Co je nejslabším místem v akustickém řetězci, jsou pasivní výhybky opravdu pasivní? - Nebo také, co byste měli vědět o reproduktorových výhybkách, ale bojíte se zeptat.

Hlavní problém při konstrukci reproduktorových soustav:

Technicky není a nikdy nebude možné vyrobit reproduktor, který by plnohodnotně a proporcionálně přenášel celé slyšitelné spektrum (viz článek Typy reproduktorů, jejich kategorie, vlastnosti a způsob použití). To je rozumným důvodem, proč se vyrábí vícepásmové reproduktorové soustavy, které jsou sestaveny ze specializovaných reproduktorů. Tyto reproduktory je možné zjednodušeně rozdělit do tří kategorií: nízkotónové (basové a středobasové), středotónové a vysokotónové. Pro domácí použití a malé výkony nám postačí dvoupásmové soustavy. Když budeme chtít větší výkony, nebo přesné a naturalistické basy, je vhodná třípásmová reproduktorová soustava.

Problémem zůstává, jak v reproduktorových soustavách rozdělit slyšitelné spektrum do vhodných frekvenčních pásem. Pomocí fyzikálních měření, není problém dokázat, že ten nejhorší, nejnešetrnější postup, je stále nejběžnější. Používá se ve všech domácích i profesionálních soustavách a to i u těch nejdražších.

Definice:

Proč je nutné rozdělit slyšitelné spektrum na jednotlivá pásma?

Budeme-li, například, vyvíjet třípásmovou reproduktorovou soustavu a podíváme se do technické dokumentace na fyzikální charakteristiky použitých reproduktorů, tak i laicky zjistíme, že bez rozdělení na pásma je nemožné, propojit reproduktory dohromady. Každý reproduktor hraje optimálně jen v určitém pásmu. Při paralelním zapojení by se tato pásma, ve kterých reproduktory pracují, překrývala a tím by se vytvářela impedanční minima. Sériové zapojení by poskytovalo impedance poněkud vysoké. Výškový reproduktor by podobná zapojení dlouho nepřežil, protože by byl zničen nízkými frekvencemi. To jsou hlavní důvody, proč je nutné rozdělit elektrické kmity přenášející zvukové spektrum na pásma. U běžných soustav se to zajišťuje pomocí reproduktorových LRC výhybek (viz článek Reproduktorové frekvenční výhybky).

Co ty RLC obvody v soustavě reproduktorů ve skutečnosti dělají?

Jako dětský modelář jsem si nějak logicky dovozoval, že v reproduktorových soustavách se zvukové spektrum korektně rozdělí pomocí RLC součástek cestou nejnižšího odporu. Přesto jsem marně přemýšlel, jak je možné, že se při výpočtech ignorují fyzikální vlastnosti jednotlivých součástek a reproduktorů. Nejvíce mne překvapovaly používané (a vypočítané) hodnoty některých paralelních součástek. Nápadné je to u kondenzátorů, protože kdyby jste je zapojili sériově, tak by vytvářely velmi nízké dělicí frekvence - tedy propouštějí signál ve velkém rozsahu. Otázkou bylo co to dělá s výkonovým signálem? Vždy mi bylo jasné, že tu není něco v pořádku, protože již pouhým poslechem bylo zřejmé, že reproduktor bez předřazených součástek hraje vždy podstatně lépe.

Výsledky testů a měření:

Uvedené podivnosti byly důvodem, proč jsem se funkcemi reproduktorových výhybek věnoval stále detailněji a postupně dospěl k závěru, který mne docela překvapil. RLC součástky (a jejich interakce v obvodech) nepůsobí jenom na zamýšleném dělícím kmitočtu (jak se to obvykle interpretuje), ale vždy působí na celý frekvenční průběh připojeného reproduktoru a to nikdy pozitivně. Za technický debakl je možné považovat, že na dělicím kmitočtu se požadované strmosti výhybek dosahuje docela obyčejným, částečným zkratováním signálu ze zesilovače (přeměnou výkonového signálu na teplo) a tyto ztráty obvykle nejsou nijak zanedbatelné. Čím složitější výhybka, tím jsou ztráty větší. Souhrnně je možné dokázat, že RLC součástky ve výhybce působí tak, že vždy dochází k většímu, nebo menšímu poškození výkonového signálu ze zesilovače a tím pádem i zvuku, který reproduktor vyzařuje.

Shrnu-li svoje zkušenosti s působením pasivních výhybek z RLC obvodů, tak nutně docházím k závěru, že je to to nejhorší, špatné řešení, ze všech co znám. Takzvaná pasivní výhybka, pokud je vyrobená z RLC obvodů, není vůbec pasivní. Možná, že je to přání konstruktérů, ale názvem pasivní se obchází podstata problému.

V čem tedy podstata problému je?

Obecně řečeno, v současné době vývoj výrobních technologií usiluje o zdokonalování funkcí, zlepšování účinnosti a kvality ve všech oborech techniky. Současná produkce reproduktorů dosahuje výborných výkonů a přesnosti. Protikladem k tomu je trend, že se výhybky miniaturizují a používají se stále podřadnější součástky. Malé součástky nedovedou přenášet výkony, které v reproduktorových soustavách probíhají. Každému je jasné že tenký drát (např. u cívky) má velký odpor. To způsobí, že výkonový signál se do reproduktoru nedostane plnohodnotně. Takto působí všechny odpory ve výhybce. Zvýšíme-li indukčnost cívky pomocí feromagnetických látek, tak také zvýšíme množství signálu, který je absorbován při sycení a vybíjení jádra, a tím i vznik fázově posunutých parazitních signálů. Současná snaha o miniaturizaci výhybek vypadá tak blbě, jak to popisuji. Jako kdyby výrobci využívali rostoucí kvalitu reproduktorů k tomu, že dále snižují kvalitu součástek ve výhybce. Když rekonstruuji reproduktorové soustavy, tak pozoruji, že se konstruktéři výhybek myšlenkově potácí v řešeních stále komplikovanějších. Výsledek těchto pokusů, vypadá tak, že čím jsou soustavy dražší, tím více součástek ve výhybce, které jsou velmi často, velmi chabé kvality. Tedy špatná řešení na druhou.

Kde se stala chyba?

Někdy mi připadá, že profesionální konstruktéři výhybek, při jejím sestavování uvažují stejně, jako když se navrhují běžné elektrické obvody. Napovídá tomu i výraz pasivní (pasivní součástky), který se v elektronice používá, ale v případě výhybek je zavádějící. Když se podíváte, jak fungují obvody zesilovačů, tak vlastně všechny nežádoucí proudy se odfiltrují (pomocí RLC obvodů) a odvádí do zdrojové části kde se převedou na teplo. Zde to není problém. Účinnost zesilovače (krom výkonové části) není to, co by konstruktéry příliš trápilo a z hlediska výsledné kvality zvuku to nevadí. Když se v některé části zesilovače z miliwattového výkonu ztratí deset procent, tak to kvalitu výsledného signálu nezhorší (zjednodušeně - jde o jiný režim než u výhybky). Jenže když sestavuji tzv. pasivní RLC výhybku, tak pracuji s hotovým výkonovým signálem a v případě, že se ve výhybce ztratí deset procent výkonového signálu, tak je výkonový signál ze zesilovače zcela poničený.

Jaké jsou následky?

Software je také problém:

Vše je ještě komplikovanější, protože zkušenosti z měření ukazují, že výsledky všech programů na výpočet tzv. pasivní RLC výhybky, jen velmi málo korespondují s reálně naměřenými hodnotami. Pomocí různých výpočetních programů je možné vypočítat s neuvěřitelnou přesností spoustu neuvěřitelně přesných údajů o funkcích reproduktorů a o soustavách a jejich stavbě. Dle výpočtů je všechno báječné, tedy do doby, než začnete měřit. Můj kolega fyzik to vtipně komentoval tak: "že ty hloupé reproduktory (a RLC součástky) neznají teorii a proto neví, jak se mají chovat". Tyto programy jsou pravděpodobně formulovány pro nějaký ideální, imaginární reproduktor, ale běžná praxe je těmto (fyzikálním) modelům vždy hodně vzdálená. Zejména u tak komplikovaného zařízení, jako je elektrodynamický reproduktor.

Tradiční chyba:

Navzdory reálným měřením to vypadá tak, že standardní postup při komerční výrobě výhybek je takový, že se prostě nakrmí počítač nějakými daty, (pravděpodobně) údajů od výrobce. Cosi se nasimuluje a vypočítané součástky se zapojí do obvodu. Čím více (bohužel podřadných) součástek, tím asi lépe. Když to nefunguje, tak se citlivosti reproduktorů srazí pomocí odporů, aby se výsledná frekvenční charakteristika srovnala do nějakých normovatelných tolerancí. Kdosi dokonce doporučoval, že ke snížení citlivosti reproduktorů jsou nutné odporové děliče! Frekvenční charakteristika soustavy je potom skutečně vyrovnaná. No, ale výsledkem je zaduněný, zastřený a utopený zvuk, který finálně ze soustavy vychází. Vypadá to tak, že od doby, kdy se výhybky počítaly na logaritmickém pravítku, technici upadli do jakési technokratické letargie, kdy veškerou důvěru dali počítačovým programům a skutečný, fyzikální stav věcí už nevnímají a často, snad ani nechápou. To je důvodem, proč při komerční výrobě reproduktorových soustav zjevně chybí pochopení, jak se jednotlivý reproduktor chová, zjevně se nerespektují jeho reálné vlastnosti a doslova se ignorují vlastnosti součástek, ze kterých se RLC výhybka sestavuje.

Kdy jsem viděl korektně (tedy v rámci možností) vyrobenou výhybku naposledy? U padesát let starých Grundigů a Fischerů.

Alespoň jedno pravidlo:

Když už výhybku vyrobit musím, tak je nutné, aby v ní byl minimální počet vysoce kvalitních, maximálně korektních součástek, především s minimální reaktancí. Hodnoty použitých součástek musí být naprosto přesně vyladěné vzhledem ke skutečným vlastnostem reproduktorů. S paralelními součástkami velmi uvážlivě, minimální množství, minimální potřebné hodnoty a jenom když je to nutné.

Co tedy dál, jsou nějaká řešení?

Otázkou zůstává, jak to udělat, abychom se obešli bez té nešťastné pasivní RLC výhybky. Širokopásmové reproduktory nejsou úplně špatné, ale bohužel jsou jenom kompromisem, vždy jim něco chybí. Existují technická řešení, která jsou k reproduktorům plně korektní? Určitě ano, ale protože se na ně výrobci domácích zvukových aparatur nijak nezaměřují, je jejich pořízení poměrně složité a obsluha takto sestavené aparatury není úplně jednoduchá. Vhodné komponenty nemusí být nutně extrémně drahé, ale z nějakých důvodů nejsou běžně dostupné a stavba takové aparatury vyžaduje určité speciální znalosti. Potěšující zpráva je ta, že u soustavy reproduktorů, kde není RLC výhybka, je možné i z celkem průměrných reproduktorů obdržet zvuk, o kterém by se soustavě za sto tisíc (osazené výhybkou s RLC obvody), mohlo jenom zdát (obrazně řečeno).

Možnost zlepšení 1:

První by mohla být výhybka s elektronickým dělením kmitočtů (jenom pro úplnost). Viděl jsem řadu schémat, ale musím se přiznat, že nemám vlastní zkušenosti. Ale, musí to být napájeno elektrickým proudem, takže nevidím důvod, proč by to neměla být rovnou aktivní soustava. Mám dojem, že se o tohle už nikdo nepokouší, je to opět zásah do výkonového signálu.

Možnost zlepšení 2:

Druhá možnost je aktivní reproduktorová soustava, vybavená vlastním zesilovačem. Již tohle je výhoda, protože odpadají výkonové propojovací kabely a takto se vytváří duální zesilovač, což by se mohlo projevit ve zlepšené separaci kanálů. Bohužel většina aktivních soustav obsahuje jenom jeden zesilovač a následuje klasická (RLC) výhybka, takže tohle náš problém neřeší. Pokud soustava obsahuje dva nebo více zesilovačů a signál je elektronicky oddělený, tak se dostáváme k řešení č. 4.

Možnost zlepšení 3:

Další zlepšení poskytne bi-viring. Výhybka je rozdělená na výškovou a basovou sekci. Zdvojené terminály na soustavách jsou napájeny dvěma vodiči ze zesilovače. Tedy dělená výhybka. Jeden pár připojovacích terminálů pro výškové a pár pro hlubokotónové pásmo. Je to lepší, ale je to stále jen pasivní RLC výhybka. Je však jisté, že tímto uspořádáním se část parazitních signálů, které produkuje soustava reproduktorů a pasivní RLC výhybka odstraní.

Vyšší variantou je bi-amping, kde napájíme reproduktorovou soustavu dvěma zesilovači. Je to opět o něco lepší ale (RLC) výhybka je tam nutně také. Rozdíl je slyšitelný, ale je to jen další částečné zlepšení.

Korektní řešení 4

Eliminaci pasivní RLC výhybky a tím velmi podstatného zlepšení výsledného zvuku dosáhneme, když jsou pásma pro reproduktory rozdělena v nevýkonové části, pomocí elektronické výhybky. Na tohle rozdělení potřebujeme samostatný předzesilovač, ze kterého jde signál do elektronické výhybky, kde se rozdělí na frekvenční pásma (výškové, středové a basové). Následně je každé pásmo vedeno do samostatného koncového zesilovače. Odtud je výkonový signál veden přímo na svorky jednotlivých reproduktorů v soustavě. Zesilovací část lze sestavit z profesionálních komponent, ale vhodná soustava reproduktorů na běžném trhu neexistuje. (Zakázkově vyrábím.)

Komplexní řešení:

Bylo by opravdu nemožné, že by existoval např. čtyřkanálový zesilovač, pro každou stopu dva koncové výstupy (pár na soustavu) a mezi těmito výstupy by elektronická výhybka rozdělila elektrické signály zvukového spektra na pásma. Zákazník by si nastavil dělicí kmitočet sám, dle doporučení výrobce reproduktorových soustav a dle vlastních nároků a pocitů. Takový zesilovač by měl o několik ovládacích prvků více a těmi by se nastavoval dělicí kmitočet a citlivost jednotlivých pásem. Při této konfiguraci si můžete sami (dle možností elektronické výhybky) optimalizovat dělicí kmitočty a regulovat individuálně citlivost jednotlivých pásem (technicky nesprávně hlasitost). Ideálně si vše proměřit a seřídit.

Zde právě nastává situace, kdy může být poslech doslova impozantní s takzvaně průměrnými reproduktory, protože máme možnost jejich funkci naprosto korektně optimalizovat. (Je zajímavé poslouchat, jak se mění zvuk celé soustavy, když měníme dělící kmitočty.)

Studiová sestava s elektronickou výhybkou

Studiové soustavy umožňující přímé propojení reproduktorů pomocí konektrorů speak-on, přes šroubovací terminály následuje výhybka

Hledáme výrobce?

Mám pocit, že tato závěrečná úvaha je spíše určena pro nějakého výrobce. Na jednu stranu se vyrábí audiotechnické komponenty složité jako mobilní telefon, který má možná sto padesát funkcí, které nikdy nevyužijeme a často ani nechápeme. Vyrábí se až sedmikanálové zesilovače pro domácí kino, jejichž kvalitu nikdy nevyužijeme, protože nemáme odpovídající poslechový prostor (a nejsou vhodné zdrojové nahrávky a dokonce ani reprosoustavy). Vyrobit kvalitní výkonový zesilovač je dnes jen technická záležitost. Proč nejsou na trhu bi-ampingové zesilovače s řiditelnou elektronickou výhybkou? Technicky a cenově to není žádný problém. Reproduktorové soustavy by měly terminály, odkud by byl zesílený signál přiveden přímo na svorky samotných reproduktorů. Spíše by bylo zákaznicky nutné, aby se to vyrábělo jako nějaký komplet, včetně soustav a hlavně, aby to někdo nepomíchal s klasickou produkcí (osazenou RLC výhybkami).

Závěr:

Výraz výhybka a pasivní výhybka nevyjadřuje to co se s výkonovým signálem děje a je to prostě lež, která uvádí v omyl již generace milovníků věrného poslechu. Z hlediska kvalitního poslechu je nesmysl něco takového používat. Cokoliv, co zařadím mezi reproduktor a výkonový zesilovač, výkonový signál více nebo méně nevratně ničí. Prostě proto, že žádný stroj není stoprocentně účinný a tedy ani RLC součástky. Je nepochopitelné, co lze vidět v soustavách za sto a více tisíc, zde pasivní RLC výhybka už dávno nemá co pohledávat.

Všechny větší firmy se snaží působit na zákazníky dojmem, že jsou silné, dynamické, rozvíjející se a vševědoucí společnosti. Řada výrobců považovaných za elitu, nabízí soustavy, o kterých tvrdí, že jde o definitivní, dokonalé, audiofilské řešení a samozřejmě to promítá do ceny. Dojem se vytratí v okamžiku, když se podíváte dovnitř. Často jsem ve výhybce napočítal i desítku odporů, feritová jádra jsou standardem, elektrolyty rovněž. Tvrdím, že když konstruktér použije více jak jeden odpor, nízké hodnoty tak zvolil nevhodné reproduktory, nebo konstrukci soustavy zcela pokazil. Výrobci a hlavně vývojáři audiotechniky jsou ve velmi komplikované situaci. Myšlenkový prostor v audiotechnice ovládla jakási tradiční "hifistická mytologie", které se i vývojáři více, nebo méně podřídili a jen málokdo má odvahu začít s něčím novým. Tuto mytologii obchodníci dále rozvinuli a pokud možno, se nezabývají tím, co je skutečně důležité a snaží se propašovat do prodeje nesmysly za hodně peněz. Ve výrobě si nikdo netroufá začínat s něčím, co by mohlo jen potenciálně zvýšit náklady, nebo snížit prodeje.

Každý, kdo se zabývá audiotechnikou podrobněji, tak určitě zjistil, že se stále používají řešení, která z hlediska věrné reprodukce, kvalitu poslechu nepodporují a často nemají žádný smysl. Standardem jsou výhybky postavené z RLC obvodů. Vyrábí se více jak třípásmové soustavy. Vyrábí se ozvučnice typu horna. Do reproduktorových ozvučnic se neustále dělají díry (basreflex). Satelitní soustavy se subwooferem se vyrábí větší než subwoofery a dělají se s basreflexem, nesmysl na druhou. Aktivní subwoofer má basreflex. U domácího kina se pro každý kanál dělají jiné soustavy osazené různými reproduktory umístěnými v nesprávných pozicích. Některé výhybky obsahují takzvané impedanční kompenzace, o kterých se tvrdí, že mohou narovnat impedanční charakteristiku reproduktoru. Ale tyto kompenzace nic nenarovnávají, ono to ani nejde. Tyhle impedanční kompenzace opět jenom zasahují do výkonového signálu tím, že ho částečně zkratují. Měření potom vypadají tak, že se impedance reproduktoru změnila, ale zvuk je ještě více poničený. Tedy opět, nesmysl na druhou. Atd. Atd.

Douška:

Před sto lety, když kovář vyráběl podkovy, tak nehledal možnosti: jak nemít mozoly, jak zmanipulovat sedláka, aby po zaplacení nakonec odjel se špatně okovaným koněm, nebo jak ušetřit trochu oceli a uhlí. Prostě musel odvést řádnou práci, protože to byl kovář a byl v obci vážená osoba. Obchod s audiotechnikou by neměl být jenom business, ve skutečnosti je to obdobné jako obchod s hudebními nástroji, kdo si koupí kytaru, která má špatný zvuk a nejde naladit? Kupodivu zvuk reproduktorových soustav se permanentně a úspěšně okecává a odvádí se pozornost k nedůležitým nesmyslům a neoprávněným myšlenkovým konstrukcím. Díky tomuto obchodnímu tlaku, někteří lidé došli k závěru, že špatně slyší přesto, že mají sluch zcela v pořádku. Náprava této situace nezvýší náklady výrobců, je jen potřeba se zamyslet a udělat ten správný krok směřující ke skutečnému zlepšení. A být poctivý a slušný, jako ten vesnický kovář.