2011-11-07
Diskussion om en högtalarkabel och en magisk låda
En kompis och tillika audioentusiast skickade mig följande länk till
en byggbeskrivning på en högtalarkabel med en mystisk låda som skulle
vara extra bra för att få det perfekta ljudet:
Löd
ihop din egen super-högtalatkabel Del 2
Jag hittade även lite mer information om kabeln och idéerna bakom den
här:
Den låginduktiva
högtalarkabeln
I den här snabbt ihoprafsade texten analyserar jag idéerna bakom
kabeln och ger min bedömning på vad som är vettigt och vad som
möjligen inte är lika verklighetsbaserat när det gäller kabeln och
lådan.
Kabeln
Författaren (Anders Eriksson) beskriver hur man bygger en
högtalarkabel med EKKX-kabel, vilket är en sorts partvinnad entrådig
kabel som används i telefonisammanhang. Varje par har förmodligen en
impedans på ca 100 Ω (det kanske är 80 eller 120 Ω, men knappast
utanför det intervallet) och om man parallellkopplar ett antal sådana
par så får man ner kabelns impedans motsvarande. Det är oklart för mig
exakt hur många par EKKX-kabeln har, men jag gissar på 10 st (även om
han bara beskriver 9 olika färger under bild 4). I texten på webben
står det att det är 20 par. Man kan alltså komma ner i en impedans på
ca 10 Ω (eller 5 Ω om det är 20 par) genom att köra signalen genom
alla paren. Tyvärr så verkar instruktionerna under bild 4 tyda på att
man inte ska koppla in signalen så att "plus" går i ena ledaren i ett
par och "minus" går i andra ledaren, utan att man använder båda
ledarna i vissa par till "plus" och båda ledarna i andra par till
"minus". Mycket märkligt och inte vad man vill göra om man vill få en
låg och kontrollerad impedans. Man missar också större delen av
störtåligheten som partvinning innebär genom att inte köra signalen
inom paren utan mellan dem. Jag tror att den störtåligheten är den
största verkliga fördelen man får med den här kabelkonstruktionen (om
man hade kopplat ledarna i paren på lämpligt sätt).
Varför man bryr sig om impedansen i en högtalarkabel som bara är
några meter lång är dock obegripligt ur en fysikalisk synvinkel. Om
man har en väldesignad förstärkare som inte får för sig att börja
oscillera vid frekvenser över audioområdet när de ser en induktiv last
så finns ingen större anledning att bry sig om frekvenser på signalen
ut till högtalarna över 20 kHz (i praktiken hör en vuxen person
knappast frekvenser över 15 kHz).
Utbredningshastigheten i en normal kabel ligger på mellan 0.5 och 0.8
ggr ljushastigheten (c) och om vi tar det värsta värdet 0.5c så är
fördröjningen i 2.5 m kabel ungefär 17 ns. Detta motsvarar 0.0003
perioder i 20 kHz och det gör att man knappast kan observera några
transmissionsledningsfenomen.
Jag provade att med hjälp av LTSpice plotta den impedans som
förstärkaren ser för 17 ns långa kablar med 10 Ω impedans
respektive med 100 Ω impedans lastade med 8 Ω. (Jag vet att
högtalare är bråkiga när det gäller impedans som funktion av frekvens
och att de inte alls är 8 Ω bara för att de kanske är märkta så, men
för att se inverkan av kabeln och inte bara svajigheten i högtalaren
så valde jag att approximera högtalaren med en fix resistans.) Här är
plotten från simuleringen:
Figur 1. Impedansen som förstärkaren ser om man har
2.5 m kabel med antingen 10 Ω impedans (blå kurva) eller 100 Ω
impedans (grön kurva).
I den kraftigt inzoomade plotten kan man se att impedansen som
förstärkaren ser börjar avvika från 8 Ω när man kommer upp i
frekvens. Vid 20 kHz har 100-ohmskabeln gjort att impedansen ökat från
8.000 Ω till 8.003 Ω, medan 10-ohmskabeln (som matchar lasten
bättre) bara ligger på 8.00002 Ω. Observera att en avvikelse i
impedans inte direkt leder till distorsion, utan bara gör att
motsvarande mindre energi kommer till lasten pga kabelns icke-perfekta
matchning mot lasten. Man kan jämföra detta med variationen i en
verklig högtalares impedans över audioområdet, vilken är kanske tre
storleksordningar större. Att bry sig om ifall impedansen i en
högtalakabel är 5, 10 eller 100 Ω är då tämligen poänglöst. Hur man
har placerat kaffekoppen på soffbordet påverkar nog ljudet mer.
Impedans hos ledningar och matchning av last till ledningsimpedansen
är ett utomordentligt viktigt område om frekvenserna i signalen är så
höga relativt kabelns fördröjning att fördröjningen är en väsentlig
bråkdel (säg 1/20 till 1/10) av periodtiden av den högsta intressanta
frekvenskomponenten i signalen. Jag jobbar dagligen med detta i de
höghastighetskort jag konstruerar, men då är frekvenserna ofta mellan
100 MHz och 5 GHz. Men i audiosammanhang och meterlånga kablar är
fenomenet med transmissionsledningar liksom inte relevant, vilket min
simulering visar.
"Lådan"
Lådan då? Den består alltså av en enkel RC-länk mellan ledarna med
resistansen 100/12 Ω = 8.33 Ω och kapacitansen 2*0.15
µF = 0.3 µF. Antagligen är den tänkt som ett
Zobel-nätverk, vilket är bra lösning att ha på utgången från en
audioförstärkare för att se till så att emitterföljarna på utgången
inte får för sig att oscillera vid någon hög frekvens när de ser den
induktiva högtalarlasten.
Här finns lite mer information om Zobel-nätverk (även kallade
Boucherot-celler i audiosammanhang):
Zobel
networks and loudspeaker drivers - Wikipedia
Boucherot
cell - Wikipedia
Om förstärkaren är dåligt byggd och saknar Zobel-nätverk och blir
instabil vid induktiva laster så kan det lösas genom att man kopplar
in RC-nätverket från byggbeskrivningen. Det ersätter då det saknade
Zobel-nätverket och har goda förutsättningar att göra den instabila
förstärkaren stabil. Har man en bra förstärkare som är stabil även om
man kopplar högtalare till utgångarna så finns dock ingen anledning att
koppla in RC-nätverket.
Brytfrekvensen för RC-länken är ca 60 kHz och det gör att den
påverkar impedansen i det övre audioområdet marginellt. Högre upp i
frekvens (men under det område då parasitinduktansen i konstruktionen
dominerar) så fungerar den som en hygglig terminering av kabeln (om nu
kabeln har en impedans i närheten av 8 Ω) och gör sitt
Zobel-jobb och tillhandahåller en resistiv last även vid höga
frekvenser om nu det behövdes för att förstärkaren var olämpligt
konstruerad.
För att se hur "lådan" påverkar vid audiofrekvenser så simulerade jag
det hela. Det visar sig att den faktiskt påverkar impedansen mer än
vad den specialkopplade kabeln snyggade till den. Vid 20 kHz har
inkopplingen av "lådan" gjort att impedansen sjunkit från 8 Ω med
den ideala högtalaren till 7.1 Ω. Det ska dock sägas att det inte
alls är säkert att detta skulle vara en dålig påverkan, men jag ser
heller inte något som gör att man skulle tro att det gör ljudet bättre
på något sätt. Här är en plot som visar vilken impedans förstärkaren
ser med och utan "låda":
Figur 2. Impedansen som förstärkaren ser om man har
2.5 m kabel med 10 Ω impedans utan "låda" (grön kurva) eller med
"låda" (blå kurva).
I ärlighetens namn är det vara värt att påpeka att simuleringen även
här gjordes med en ideal högtalare som håller 8 ohm rent resistivt. I
praktiken är högtalaren induktiv (hur mycket varierar nog vilt mellan
olika högtalartyper) och det är denna induktiva komponent som RC-nätet
skulle kunna kompensera, så simuleringen är inte helt rättvis. Chansen
är stor att nätverket gör att impedansen blir mer resistiv och
varierar mindre. Men om det har någon positiv effekt på ljudet är
tveksamt. Om man inbillar sig att det ger bra ljud att ha en så platt
kurva som möjligt ska man dessutom inte bara hugga till med ett par
ganska godtyckligt valda komponentvärden, utan istället mäta upp
impedansen i högtalaren som funktion av frekvens och välja
komponentvärden som matchar högtalarens karakteristik.
De kondensatorer som står listade i artikeln är rätt sopiga
metalliserade polyesterkondensatorer som jag inte skulle rekommendera
att ha i signalvägen i high-end audio. Kondensatorerna är lite
olinjära och orsakar en liten aning distorsion. Själv skulle jag
antagligen inte ens under pistolhot kunna höra skillnaden, men om man
vill ha minimalt med distorsion så ska man inte använda den här typen
av kondingar här.
Artikeln hävdar också att det är enormt viktigt att lådan hamnar i
högtalaränden av kabeln och inte vid förstärkaren. Det ligger ett korn
av sanning i detta (för att undvika reflektioner ska man ska
parallellterminera transmissionsledningar vid lasten och inte vid
källan), men återigen gör audiofrekvenserna och kabellängderna att det
inte spelar någon som helst praktisk roll. Här är en plot med
resultatet av en simulering av vilken impedans förstärkaren ser om
lådan placeras före eller efter kabeln:
Figur 3. Impedansen som förstärkaren ser om man har
2.5 m kabel med 10 Ω impedans med "lådan" i slutet av kabeln (blå
kurva) eller med "lådan" i början av kabeln (grön kurva).
Vid några hundra kHz kan man ana små skillnader i impedans, men vid
audiofrekvenser är skillnaderna mikroskopiska.
Teorin
Artikeln som
beskriver en del av "teorin" bakom kabeln är rolig läsning om man
har den sortens läggning.
Matlab-plottarna kanske kan imponera på någon som inte har koll på
vad det handlar om. Att axlarna inte är märkta med enheter bidrar till
att ge ett mindre seriöst intryck. Jag tror axlarna ska vara Hz och
dB. Det jag tror har simulerats är en naiv modell där kabeln
betraktats som en punktformig induktans. Modellen är iofs inte naiv om
man håller sig i audioområdet, men här slutar X-axeln på 1 THz! Ska
man simulera till en bit över audioområdet med den här kabellängden
måste man modellera ledningen som en transmissionsledning och ska man
upp i många MHz och däröver måste man ha en komplicerad modell som tar
hänsyn till impedansvariationer och förluster som varierar med
frekvensen. Kabeln i fråga (EKKX) är inte gjord för annat än telefoni,
så den är knappast tillverkad med tanke på att ha bra egenskaper vid
flera MHz. Vill man modellera den i det frekvensområdet måste man nog
mäta upp den med en nätverksanalysator, för tillverkarens datablad lär
inte ge besked. Hur som helst så är modellen med en induktans ogiltig
i större delen av plotten och även en enkel modell med förlustfri
transmissionsledning börjar nog avvika från verkligheten över några
MHz. Den felaktiga modellen gör att de två första kurvorna i artikeln
inte har speciellt mycket med verkligheten att göra.
Men det viktigaste problemet med resonemangen är att det pratas om
effekter som inte är av intresse vid audiofrekvenser.
Tredje plotten i artikeln kan delvis innehålla någon sanning. Det ser
vid en hastig anblick ut som om högtalarelementet modellerats med en
parallell LC-krets i serie med resistansen och att kabeln modellerats
som en transmissionsledning, eller kanske snarare som en syntetisk
transmissionsledning byggd av en massa LC-länkar. Så långt kan det
hela vara fysikaliskt någorlunda rimligt. Men sedan sträcker sig
kurvorna ut till över 10 GHz (axeln går till 1 THz!) och inte heller
de här modellerna är giltiga i närheten av så långt upp i frekvens.
Man har också lagt in en modell av RC-nätet i lådan och glatt
simulerat till 10 GHz. En sak man missat att beakta är dock att
komponenterna har en induktans (jag uppskattar den till totalt i
storleksordningen 10 nH baserat på fotona i PDF:en) som gör att
induktansen dominerar över resistansen vid frekvenser över ca 2 MHz.
Det fantasiska RC-nätet som påstås göra kurvan rak till över 10 GHz är
alltså enligt min uppskattning ganska värdelöst redan vid 10 MHz.
Slutord
Min totalbedömning är att vi har att göra med en eller flera
entusiaster som kan en del elektronik och som snappar upp något eller
några koncept (som induktans, transmissionsledningar, terminering etc)
och försöker applicera det på audioprylar utan att kunna tillräckligt
mycket i ämnet för att förstå om, när, hur och varför det är
tillämpbart. Vidare tycks det saknas insikt i andra effekter som är
mycket mer väsentliga än det som det fokuseras på.
Jag tror inte personen/personerna bakom det hela försöker luras. Hur
man bygger kabeln och boxen och vad som ingår i dem redovisas rätt så
proffsigt och ärligt. Jag tror bara att han/de inte har relevanta
kunskaper för att inse att de är ute och cyklar till största delen.
|