådor med en låg avstämning. Man kan i databladet påstå att högtalaren har en -3dB-punkt som är imponerande låg trots att elementet är litet och billigt. Man kan dema med musik som har jämna låga toner. Alla goda råd från kunniga människor säger dock tvärtom: gör istället en avstämning så högt att tonkurvan blir mer flack neråt och basen visserligen svagare men ändå med en bättre klang! Då blir det heller inte meningsfullt med en stor låda. En större låda ger ett högre Q-värde för resonansen och det var ju negativt.

I själva verket kommer man fram till att givet ett visst element så finns en optimal låda med en optimal avstämning. Gör man den högre med mindre låda tappar man basnivå, gör man den lägre med större låda tappar man klang, stuns, närhet, renhet i basen.

Åtskilliga tumregler för detta finns. Exempelvis att avstämningen inte bör vara lägre än elementets resonansfrekvens i fri luft. Eller att avstämningen bör vara ungefär elementets resonansfrekvens i fri luft gånger 0,42 dividerat med elementets Q-värde. Eller att grupplöptid (förklaras strax) inte överstiger 0,8 dividerat med frekvensen. För lådans volym finns liknande, men mer komplicerade formler som oftast ger ungefär samma resultat. Tillämpat på den vanligaste Carlsson-basen SC165 blir det 45-50Hz i en låda 15-20liter, vilket ungefär är fallet i OD11, OA12 och OA50 men inte i OA14, OA116 och OA2212.

Att tolka kurvorna i simuleringsprogrammet Basta!

Basta! är ett av flera mycket användbara program för att se effekten av att kombinera ett element med en låda och en basreflexöppning. Den kompletta dokumentationen finns hos Tolvan Data och den som vill få ut allt ur de skärmdumpar från Basta! som finns för respektive högtalarmodell i respektive artikel kan läsa på där. Men en kort guidad tur räcker för att göra de viktigaste bedömningarna. Först ett exempel på ett typiskt välavstämt system.

Det absolut viktigaste är den totala effekten av alla parametrar, själva tonkurvan, och det är den svarta heldragna linjen i den nedersta grafen. Den ska naturligtvis vara spikrak ända ner till 0Hz. Fast - det finns ju inte, så kompromissen består som ovan beskrivits av att få till en rak kurva ner till någon viss frekvens och därunder ett någorlunda flackt fall mot låga frekvenser. Basporten ska bidra lagom mycket vid lagom låg frekvens. Det bör självklart inte vara en puckel i kurvan just över den frekvens där den börjar falla, då får man en överdriven och tröttsam ton just där och en brantare avrullning - det som upplevs som dålig transientförmåga. Kurvan i alla simuleringar jag visar har också av programmet räknat in en normal, typisk, effekt av rummets bashöjning.

I samma graf (den nedersta) finns tre andra kurvor. Den heldragna blå är elementets bidrag, den med korta streck är basportens bidrag och den med långa streck är elementets impedans. Totalkurvan är alltså summan av elementet och basporten. Notera att vid portens resonans står elementet nästan stilla. Med mycket små konrörelser hålls basreflexrörets luftpropp i kraftig självsvängning.

Impedanskurvan är mycket intressant eftersom den i sig avslöjar oerhört mycket om systemets resonanser, både deras frekvenser, deras Q-värden och deras absoluta tal. Om den simulerade resonanskurvan överensstämmer med den verkliga (uppmätta) är simuleringen mycket realistisk. Alla simuleringar jag visar är kalibrerade på det sättet.

De andra två graferna är betydligt mindre viktiga men är med för den som vill fördjupa sig ytterligare. Den i mitten visar fasförskjutning för elementet, för basporten, elektriskt (fasskillnad mellan spänning och ström) och totalt, med samma slags linjer som i den understa grafen (heldragen blå för elementet etc.). Man kan notera att basportens fasförskjutning drar iväg kraftigt, nästan ett varv under resonansen och därmed motverkar elementet och inte heller längre dämpar dess rörelse. Under resonansen fladdrar elementet fritt! Jag hänvisar till programmets dokumentation för mera information här.

Den översta grafen kräver att man kommer ihåg sin gymnasiematematik. Begreppet group delay (grupplöptid) anger nämligen derivatan för systemets fasförskjutning (derivata ingår i gymnasiekurs C). Den visar alltså var i spektrat som fasförskjutningen förändras abrupt. De olika linjerna gäller som vanligt totalen (heldragen) respektive elementet respektive porten. Den översta streckade är däremot här ett gränsvärde, eller maximalt bör-värde utan någon exakt motivering men allmänt vedertaget. Den visar värdet enligt ekvationen d = 0,8/f där f är frekvensen.

För att förstå att detta värde alls är intressant ska man först tänka att en konstant tidsfördröjning från källa till öron ju inte vore något problem alls. En konstant fasförskjutning däremot betyder ju olika tidsfördröjning för ljud med olika frekvens. Det skulle kunna vara ett problem men forskning visar att man inte är särskilt känslig för det. Men om fasförskjutningen ändras kraftigt inom ett smalt frekvensband blir ju tidsfördröjningen olika också för ganska näraliggande toner och det skulle man kunna starkare misstänka vara ett problem. Åsikterna om huruvida det är så går isär, men hur som helst så är grupplöptid ett påtagligt mått också på avstämningens Q-värde och därför ett synligt kvalitetsmått. En indikation på att annat också är fel, så att säga. Den svarta kurvan bör alltså inte gå över den streckade någonstans.

Se nu ett annat exempel:

Detta blir då ett exempel på en ganska grovt felavstämd högtalare. Totalkurvan har en påtaglig puckel just vid basportens resonans och stupar därefter brant mot lägre frekvenser. Basportens bidrag är alldeles för kraftigt, basen blir resonant och onyanserad. Grupplöptid går långt över maxvärdet. Just så blir det då ett för litet element med för hög resonansfrekvens och för högt Qts sätts i en för stor låda som stäms av till en för låg frekvens. Alla låga toner kommer att mullra vid 28Hz och det kan nog låta imponerande i början, men tröttsamt i längden.

Kommentera  gärna denna artikel!