Unifase, een homogeen drieweg-systeem
In de voorbije maanden zijn er in Elektuur enkele interessante filters gepubliceerd (het Linkwitz-filter en het aktieve subtraktieve filter), maar er is nog geen luidsprekersysteem waarbij deze gebruikt kunnen worden. Dat halen we nu in met een betaalbaar driewegsysteem dat uitstekend klinkt. De Unifase bevat drie luidsprekers van het Franse merk Audax; de gesloten kast maakt gebruik van een fase-gekompenseerde luidsprekeropstelling en een passief 12-dB-Linkwitz-filter. Binnenkort zal ook nog een aktieve versie van deze box worden gepresenteerd.
Zowel bij het Linkwitz-verhaal in mei als bij het subtraktieve filter in september is verteld dat het toepassen van deze filters alleen maar zin heeft als de luidsprekers in een akoestische lijn zijn opgesteld. Nu hebben we wel de nodige luidsprekerboxen in de afgelopen jaren gepubliceerd, maar nooit een systeem dat echt aan deze eis voldeed. Hiervoor moest dus een nieuwe box ontworpen worden. We zijn bij het ontwerp van deze box uitgegaan van luidsprekers van Audax. Deze fabrikant levert een uitgebreid pakket luidsprekers, waaronder zeer goede exemplaren. Bovendien zijn de meeste luidsprekers betaalbaar, zodat de kosten voor een kompleet systeem redelijk blijven. Zoals in de inleiding al vermeld, hebben we voor een driewegsysteem gekozen. Revolutionair is deze kombinatie zeker niet, maar de toegepaste luidsprekers hebben toch wel enkele bijzondere eigenschappen. Het systeem bestaat uit een 24-cm-basluidspreker, een l2-cm-middentoner en een 25mm-dome-tweeter. Over de specifieke eigenschappen zullen we het straks nog wel hebben. De drie luidsprekers kosten samen ongeveer 350 gulden, zodat men alles bij elkaar (luidsprekers, hout, filterkomponenten, etc.) circa 800.. ..1000 gulden kwijt zal zijn voor twee luidsprekerboxen. In de afgelopen tijd is er heel wat geluisterd naar de Unifase, waarbij deze ook is vergeleken met veel duurdere kant-en-klare boxen. Daaruit is gebleken dat de Unifase zeker kan konkurreren met fabrieksexemplaren die hetzelfde bedrag per stuk kosten! Ofschoon de kast een ietwat vreemde vorm heeft, is de konstruktie toch vrij eenvoudig, zodat u bij de aanschaf van nieuwe boxen best eens kunt denken aan zelf bouwen...
De kastvorm
Ja, dat is natuurlijk het meest opvallende aan deze kast: het verspringende front. Dit is nodig om de drie luidsprekers in een akoestische lijn te krijgen. We hebben het plaatje over de. ze opstelling al enkele malen laten zien in artikelen over de straks genoemde filters, zodat we dit hier niet meer zullen herhalen. Het gaat er gewoon om, dat de luidsprekers zodanig worden geplaatst dat de geproduceerde akoestische output van elke luidspreker van het systeem op hetzelfde moment bij de luisteraar aan komt. Je zou dus denken dat het voldoende is om even te meten hoe diep elke konus is en dan te berekenen hoeveel ze ten opzichte van elkaar moeten worden verschoven. Dat is wel een goed uitgangspunt, maar het is niet voldoende. Elke luidspreker heeft namelijk een faseverloop dat niet bepaald ideaal genoemd kan worden. Tenslotte is dit een massaveer-systeem met bovendien een vrij induktieve aandrijving, waarbij men weliswaar met behulp van een hoop kunst- en vliegwerk een vrij rechte frekwentiekurve heeft weten te maken, maar in het (akoestische) vervangingsschema van de luidspreker zitten kapacitieve en induktieve komponenten die een niet zo gladde fasekurve tot gevolg hebben. In figuur 1 ziet u daar een voorbeeld van. Dit is de fasekurve die we hebben gemeten bij een basluidspreker in een gesloten kast (overigens niet de hier toegepaste woofer). In 1980 heeft W. Marshall Leach al een interessant artikel over het fasegedrag van luidsprekers gepubliceerd in het Journal of the AES, maar als we de luidsprekerboxen van de meeste fabrikanten bekijken, dan wordt daar maar zelden rekening mee gehouden in de praktijk.
Figuur 1. Het faseverloop van een luidspreker. Bepaald glad kan dat niet genoemd worden.
Bij een ideaal luidsprekersysteem moet eigenlijk dΦ / dω = konstant zijn om een optimaal impulsgedrag te verkrijgen. Uitgaande van het fasegedrag van de luidspreker uit figuur 1, zien we dat dit praktisch niet te verwezenlijken is.
Elke box die meer dan een luidspreker bevat en een of andere vorm van scheidingsfilter heeft, zal een faseverloop vertonen dat impulsvervorming veroorzaakt. Ook bij breedbandsystemen zonder filter is zoiets heel moeilijk te realiseren, omdat het systeem zelf ook een niet-lineair fasegedrag heeft.
Fase - hoorbaar of niet?
In de afgelopen jaren zijn er diverse serieuze onderzoeken verricht naar de hoorbaarheid van fasefouten in luidsprekersystemen. Definitieve resultaten zijn hieruit moeilijk af te leiden, aangezien men niet tot een eenduidige konklusie heeft kunnen komen. Bij het ene onderzoek blijken faseafwijkingen wel hoorbaar te zijn, bij het andere weer niet. Waarschijnlijk is de ene mens er toch wat gevoeliger voor dan een ander, en speelt de testmethode ook een rol. Uit eigen ervaringen kunnen we in elk geval afleiden dat ernstige fase-afwijkingen zeker een hoorbare invloed op de geluidsweergave hebben. Vooral de zeer sterke fasesprongen, zoals die rond de overname-punten bij normale filters kunnen voorkomen, zijn hierbij de schuldigen. Tevens heeft dat tot gevolg dat de luidsprekers op elke plaats in de luisterruimte een ander totaalbeeld geven. Immers, rond de kantelpunten zal het akoestische afstraalpatroon zeer sterke schommelingen in de richtingsas ondervinden.
We hebben de indruk dat de luisteraar niet zozeer gevoelig is voor absolute fase-afwijkingen, maar meer voor plotselinge faseverschillen (een mening die verschillende onderzoekers met ons delen). Uit dat oogpunt is ook het subtraktieve aktieve filter uit het vorige nummer ontworpen. Het faseverloop is over het hele audiobereik vrij geleidelijk, zonder enige verschillen tussen de afzonderlijke luidsprekers. Willen we dat gedrag in stand houden, dan moeten de luidsprekers in de box onderling ook geen abrupte faseverschillen vertonen (zonder filter).
Een kwestie van centimeters
In figuur 1 is al getoond hoe het fasegedrag van het akoestische uitgangssignaal van een luidspreker ongeveer verloopt. Boven het resonantiepunt gedraagt de luidspreker zich eerst kapacitief en wordt bij hogere frekwenties induktief (invloed van de spreekspoel). Wat we nu kunnen doen, is het faseverloop van de afzonderlijke luidsprekers met een goede meetmikrofoon meten en de luidsprekers dan zodanig onderling verplaatsen dat ze kwa fase netjes op elkaar aansluiten op de overnamepunten. Helemaal exakt gaat dat weliswaar niet, maar het resultaat benadert de exakte kurve toch vrij aardig. In figuur 2 is geschetst hoe het totale faseverloop van de Unifase er uit ziet na deze korrektie. In de praktijk betekent dit, dat de luidsprekers iets verder uit elkaar moeten worden gezet dan de in de vorige artikelen getoonde opzet met alle oorsprongspunten van de konussen op een lijn. Dat betekent ook, dat in de Unifase absoluut geen andere luidsprekerchassis mogen worden toegepast, omdat dan de onderlinge afstanden niet meer kloppen. In zo'n geval zou opnieuw het fasegedrag moeten worden gemeten en de kast daarop aangepast.
Figuur 2. Door de luidsprekers onderling te verplaatsen, kunnen de fasekurves op elkaar worden aangesloten.
Drieweg, een akseptabel kompromis
Als je een luidsprekerbox wilt bouwen waarbij rekening wordt gehouden met het fasegedrag en de spreiding van de afzonderlijke luidsprekers, dan is een driewegsysteem eigenlijk wel het minimum waarmee een dergelijk systeem kan worden verwezenlijkt. Tevens komen de kantelpunten dan op andere frekwenties te liggen dan de "standaard" 500 Hz en 5 kHz, waar men normaal van uit gaat. In dit geval is gekozen voor 370 Hz tussen laag en midden en 3200 Hz tussen midden en hoog. Die laatste frekwentie is bewust zo laag gekozen, omdat een konusmiddentoner, ook al is hij vrij klein, toch al snel met bundelen begint en ook problemen geeft met zijn faseverloop. Een 25-mm-dome-tweeter doet het bij die frekwentie nog prima, vooral als je bedenkt dat de kantelpunten bij deze box op -6 dB liggen (Linkwitz-filter). De onderlinge afstanden tussen de luidsprekers gelden overigens alleen bij gebruik van de zojuist genoemde kantelpunten, die frekwenties mogen dus ook beslist niet veranderd worden.
Een fijn stel
In het beginstadium waren we eigenlijk uitgegaan van een bestaande drieweg-kombinatie van Adaux, maar daar is in de loop van het ontwerp zoveel aan veranderd, dat eigenlijk alleen de oorspronkelijke basluidspreker uit dat ontwerp is overgebleven. De woofer is een 24-cm-type met een gegoten aluminium chassis. De magneet is behoorlijk van afmetingen, maar niet uitzonderlijk groot. Aangezien de audioontwerpers van Elektuur door de jaren heen altijd fervente aanhangers van de gesloten behuizing zijn geweest (beter impulsgedrag dan een basreflex), werd ook hier uitgegaan van een gesloten kast. Geschikte luidsprekers voor dergelijke behuizingen hebben nooit een erg grote magneet, anders veranderen hun parameters zodanig dat de frekwentiekurve in het laag veel te vroeg afvalt. Het is dus altijd een keuze tussen een wat verder doorlopend laag of een beter impulsgedrag. Nou, dat impulsgedrag wordt wel prima verzorgd door midden- en hoogtoner, zodat de magneet van de woofer bescheiden kan (en moet) blijven. De middentoner is een aparte verschijning. Hij ziet er wel vrij konventioneel uit, maar bezit een magneet die net zo groot is als die van de woofer en heeft een konus die van TPX gemaakt is. Een aluminium kegel in het midden zorgt voor een betere spreiding van de hoge tonen. Dit exemplaar kost bijna net zoveel als de woofer, maar bedenk hierbij dat deze luidspreker verantwoordelijk is voor het belangrijkste gedeelte van het audiobereik. Overigens, we kunnen u al vertellen dat dit exemplaar zijn geld dubbel en dwars waard is, want hij klinkt werkelijk uitstekend.
Figuur 3. De drie Audaxluidsprekers die in de Unifase worden toegepast.
De tweeter is een oude bekende in een gemoderniseerde vorm. Al vele jaren heeft Audax deze tweeter met een geweven textiel-dome in zijn programma. Hij wordt in tal van luidsprekerboxen toegepast en hij mag zeker tot een van de allerbeste tweeters in zijn soort worden gerekend. Sinds enige tijd is deze tweeter ook verkrijgbaar in een iets gewijzigde vorm met ferrofluide (voor een betere koeling en demping van de spreekspoel). Dit exemplaar lijkt in vergelijking met zijn fameuze voorganger de allerhoogste tonen met nog iets meer definitie weer te geven. Behoefte aan een super-tweeter is er nog nauwelijks.
Samen vormt dit trio een kombinatie die hooggespannen verwachtingen wekt (en, zoals blijkt, deze verwachtingen ook waar maakt).
Het filter
In eerste instantie is voor de Unifase een passief 12-dB-Linkwitz-filter ontworpen (figuur 4). Dit is een van de beste passieve filters, en het sluit kwa gedrag ook goed aan bij de fase-filosofie achter de Unifase.
Figuur 4. Het schema van het bij de Unifase toegepaste passieve Linkwitzfilter.
We willen overigens wel vast vermelden dat over enige tijd nog een aktieve versie van de Unifase wordt gepubliceerd met het subtraktieve filter. Mocht u daar belangstelling voor hebben, dan kunt u de boxen vast bouwen.
Voor degene die niet zoveel geld wil uitgeven voor een aktief systeem met zes eindversterkers, is het passieve filter een goede keus die een prima klankkwaliteit geeft. De opzet van het filter is praktisch volgens het boekje (zie het artikel in het mei-nummer). Bij de woofer is het oplopen van de impedantie bij hogere frekwenties gekompenseerd met behulp van R1 en C2. Ook bij de middentoner is zo'n RC-netwerkje toegevoegd, omdat het filter zich anders niet volgens het theorieboekje blijft gedragen. Verder is bij de squawker en de tweeter een verzwakkingsnetwerkje toegevoegd om deze aan te passen aan het rendement van de woofer. De parallelweerstand aan de luidspreker dempt tevens effektief de resonantie-piek in de impedantiekurve van midden- en hoogtoner, omdat deze vrij dicht in de buurt ligt van het kantelpunt en anders ook een misaanpassing voor het filter tot gevolg zou hebben.
Neemt iemand de moeite om de waarden van de filterkomponenten na te rekenen, dan zal hij zien dat het hoogdoorlaatgedeelte van de middentoner (C3 en L3) helemaal niet klopt met de theoretische waarden. Dit vindt zijn oorzaak in de oplopende impedantie van deze luidspreker rond het kantelpunt (ondanks de eraan parallel geschakelde weerstand van 8,2 Ω), waardoor flink moest worden afgeweken van de ideale komponentenwaarden.
De kast
Voor de box hebben we een staande, smalle kast genomen, waarbij de hoogte zodanig is dat midden- en hoogtoner zich praktisch op oorhoogte bevinden. De smalle voorkant zorgt voor weinig reflekties.
Zoals u al lang gezien en gelezen hebt, bevat de kast aan de voorzijde een paar verspringende trapjes om de luidsprekers op de juiste onderlinge afstand te kunnen plaatsen. Verder is de opzet vrij konventioneel. De kast-inhoud voor de woofer bedraagt ongeveer 60 l, wat juist genoeg is om een totale Q (QTC) van 0,7 te verkrijgen. Het -3dB-punt van de kombinatie ligt op ongeveer 45 Hz. De middentoner heeft ook een flinke ruimte gekregen, namelijk zo'n 15 l. Dat is nodig om ook de QTC van de middentoner-in-kast op circa 0,7 te brengen, en zo een goed impulsgedrag voor het middengebied te verkrijgen.
De kast is gemaakt van MDF (Medium Density Fiberboard), een materiaal dat lijkt op spaanplaat maar veel vaster van samenstelling is. Kunt u dit materiaal (dat overigens een stuk duurder is dan spaanplaat) niet krijgen, dan kan worden uitgeweken naar spaanplaat met een persing van 750 of meer.
De bouw
Voor het filter hebben we ditmaal geen print ontworpen, maar we zijn uitgegaan van een universele filterprint die door Visaton wordt geleverd (type UP70/3). In figuur 5 is getekend waar welke komponenten op de print moeten worden gemonteerd. Alles past bijna, er hoeven alleen enkele gaatjes te worden bijgeboord. Neem voor de spoelen L1 en L3 typen met een potkern, anders worden ze te groot voor printmontage. De overige spoelen hebben allemaal een luchtkern. C1, C2, C3 en C6 zijn bipolaire elko's, terwijl de andere kondensatoren MKT-typen zijn.
Figuur 5. Zo kunnen de komponenten worden gemonteerd op een universele filter print UP70/3 van Visa ton. Hier en daar moeten wel nog een paar gaatjes worden bij-geboord. Let op de aansluitingen van de luidsprekers, want dat komt niet overeen met de print-opdruk!
| R1,R4 | 10 Ω 5 W |
| R2 | 1 Ω 5 W |
| R3,R6 | 8Ω2 5 W |
| R5 | 2Ω2 5 W |
| C1,C3 | 33 µ/50 V bipolair |
| C2 | 15 µ/50 V bipolair |
| C4 | 15 µ MKT |
| C5 | 5µ6 MKT (of 4µ7 // 1 µ) |
| C6 | 10 µ bipolair |
| C7 | 3µ9 MKT |
| L1 | 6 mH, 0,9 mm ø CuL (potkern) |
| L2 | 0,5 mH, 1 mm ø CuL (luchtspoel) |
| L3 | 2 mH, 0,9 mm ø CuL (potkern) |
| L4 | 0,6 mH, 1 mm ø CuL (luchtspoel) |
| Woofer | Audax MHD24P37RSM |
| Squawker | Audax TX11x25RSN |
| Tweeter | DTW 100T25FFF |
| Dempingsmateriaal | (dempingswatten of noppenschuim) |
| Bouten met inslagmoeren | |
| Universele filterprint | Visaton UP70/3 |
| Aansluitklemmen (of doos) voor luidsprekersnoer | |
In figuur 6 ziet u de bouwtekening voor de kast. Een handige knutselaar zal niet veel moeite hebben met het in elkaar zetten. Gebruik voor de verbinding van de panelen houten deuvels en wees niet zuinig met houtlijm. De hele kast moet straks luchtdicht zijn. Het is handig om alle panelen eerst op een zijwand te monteren en de tweede zijwand pas het allerlaatst te monteren, als de kast verder helemaal klaar is. Bovenin komt een schuin schot dat de afscheiding vormt tussen de behuizing voor woofer en squawker. Vlak onder de woofer wordt een uitgezaagd paneel gelijmd ter versteviging van de baskast. Verder zijn geen verstevigingsbalkjes o.i.d. nodig.
Figuur 6. De bouwtekening voor de kast. Intern hoeven slechts twee schotten te worden gemonteerd.
| 2 zijpanelen | 37,6 × 100 cm |
| 1 achterpaneel | 28 × 100 cm |
| 1 voorpaneel | 28 × 63 cm |
| 1 onderpaneel | 28 × 34 cm |
| 1 bovenpaneel | 28 × 24,5 cm |
| overige voorpanelen | 28 × 5 cm |
| 28 × 4,5 cm | |
| 28 × 20 cm | |
| 28 × 17 cm | |
| 1 verstevigingsschot | 28 × 34 cm uitzagen tot 4 cm rand overblijft |
| 1 tussenschot | 28 × 35 cm twee zijkanten schuin afzagen |
| 1 voet | 30 × 36 cm |
Figuur 7. Enkele details van de opbouw van de kast.
De luidsprekers kunnen worden gemonteerd met bouten en inslagmoeren (u kunt de luidsprekers nog wel even in de dozen laten liggen, totdat de kasten zijn afgewerkt). Daarna worden de verbindingskabels tussen luidsprekers en filter gelegd. Let op dat het gat in het schuine paneel, voor de verbindingskabels van midden-en hoogtoner, goed wordt afgedicht nadat de kabels er door zijn gevoerd. Aan de achterzijde van de kast wordt het plaatje moet de aansluitklemmen gemonteerd. Sluit alle gaten (voor luidsprekers en klemmen) goed luchtdicht af met afdichtingskit of een goede kwaliteit tochtband. Het filter wordt achter de basluidspreker op de achterwand geschroefd (let op de juiste aansluiting van de kabels!). Dan kan de kast worden gevuld met dempingsmateriaal. Wij hebben de prototypen gevuld met BAF-wadding (synthetische watten), dat meestal in zakken wordt verkocht (o.a. Visaton). De beide kompartimenten worden hier losjes mee gevuld (1 zak voor middentoner- en 3 zakken voor woofer-kompartiment). U kunt eveneens experimenteren met een goede kwaliteit noppen-schuim, dat zal waarschijnlijk ook goede resultaten geven (alleen de wanden bekleden is waarschijnlijk voldoende).
Nadat dit allemaal gebeurd is, kan de tweede zijwand tegen de kast worden gelijmd. De trapjes worden na het drogen gevuld met driehoekige repen schuimrubber, om te voorkomen dat hier te veel reflekties optreden. Daarna kan begonnen worden met het afwerken van de kast (lakken of fineren), waarna de luidsprekers er weer in kunnen worden geschroefd.
De klank
Het is altijd moeilijk om bij een luidsprekersysteem van een "klank" te praten. Eigenlijk mag de box geen eigen klank hebben, maar je moet toch een of ander omschrijving van het akoestische gedrag geven, dus noemen we dat maar "klank". Wat ons bij de Unifase vrijwel meteen opviel, was de natuurlijke weergave van het middengebied. Vooral bij stemmen is dat goed waarneembaar. Ook het stereobeeld (bijvoorbeeld bij koorwerk) is zeer goed. Er opstaat een goed gedefinieerde ruimtelijke indruk. De tweeter zorgt met zijn uitstekende definitie voor een sprankelende, maar nooit overdreven hoogweergave. Het laag is bijzonder neutraal, misschien zelfs wat kaal voor degene die veel bas (van een wat opgedraaide basregelaar) gewend is. De kasten mogen overigens wel tegen de wand worden gezet, maar niet helemaal in een hoek. Bij het ontwerp is hiermee rekening gehouden, want zo worden boxen toch meestal in de huiskamer geplaatst (wie heeft tegenwoordig nog zoveel plaats dat hij zijn boxen een meter of meer vanaf de wanden kan opstellen?). Maar we hebben genoeg verteld, gaat u zelf maar luisteren...
Figuur 8. De frekwentiekurve en het impedantieverloop van de Unifase. Beneden 200 Hz is vlak bij de konus gemeten om kamer-invloeden te vermijden.