Att mäta högtalare

I den stora diskussionen om hur högtalare låter, eller bör låta, kan man urskilja tre nivåer:
1. Lyssnares intryck
2. Akustiska mätningar
3. Högtalarens konstruktion.

Lyssningsintrycken består ofta av beskrivningar med ett liknelsespråk. Ljudet är beslöjat eller analytiskt eller högupplöst eller transparent eller musikaliskt eller dynamiskt eller artikulerat. I fackpressen beskrivs inte bara högtalare utan alla slags ljudapparater med sådana begrepp. Men om man låter en grupp människor lyssna blint på högtalare märker man oftast att summan av de olika intrycken blir nära noll. Den ene tycker si och den andre tycker så. Man hör skillnader men har svårt att definiera dem och ofta också svårt att värdera dem. Att förstå något om ljudåtergivning genom att ta del av andras lyssningsintryck leder nästan ingenstans. Dessa metaforer går knappast alls att översätta till något konkret. Ens egna lyssningintryck är förstås också bedrägliga och kan variera från tillfälle till tillfälle.

Den andra nivån, mätbara egenskaper i det ljud högtalaren ger ifrån sig, är betydligt hanterligare. Då kan man dessutom ha en fast referens: verkligheten. Det har man om man är intresserad av HiFi. Högtalare ska återge det inspelade ljudet utan att lägga till eller förvanska. Alla är dock inte intresserade av HiFi, många tycker att det viktiga är att få en upplevelse, kanske lyssnar de inte ens på musik från akustiska instrument och då finns ju ingen referens alls. Så är det häpnadsväckande ofta om man går på en HiFi-mässa eller till en HiFi-butik. Där spelas musik som är industriella studioprodukter där det knappt finns ett enda akustiskt instrument alls, inte ens trummorna fanns annat än som en trummaskin. Hur kan man då prata HiFi?

Men om man har HiFi som hobby så är mätningar på det ljud högtalaren ger ifrån sig högst intressanta, dessutom numera oerhört mycket enklare, billigare och lättare att tyda än för bara några år sedan. Högtalare utan påtagliga mätbara fel låter oftast bra. Högtalare med påtagliga mätbara fel låter alltid illa. När man börjar kombinera mätningar med egna lyssningintryck blir hifi-hobbyn en helt ny sak, och musikupplevelsen - som man får anta att hela intresset går ut på - får nya dimensioner. Två egenskaper i ljudet är helt dominerande, nästan tillräckliga, för att bedöma ljudkvaliteten: tonkurva och distorsion. Det är om dessa två saker denna artikel ska handla.

Den tredje nivån, konstruktionsdetaljer i högtalaren, kan vara intressant för den som ska bygga eller modda högtalare, knappast annars. Saker som materialval i konen, kortslutningsringar här eller där, eller huruvida betong eller bambu är det rätta materialet i lådan är saker som jag nästan helt struntar i här. Att översätta från sådana konstruktionsdetaljer till akustiska egenskaper till lyssningsintryck på fri hand, utan att mäta akustiskt blir för amatören ytterst vanskligt. Det brukar dock inte hindra de mest okunniga försäljare att skrävla vitt och brett om fördelarna med den ena eller andra detaljen i hans egna produkter. Det blir ofta direkt komiskt.

Marknadsföring av högtalare är så gott som alltid inriktad på den första och den tredje nivån. Svamlande beskrivningar av lyssningsintryck som sägs bero på en eller annan raffinerad konstruktionsdetalj. Självklart, eftersom den andra nivån (akustiska mätningar) visar den pinsamma sanningen, att de flesta högtalare är ganska dåliga.

Eftersom de allra senaste årens prisutveckling på mätutrustning, och tillgången på billiga eller gratis program för akustiska mätningar, har skapat helt nya möjligheter för kreti och pleti att göra mycket relevanta och tillförlitliga mätningar på högtalare, vore det kul om det kunde spridas till att bli en folkrörelse. Jag bidrar gärna. Det finns mycket humbug att avslöja och många pratmakare att konfrontera. Särskilt försäljare, och skribenter i hifi-tidskrifter.

Ljudliga egenskaper

Det är intressant att läsa högtalartester från nu och då, från när och fjärran. Oftast resonerar testaren inte alls om varför man redovisar det man gör, och varför man inte gör annat. Ett litet exempel är en jämförande test i Ljudtekniska Sällskapets tidskrift där Carlsson OA50 jämförs med Larsen 4. Testet renderade hundratals inlägg på vissa forum, men få av dem gällde testets omfattning eller resultat, och testarna själva redovisar inga synpunkter på vilka mätningar som är viktiga eller oviktiga i en bedömning av högtalare. De mätte exempelvis inte distorsion eller högtalarnas avstämning överhuvudtaget!

En högst välrenommerad testare internationellt är John Atkinson på amerikanska Stereophile. Han har i en omfattande artikel för några år sedan redovisat alla sina bevekelsegrunder och sin testmetodik. Atkinson kan sitt ämne, den saken är klar, men han går helt opåverkad av teknikutvecklingen de senaste trettio åren eller så, och det ger ibland mycket tydliga och katastrofala felresultat. Den utrustning han använder är en mjukvara MLSSA, som är ett DOS-program från 80-talet och ett ISA instickskort för ång-PC! Det är en primitiv föregångare till moderna metoder, alldeles för krånglig och svårbedömd.

I ett nummer av Stereophile testar han en högtalare för $39 (Dayton Audio B652) och den visar med hans mätmetoder ganska goda värden, ungefär som $10000-högtalarna brukar ha, varför han kommer fram till att den är häpnadsväckande bra. Jag ska här visa att högtalaren ifråga med modernare metoder kan visas vara värd ungefär de hundralappar den kostar och inte mer. Han missar helt enkelt ofta det viktiga genom att använda så ålderdomliga mätmetoder och genom att blanda stort och smått utan att väga det viktiga tyngst.

Andra profiler på området är förstås Stig Carlsson, och ett par internationellt betydligt mera kända och samtida, Edgar Villchur (AR) och Roy Allison (AR och senare Allison). Carlsson ägnade oerhörd möda åt att mäta högtalares tonkurva i normala rum, Villchur och Allison mätte mest i ekofri miljö, men intresserade sig å andra sidan lite mer för distorsion än vad Carlsson gjorde. Där ligger den stora skillnaden mellan högtalartestare - i vad mån de bedömer tonkurva eller distorsion som viktigast.

Min blygsamma uppfattning är att bra egenskaper i både tonkurva och distorsion är nödvändiga och nästan tillräckliga, men i det har jag ofta fått kraftigt mothåll. Fast jag är i gott sällskap, tycker jag. Villchur och Allison predikade alltid just detta. Carlsson ägnade absolut mest intresse åt tonkurvor, särskilt tonkurvor i olika riktningar, men hade uppenbart distorsion som god tvåa. Ljudtekniska Sällskapets testare i ovannämnda test däremot, nämner inte ens ordet distorsion. Atkinson redovisar i sin artikelserie sin åsikt att distorsion har litet samband med lyssningsintryck, människor tycks inte vara särskilt känsliga för distorsion, menar han. Det finns rent av människor som köper dyra rörförstärkare för att en lagom dos distorsion! Testarna i tidningar såsom Hifi&Musik och liknande har ingen som helst koll på dessa saker.

Dags att försöka gå till botten med var och en av dessa två egenskaper i sänder, men tyvärr måste ett par andra dimensioner i mätning av ljud betas av först, för att förkastas såsom överdrivna: dels mätningar i tidsdomänen - kort sagt oscilloscop-bilder, dels impedans- och faskurvorna.

Tid och fas

Ungefär vad man behöver för att mäta högtalare, plus en dator med diverse billig eller gratis mjukvara. Förstärkaren bör först och främst vara driftsäker, dvs klara exempelvis kortslutning. Det händer oundvikligen då och då... I övrigt ska den förstås uppföra sig väl, och den ska ha spikrak tonkurva från enstaka Hz. Det har inte alla förstärkare, många har en basavskärning under exempelvis 20Hz.

Valet av ljudkort är lite kritiskt. Det ska också ha rak tonkurva ner till ett par Hz, och inga konstiga fördröjningar eller interna kopplingar för monitoring. Detta Focusrite 2i2 är ändamålsenligt och bra. Ett USB-oscilloscop är ett trevligt tillbehör men inte nödvändigt. En voltmeter för att mäta absolutvärden behövs också. Helst ett Brüel&Kjaer för den vackra gröna färgens skull. Mätmikrofonen här är en Behringer, billig men fullt tillräcklig.

 Foto Lars-Göran Hedström

Carlssons utrustning som den såg ut när han lämnade den efter sig 1997. Enbart analog och huvudsakligen av sjuttiotalsmodell.

Redan då fanns digital utrustning från Brüel&Kjaer, det fanns PC med dedicerade expansionskort och mjukvara men Carlsson hade inget sådant, inte någon PC, inte ens en mobiltelefon. Numera kan man göra mer med en laptop och billig eller gratis mjukvara!

Vad som däremot inte är annorlunda nu mot då är behovet av att förstå vad man mäter!

En av de absolut mest sakkunniga nu verksamma i landet på elektroakustikområdet är Svante Granqvist vid KTH.  Han påpekar ständigt att all erfarenhet tyder på att mänsklig hörsel fungerar mycket mer som en spektrumanalysator (tonkurvor, frekvensdomänen) än som ett oscilloscop (tidsdomänen). Diverse begrepp ur lyssningsintryckens vokabulär antyder tvärtom att det skulle vara korta förlopp som ska återges korrekt i tid för att låta bra. Det talas om "snabb" eller "rapp" bas etc. Den amatörmässiga tanken är då att ett kort ljud med många samtidiga frekvenser, exempelvis ett anslag på en sträng eller ett slaginstrument, måste nå lyssnaren i rätt ordning och god samtidighet. Det förutsätter att alla frekvenser levereras av högtalaren i fas, med samma tidsfördröjning. Huruvida det blir så kan man ju se med ett oscilloscop och korta impulser, antingen en spik av spänning eller ett plötsligt språng av spänning.

Det är dock ganska lätt att testa sig själv och andra genom att bygga ett s.k. allpassfilter där tonkurvan hålls jämn men fasförhållandet mellan olika frekvenser kan förskjutas (googla och man hittar anvisningar!). Om man sedan lyssnar genom ett sådant filter och förskjuter fas hit och dit hör man faktiskt ingen skillnad. Transienter låter likadant upp till ca 7ms skillnad mellan de ingående frekvenserna. Se på graferna här intill och notera att även ett trevägsssytem med stor fasskillnad ligger kring 4ms fördröjning.

Behovet av den sortens fasriktighet i högtalare är alltså starkt överdriven. Atkinson visar alltid sådana mätningar men brukar tillägga att de inte ska tolkas som kvalitetsmått. Observera dock att fasfel i högtalare också kan vara av en annan typ och ha en annan konsekvens, nämligen ojämnheter i tonkurvan där element överlappar varandra, och då pratar vi viktiga egenskaper. Men finns det inga ojämnheter i tonkurvan så är fasförhållande mellan frekvenser tämligen ointressant.

Hur många högtalartillverkare finns det inte som skryter med sin fasriktighet (time coherence) - var vänliga påvisa fördelen med det!

Impedans och fas

Impedanskurva och faskurva presenteras ibland i högtalarmätningar. Nu ska man först förstå att begreppet fas ofta dyker upp på ett förbryllande sätt - utan att det tydligt sägs vilka två storheters fasskillnad man talar om! Nyss handlade det om fasskillnad mellan frekvenser, att alla toner når lyssnaren i tid så som de föreligger i inspelningen. Då nämnde jag att det inte ska förväxlas med fasskillnad mellan högtalarelement, vilket ju påverkar tonkurvan genom att elementen vid samma frekvens samverkar eller motverkar varandra. Men nu gäller det en tredje variant: fasskillnad mellan spänning och ström på högtalarens ingångsterminaler. Kan lätt mätas med ett seriemotstånd och tonsvep samt mjukvara, eller beskådas i ett tvåkanalsoscilloscop.

Impedanskurvan är inte något kvalitetsmått i sig, det är det första och viktiga att slå fast. Men om impedansen skulle vara väldigt låg vid vissa frekvenser, och fasskillnaden mellan spänning och ström samtidigt skulle vara stor så blir den resulterande lasten för förstärkaren kanske orimlig och förstärkaren klipper. Det är hypotesen som gör att man mäter och analyserar impedans- och faskurvorna. Nu råkar det vara så i naturlagarna att i de punkter på frekvensskalan där resonanser ger lägsta impedans, finns en nollgenomgång i faskurvan. Problemet uppstår alltså normalt inte.

Ändå kan det för den stackare som köpt en dyr rörförstärkare vara intressant konsumentinformation, eftersom sådana är särskilt dåliga på att klara låga impedanser. För oss andra är den ointressant.  (Anm: för att analysera det allra lägsta registret i basreflexlådor är impedanskurvan dock högintressant just där.)

Tonkurvor

Ett par mätningar av fasrespons från tidningen Stereophile. Högtalarna har påförts ett språng, som att koppla på en likspänning med en strömbrytare. Den översta grafen visar vad man kan vänta, ett språng som sakta faller tillbaka. Ser ut att vara ett bra resultat. Den undre visar att olika element har reagerat olika och skapat något som ser ut som en ringning, De olika frekvenskomponenterna i spänningssprånget kommer förskjutna i tid. Ser ut som ett dåligt resultat. Då kan det vara en överraskning att få veta att den övre är Dayton Audio B652 för $39, den undre är TAD CR1, en högtalare för $40 000. Fasrespons har alltså inget samband med varken pris eller kvalitet eller välljud. Det är en fysikalisk konsekvens av elementbestyckning, -placering och delningsfilter. I själva verket en detalj i högtalarkonstruktionen och ganska ointressant för konsumenten.

Impedans- och faskurvan för KEF LS50, från Stereophile. Notera att där impedansen är lägst, neråt 4 ohm på ett par ställen, är fasförskjutningen mellan spänning och ström som minst. Så ser det normalt ut, och därmed finns inget problem. Här finns inget särskilt som har med ljudkvalitet att göra alls.

Nu äntligen till det riktigt viktiga. Jämn tonkurva är absolut nödvändigt. I tonkurvan sitter flera av de egenskaper som ofta beskrivs som om de vore egna, fristående egenskaper. Exempelvis ljudbilden eller transientförmågan. Som så mycket annat kan saken problematiseras en hel del. Största problemet är att högtalaren placeras i ett bostadsrum som reflekterar ljudet från tak och väggar och möbler. Det som slutligen når lyssnaren blir alltså resultatet av högtalarens tonkurvor i olika riktningar kombinerat med de reflekterande ytorna. Mycket komplext. Dessutom får man vid frekvenser där våglängden börjar närma sig rummets mått mer och mer stående vågor, och vid riktigt låga frekvenser får man reflexer från alla ytor som är så nära varandra i fas att alla reflexer förstärker vågen, en "tryckkokareffekt".

Alla dessa rumseffekter börjar i grova drag under 300Hz (1m våglängd). Det blir alltså två slags problem, att mäta över respektive under 300Hz.

Det riktigt ålderdomliga och numera amatörmässiga sättet att mäta tonkurva, som ger ett svårtolkat och osäkert resultat är att ställa upp en mikrofon framför högtalaren, i ett bostadsrum, och köra ett tonsvep. Sådant ser man ändå ganska ofta på olika forum, med en bekymrad fråga: "hur ska man tolka detta". Frågan är högst berättigad. Hör och häpna, så mätte Ljudtekniska Sällskapet i den tidigare nämnda högtalartesten. Det går dock, förstås, om man gör så, att med diverse tricks och stor erfarenhet i att läsa kurvorna dra någorlunda slutsatser. Man kan mäta på olika avstånd och i olika vinklar och lägga kurvorna på varandra för att eliminera dimridåerna. Men varför mäta med dimridåer överhuvudtaget?

Dimridåerna i en sådan mätning består i att alla reflexer blandas med direktljudet i just den punkt i rummet där mikrofonen befinner sig så att vissa frekvenser förstärks och andra nästan släcks ut. Om man flyttar mikrofonen en bit och kör igen får man en helt annan, lika vansinnig kurva. Metoden är ganska kass.

Den gammaldags lösningen på problemet är att mäta ekofritt. I ekofritt rum, eller utomhus. Utomhus kan man placera högtalaren fritt i ett träd eller på ett spetsigt tak (sådant förekommer), eller liggande på marken riktad uppåt, kanske nergrävd så att baffeln kommer i nivå med marken (så gjorde AR). Man kan hjälpligt också ställa högtalaren på marken och lägga mikrofonen på marken en bit ifrån. Det man får då är sanningen om hur högtalaren låter - när den spelas i ett träd eller i en öken!

En något mindre spektakulär lösning är att använda den tidigare nämnda 70-80-talsuppfinningen att mäta med ett mycket kort ljud. Ett tonsvep eller impuls av brus eller vad som helst med ett känt spektrum, så kort att mätmikrofonen nås av hela ljudimpulsen innan några reflexer från väggarna når fram. Därmed simulerar man ekofri mätning i ett vanligt rum. Tyvärr medför det förstås diverse nackdelar. För det första var vi kanske inte intresserade av hur högtalaren skulle låta upphissad i ett träd, för det andra måste rummet ändå vara så stort att reflexerna kan sållas bort av mätprogrammet, för det tredje kan impulsen inte vara för kraftig, då går elementet sönder. Man får alltså bara resultat motsvarande en mycket låg volym vid spelande av musik.

Om högtalaren har ambitionen att vara vad Stig Carlsson kallade ortoakustisk ska den dels stråla direktljud med jämn tonkurva till lyssnaren, dels stråla ljud mot reflekterande ytor i ett normalt, möblerat rum så att summan av direktljud och reflexer blir en jämn tonkurva i en stor del av rummet. Han ägnade merparten av sitt liv åt detta speciella problem.

Om högtalaren är avsedd att fungera bäst på ett kort avstånd till lyssnaren, så att reflexerna får minimal roll, och med lyssnaren i högtalarens nollriktning och lika avstånd till de två högtalarna ("sweetspot") blir det en lite annan sak. Då blir mätning på ekofritt sätt lite mer relevant. Atkinson gör exempelvis så att han mäter simulerat ekofritt (impuls) med mikrofonen i ett antal olika vinklar och presenterar ett antal kurvor. Den stackars läsaren ska sedan av detta analysera vad slags högtalare det är och hur den fungerar i olika miljöer. Exemplet Dayton Audio B652 visar hur fel tolkningen kan bli, även för Atkinson själv. Läs hela testet här.

Tonkurva över 300Hz

Så vad gör man? Man mäter med rörlig mikrofon kring lyssningsplatsen och blandar samman värden tagna över tid till medelvärden för varje frekvens. Stig Carlsson insåg detta men på den tiden var det inte lätt gjort. Det är det nu. Det finns åtskilliga program som kan visa frekvensspektrum och jämna ut det över tid. Man kör alltså ut vitt brus (alla frekvenser lika starka) på lagom volym och vevar långsamt runt i luften med mikrofonen. För att få en bra utjämning måste programmet beräkna medelvärdena lagom ofta och med passande algoritm (över lång eller kort tid, vägt eller ovägt, etc). Personligen tycker jag RTsect från Tolvan Data är enklast att använda. På en halv eller en minut får man en stabil kurva. Den visar då vad lyssnaren verkligen nås av, både direkt och reflekterat ljud. Carlsson skulle ha varit oerhört entusiastisk. Carlssonhögtalare visar överlag bra resultat mätta med den metoden, många andra - även dyra - visar pinsamt dåliga.

Problem och begränsningar finns förstås. Om man vevar runt i rummet med en radie på ett par meter får man hygglig pålitlighet ner till 200-300Hz, men inte lägre. Vid lägre frekvenser börjar stående vågor i rummet synas, också beroende av högtalarens placering. Men över 400Hz blir kurvan mycket realistiskt och pålitlig. Man kan också mäta enstaka element i närfält på samma sätt, veva runt lite bara några centimeter från membranet. Till och med hörlurar kan mätas med god relevans.

Ortoakustiska högtalare ska då helt enkelt ge en spikrak kurva. Monitorer och liknande avsedda för nära lyssning on axis ska ge en kurva som faller av mot högre frekvenser eftersom man inte befinner sig enbart i sweetspot med mikrofonen. Om man vill att en sådan högtalare (de flesta nu för tiden) ska ge en balanserad tonkurva på större avstånd i lite andra vinklar kan oftast förstärkarens tonkontroller kompensera bra.

Stora böljor i tonkurvan ger högtalaren en påtaglig klang - kan beskrivas som ljus, mörk, nasal, varm, etc - och kan ibland kompenseras med tonkontroller. Men stora svängningar inom små frekvensband kan inte kompenseras. Man blir förvånad när man ser hur många dyra och välrenommerade högtalare som har en dålig tonkurva. Med lite vana lär man sig att höra just denna egenskap, hoppig tonkurva. Egendomligt är också att utvecklingen över tid inte går mot bättre tonkurvor. Se AR 3a Improved här, mycket fin från 70-talet, och jämför med OA5MMX från Ino Audio 2010, typexempel på dålig och illaljudande tonkurva.

Tonkurva under 300Hz

Registret under 300Hz är alltså ett problem helt för sig själv. Enda vettiga sättet att mäta är att göra det ekofritt. Då måste man ha ett mycket stort rum och köra något program som mäter med impuls, eller mäta utomhus med många tiotals meter till närmsta yta, eller utomhus liggande på marken eller möjligen stående mot en vägg (utan andra väggar i närheten). Därefter måste man uppskatta skillnaden i rumseffekt mellan mätmiljön och placeringen i ett rum, beroende på om högtalaren hänger på vägg, står på golv, står fritt i rummet etc. Det går, absoluta nivån är svåruppskattad men man kan åtminstone se om man har en jämn avrullning neråt eller om man har resonanser.

Andra sätt att mäta finns också, man kan exempelvis mäta baselementet nära för sig, och basreflexröret (i en sådan låda) för sig och väga samman kurvorna. Svårt och osäkert. Så gör Atkinson. Man kan också mäta med mikrofonen inuti lådan. Också svårt och osäkert.

Det bästa sättet att se det lägsta registret är faktiskt inte att mäta utan att simulera i ett simuleringsprogram som utgår från elementets så kallade T/S-parametrar och lådans alla mått och dämpning. Hur man mäter T/S finns en separat sida om här. Hur man simulerar och hur man tolkar resultaten är ett ännu större ämne i en separat artikel här !

Metodiken i korthet är att först utgå från T/S och lådans fysiska mått, för att därefter jämföra den beräknade impedanskurvan med uppmätt impedanskurva. För en basreflexlåda ska de överensstämma i tre punkter: de två maxpunkterna och minvärdet vid basreflexens resonans. Det gör man genom att justera uppgifterna om lådan tills kurvorna överensstämmer. Då har man en mycket realistisk simulering.

Åtskilligt annat som ofta framförs som självständiga, oberoende egenskaper hos en högtalare är i själva verket delar av tonkurveproblemet. Den som ids läsa den särskilda artikeln om simulering av låga frekvenser fick bland annat veta att det som lyssnaren upplever som "snabb" bas i själva verket är en konsekvens av tonkurvans utseende.

Resonanser

Bland övriga egenskaper som skulle kunna påverka tonkurvan är resonanser i lådans väggar. Atkinson, och andra, mäter det med hjälp av accelerometer. Ändamålet är oklart (vilket faktiskt Atkinson påpekar ibland). Om man inte har avvikelser i tonkurvan som tyder på resonanser så finns inget problem att analysera. Resonanser i lådan som inte är så starka att de syns i tonkurvan är med största sannolikhet inget problem. Om detta finns dock andra uppfattningar, men att hävda att det skulle vara en stor sak är nog omöjligt. Det hindrar inte high-end tillverkare från att påstå att högtalarlådor måste byggas i betong, eller att de ska byggas i plywood i särskilda träslag som ger en naturlig klang. Vilket nonsens! MDF eller liknande, samt lite stag eller mellanväggar inuti, så är den saken ur världen. Men nu halkade vi ner på den tredje, ganska ointressanta analysnivån...

Ett annat mätförfarande är att se resonanser i ett så kallat vattenfallsdiagram. Då har man frekvens på x-axeln, amplitud på y-axeln (som en vanlig tonkurva) plus tid på z-axeln. Man lägger ut brus eller en puls och mäter ljudet efter att påförd signal är slut. Där syns alltså vilka frekvenser som klingar av sakta och beror av resonanser. 

Ett tredje mätförfarande för att se resonanser är i impedanskurvan. Det man ska titta efter nu är små hopp i kurvan. De återspeglar mekaniska eller akustiska resonanser i elementet eller i systemet. Oftast har de ingen hörbar påverkan, men om man på samma ställen har synliga hopp också i tonkurvan så är man orsaken på spåret. Då är vi å andra sidan återigen nere på tredje analysnivån, den om högtalarkonstruktionen, och den kan man ju strunta i om man är ren konsument.

Distorsion

Villchur och Allison på AR kunde sina saker redan på 70-talet. AR-3a Improved har en tonkurva som med lite justering på förstärkarens diskantkontroll blir avsevärt bättre än det mesta som nu tillverkas. Huruvida den svaga diskanten är avsiktlig eller kanske en åldersförändring vet jag inte.

KEF LS50 är en utpräglad närfältsmonitor av hög klass. Mätt i bostadsrum på några meters avstånd ska den ge just en sådan tonkurva, eftersom den är avsedd för närfältslyssning. En liten höjning på förstärkarens diskantkontroll och man har en mycket välbalanserad kurva för hemmalyssning.

Bara som en referens, extrahögtalaren för Tivoli Audio radioapparat. Brukar prisas för sitt trevliga ljud. Kostar 900 kronor och låter ungefär så, långt från HiFi. Det trevliga ligger i dess mörka, murriga karaktär av gammaldags mellanvågsradio. Tal blir ändå tydligt och lättlyssnat.

OA5-MMX, en nykonstruerad högtalare för 10000kr i byggsats. Tonkurvan är under all kritik. Den har dels ett svagt undre mellanregister som gör den tunn, dels just sådana korta men kraftiga avvikelser som inte kan kompenseras med tonkontroller och som gör den tröttsam och påfrestande vid längre tids lyssning. I detta fall har utvecklaren faktiskt presenterat tonkurvor, men tyvärr mätta på så primitivt sätt att defekterna inte syns. (Anm: det blå skräpet underst i bilden ska bortses från)

Sonab OA12, en av Carlssons 70-talsmodeller. Helt OK, men med en slagsida åt diskanthållet. Där finns dock en tonbygel som kan flyttas i tre positioner (här fabriksinställningen). Med ett eller två stegs flytt får man en välbalanserad kurva. Den svaga övre diskanten är en brist, som kommer av de lite simpla elementen, Peerless MT20.

Tonkurva för Dayton Audio B652. Den ser förskräcklig ut och det är precis så illa den låter. Den ska jämföras med resultatet av Atkinsons mätning i Stereophile, som helt missar dess verkliga, sammanlagda karaktär.

Simulerad återgivning av basregistret i OA116. Resonansen strax under 30Hz och den branta avrullningen därunder är typexempel på en dåligt beräknad avstämning i en basreflexlåda. För mer info om hur man läser dessa diagram se den separata artikeln om basåtergivning.

Simulerad basåtergivning i Carlsson OA52. Konstruerad tio år senare och här är avstämningen helt enligt läroboken. Basporten kompletterar perfekt baselementet så att totala tonkurvan utsträcks jämnt och fint neråt.

Ino piPs. En remarkabel avstämning av en tioliters låda med ett 4 tums element - 37Hz! På gränsen till det omöjliga men fungerar klanderfritt, åtminstone vid låga nivåer. Konrörelserna vid lite högre nivå blir stora och elementet bottnar lätt. Andra liknande konstruktioner brukar avstämmas till runt 55Hz.

Distorsion är den andra av två viktiga egenskaper. Somliga anser den mycket oviktig, andra ganska viktig och åter andra lika viktig som tonkurvan. Själv står jag inte ut med en högtalare med distorsion i mellanregistret på flera procent (ganska vanligt). Men här måste saken också problematiseras. Distorsion kan ha flera former. Det gemensamma är dock att man med distorsion menar tillkommande ljud. Distorderat ljud är som grumligt vatten: rent vatten plus föroreningar. Föroreningarna i en typisk högtalare uppstår av olinjäriteter både i magnetsystemet och i konen och dess upphängning. Grundläggande är genererade övertoner, harmonisk andraton och tredjeton. Högre övertoner finns också alltid men dels är de svagare och svagare, dels hamnar de ju så högt i registret att man inte hör dem av den anledningen.

Samma olinjäriteter som ger övertoner ger också skillnads- och summatoner, kallat intermodulationsdistorsion. Den uppstår alltså bara då flera toner förekommer samtidigt, och inte när man mäter med tonsvep eller enstaka mätton. Den sortens distorsion är sannolikt i sig mer hörbar i musik än enbart den harmoniska distorsionen, men tyvärr finns inget bra sätt att mäta och kvantifiera den. (Det finns två standardiserade mätmetoder, men de är inte särskilt ändamålsenliga för högtalare.) Samtidigt är den ju ett resultat av samma brister i elementet som ger harmonisk distorsion och därmed relativt på samma nivå. Ett element med låg harmonisk distorsion har också låg intermodulation. Bästa enskilda kvalitetsmåttet är i praktiken nivån av tredjetonsdistorsion.

Den som vill läsa mer om den intressanta intermodulationsdistorsionen kan fortsätta hos mikrofontillverkaren Neumann på sidan TIM.

Ytterligare en variant av blandtonsdistorsion är frekvensmodulation (höga frekvenser i samma element som låga får en svajande frekvens). Det senare är lätt att testa sig själv med testtoner och konstatera att normala nivåer i högtalare inte är störande.

Normala nivåer av tredjetonsdist är däremot klart hörbara och störande. Det är ingen slump att tillverkare tiger om distorsionsnivåerna, och att hifi-pressen diskret håller tyst för att inte störa annonseringen. Enstaka seriösa tillverkare (Carlsson, KEF) uppger THD, Total Harmonisk Distorsion, men jag har sällan eller aldrig sett någon visa distorsion fördelad på sina komponenter. Pressen skriver heller aldrig om saken och man kan knappast ens hitta besked om vilka nivåer som kan bedömas som bra eller dåliga. Men här kommer de:

Andratonsdistorsion låter inte direkt illa, men är hörbar från ca 0,1%. Det gäller frekvenser över 500Hz. Därunder ger många högtalare åtskilliga procent, men vid låga frekvenser är den betydligt mera uthärdlig. Över 1% i mellanregistret blir den jobbig om man inte är en sådan som gillar rör. Då har man redan betalat tiotusentals kronor för att få en eller två procent andraton. Mänskligheten är outgrundlig.

Tredjeton är hörbar redan under 0,1%, fullt hörbar och störande vid några tiondelar och katastrofal vid 1%. Särkilt problematisk är den i mellanregistret. Vid 1kHz är tredjetonen 3kHz och skär i öronen. Sambandet mellan elementens pris och tredjetonsnivån (och därmed intermodulationsnivån) är slående. Endast dyra element har tillräckligt låg nivå. Typiskt för element i mellanprisklass är några fullt hörbara tiondelar, och i billiga element kan tredjeton ofta gå upp mot en procent och andraton flera procent. Klart att det låter illa. Tredjetonsdistorsion i högtalarelementen är den största enskilda boven i de allra flesta ljudanläggningar. Det är paradoxalt att den aldrig uppges av tillverkare, sällan mäts i högtalartester och knappast alls diskuteras på högtalarforum.

Typiskt är också att distorsionen ökar snabbt med ljudnivån. Det hör man också lätt, utan träning. Om man drar på lite och får en spontan känsla av att vilja skruva ner igen är det distorsion som är orsaken. Få högtalare ger låg dist vid kraftiga nivåer.

Att mäta distorsionen är betydligt enklare med moderna metoder än för bara några år sedan. Program som gör det med impuls är exempelvis Tolvan Datas Sirp. Program som gör det med långsamt tonsvep är exempelvis Steps från Artalabs. Vid mätningen är det alldeles nödvändigt att minimera reflekterat ljud. Ju närmare elementet man har mikrofonen, desto mindre andel reflekterat ljud. Man måste alltså mäta nära och med reflekterande ytor en bra bit bort. Tyvärr får man diverse mätfel om man är för nära elementet, mikrofonen bör ändå vara så långt borta att elementet utgör en någorlunda punktformig källa, en tumregel kan vara minst fyra gånger kondiametern. Bra metodik är att mäta flera gånger på olika avstånd och försöka få någorlunda lika resultat.

Elementen kan sitta kvar i lådan, men om man har filtren inkopplade blir det knepigt igen. Det blir svårt att skilja elementen från varandra när frekvensen är i närheten av delningsfrekvenserna, och även om man kopplar ur alla element utom ett får man allt svagare signal när man kommer en bit från delningsfrekvens och opålitliga resultat. Det enda rätta är att koppla loss elementen från filtren och köra ofiltrerad signal på ett i sänder.

Slutsatser

Slutsatsen av allt detta är att man med två sorters mätningar och en simulering kan få fram all väsentlig information om en högtalare. Dessutom att utrustningen, givet en befintlig PC, är helt överkomlig för gemene man. Högtalarmätning är inte dyrt eller jättekomplicerat och det finns ingen obegriplig magi (men många shamaner som försöker inbilla oss det).

1. Mät tonkurva över 300Hz för högtalaren i ett normalt vardagsrum, med vitt brus och rörlig mikrofon och en kurva utjämnad över tid. Om man vill veta mera i detalj kan man mäta elementen var för sig med mikrofonen nära och endast ett element i sänder inkopplat utan filter.

2. Simulera fram tonkurvan i basen genom att använda baselementets T/S-parametrar (från tillverkaren eller uppmätta), samt uppmätt impedanskurva. Om man vill få kurvan bekräftad måste man mäta utomhus med tonsvep.

3. Mät distorsionen med mikrofonen någon meter från högtalaren, helst utomhus. Mer detaljerad och pålitlig information fås genom att mäta elementen ett i sänder utan filter inkopplat och med mikrofonen ganska nära. Det kan ske inomhus.

För en Windows-PC är programmen från Tolvan Data ändamålsenliga och begripliga. Tone, TombStone, RTsect, Sirp, Basta!.

Om man vill lära sig något om högtalarmätning måste man först läsa D'Appolito - Measuring Loudspeakers, trots att den inte behandlar moderna tekniker, samt Atkinsons artiklar som hänvisats till ovan. Man kan också se ett par föredrag på youtube: Floyd Toole - Sound reproduction – art and science/opinions and facts och Loudspeaker Measurements Explained, John Atkinson, Stereophile Editor. Observera dock att det allra mesta i övrigt om HiFi även på Youtube är skräp och nonsens.

Kommentera  gärna denna artikel!

Så ska det se ut! Genelec 8030. Både andra- (röd) och tredjeton (blå) ligger kring eller under 0,1%. Då låter det rent. Den kraftiga höjningen ner mot avstämningsfrekvensen är normal, så ser alla basreflexlådor ut (eller sämre). Här är avstämningen 55Hz och där är distorsionen över en procent, men lyckligtvis inte störande för lyssnaren. Stigningen i andraton upp emot 10kHz är också mycket vanlig och inte störande. Andratonsdist vid 10kHz ger en 20kHz överton, som man inte hör mycket av...

 

I andra änden av kvalitetsskalan (och prisskalan) ser det oftast ut så här. Dayton B652. Skillnaden ser kanske inte så stor ut, men är hörbart dramatisk. Både andra- och tredjeton ligger 5-10 gånger högre. Skalan är logaritmisk. Särskilt tredjeton (blå kurvan), där den når upp emot 1% strax över 1kHz låter påtagligt illa.

 

High-end från 70-talet: AR 3a Improved. Inte mycket har förbättrats alls i högtalarkonstruktion de senaste 40 åren, det är otroligt men sant. Dock har elementen blivit lite bättre. Överlag kan man säga att distorsion i högtalarelement sjunkit med 10dB på 40 år. Den höga tredjetonsdisten mellan 100 och 300Hz här är tveksam, men överlag låter detta ganska bra. Notera att ingen distorsionskomponent drar iväg uppåt förrän vid mycket låga frekvenser - detta är inte en basreflexlåda, utan en sluten låda med ett mycket mjukt upphängt baselement. AR kallar det "acoustic suspension".

 

Ytterligare en modern kvalitetshögtalare, KEF LS50. Typiskt låg tredjetonsdist, men lite högre andraton än konkurrenten Genelec 8030. Inget som stör dock. Låter helt rent.

 

Det kan vara knepigt att mäta distorsion med alla element igång i sin låda. Säkrare är att mäta ett element i sänder, utan filter inkopplat. Här ser man tydligt vad det är som får alla 70-tals Carlssonhögtalare att låta lite vasst i lägre diskanten. Elementet MT20 har en tredjetonsdistorsion som drar iväg katastrofalt redan över delningsfrekvensen som är 2kHz. Om man kunde dela vid 3kHz istället, och gärna brantare än nu så skulle det problemet nästan helt försvinna. Men då måste baselementet kunna gå upp till 3kHz. Det kan inte något av de nuvarande mest använda alternativen.