Hej PeterAkemark
Det här är från en skrift som Stig Carlsson personligen själv skrivit 1980. Det kanske kan ge en viss inblick.
Stig Carlsson: Högtalarkonstruktioner 1953 - 1975
Den här sammanställningen avser att ge något av bakgrunden till mina högtalarkonstruktioner, dock utan anspråk på fullständighet. Att redovisa högtalarkonstruktioner utan att nämna något om tekniken bakom valet av högtalarelement eller om den mätteknik, som varit vägledande vid det dimensioneringsarbete, som gett högtalaren dess tonkurva, det innebär att viktiga frågor utelämnas, som kan vara avgörande för hur intentionerna bakom konstruktionen förverkligas. Inte desto mindre har antagligen denna sammanställning en funktion att fylla, och till frågan om mätmetodiken finns det med säkerhet skäl för mig att återkomma.
Frågeställning 1:
Hur bör högtalarens basdel utformas för att till låg kostnad kunna återge det lägsta basregistret förstklassigt, dvs med låg distorsion och god transientåtergivning?
Det fysikaliska problemet:
Förmågan att återge det lägsta basregistret bestäms bl a av högtalarens förmåga att förflytta en tillräckligt stor luftvolym. Den volymförflyttning som krävs för att alstra en viss akustisk effekt i fritt fält är nämligen omvänt proportionell mot frekvensens kvadrat. Därav behovet av stora högtalarmembran, som för bibehållen verkningsgrad ner till basregistrets lägsta frekvenser kräver ofta ohanterligt stora högtalarhöljen.
En lösning (1953):
Basreflexlåda kallas den typ av högtalarhölje, som bildar en s k Helmholtz-resonator, där högtalarelementets membran utgör del av resonatorvolymens vägg. Basreflexlådan erbjuder den fördelen, att högtalarmembranet kan använda Helmholtz-resonatorn som akustisk förstärkare med en mot lägre frekvens ökande verkningsgrad; vid det återgivna frekvensområdets undre gräns kan luften i Helmholtz-resonatorns mynning fås att utföra nästan hela luftförflyttningen. En väsentlig inbesparing av behövlig membranarea och behövligt membranutslag blir därigenom möjlig.
Basreflexlådan beskrevs första gången 1930 i en amerikansk patentansökan av Thuras, men publicerade beskrivningar under åren fram till och med år 1953 saknade närmare uppgifter om hur högtalarens egenskaper kunde styras med hjälp av dimensioneringsparametrarna. Mina undersökningar vid Kungl. Tekniska Högskolans laboratorium för elektroakustik visade bl a, att under basreflexlådans avstämningsfrekvens avtar förmågan till god återgivning snabbt, och att högtalarens relativa ljudtryck vid lådans avstämningsfrekvens är i huvudsak proportionellt mot
lådans innervolym,
den totala svängande massan hos högtalarelementets membran
och medsvängande luft,
kvadraten på lådans avstämningsfrekvens,
och omvänt proportionellt mot
kvadraten på högtalarelementets membranyta,
medan vid givet högtalarelement och given avstämningsfrekvens hos lådan högtalarens relativa ljudtryck vid den övre av de båda frekvenser. där högtalarens elektriska impedans har maximum, är
i huvudsak omvänt proportionellt mot
högtalarelementets totala ekvivalenta mekaniska resistans. (Som referensljudtryck används här - vid oförändrad inspänning - högtalarens ljudtryck i den. övre delen av det frekvensområde, där högtalarmembranet alltjämt sänder i huvudsak som en ideell kolv, men där membranrörelsen övergått till att bli helt massbestämd.)
Jag fann att - vid givet högtalarelement och given lådavstämningsfrekvens – mindre lådvolymer än de dittills praktiserade var inte bara användbara utan till och med att föredra, under förutsättning att högtalarelementets totala ekvivalenta mekaniska resistans ökades, t ex genom att placera ett skikt glasull mellan högtalarelementet och lådans innervolym eller genom att låta den drivande förstärkaren ha ett negativt inre utgångsmotstånd.
Kombinationen av en minskad lådvolym och en ökad ekvivalent mekanisk resistans hos högtalarelementet patentskyddades. Dimensioneringsprincipen har använts till att konstruera högtalare som haft högtalarmarknadens rakaste tonkurvor vad den undre delen av basregistret beträffar, om inverkan av lyssningsrummets vägg och golv invid högtalaren medräknas. Med enkla 10" bashögtalarelement och inbyggd slutförstärkare hade Elektronlund LOAS 1001 (marknadsförd 1959- 62) och Sonab OA-6 (marknadsförd 1966- 70) återgivning till 26 Hz (-3 dB). Med av mig framtagna 6,5" högtalarelement hade Sonab OA-116 (marknadsförd 1975 - 78 ) och Sonab OA-2212 (marknadsförd 1976 - 78 ) återgivning till 27 à 28 Hz (- 3 dB) med valfri förstärkare.
Efter 1953 har fackvärldens kunskaper om basreflexlådans dimensioneringsmöjligheter successivt ökat, främst genom publiceringar av Beranek i USA 1954, av Novak i USA 1959, av Thiele i Australien 1961 och i USA 1971 och av Small i Australien 1971 och i USA 1972 och 1973. Giltighetstiden för mitt USA-patent löpte ut först i maj 1979, och Ståhls bashögtalare Audio Pro B2-50 föll vid sin introduktion i USA under detta patent.
Frågeställning 2:
Hur bör en högtalare för användning i bostadsrum utformas, vad avser högtalarelementens placering och orientering, för att till den mänskliga hörseln korrekt kunna överföra ett maximum av information?
Några fysikaliska och psykoakustiska utgångspunkter:
Allt ljud strålas med ett för den enskilda typen av ljudkälla karaktäristiskt riktningsmönster, och riktningsmönstret varierar med frekvensen. Med ljudkällan placerad i ett rum reflekteras ljudet av rummets begränsningsytor, och ljudet får ett för ljudkällan och för rummet karaktäristiskt rumsligt tidsförlopp.
Den rumsliga orienteringsförmågan hos hörseln beror både på kombinerandet av informationer från de båda öronen och på att ytteröronen färgar högfrekvent ljud på ett för infallsriktningen karaktäristiskt sätt. Möjligheten att uppfatta detaljstrukturer hos ljudet från en ljudkälla är till viss grad beroende av att rummets reflekterade ljud avtar i styrka tillräckligt snabbt, så att inte nyutsända ljudstrukturer maskeras av tidigare utsända. Fullständig frånvaro av reflekterat ljud, som i ett mycket kraftigt dämpat rum av typ ekofritt rum, tycks däremot inte ge maximal uppfattbarhet eller upplevas som god akustik. Vid musiklyssning förefaller känslan av att ett ljud har ”kropp” förutsätta ett visst reflektionsmönster i det rum där lyssnaren befinner sig.
Hos musikinstrument bestämmer de frekvensberoende riktningsmönstren instrumentens musikaliska rumsgestaltning. Violin, flöjt, piano, valthorn och trumpet, för att bara nämna några exempel, använder alla rummet vart och ett på sitt sätt, som utgör en väsentlig del av deras karaktäristiska klangegenskaper. Högtalare som skall kunna ge en naturlig återgivning av alla dessa instrument, bör sannolikt ges neutrala riktningsmönster, som undviker att införa några karaktäristiska begränsningar i det rumsliga skeende, som lyssnaren förväntar sig uppleva. De enskilda musikinstrumentens rumsgestaltning kan däremot tillvaratagas vid inspelningstillfället.
En exakt återgivning skulle förutsätta en frekvensoberoende överföring frän högtalare till lyssnare, något som är en omöjlighet i ett rum med reflekterande ytor. I rum av bostadsrums storlek och typ utbildas oundvikligen mönster av stående vågor, som efter insvängningsförloppet fördelar energin i basregistret mycket ojämnt i rummet. Åtgärder som ökar kvoten mellan direkt och reflekterat ljud i basregistret leder då till en distinktare basåtergivning.
Högtalare med hölje som helt eller delvis omsluter högtalarelementets baksida, sänder ut ljudet lika starkt i alla riktningar, så länge diametern hos högtalarens ljudsändande yta är en bråkdel av det utsända Ljudets våglängd. Det är det normala i hela basregistret och ofta alltjämt vid exempelvis 500 Hz, där ljudets våglängd i luft är 0,69 m. Hur basdelens ljudsändare är orienterad, saknar alltså betydelse. Däremot inverkar ljudmynningens avstånd från de närmaste av lyssningsrummets begränsningsytor: vägg/väggar och tak eller golv.
När detta avstånd är mycket litet i förhållande till ljudvåglängden, så kommer det reflekterade ljudet att hamna praktiskt taget i fas med direktljudet, d v s det fungerar som direktljud och bidrar till att öka direktljudets styrka. Begränsningsytan är då så nära högtalaren, att den minskar högtalarens rymdvinkel till hälften. För varje sådan halvering av högtalarens rymdvinkel fördubblas kvoten mellan direkt och reflekterat ljud, samtidigt som högtalarens verkningsgrad ökar till nästan den dubbla. I det frekvensområdet där basljudmynningens avstånd från en begränsningsyta utgör mellan hälften och en femtedel av ljudvåglängden, kommer emellertid det reflekterade ljudet mer eller mindre i motfas till direktljudet, så att det minskar kvoten mellan direkt och reflekterat ljud och sänker högtalarens verkningsgrad.
Dellösning 1 (1953):
Jag hade gjort den iakttagelsen vid lyssning till en sinuston med glidande frekvens från ett helt normalt diskanthögtalarelement av litet format i ett rum med normalt reflekterande ytor, att min hörsel uppfattade kraftiga frekvensberoende ljudstyrkevariationer, som inte förekom i tonkurvan för högtalarens direktljud. Sådana ljudstyrkevariationer uppträdde också vid huvudrörelser utan att frekvensen varierades. Ljudstyrkefluktuationerna blev minst, om flera diskanthögtalarelement användes, vända åt så olika håll, att de bildade en närmast rundstrålande högtalargrupp, och placerade på ett inte alltför kort avstånd från rummets närmaste reflekterande ytor.
Denna erfarenhet, kombinerad med en önskan att låta högtalarens basdel komma tillräckligt nära både golv och vägg för att uppnå verkningsgradsökning och ökad kvot mellan direktljud och reflekterat ljud inom basdelens hela frekvensområde, resulterade i konstruktionen av den högtalare, som kom att kallas ”kolboxen” och som marknadsfördes som Elektronlund LOAS 1001 åren 1959- 62. Högtalarhöljet hade formen av en stympad kon, som hade bashögtalarelementet och basreflexöppningen i sin större ändyta och mellanregisterelementet i den mindre ändytan. Fyra diskanthögtalarelement var placerade i konens mantelyta, nära mellanregisterelementet och vända ”i de fyra väderstrecken”. Högtalaren skulle placeras på golvet invid en vägg eller i ett hörn med konens axel lutande, så att mellanregister- och diskantdel hamnade ungefär 0,5 m från väggen eller väggarna. En omkopplare på tillhörande slutförstärkare medgav frekvenskurvekompensation för fristående placering, väggplacering och hörnplacering.
Högtalarutformningen patentskyddades. År 1960 demonstrerade jag för det amerikanska patentverkets granskare, att återgivningen verkligen förlorade i plasticitet och gav intryck av punktformig ljudkälla, om diskantdelen fördes nära väggen, och att basåtergivningen blev tunnare, om basdelen flyttades ut från väggen.
Dellösning 2 (1962):
Vid ett experiment i syfte att ersätta 1953 års koniska högtalarhölje med ett rektangulärt hölje liknande en på högkant ställd tändsticksask, avsett att stå vinkelrätt mot en vägg, låg det nära till hands att undersöka, om placeringen på avstånd från vägg verkligen var den optimala för mellanregisterelementet. Resultatet var att återgivningen av mellanregistret uppfattades som distinktare, om högtalarelementet för mellanregistret - vänt rakt uppåt - placerades närmast det nya högtalarhöljets bakkant i stället för närmast framkanten. Med basdel nederst och mellanregisterdel överst närmast högtalarehöljets bakkant och med fyra diskantelement vända i kryss mot varandra och placerade på maximalt avstånd från varandra på främre delen av högtalarhöljets ovansida, uppnåddes ett intryck av att väggen bakom högtalaren försvann och att lyssningsrummet öppnade sig mot upptagningslokalen. Högtalaren marknadsfördes som Sonab OA-6 åren 1966 - 70, och ett nedbantat utförande utan separat bashögtalarelement och utan inbyggd slutförstärkare marknadsfördes åren 1966 - 73 som Sonab OA-5.
Även denna högtalarutformning patentskyddades. Vid en demonstration för det amerikanska patentverkets granskare år 1967 använde jag bl a en monoskiva med en krävande körupptagning. Uppspelning skedde dels över ett korrekt placerat högtalarexemplar, dels över ett högtalarexemplar som vridits så, att bas- och mellanregisterdel hamnade på lika stort avstånd från vägg som de bakåtriktade diskantelementen. Granskarens reaktion inför skillnaden var, att han tyckte att den felplacerade högtalaren lät som om den hade panelresonanser, men när högtalaren sedan placerades rätt, försvann panelresonanserna.
Dellösning 3 (1973):
De tidigare högtalarkonstruktionerna var koncipierade som monohögtalare men kom att marknadsföras som stereohögtalare. För att optimera stereoåtergivningen önskade jag öka andelen direktljud från högtalarna i såväl mellanregister som diskant, vilket krävde en mera komplicerad utformning av högtalarnas ovansidor. År 1970 hade Sonab fått en mekanisk utvecklingsavdelning, och detta underlättade de närmast följande åren framtagandet av erforderligt tillverkningsunderlag för de nya högtalare, som var konstruerade särskilt för stereoåtergivning.
I det nya högtalarprogrammet överensstämde de olika högtalarelementgruppernas placering i förhållande till lyssningsrummets vägg och golv med de på 1962 års svenska patentansökan grundade patenten, men högtalarelementen för mellanregister och diskant gavs en asymmetrisk gruppering och orientering till förmån för ökat direktljud i det för stereolyssning lämpade området mellan de båda stereohögtalarna. För funktionen att ge maximal diffusering av det reflekterade ljudet användes alltjämt diskantelement med sådan placering och orientering, att möjligheterna till tidigt reflekterat diskantljud från bakomvarande vägg, från närmaste sidovägg, från taket och från kombinationer av dessa ytor tillvaratages. Sonab OA-12 (marknadsförd 1973 - 78 ) med totalt tre högtalarelement gavs ett diskantelement för direktljud och ett för reflexljudsdiffusering. Sonab OA-14 (marknadsförd 1973 - 78 ) med totalt fem högtalarelement gavs två diskantelement för direktljud och två för reflexljudsdiffusering. Sonab OA-116 (marknadsförd 1975 - 78 ) med totalt åtta högtalarelement gavs tre diskantelement för direktljud och tre för reflexljudsdiffusering, av vilka två tillförs halv effekt. Sonab OA-2212 (marknadsförd 1976 - 78 ) med totalt sexton högtalarelement gavs åtta diskantelement för direktljud, placerade utmed en cirkelbåge, och fyra diskantelement för reflexljudsdiffusering.
Dessa asymmetriskt rundstrålande stereohögtalare har patentskyddats. De syftar till att med bibehållande av den rundstrålande högtalartypens förmåga till diffusering av reflexljudfältet åstadkomma en tillräckligt hög kvot mellan direkt och reflekterat ljud för att ge hörseln möjlighet till maximal inhörning i stereoupptagningar.
Dellösning 4 (1973) :
Sonab-programmets minsta högtalare var OD-11 (marknadsförd 1974 - 78 ) med ett högtalarelement för bas och mellanregister och ett högtalarelement för diskantregistret i ett hölje i form av en kub med 26 cm sida. Den var avsedd såväl för placering i en bokhylla med högtalarelementen framåtvända som för placering på golvet med högtalarelementen uppåtvända. Genom att högtalarelementen var orienterade asymmetriskt snett framåt, uppåt och åt ena sidan uppnåddes en viss likhet med högtalare av rundstrålande typ, även om frånvaron av separat diskantelement för reflexljudsdiffusering minskar möjligheten att förmedla det intryck av luftighet som en del stereoupptagningar kan överföra. Också denna högtalarutformning har kunnat ges patentskydd, och den uppvisar stora förtjänster i förhållande till mera konventionella högtalartyper.
1980-03-06
SC
VD Bremen Production AB + Ortho-Reality AB; Grundare av Ljudbutiken AB; Fd import av hifi; Konstruktör av LICENCE No1 D/A, Bremen No1 D/A, Forsell D/A, SMS FrameSound, Bremen 3D8 m.fl.
av PeterAkemark » 2010-09-14 14:17 
