Subwooferi kastide tüübid

Tuntud segadus autoakustika bassilüli kujundamispõhimõtete mõistmisel on paljuski tingitud reklaam-, sageli ka teatmeartiklite infopoliitikast. Nii teatatakse võimalikule ostjale eelkõige kõlari mõõtmed, seejärel võimsus, müütiline “sagedusvalem” ja lõpuks hind.

Kõik? Kaugeltki mitte! Kõik alles algab. 

Kõrg- ja kesksageduspeadega on asi suhteliselt lihtne: kõrgsageduslikud pead on juba akustiliselt kujundatud iseseisvad elemendid, kesksageduslikud vajavad aga vähest kujundamist.

Bassidega on lood teisiti. Siin on tähtis õige akustilise kujunduse valik, kusjuures sellest valikust sõltuvalt tuleb üle vaadata kõik teile teatatud parameetrid: võimsuse, sagedusvahemiku ning teatud mõttes ka hinna. Kuna “oskuslikul” parameetrite valikul võib isegi kõige kallim ja tõupuhas bassikõlar tülgastavalt kõlada.

Kes aias, kes aias…

Põhilisi akustikakujundusliike oleme juba lühidalt kajastanud, nüüd on aeg avaldada kogu nimekiri, mis polegi eriti pikk:

	Akustiline ekraan
	Kinnine kast
	Faasiinverter
	Passiivradiaator
	Bandpass 4th order
	Bandpass 6th order
	Akustiline labürint
	Ruuporkõlar
	Aperioodiline koormus (akustiline takistus)

Akustilise kujunduse madalsageduslikud ülesanded on lahendatavad iidse printsiibi järgi – jaga ja valitse. “Jaga” tähendab, et difuusori ühe poole poolt tekitatavad võnkumised peavad teise difuusori poolega loodetavate võnkumiste eest millegagi eraldatud ja samal ajal ka nendega vastufaasis olema. “Valitse” tähendab, et sel viisil eraldatud “liigseid” helilaineid saab kasutada erinevalt.

Esimeseks akustilise kujunduse vahendiks oli akustiline ekraan. Ta ei lase difuusori ühe poole võnkumisi teisele poolele ja ei luba neil üheskoos hävida sagedusteni, kus lühim vahemaa difuusori esi- ja tagakülje vahel on võrreldav kiirgava sageduse poollaine pikkusega. Alla selle sageduse ei oska akustiline ekraan midagi teha ja lubab vastufaasis lainetel summutada üksteist nii nagu nad soovivad. Akustilise lühise tõkestamiseks sagedusel 50 Hz peavad kilbi mõõtmed olema 3×3 meetrit. Just seepärast kaotas selline akustilise kujunduse liik juba ammu oma tähtsuse, kuigi seda kasutatakse siiani näidismeetodina kõlarite parameetrite mõõtmisel.

Kõige lihtsama konstruktsiooniga akustilise kujunduse elemendiks on kinnine kast (inglise keeles sealed või closed). Siin võideldakse mittevajalike võnkumistega kindlameelselt: kinnisesse ruumi suletud difuusori taga kustuvad nad varem või hiljem ja muutuvad soojuseks. Seda soojust on väga vähe, kuid akustikamaailmas on kõik tähtis, seega ka termodünaamiline vahetusprotsess on akustikasüsteemile tähtis. Kui lubada helilainetel valjuhääldi korpuses kontrollimata tolgendada, kulub suurem osa energiast korpuses olevale õhule, mis soojeneb pisut ning õhumahu sitkus muutub, kusjuures jäigemaks. Selleks, et seda ei juhtuks, täidetakse kast helineelava materjaliga. Neelates heli, neelab see materjal (tavaliselt naturaalne, sünteetiline, klaas- või mineraalvatt) ka soojust. Kuna helineelavate kiudude soojusmaht on õhust tunduvalt suurem, muutub temperatuuri tõus palju väiksemaks ja valjuhääldi “arvab”, et tema taga on palju rohkem ruumi kui tegelikult. Praktikas õnnestub sel viisil tõsta “akustilist” mahtu geomeetrilisega võrreldes 15-20% võrra. Selles, mitte aga seisvate lainete neelamises (nagu paljud arvavad) seisneb helineelamismaterjalide kasutamispõhimõte kinnistes valjuhääldites.

Kinnise kasti alaliigiks on nn “lõputu ekraan”. Inglisekeelsetes allikates nimetatakse sellist kujundustüüpi infinite baffle või free-air. Kõik toodud nimetused ajavad ühtemoodi segadusse. Kõik me oleme täiskasvanud ja saame aru, et lõputut ekraani tegelikult pole. Tegelikult peetakse lõputu ekraani all silmas niivõrd suure mahuga kinnist kasti, et temasse peidetud õhu sitkus on difuusori kinnituse omast palju väiksem, nii et valjuhääldi ei märka lihtsalt seda sitkust ja akustikasüsteemi parameetriteks on vaid pea parameetrid. Millal muutub kasti maht lõputuks, sõltub valjuhääldi parameetritest. Muide, praktiliste ülesannete lahendamisel osutub selliseks mahuks alati pagasiruumi sisemaht, mis isegi väikese auto puhul annab “lõputult suure” mahu isegi suurele valjuhääldile. Kuid mitte iga valjuhääldi töötab sellises kujunduses hästi. Seda arutame aga eraldi, kui räägime akustilisele kujundusele sobiliku dünaamika valikust (või vastupidi).

Kinnise kasti kui autoakustika akustilise kujunduse madalsagedusliku lüli kogu lihtsuse (muide, näilise) juures on sellel lahendusel palju eeliseid, mida teistel, keerulisematel konstruktsioonidel pole.

Esiteks karakteristikute arvutamise lihtsus. Kinnisel kastil on vaid üks parameeter – sisemaht. Ühe võib ju ikka õigesti valida! Eksimuse tõenäosus on siin minimaalne.

Teiseks, kogu sagedusulatuses (kuni nullini) hoiavad difuusori võnkumisi tagasi õhumahu sitked reaktsioonid kasti sees. See vähendab oluliselt valjuhääldi ülekoormamist ja tema mehaanilist vigastumist. Ei tea, kuivõrd lohutavalt see kõlab, kuid bassihelide paadunud austajatel põlevad valjuhääldid vahest kinnistes kastides, kuid mitte kunagi ei “lenda välja”.

Kolmandaks on ainult kinnine kast teise järgu akustiline filter ehk tema amplituudsageduskarakteristik on alla 12 dB/oct. Just sama vinge, ainult miinus märgiga, on auto reisijateruumi sisemahu amplituudsageduskarakteristik. Kui arvata ära, arvutada välja või mõõta (kellel kuidas õnnestub) õiged kasti parameetrid, tekib võimalus saada madalatel sagedustel ideaalne horisontaalne sageduskarakteristik.

Neljandaks, pea parameetrite ja temale sobiliku kinnise kasti mõõtmete oskuslikul valikul pole impulsskarakteristikutelt talle võrdseid. See määrab aga ära bassihelide subjektiivse taju.

Kuid kui kõik on nii hästi, milleks siis kõiki muid akustilise kujunduse liike vaja on?

Vastus peitub kasuteguris. Kinnisel kastil on see võrreldes muude akustilise kujunduse tüüpidega kõige väiksem. Mida väiksem on kasti maht (sagedusulatus ei muutu), seda madalam on tema efektiivsus. Tarbitava võimsuse poolest pole aplamat olevust kui väikese mahuga kinnine kast, seepärast ei lendagi valjuhääldid selles välja, vaid põlevad sageli…

Järgmiseks levinud akustilise kujunduse liigiks on faasiinverter (porter, vented, bass-reflex), mis on difuusori tagumise külje kiirguse suhtes palju humaansem. Fasiinverteris kasutatakse energiat, mida kinnises kastis nurka surutakse, rahueesmärkidel. Selleks on kasti sisemaht ühendatud tunneli kaudu (sisaldab teatud osa õhust) väliskeskkonnaga. Massi suurus valitakse sedasi, et kastis saaks õhu sitkusega luua teise võnkumissüsteemi, mis saab difuusori tagaküljelt energiat ja kiirgab seda difuusori kiirguse faasis õigesse kohta. Selline efekt saavutatakse mitte eriti laias sagedusulatuses – 1-2 oktaavi, kuid selles ulatuses kasvab kasutegur põhimõttel “pole jääke – on vaid kasutamata ressursid”. Peale kõrgema kasuteguri on faasiinverteril veel üks tähtis eelis – häälestussageduse läheduses väheneb oluliselt difuusori võnkumisamplituud. Esmapilgul tundub see paradoksina – kuidas võib suur pragu valjuhääldi korpuses ära hoida difuusori liikumise, kuid sellest hoolimata on see nii. Faasiinverter loob oma tööulatuses valjuhääldile täielikud kasvuhoonetingimused, tunnel kiirgab aga suurema osa helist. Lubatud antav võimsus on siin maksimaalne, valjuhääldi poolt tekitavad moonutused aga vastupidi minimaalsed. Üle häälestussageduse muutub tunnel helivõnkumistele aina “läbipaistmatuks”, temasse paigutatud õhumassi inertsi tõttu töötab valjuhääldi nagu kinnine. Alla häälestussageduse toimub vastupidine protsess: tunneli inerts kaob järk-järgult ja kõige madalamatel sagedustel töötab valjuhääldi tegelikult koormuseta, ehk nagu oleks ta korpusest välja võetud. Võnkumiste amplituud kasvab kiiresti, koos temaga ka risk, et difuusor lendab välja või saab helipooli löögil vastu magnetsüsteemi vigastada.

Selliste pahanduste ärahoidmiseks tuleb peale helitugevuse ettevaatliku valimise kasutada ka inframadalate sageduste filtreid (spektri äralõigatav osa, kus niikuinii mingit kasulikku signaali pole (alla 25-30 Hz)). Sellised filtrid ei anna difuusoril minna vastuollu omaenda elu ja teie rahakotiga.

Faasiinverter on parameetrite ja häälestuste valiku suhtes jonnakam, kuna konkreetsele valjuhääldile tuleb valida juba kolm parameetrit: kasti mahu, pikilõike ja tunneli pikkuse. Tunnel tehakse sageli nii, et juba valmis subwoofer´il saaks häälestussageduse muutmisel reguleerida tunneli pikkust.

Kahe omavahel seotud võnkumissüsteemi tõttu on faasiinverter neljanda järgu akustikafilter ehk tema amplituudsageduskarakteristik langeb teoreetiliselt 24 dB/oct (tegelikult – 18-24) alla häälestussageduse. Horisontaalset amplituudsageduskarakteristikut pole autosalongi paigaldusel tegelikult võimalik saavutada. Sõltuvalt reisijateruumi suuruse (järelikult ka sageduse, kust algab siseakustika amplituudsageduskarakteristiku tõus) ja faasiinverteri häälestussageduse omavahelisest suhtest võib üldkarakteristik olla kas delikaatse küüru või siis meeletute Amuuri lainete kujuline. Küür ehk amplituudsageduskarakteristiku sujuv tõus madalatel sagedustel on sageli just see, mida vajatakse bassihelide optimaalseks subjektiivseks tajumiseks mürarikkas keskkonnas. Amplituudi järskude kõikumiste tõttu ebaõnnestunud parameetrite valikul teenisid faasiinverterid täiesti teenimatult hüüdnime boom-box. Õigluse taastamiseks märgime, et buumefekti võib saavutada ka kinnise kasti puhul – järgmine kord seletame kuidas, õigesti välja arvutatud faasiinverter suudab väljastada väga selget ja muusikalist bassi mõistlikul võimsusel.

Faasiinverterkujunduse liigiks on passiivvaljuhääldi (väliskeelsed terminid: passive radiator, drone cone). Siin on energiat utiliseerida lubav võnkumissüsteem (kogub energiat difuusori tagaküljelt) realiseeritud mitte õhumassina tunnelis, vaid teise difuusorina, mis pole millegagi ühendatud, kuid raskendatud vajaliku kaaluni. Häälestussagedusel võngub see difuusor suurima, peamine aga väiksema amplituudiga. Sageduste tõusuga vahetavad nad järk-järgult oma rollid. Hiljutise ajani ei kasutatud sellist akustikukujundust mobiilsetes seadmetes, kuid kodusüsteemides kasutatakse üsna sageli. Selle põhjuseks olid õigustamata mured teise difuusori otsingul (tavaliselt on see samasugune valjuhääldi, kuid ilma magnetsüsteemi ja helipeata) ja raskused kahe suure difuusori paigutamisel sinna, kus tavalise faasiinverteri puhul tuleb paigutada difuusor ja väike tunnel. Kuid viimasel ajal on hakanud ilmuma passiivvaljuhääldiga auto subwoofer´id. Asi on selles, et hiljutisest ajast on hakatud kasutama väga suure difuusori käiguga uue põlvkonna valjuhääldeid, mis on mõeldud tööks väikestes mahtudes. Nad “puhuvad” töö ajal välja väga palju õhku ning tunnel oleks pidanud olema üsna suure läbimõõduga (muidu kasvaks tunnelis õhukiirus nii, et hakkaks susisema nagu vedur). Väike maht ja tunneli suur läbimõõt sunnivad valima pikemat tunnelit. Tuligi välja, et sellistele peadele sobilikud tavakonstruktsiooniga faasiinverterid saaksid omale meetripikkused torud. Selliste kellelegi mitte vajalike kaasuste vältimiseks eelistati keskendada vajaminev võnkuv mass passiivsesse kiirgurisse, millel on samasugune difuusorikäik nagu aktiivsel valjuhääldil.

Kolmandaks, autoseadmetes sageli (kuigi harvemini, kui kaks eelmist) kasutatavaks subwoofer´ite liigiks on bandpass. Vahest võib kohata sellist nimetust nagu “sümmeetrilise koormusega valjuhääldi” (symmetric loading). Kui kinnine kast ja faasiinverter on kõrgete sageduste akustilised filtrid, siis bandpass, nagu nimetusest tuleneb, ühendab kõrgete ja alumiste sageduste filtreid.

Kõige lihtsam bandpass on ühekordne 4. astme kõlar (single reflex). Ta koosneb suletud tagakambrist ja tunneliga varustatud esikambrist (nagu tavalisel faasiinverteril). Valjuhääldi on paigaldatud kambrite vaheseina nii, et difuusori mõlemad pooled töötavad täielikult või osaliselt kinniste mahtudena – siit ka termin “sümmeetriline koormus”.

Traditsioonilistest konstruktsioonidest on bandpass igas variandis efektiivsuse tšempion. Seejuures on efektiivsus otseselt seotud läbilaskeribaga. Bandpass´i sageduskarakteristik on tornikellakujuline. Vastavate mahtude ja esikambri häälestussageduse valimisega võib panna kokku laia läbilaskeriba, kuid piiratud tagasipõrkega subwoofer´i ehk tornikell on madal ja lai, või siis kitsa riba ja väga suure kasuteguriga selles ribas. Tornikell muutub seejuures kõrgemaks.

Bandpass on kõige jonnakam arvutusel ja töömahukam valmistamisel. Kuna valjuhääldi on peidetud korpusesse, tuleb kasti kokkupanekul teha nii, et äravõetav paneel ei segaks konstruktsiooni jäikust ja hermeetilisust. Subwoofer´i, salongi- ja esikõlarite sageduskarakteristikute kooskõlastamine tekitab samuti tuntud peavalu. Ka impulsskarakteristikud pole parimad, eriti lairiba puhul. Millega siis seda kompenseeritakse?

Eelkõige, nagu öeldud, ülikõrge kasuteguriga.

Teiseks sellega, et kogu heli kiiratakse tunneli kaudu, valjuhääldi on aga kinni. Sellise subwoofer´i kokkupanekul avanevad fantaasiaga paigaldajale (või harrastajale) suured võimalused. Tuleb vaid leida pagasiruumi ja salongi liitekohal väike koht, kuhu võib paigutada tunneli avause ning tee ülivõimsate basside poole on avatud. Spetsiaalselt sellistele seadmetele laseb näiteks firma JLAudio välja painduvaid plastmassist vooliktunneleid (nagu tolmuimejavoolik, ainult paksem ja jäigem), millega pakub ta (ja paljud nõustuvad) ühendada subwoofer´i väljundi salongiga.

Veel efektiivsemad on kahe kanaliga 6. astme valjuhääldid. Sellise subwoofer´i kambreid häälestatakse umbes ühe oktaavi suuruse vahega. Kahekordne bandpass tagab tööribas vähem moonutusi, kuna valjuhääldi on koormatud kahelt poolt faasiinverteritega, kuid tal on ühekordsega võrreldes järsem amplituudsageduskarakteristiku langus alla tööriba.

Vahepeal on nn kvaasi-bandpass (ehk jadahäälestusega valjuhääldi), kus tagakamber on tunneliga ühendatud esikambriga, esikamber aga veel ühe tunneliga ümbritseva keskkonnaga.

Kolmekambrilised valjuhääldid kujutavad endast tavaliste ribavaljuhääldite alternatiivseid konstruktsioone ja koosnevad kahest tavalisest valjuhääldist, mille vahel on eemaldatud neid eraldav sein.

Olemas on veel kolm madalsagedusliku akustika kujundusvarianti, mis on küll olemas, kuid tegelikult neid ei kasutata. Esimene väljalangenutest on akustiline labürint, kus energia äraviimine difuusori tagaküljelt toimub pika toru kaudu, mis on tavaliselt kompaktsuseks kokku pandud, kuid siiski tõstab subwoofer´i mõõtmeid mobiilseadmes lubamatute piirideni.

Teine – eksponentsiaalne ruupor, mis peab üsna madala piirsageduse saavutamiseks olema hiiglaslike mõõtmetega, mis muudab tema kasutamise madalsageduslikus lülis haruldaseks isegi statsionaarsetes süsteemides, kus on rohkem ruumi kui autos.

Ning väga harva kasutatakse ka keskendunud akustilise takistuse ja aperioodilise koormusega valjuhääldit (aperiodic membrane). Varem nimetati seda akustilise takistuse paneeliks. Idee seisneb selles, et selle difuusori koormuseks on lähedalasetsev poolläbilaskev tõke, näiteks tihe riie või klaasvillakiht, mis on surutud perforeeritud paneelide vahele. Teoreetiliselt on selline koormus jäiga iseloomuga, nagu auto amortisaator, summutab akustilist energiat, mõjutamata valjuhääldi resonantssagedust. Kuid see on teoreetiliselt. Tegelikult tekitas valjuhääldi ja akustilise takistuse paneeli vahel olev õhk sellist segadust karakteristikute ja reaktsioonidega, et tulemused muutusid raskelt ennustatavateks.

Niisiis, tutvunud kiirelt akustilise kujunduse põhiliikidega, on selge, et maailmas pole täiuslikkust. Iga valik on kompromiss. Selleks, et kompromissi põhimõte oleks selgem, lõpetame selle kaugkohtumise nii nagu vaja – vahekokkuvõtte tegemisega. Võrdleme vaadeldud variante põhifaktorite seisukohast, mis määravad ära nende edu kasutamisel mobiilses audiosüsteemis.

Nende faktorite hulka kuuluvad:

Kasutegur

Ühele või teisele akustilise kujunduse liigile omane kasuteguri suurus määrab lõppkokkuvõttes ära, kuivõrd võimsat võimendit läheb nõutava helitugevuse taseme saavutamiseks tarvis ning samas, kuivõrd keeruline tuleb valjuhääldi elu.

40-80 Hz´iste bassihelide esituse seisukohast on kohad jagatud nii: kitsaribalised valjuhääldid – selle ala tšempionid, eriti – kahe tunneliga kuuenda astme valjuhääldid. Nendele järgnevad kahe tunneliga lairibavaljuhääldi ja tavaline faasiinverter. Ning lõpuks kõige võimsushimulisemad – kinnine kast ja ühekordne lairiba valjuhääldi.

Tekkivad moonutused

Madalal oktaavil (30-80 Hz) ja väikesel võimsusel käituvad kõik akustilise kujunduse tüübid korralikult. Faasiinverter ja ribavaljuhääldi on teistest pisut paremad, kuid mitte eriti. Suurtel võimsustel tuleb parimaid tulemusi oodata kahekordselt ribavaljuhääldilt. Temale järgnevad ühekordne ribavaljuhääldi ja faasiinverter. Ahela lõpetab kinnine kast, mis annab suurtel signaaliamplituudidel kõige rohkem moonutusi.

 Impulsskarakteristikud

Bassihelide täpne edastus on vaata et bassiakustika peamine omadus. Madalatest bassiponnistustest on vähe kasu, kui nad on ähmased ja loiud. Selles suhtes lubab kinnine kast parimaid tulemusi (õigel arvutusel). Faasiinverteri üleminevad karakteristikud võivad olla väga väärikad, kuid ikkagi jäävad keskmiselt kinnisele kujundusele alla. Ühekordsetel ribavaljuhäälditel on head karakteristikud, mis läbilaskeriba laiendusel kahjuks halvenevad. Kõige halvim reaktsioon impulss-signaalile on kahekordsel ribavaljuhääldil, jällegi eriti lairibal.

 Kooskõlastamine esikõlaritega

Alates teatud sagedusest võtavad subwoofer´i töö üle esikõlarite keskbassid. Kinnise kasti ja faasiinverteri jaoks pole see probleem ning süsteemi kokkupanijal on teatud vabadus ribade jaotussageduse valikul, kuna nii sageduse kui ka languse järskuse määravad kindlaks välisahelad. Kitsasribaliste valjuhääldite sagedus langeb juba alates 70-80 Hz, kus kaugeltki mitte kõik keskmised bassid võivad valutult laulu haarata. Keskmistele bassidele esitatavad nõuded muutuvad seejuures keerulisemateks, ja ka töö crossover´iga lihtsamaks ei muutu.

Paigutame kõik ülalöeldu viiepunkti süsteemi alusel tabelisse:

				Ribakõlar
				Ühekordne		Kahekordne
	Kinninen kast	Faasiinverter		Kitsas riba	Lai riba	Kitsas riba	Lai riba
Moonutused madalal võimsusel	4	5		5	4	5	4
Moonutused suurel võimsusel	2	4		4	3	5	4
Impulsskarakteristikud	5	4		4	2	3	2
Kooskõlastamine esikõlaritega	5	5		2	4	2	4
Ümberlaadimisvõime (üle 30 Hz)		4		5	4	5	4
Ümberlaadimisvõime inframadalas tööulatuses (alla 30 Hz)	5	2		5	5	2	2
Amplituudsageduskarakteristikute siledus arvestades auto siseakustikat	5	4		2	3	2	3
Arvutus- ja valmistusvigade tundlikkus	5	4		2	2	2	2

Avaldatud ajakirja “Автозвук” loal