Med digital signalbehandling går det att ordna det som inte varit möjligt i den analoga världen: Att skapa faslinjära högtalare trots att de innehåller delningsfilter som är brantare än 1:a ordningen. Mats Blomberg, erfaren ljudtekniker och konstruktör, har med de senaste rönen som bas skapat en högtalare vars ljudkvalitet slår det mesta inom högtalare för kvalificerad hifi och studiomonitorer. Vi ger här en bakgrund.

Egentligen har det inte hänt särskilt mycket i högtalarvärlden inom de senaste tre decennierna. Elementen har blivit litet bättre, men man använder i stort sett principer som funnits mycket längre än så och som började användas i seklets mitt eller början.

Standardkonceptet innebär 2- eller 3-vägssystem: Frekvensområdet delas upp i diskant-, mellanregister- och eventuellt baselement. Ett diskantelement får inte matas med låga frekvenser med hög amplitud eftersom det ger distorsion och elementet lätt överbelastas. Samma sak gäller ett bas- eller mellanregisterelement, som över en viss frekvens ger kraftig distorsion på grund av radiella och axiella resonanser.

Därför använder man gärna brantare filter. Ofta använder man ett delningsfiler av typen Linkwitz-Riley, som har den trevliga egenskapen att det sammansatta ljudtrycket över ”skarven” mellan övre och undre passband ger en jämn ljudkurva.

Olinjär fasgång
Tyvärr innebär delningsfilter en stor nackdel med fatala konsekvenser: Över en stor del av högtalarens frekvensområde sker en kraftigt olinjär fasförskjutning. Det betyder att om vi matar in en transient, kommer den första ”spiken” att återges och först efter en viss tid tar baselementet vid. Om vi matar in en fyrkantvåg blir resultatet detta:

Givetvis uppfattar våra öron en så här kraftig avvikelse från originalets fyrkantvåg!

 – Något tillspetsat är det filtret vi lyssnar till, säger Mats Blomberg, med reservation för att elementens frekvensgång, distorsion och resonanser tillkommer i ljudbilden.

Negativ tid
Om vi kunde räta ut faskurvan och åstadkomma en konstant grupplöptid skulle vi få en fyrkantkurva och allt skulle låta bättre. Idéerna om detta fanns redan på 1970-talet. Dennis Collin skriver i nättidningen Audioxpress att han redan då kom fram till att man skulle kunna använda ett allpassfilter för att göra faskorrigering innan signalerna nådde högtalarens delningsfilter [1] och [2]. Problemet är att korrigeringarna måste göras i negativ tid: Rent hypotetiskt skulle kompenseringskretsarna få tillgång till den stegvisa insignalen innan den skulle anlända och motverka den med en positiv exponentiellt växande kurva som startar på minus oändligheten!

Det låter sig inte göras i realtid. Men för att ändå genomföra ett bevis av tesen använde Dennis Collin ett allpassband för faskompensering. Med en bandspelare spelade han in en fyrkantvåg som sedan spelades upp baklänges. Den tidsomvända signalen fick passera genom allpassfiltret och resultatet blev hyfsat bra fyrkantvåg!

Digital signalbehandling
Problemet har Mats Blomberg nu löst med hjälp av digital signalbehandling. Genom att signalen kan fördröjas i tid i den digitala domänen, i spannet mellan A/D- och D/A-omvandlingarna, kan man skapa den ”negativa tid” som behövs för att matematiskt lösa problemet. Han har helt enkelt skapat ett digitalt allpassfilter som korrigerar filtrets grupplöptid.

En viss fördröjning är alltså nödvändig och skulle kunna innebära problem vid synkronisering mellan bild och ljud. Men Mats Blomberg demonstrerar med sin byggda prototyp att man som betraktare inte märker någon fördröjning, detta trots att en fasanpassning tillämpades även för bashögtalarens undre gränsfrekvens, 40 Hz. Se mer om det nedan.

Ljudintrycket påminde om det som elektrostatiska högtalare kan ge, men med en mycket mer brilliant basåtergivning. Högtalarna ger en markant närvarokänsla utan att vara påträngande och den akustiska basfiolen låter verkligen som en sådan. Än så länge finns ingen kommersiellt tillverkad högtalare av detta slag, men Mats Blomberg Development har planer för framtiden. Vi återkommer till det för att här göra en närmare teknisk granskning av en högtalarkonstruktions olika egenheter.

Mats Blomberg

Delningsfiltret
Utgångspunkten för högtalarkonstruktionen är dess filteregenskaper. I det följande visar vi kurvor framtagna med simuleringsprogramvaran LspCAD 6 för att illustrera problemet och hur det kan åtgärdas.

Som exempel används en 2-vägs basreflexlåda, avstämd till 40 Hz och med delning till diskanten vid 1 kHz. Observera att vi här antar att högtalarelementens frekvensgångar i sig är ”spikraka” och placerade i samma fysiska punkt, vilket dock oftast inte är fallet i praktiken.

Fasgången (grönt) är långtifrån linjär

Vi ser ovan att 4:e ordningens Linkwitz-Riley låg- och högpassfilter visserligen sammantaget resulterar i en rak frekvenskurva, men fasgången är knappast linjär. Högtalarens undre gränsfrekvens i en basreflexlåda visar en liknande fasgång.

Man skall tillägga att en sluten låda har ett förlopp som inte faller lika snabbt i basen, med mindre fasvridning som följd. Därför kan den ha en bättre transientåtergivning även om den kan upplevas som mera bastunn på grund av en högre undre brytfrekvens.

Om vi återkommer till vår högtalarkonstruktion ser vi att impulssvaret visar en kraftig översläng, orsakad av faskurvans olinjäritet. Om faskurvan hade varit linjär hade pulsen gått ned till noll, och stannat där.

Impulssvar

Stegsvaret är intressant: Ur detta ser vi att diskanthögtalaren styrs ut nästan fullt för att sedan gå ned i ett minimum innan baselementet har börjat ge ljudtryck. Se det som ett typexempel på hur dåligt en modern högtalarkombination fungerar i praktiken!

Stegsvar

Om vi översätter fasgången till grupplöptid ser det ut så här:

Grupplöptid visar en förhöjd nivå

Delningsfiltret, med 1 kHz brytfrekvens, visar en förhöjd nivå under ca 1500 Hz. I basen är det baselementets undre gränsfrekvens som ger en markant höjning. Den här kurvan över grupplöptid är en direkt motsvarighet till hur fyrkantvågen ser ut i tidsplanet, dvs så här:

Fyrkantvåg från en ordinär högtalare med 2-vägsfilter!

Filter med digital kompensering
Med modern signalbehandling kan problemet med fasen åtgärdas. Fyrkantsvaret kan då bli perfekt liksom transientsvar och stegsvar.

Fyrkantvåg då allpassfiltret kompenserar för såväl 1 kHz delningsfilter som för 40 Hz undre gränsfrekvens hos baselementet.

Då ser grupplöptiden ut så här:

Grupplöptid efter kompensering av både baselementets under gränsfrekvens och delningsfiltret.

Stegsvaret blir också helt perfekt. Att kurvan faller beror på att baselementet inte kan återge DC.

Stegsvar efter kompensering, jmf ovan.

Visserligen är kurvorna ovan simulerade, men de visar att principen för faskompensering i ett allpassfilter, löst med DSP-teknik, fungerar.

Prototyp
Ovan ser vi Mats Blomberg Developments prototyp. Den är framtagen för att visa att tekniken fungerar i praktiken, något som den utmärkta ljudåtergivningen bevisar.

– Många alternativa lösningar har utvärderats och det finns många fallgropar man kan ramla i, säger Mats Blomberg.

Väggarna med stenplattor, bidrar till att stabilisera lådan. Den nedersta konen är en ”slavbas” som ersätter en traditionell basreflexöppning. Det är alltså en 2-vägshögtalare, även om det inte ser ut så. Tekniken för faskompensering finns implementerad i ett nytt kort med en avancerad DSP i kombination med slutsteg enligt senaste teknik för klass D.

Uppmätt stegsvar från prototypen

Stegsvaret är nästan perfekt, trots avvikande placering av bas- och diskanthögtalare.
De algoritmer som Mats Blomberg har utvecklat kräver en DSP med hög kapacitet.
Gunnar Lilliesköld, Elektronik i Norden

Kort om Mats Blomberg
Ett tidigt intresse för ljudteknik banade vägen för Mats Blombergs första anställning vid Studio Decibel. Där utvecklade och byggde han utrustning för studiobruk.

Sedan följde kvalificerade utvecklingsarbeten inom flygelektronik och kontokortsystem för elektronisk betalning. Han var senare systemansvarig för Ericssons första mobiltelefon med alfanumeriskt tangentbord, R380.

Efter detta hade Mats Blomberg under 10 år ledningsansvar i Symbian (samägt av Ericsson och Nokia). Under åren 2012 – 2015 utvecklade han radiosystem inom Ericsson och är idag verksam inom det egna bolaget Mats Blomberg Development.

Bakgrundslitteratur:
[1] Dennis Collin, Frequency delay dispersion, nättidningen Audio Express.
[2] Dennis Collin, Correcting driver phase with digital all-pass networks, nättidningen Audio Express.

Filed under: Teknikartiklar