Jakosuodattimen toiminta

Ihmisen kuulema taajuusalue on teoriassa 20-20.000 hertsiä. Yksi kaiutinelementti pystyy toistamaan hyvin kuitenkin vain osan tästä alueesta. Koko kuuloalueen kattava taajuuskaista joudutaan jakamaan vähintään kahteen alueeseen eri elementeille. Usein tarvitaan kuitenkin jako kolmeen, jopa neljään taajuuskaistaan.

Jako tehdään jakosuodattimella. Jakosuodatin on nimensä mukaisesti suodatin, joka jakaa ääntä. Äänen jakaminen on tarpeellista siksi, että yksittäinen elementti ei kykene toistamaan kokonaan, ainakaan hyvin, ihmisen kuulemaa taajuusaluetta. Vai oletteko koskaan kuulleet tuhtia bassotoistoa diskantista? No, ette varmaan, koska diskantin kartio ja sen liikerata on aivan liian pieni liikuttaakseen riittävästi ilmaa kunnolliseen bassotoistoon. Sitä vastoin diskantin on omattava juuri edellä mainittuja ominaisuuksia ollakseen riittävän kevyt nopeutta vaativiin korkeisiin taajuuksiin. Muut elementit ovat näiden ääripäiden väliltä. Jakosuodattimella siis sovitetaan eri taajuusalueita toistavat elementit toisiinsa ja korjataan niiden mahdollisia toistovirheitä

Jakosuodattimen voi tehdä itse tai olemassa olevaa voi parannella kun asiasta tietää edes vähän. Suodattimen komponenttien laskenta on helppoa oheisella laskenta-ohjelmalla.

Aktiivinen vai passiivinen

Jakosuodattimen tehtävä on siis jakaa soittimelta tuleva taajuusalue sellaisiin kaistoihin, joita erilaiset kaiutinelementit kykenevät parhaiten toistamaan. Korkeat taajuudet diskantille, keskitaajuudet keskiäänelle ja matalat bassolle.

Jakosuodatin voi olla aktiivinen tai passiivinen. Aktiivinen on sellainen, joka käyttää ulkopuolista virtalähdettä, kykenee nostamaan tarvittaessa jaetun taajuuskaistan tasoa ja sijaitsee signaaliketjussa ennen vahvistimia. Jokaista jaettu taajuuskaistaa vahvistetaan omalla vahvistimella. Koska aktiivinen jakosuodatin käsittelee vain vahvistamatonta linjatasoista signaalia, ovat sen komponentit pieni kokoisia.

Aktiivi- ja passiivisuodatuksen ero: Aktiivisuodatus tapahtuu ennen vahvistimia linjatasoisessa signaalissa. Passiivisuodatus tehdään jo vahvistelulle signaalille vahvistimen jälkeen. Passiivisuodatus on mahdollista tehdä myös ennen vahvistimia, jolloin puhutaan linjatasoisesta passiivisuodatuksesta.

Passiivinen jakosuodatin ei tarvitse virtaa toimiakseen ja se jakaa signaali vahvistimen jälkeen. Vahvistettu signaali jaetaan eri elementeille. Passiivinen suodatin ei kykene nostamaan tietyn taajuusalueen voimakkuutta; ainoastaan vaimentamaan ja koska komponenttien on käsiteltävä suuria tehoja, ovat ne myös suurempia kuin aktiivisuodattimessa. Passiivisuodattimia on myös linjatasoiselle signaalille. Ne sijoitetaan linjatasoiseen signaaliin ennen vahvistimia.

 

Tavallinen kaksitiejakosuodatin voi sisältää enemmän tai vähemmän komponentteja. Määrä ei kuitenkaan kerro laatua ja suodattimen voi tehdä helposti itse ilman piirilevyä.

Aktiivi- ja passiivisuodattimen eräs ero liittyy myös tuonnempana käsiteltävään impedanssiin. Passiivisessa suodattimessa haluttu jakotaajuus on sähköisen yhtälön tulos, jossa yhtenä muuttujana on suotimeen kytketyn kaiuttimen impedanssi (passiivisissa linjasuodattimissa vahvistimen sisääntuloimpedanssi). Aktiivisuodattimissa esivahvistinaste toimii "puskurina" kuormitusimpedanssille ja jakotaajuus ei näin ollen ole siitä riippuvainen.

Keskitymme nyt kuitenkin passiivisuodattimien perusteisiin, toimintaan ja käyttösovellutuksiin.

Tiet

Jakosuodattimet jaetaan kolmeen suodintyyppiin: Ali-, yli- ja kaistanpäästösuodattimiin. Alipäästösuodatin päästää lävitseen vain jakotaajuuttaan matalammat taajuudet eli suodattaa pois korkeat. Alipäästösuodatus saadaan aikaan yksinkertaisimmillaan ns. suodinkelalla. Ylipäästösuodatin toimii juuri päinvastoin eli päästää korkeat taajuudet läpi, mutta suodattaa matalat. Tällainen suodatus toteutetaan yksinkertaisimmillaan kondensaattorilla. Kaistanpäästösuodatin muodostuu ali- ja ylipäästösuodattimesta ja päästää lävitseen vain niiden jakotaajuuksien välisen kaistan. Toteutus kelalla ja kondensaattorilla.

Puhuttaessa kaksi-, kolme- tai jopa nelitiekaiuttimista tarkoitetaan kuinka moneen osaan äänisignaali jaetaan jakosuodattimessa. Esimerkiksi kaksitiesuodatin muodostuu ali- ja ylipäästösuodattimesta, koska taajuusalueen jakautuu kahteen kaistaan. Kolmitie suodattimessa alue jaetaan kolmeen kaistaan. Vastoin yleistä käsitystä "teiden" lukumäärä ei kerro kaiuttimen laadusta mitään. Kaksitie voi olla parempi kuin kolmitie; tai sitten ei. Vain ääni ratkaisee.

Jyrkkyys

Suotimet luokitellaan myös ns. järjestys- tai astelukujen mukaan. On ensimmäisen, toisen, kolmannen, neljännen asteen suodattimia ja niin edelleen. Luku ilmaisee suodattimen suodatuksen "nopeuden" eli jyrkkyyden. Kuinka tehokkaasti suodatin suodattaa ei toivottuja taajuuksia jakotaajuuden ulkopuolella. Tässä välissä tiedoksi, että jakotaajuus on se taajuus jolla signaali on vaimentunut kolme desibeliä lähtötasoon verrattuna.

Jakojyrkkyys ilmaistaan desibeleinä oktaavia kohden. Yksi oktaavi vastaa taajuuden puoliintumista tai kaksinkertaistumista (200-400-800-1600-3200-6400 Hz). Ensimmäisen asteen suodattimen jyrkkyys on -6 dB/oktaavi. Esimerkiksi jakotaajuudeltaan 1000 hertsin alipäästösuodattimen kohdalla tämä tarkoittaa sitä, että signaali on vaimentunut 6 desibeliä 2000 hertsin kohdalla. Toisen asteen suodattimen jakojyrkkyys on kuusi desibeliä enemmän eli 12 desibeliä oktaavia kohden, kolmannen asteen 18 desibeliä, neljännen asteen 24 desibeliä ja niin edelleen. Mitä jyrkempi suodatus, niin sitä enemmän komponentteja suotimessa on. Kun 1. asteen ylipäästösuodatin voidaan toteuttaa yhdellä kondensaattorilla, vaatii 2. asteen suodatin kondensaattorin lisäksi rinnankytketyn kelan. 3. asteen suodattimessa tarvitaan edellisten lisäksi vielä yhden kondensaattorin lisää.

Periaatteessa jyrkempi suodatus tuottaa paremman tuloksen kuin loiva. Jyrkempi suodatus päästää vähemmän ei-toivottuja taajuuksia lävitseen ja näin esimerkiksi diskantille voidaan käyttää matalampaa jakotaajuutta kuin loivalla suodatuksella. Tämä ei kuitenkaan ole välttämättä absoluuttinen totuus. Loivemmalla suodatuksella voidaan saada käytännössä parempi lopputulos kuin jyrkällä.

Vaihe

Jakosuodattimet vaikuttavat eri tavoin läpäisemänsä signaalin vaiheeseen. Vaihe tarkoittaa tavallaan ääniaallon ajoitusta ja kun puhutaan vaiheen siirtymistä tai kääntymisestä, niin tällä tarkoitetaan ääniaallon viivästymistä alkuperäiseen verrattuna. Riippuen suodatuksesta ja sen jyrkkyydestä, voi vaihe voi siirtyä eteen tai taakse.

Ensimmäisen asteen suodattimissa vaihesiirto on pienintä ja niitä pidetäänkin tältä osin hyvin vaihelineaarisina ja elementtien sovittaminen toisiinsa on usein ongelmatonta. Toisen asteen ali- ja ylipäästösuodattimet aiheuttavat signaaliin 180 asteen vaiheensiirron jakotaajuudella. Tämä ongelma korjataan yksinkertaisesti kääntämällä suodattimeen kytketyn toisen elementin kaiutinjohdot päinvastoin. Vaihekäyttäytymisessä on tietysti huomioitava myös elementtien välinen etäisyys. Kannattaa kokeilla eri vaiheita.

Vaiheen käyttäytyminen suodattimessa

Impedanssi

Passiivisen jakosuodattimen eräs ominaisuus on komponenttien muodostaman jakotaajuuden riippuvuus siihen kytketyn kaiutinelementin (linjatasoinen: laitteen) impedanssista. Jakotaajuus siis määräytyy kuormana olevan kaiuttimen impedanssista: Ylipäästö 1000 hertsille neljän ohmin kaiuttimella vaatii 38 mikrofaradin kondensaattorin, kahdeksan ohmin kaiuttimelle arvon pitää olla 20 mikrofaradia. Jos laskennallinen kahdeksan ohmin kuorma onkin tällä taajuudella todellisuudessa 4 ohmia, niin jakotaajuus ei ole 20 mikrofaradin kondensaattorilla 1000 vaan noin 1900 hertsiä.

Jakosuodatin toimii suunnitellulla tavalla ainoastaan, jos sen impedanssi on jakotaajuudella tarkasti tunnettu ja se ei muutu taajuuden mukaan. Näin kuitenkin tapahtuu ja juuri tämä taajuuden mukaan muuttuva reaktiivinen kuorma muodostaa ongelman jakosuodattimien teoreettiselle suunnittelulle. Vaikka impedanssi olisi tunnettu juuri halutulla taajuudella, sen muutos lähitaajuuksilla vaikuttaa suoraan suodattimen toimintaan.

Tyypillisiä kaiuttimen impedanssikäyttäytymisen ominaisuuksia ovat elementin resonanssitaajuudella oleva impedanssihuippu ja elementin puhekelan induktanssin aiheuttama impedanssi kasvu taajuuden noustessa. Jos näitä impedanssin muutoksia ei huomioida suodatinta suunniteltaessa tai impedanssikäyttäytymistä ei tasata erilaisilla piireillä, niin suodatin ei välttämättä toimi aivan kuten oli tarkoitus.

Emme kuitenkaan lähde repostelmaan asiaa tässä sen enempää, koska aihe on laaja. Suodattimien suunnittelu/rakentelu ja jo olemassa olevien parantelu onnistuu ilman impedanssintasauksiakin. Elementin nimellisimpedanssin arvo tulee kuitenkin olla tiedossa. Ilman sitä laskenta ei onnistu.

Käytännön sovelluksia

Vaikka suodattimen suunnittelu on hyvinkin "tieteellistä" ja periaatteessa vaatii kunnon mittalaitteet ja runsaasti asiantuntemusta, voi jokainen tehdä vaaratta omia "suodatinkokeiluja". Esimerkiksi edullisten kaksitie-erillissarjojen ääntä voi viritellä tekemällä niille kunnollisen suodattimen. Käytännössä jo basso/keskiäänen yläpään suodattaminen sopivalla kelalla saattaa parantaa toistoa merkittävästi. Diskantin suotokondensaattorin kanssa on syytä olla varovainen, sillä liian alhainen jakotaajuus aiheuttaa nopeasti elementin rikkoontumisen. Diskantin taso on sitä vastoin helppo sovittaa kohdalleen vaimennuspiirillä (L-PAD). Tällaisen vaimennuspiirin etu on siinä, että vaikka se tulee vasta varsinaisen suodattimen jälkeen, niin se ei muuta suodattimen "näkemää" impedanssia ja siten muuta jakotaajuutta.

Kuvan mukaisella vaimennuspiirillä voidaan diskantin taso vaimentaa sopivaksi ilman, että suodattimen jakotaajuus muuttuu. Vastuksien tehonkestoksi riittää hyvin 5-10 wattia.

Pääkaiuttimien toistoa voidaan parantaa suodattamalla niistä matalimmat taajuudet pois sopivalla kondensaattorilla. Jos kaiuttimet eivät muutenkaan kykene kunnolliseen bassotoistoon, voidaan nämä taajuudet huoletta suodattaa pois. Joskus passiivinen lisäsuodatus aktiivisuodatuksen lisäksi parantaa pääkaiuttimien tehonkestoa ja toistoa.

Takakaiuttimilta voidaan suodattaa korkeat (yli 8000 hertsiä/-6 dB) taajuudet pois. Tämä antaa luonnollisemman tilavaikutelman takaa kuuluville äänille.

Itse asiassa suunnittelu ei ole kovin vaikeaa ja on sitä paitsi mielenkiintoista. Tutustumalla jakosuodattimien perusteisiin, voi jokainen tehdä erilaisia kokeiluja oman järjestelmän virittämiseksi ja voi sitä jopa rakentaa ihan omaa suunnittelua olevan erillisjärjestelmän saatavilla olevista erilliselementeistä.

Elementtien tyypilliset jakotaajuudet

Jakotaajuus on se piste, jossa signaali on vaimentunut 3 desibeliä lähtötasoon nähden.

 

Kytkentämallit

1. asteen suodin (6 dB/okt.)

2. asteen suodin (12 dB/okt.)

3. asteen suodin (18 dB/okt.)

Esimerkki 3-tiejakosuodattimesta

Esimerkki 1. asteen kaistanpäästösuotimesta

Sanasto