Muszáj egy jó szándékú figyelmeztetéssel kezdenem, mai témánk kicsit száraz, és nagyon technikai. Akiket nem érdekel a HiFi (High-End Audio, stb.) ilyen mélységben, csak maga a zenehallgatás, a dobozokon belüli huncutságokat meghagynák másoknak, azoknak ez a cikk nem fog tetszeni, sőt érdektelen, inkább tegyenek fel egy jó lemezt, és látogassanak vissza az AudioWorld-re majd egy hónap múlva.

Az utóbbi időben a Facebook-os audios fórumokon vissza-visszatérő téma lett a Damping Faktor (továbbiakban az egyszerűbb írás végett rövidítve DF) mint fogalom, és mint egyfajta hatás, amely valamennyire meghatározza a hangdobozainkból kapott hang milyenségét.

Rögtön az elején érdemes kicsit pontosítanom ezt a megfogalmazást, mert a DF valójában a hallott frekvencia tartománynak csak egy kisebb sávjára van hatással. Főleg a mély hangok tartományában érdekes, a mélysugárzó mozgásával van összefüggésben. Ezzel nem azt szeretném sugallni, hogy a jelenség ne működne más frekvenciákon is, de a mértéke és a jelentősége sokkalta kisebb. 

A DF angol kifejezés, lefordítva Csillapítási Tényezőt jelent. Oké, de mi csillapít és mit?

Egy kis fizika

Kezdjük azzal, hogy a mély hangszóró rendelkezik a legnagyobb méretű, ennél fogva a legnagyobb tömegű membránnal az egész hangdobozra vonatkoztatva. Amikor ezt a membránt mozgatni szeretnénk, hogy ez a mozgás arányosan légnyomás változást hozzon létre (füllel érzékelhető hang), energiát kell betáplálnunk a dologba, meg kell lökni a membránt. Ezt a lökést a hangszóró tekercsén átfolyó áram mágneses tere, és a hangszóró állandó mágnesének a kölcsönhatása adja. (Mágneses vonzás és taszítás elve, ezt mindenki ismeri) Minél nagyobb az áram, annál nagyobb mágneses mozgató erő keletkezik, amely a membránt elmozdulásra kényszeríti.

DE! Fizikából már az Általános Iskolában is tanítják Newton 1.törvényét, amely úgy szól, hogy „Minden test megtartja mozgásállapotát, amíg egy külső erő annak megváltoztatására nem kényszeríti”. ( a törvény eredetileg több feltételt tartalmaz, de itt célszerűen leegyszerűsítettem) Hogy ez mennyire igaz, arra lássunk egy jó példát. Az űrhajózásban pl. azért tudunk egyáltalán szondákat küldeni a Marsra, ami bár szomszéd bolygó, nincs túl közel, még a legrövidebb út is 8 hónap, mert az űrben nincs súrlódás (külső erőhatás). Azaz ha meglökünk egy űrszondát egy irányban, majd lekapcsoljuk a hajtóművet, a szonda a meglökéskor elért sebességet fogja tartani az idők végezetéig, vagy amíg elé nem kerül valamilyen égitest, aminek a vonzereje hatni kezd rá. Amíg ez nem történik meg, addig megy az űrben „ezerrel”, nem lassul. Mert odafönt nincs levegő, vákuum van, nincs súrlódás, nincs tömegvonzás, egyáltalán semmilyen külső erő, amely a mozgásállapotának a megváltoztatására kényszerítené. Így aztán, viszonylag kevés üzemanyag elégetése árán, el lehet jutni a Marsra, vagy tulajdonképpen bárhová, ha nagyon ráér az ember, és nem unja el magát közben…

Egy bármilyen mechanikai tömeg fenti viselkedését tehetetlenségnek nevezzük. Saját magától nem áll vissza álló helyzetbe.

A membránunkra vonatkoztatva, ez a törvény azt jelenti, hogy ha egy rövid impulzussal meglökjük a membránt, és az elindul kifelé, az addig megy, amíg a membránszél és a pille csillapító ereje, plusz a megmozgatott levegő rugóállandója, súrlódási vesztesége engedi, azaz, amíg el nem fogy a mozgatásba befektetett energia mennyiség. Ekkor megáll, és a membránszél + pille visszahúzó ereje miatt elindul visszafelé. De nem középen fog megállni, hanem ismét lesz egy tehetetlensége, túllendül a nullponton hátrafelé, amíg ismét megtörténik a mozgási energia elfogyása. És ez így megy ide-oda, egyre kisebb kitérésekkel (amplitúdóval).

A membránnak ez az "önrezgése" számunkra káros, mert pontos jelkövetést szeretnénk. Vagyis, meg kell akadályoznunk, hogy a membrán úgy viselkedjen, ahogy azt a fizika diktálná. Le kell csillapítanunk az önrezgést.

Az önrezgést amúgy könnyen lemodellezhetjük, fogunk egy rugót, egyik felénél felakasztjuk egy szögre, alsó felére meg ráakasztunk egy súlyt, meghúzzuk lefelé, majd elengedjük. A rugó fel-le rezgeti a súlyt, majd lassan ez a rezgés elcsitul, végül megáll. Ugyanez történik a hangszóró membránnal is, azzal a különbséggel, hogy A., a rezgést több tényező egyszerre csillapítja, és B., a normál működési állapotban, amikor a hangszóró tekercse rá van kötve az erősítőre, záródik egy áramkör, amelynek szintén része lesz a membrán rángatózásának a megfékezésében.

Ezt a folyamatot, a zárt áramkör ráhatását a membrán mozgására, ezt nevezzük csillapításnak, a mértékét pedig Csillapítási Tényezőnek, azaz Damping Faktornak (DF).

Ha szemléltetni akarnánk a zárt áramkör hatását, ezúttal passzív módon (külső energia betáplálás nélkül), azt könnyen megtehetjük. Fogjunk egy minél nagyobb, de kis rugóerejű (zárt dobozba való)  mély hangszórót. Ha az ujjunkkal megpöccintjük a membránt, érezni fogjuk, amint az rezgésbe jön. Oké. Most zárjuk össze egy kis dróttal a kivezetéseit! Ezzel zárjuk az áramkört. Pöccintsük meg újra a membránt! Nincs rezgés, vagy csak nagyon kicsi. Miért is? Mert a membrán kimozdulásakor a tekercs mágneses térben mozdul el, és a tekercsben feszültség indukálódik ( dinamó elv ). Ha a tekercs kivezetéseit összezárjuk, ez a feszültség áramot is fog folyatni a zárt áramkörben, amelynek a létrejövő saját mágneses tere akadályozza, fékezi az őt létrehozó folyamatot. (Lenz törvény) Emiatt a fékező erő miatt nem rezeg be a membrán a zárt áramkörben.

Igen ám, de a hangsugárzás során a hangszóró kivezetései egy aktív, energia betáplálásra képes elektronikához kapcsolódnak. Ebben az esetben is létrejön egy zárt áramkör, de az abban folyó áramra az aktív elem (erősítő) belső felépítése, működése, impedancia viszonyai jóval nagyobb hatással lesznek, mint maga a hangszóró tekercs.

A hivatalos verzió

Ha elkezdünk utána olvasgatni az interneten, ezt a folyamatot nagyon kevés helyen írják le hitelesen, és leginkább egy nagyon lebutított változatot dob ki a gép. A hivatalos verzió nagyjából úgy szól, hogy a csillapítás mértéke egy hányados, a hangszóró impedancia Ohmikus ( rezisztív ) értéke osztva az erősítő kimeneti ellenállásának az értékével.

Például, vegyünk egy idealizált állapotot, van egy sima 8 Ohmos hangszórónk, annak a DC (Ohmos) ellenállása az kb.5,5 – 6,2 Ohm. Durván 6 Ohm.  Ha nem volna hangszóró kábel, és ezt a hangszórót rákötnénk közvetlen az erősítő kijáratára, és az erősítő kimenet ellenállása mondjuk 0,2 Ohm, akkor az elméleti (!) damping faktor az 6/0,2 = 30 .  Ez a szám azt próbálja sugallni, hogy az adott esetben a hangszórónk berezgése mennyivel csillapodik….mihez képest is?

Hm. Íme egy paraméter, aminek nincs referencia értéke. Az égadta világon semmi vonatkoztatási pont nincs, amihez képest megítélhetnénk, hogy pontosan mi is történik. A referencia érték nélküli hányados az egy arányszám, semmi több. Ráadásul, ismét egy passzív esetet modellez egy aktív rendszerben, vagyis a fékeződés valós működési mechanizmusához sincs az égvilágon semmi köze.

Tetézi a DF körüli általános bizonytalanságot, hogy egy-egy gyártó megad egy erősítő adatlapján egy tetszetősen magas számot, mert a paraméterek alapján döntést hozó vásárló ( és az őt döntésében segítő eladó az üzletben ) egy magasabb értéket látva azt a jobb minőség szinonímájaként fogja kezelni, az eladó pedig kap egy számszerűsített eszközt a vevő meggyőzésére. Miközben egyikőjük sem tudja, hogy az az adott szám mit is jelent, vagy jelent-e valamit is egyáltalán. ( Szegény vevő megelégszik azzal a magyarázattal, hogy a magasabb DF értékű erősítő jobban kontroll alatt tudja tartani a hangszórót. )

Az, hogy a szokásos nagyon leegyszerűsített elmélet alapján kalkulált, a valóságot egyáltalában nem, vagy csak kis részben tükröző számadat a körülmények függvényében mennyire változhat, nem kerül szóba. Pedig pl. maga a hangszóró kábel Ohmos ellenállása, pontosabban az impedanciájának az Ohmos értékre vetített része nagyban benne lesz a kapott eredményben, és ez eléggé frekvencia-függő is egyben. Épp ugyanez a keresztváltó kialakítása függvényében magában a hangdobozban is egy változó, és magának az erősítőnek a kimeneti ellenállása sem egy fix érték, az is frekvencia függő, bár kisebb mértékben.

Szóval, még így, hibás kiinduló pontból nézve is sok a változó, egy adott rendszerben az elméleti síkon, passzív állapotra számolt DF értéke is elég széles határok között változhat. Sajnos még mindig ott tartunk, hogy továbbra is egy semmihez sem viszonyított, kreált értékről beszélünk, aminek továbbra sincs ebben a formában semmi értelme.

Aktív elektronikában passzív módon számolni a damping faktort teljesen fals, a valóságot semmiben sem modellező értéket ad, azaz hasznavehetetlen hibás adat. A mindenki által értett autós hasonlat szintjén, olyan, mintha a gyár a Maserati gyorsulási adatát leállított motor mellett a lejtőn legurulva mérné.

A régi vicc jut az eszembe:

- Mennyi ???

- 30...

- Mi harminc ???

- Mi mennyi ???

Lépjünk túl ezen az elméleti rágódáson, és nézzük meg, mi is történik valójában.

Nem lesznek viszonyszámaink, barátkozzunk meg ezzel a gondolattal. Viszont ha egy a valóságot jobban közelítő működési modellt állítunk fel, az segít az adott hangszóróhoz való megfelelő elektronika kiválasztásában.

Aktív világban

Tisztán elektronikai/fizikai alapon, meg kell különböztetnem a félvezetős és a csöves aktív világot, mert a fékezési mechanizmusuk eltér egymástól. Tudom, tudom, ezt sokan utálják, de sajnos a fizika nem részrehajló, és amit leírok, a színtiszta fizika, nem a saját egyéni szimpátiám, vagy egyéb érzelmeim függvénye. Mindemellett, igyekszem egyszerűsíteni a dolgokat, közérthetővé tenni olyasmit is, amihez a pontosabb megértéshez mélyebb elektronikai ismeretek kellenének.

Egy félvezetős erősítőben a membrán túlmozgásának a fékezésére két úton ( mondhatnók, két áramkörön, ami végülis egy, de két oldalról rángatjuk) kerül sor. Az egy alapállapot, hogy az erősítő mindenképpen gyorsabb, mint a hangszóró membrán. Az esetek többségében az erősítő „előrébb jár” a jelkövetésben, mint a hangszóró. Ez fontos, soha ne tévesszük szem elől.

Modellezzük le egy mély frekvenciás, mondjuk 80 Hz-es hirtelen impulzus kezelését.

A zárt áramkörünk úgy néz ki, hogy a hangszóró negatív pontja egy pl. 3 m-es hangszóró kábellel csatlakozik a tápegység testjéhez (null pont), míg a pozitív pontja egy másik 3m-es kábellel az erősítő kimenetéhez. Itt nyugalmi állapotban nulla kimeneti feszültség van, egy relatív kis áramra (AB osztály) nyitott tranzisztor-pár közös kimeneti pontján. Az áram a tranzisztorokon át folyik a plusz és a mínusz táp között úgy, hogy a közös kimeneti ponton nulla a feszültség, azaz a táp testtel azonos a potenciál, vagyis a hangszóró felé áram nem folyik. Az áramkör a puffer kondenzátorokon keresztül záródik vissza a táp testre.

Amikor a jel felfutó éle (feszültség) megjelenik az erősítő kimenetén, az a zárt áramkörön keresztül áramot kezd folyatni a plusz táp oldali tranzisztoron keresztül a táp plusz pontjától a hangszóró tekercsen és a kábelen keresztül a táp test pontja felé. A hangszóró membrán elindul előre, egy kis késéssel, mert le kell győzni a saját tehetetlenségét. A mozgása gyorsul, mert a tekercsére jutó feszültség mindig előrébb jár, magasabb, mint a pillanatnyi kitéréséhez szükséges feszültség. Ekkor az erősítő elér a jel csúcspontjára, és a jel a kimenetén csökkenni kezd. A hangszóró membrán a tömegéből fakadó tehetetlenség miatt még mindig előre felé halad. Ekkor a tekercsében az előre tartó mozgás miatt pozitív feszültség indukálódik, amely hozzáadódik az erősítő felől érkező csökkenő jelszinthez, ezzel a jel csökkenésének visszafelé húzó hatását csökkenti. Minél kisebb a hangszóró kábel és az erősítő pillanatnyi belső ellenállása, ez a hozzáadódó plusz indukált feszültség annál kisebb, azaz annál inkább érvényesül az erősítő kimenetén levő feszültség kényszerítő ereje. Amikor a membrán teljesen lefékeződik a visszatérítő erő által, elindul visszafelé, de ismét késésben van. Ezután eljön a kritikus pillanat, amikor az erősítő kimenetén a jel megszűnik, nulla lesz. A membrán még mindig mozog visszafelé, az áramkörben egyedül a hangszóró tekercsében jön létre feszültség, a negatív irányú mozgás miatt negatív feszültség. Ekkor ez a feszültség a kábel ellenállásának egyik végén, mint generátor feszültség lesz jelen, s a soros kábel ellenálláson keresztül vezérli a kimeneti tranzisztorok emitterét, amely ebben a pillanatban magas impedancia viszonyban van, azaz szabadon vezérelhető. Ugyanez a jel a kimenetet figyelő visszacsatoláson keresztül vezérlő jelként kerül vissza az erősítő első fokozatába. Itt kétfelé válik a működési modell. A negatív jelű emitter vezérlés rányit a plusz tápoldali végtranzisztorra, amelyen így egy plusz áram jut a kimenetre, amely fékezni kezdi a hangszóró negatív irányú mozgását. Minél alacsonyabb a kimeneti ellenállás, és minél nagyobb a kábel ellenállása, a kimeneten annál inkább az így keletkezett feszültség érvényesül, azaz a vezérlő jel lecsökken, a tranzisztor lezár, a korrekciós áram csökken, vagyis a kábel ellenállás a fékezési hatékonyságot csökkenti. Mi van közben a membránnal?

Az erősítő iménti korrekciós plusz jele áramot lök a lengőtekercs felé, ami ha a hangszóró kábel ellenállása nagyon alacsony, a lengőcséve mozgását fékezni fogja. Magasabb kábel ellenállás esetén ez az áram a kábelen feszültség esést (ezzel teljesítmény csökkenést) okoz, és a cséve egy ennyivel kisebb fékező energiát fog kapni. Azaz, a kábel ellenállása gátolja az erősítő kimeneti jelének az érvényesülését a hangszóró kapcsain. A membrán a veszteségi viszonyoknak megfelelően fékeződik, azaz a nullponton való túllendülésének az esélye csökken. Csillapítás keletkezik.

Eközben az erősítőben a visszacsatoláson korábban keletkezett egy negatív hibajel, amely most az erősítőt egy pillanatnyi nyílt hurkú állapotban találja, sok százszoros erősítéssel. Ez a hibajel egy nagy amplitúdójú pozitív kompenzáló jelet hoz létre az erősítőben, amely kijut a kimenetre, ezzel megnyitva a plusz oldali végtranzisztort, és ezzel a kimenet hirtelen nagyon alacsony impedancia viszonyba kerül. A tranzisztornak ezt a nyitását a kimeneten található, hangszóróból érkező generátor-jel csökkenti. Minél nagyobb az erősítő belső ellenállása, annál inkább, de a két jel között az erősítő nyílt hurkú erősítésének és a zárt hurkú erősítésének a hányadosából adódó különbség lesz, az legalább két nagyságrend. Ekkor a hangszóró felé nagy fékező áram impulzus megy ki, majd a visszacsatolás ezt a feszültség ugrást hibajelként érzékeli, (hiszen a bemeneten nincs ugyanilyen jel) és a következő pillanatban (az erősítő sebességétől függő idő alatt) kinullázza. Ismét megjelenik a még mozgó, de fékeződő membrántól jövő, már kisebb vezérlő jel, és a fenti körfolyamat ismét lefut.  Mivel az erősítő sebessége ezen a frekvencián sokszorosa a hangszóró lengőtekercsről visszaérkező vezérlő jel frekvenciájának, a körfolyamat több gyors egymás utáni lépcsőben fut le, amíg a hangszóró membrán, mint generátor megszűnik működni.

Vigyük a dolgot egyszerűbben átlátható szintre.

1. A membrán mozgása nem szinkron a vezérlő jellel, csak követi azt.
2. A membrán a mechanikai tömegéből következően tehetetlen, emiatt a jel bizonyos szakaszain generátorként üzemel, és ellene dolgozik a vezérlő jelnek.
3. Az erősítő aktív működése ellene dolgozik a hangszóró generátor-üzemének.
4. Ennek a mértéke függ az erősítő nyílt és zárt hurkú erősítésétől, az erősítő sebességétől és a kimeneti ellenállás (belső ellenállás) mértékétől.
5. A hangszóró kábel ellenállása elcsatolja a membránt az erősítő kimenetétől, ezáltal az erősítő jelszabályozó képességét csökkenti, ami a membrán túlzott szabad mozgását, ezáltal torzítások kialakulását segíti.
6. A fékezési mechanizmus rövid idejű, nagy sebességű impulzusokat hoz létre az erősítőben, amely az ezzel egy időben érkező magasabb frekvenciájú műsorjelre is hatással lesz.

( Itt van a multiamplifikált rendszerek egyik előnye, a mélysugárzót hajtó erősítő belső korrekciós   mechanizmusaiból eredő impulzus-torzítások nem jutnak rá a közép, ill. magas hangszórókra)

7. Minél alacsonyabb ellenállású a hangszóró kábel, ill. minél kisebb a belső ellenállás, annál rövidebb ideig tart a fékezés, és annál kevesebb alkalommal keletkezik fékezési impulzus, azaz annál kevesebb az egyéb műsorjelet is érintő intermoduláció.
8. Minél kisebb az erősítő kimeneti ellenállása, (minél nagyobb teljesítményű az erősítő) annál fontosabb a kis ellenállású hangszóró kábel, mert a fékezési folyamat így nagyon lerövidül, azaz a membrán túlmozgása csaknem megszűnik. Ez a membrán mozgás és az erősítő belső működése tekintetében is torzítások csökkenéséhez vezet.

Itt szeretném megemlíteni, hogy az elektronikában minden előnyös megoldás egyszersmind hátrányokkal is jár. A membrán elektronikus fékezése a fenti módon más hibák melegágya, és az mindig egy konstruktőri dilemma, hogy az ember melyik ujjába harapjon. Ennek a cikknek nem témája a járulékos hibák elemzése, de a magam részéről úgy érzem, hogy a jó hangú erősítők felé az ilyen módon (is) létrejövő hibák csökkentése, és nem a csillapítási mechanizmus erejének a növelése felé visz az út. A művészet ismét a hot spot, azaz a mindkét oldalról elegendően jó állapot eltalálása.

Csöves erősítők csillapítása

Ha megnézünk egy SE kapcsolást, amelyben nincs visszacsatolás, látni fogjuk, hogy nem számíthatunk aktív fékezésre az erősítő részéről. A membránt egyedül a kimenő trafó szekunder tekercsének Ohmos ellenállása fogja fékezni, itt záródik a lengőcséve elektromos áramköre. Ez az az egyetlen valóságos állapot, amelyben a DF elméleti számítása közelítőleg helytálló. Hogy ebben az esetben mennyire lesz jó a jelkövetés, az nagyrészt attól fog függni, hogy milyen érzékeny a hangszóró, milyen ellenállású a hangszóró kábel, és mennyire alacsony DC ellenállású a kimenő trafó szekunder tekercse. Minél érzéketlenebb a hangszóró, minél magasabb a hangszóró impedancia, minél kisebb a kábel ellenállás, és minél kisebb a szekunder DC ellenállása, annál pontosabb lesz a jelkövetés. Ebből az következik, hogy csakis pusztán ebből a szempontból nézve (!!!) , egyetlen pár Wattos csöves erősítő sem tud kielégítő jelkövetést megvalósítani. Teljesen szürreális azt gondolni, hogy mivel egy ilyen SE kapcsolás csak pár alkatrészből áll, azokon kicsi lesz a jeltorzulás. Az lehet, de aztán a csövön magán meg állati nagy, és a hangszóró is csak leng a világban…. Az ideális SE üzemmód az egy nagy feszültségről üzemelő, legalább 20 Wattos erősítő, nagyon rövid, 1-1,5 m-es kis ellenállású hangszóró kábellel, 8 Ohmos, 90 dB-nél nem érzékenyebb dobozzal. Nem lesz túl nagy hangerő, de a jelkövetés pontosabb lesz, mint érzékenyebb doboz esetén. Nem véletlen, hogy gyakran azt látjuk, hogy a pár Wattos erősítőkhöz ajánlott dobozoknak nincs igazi mély hang átvitele, mert az kontrollálatlan membrán mozgásokhoz vezetne. Ha ezeket a mozgásokat egy kisebb érzékenységű hangszóróval kordában tartjuk, akkor az egyetlen út a megfelelő hangnyomáshoz egy akusztikai tölcsér marad.

PP és UL esetben a helyzet komolyodik. A kimenő trafó a csövek anódjában helyezkedik el, amely szintén nem vezérelhető pont. Viszont, visszacsatolásunk is van, lássuk mi lesz. A membrántól visszajövő generátor-jel a kimenő trafó szekunder tekercsét, mint primer tekercset kezdi meghajtani, az innen visszavezetett negatív visszacsatolás az erősítőben egy ellentétes fázisú kompenzáló jelet hoz létre. Mivel a cső erősítése, ezzel együtt az egész erősítő nyílt hurkú erősítése kisebb mint a tranzisztoré, ez a kompenzáló jel messze nem lesz akkora, mint egy félvezetős erősítőben, a kimenő trafó pedig még csökkenti is a jelszintet, vagyis a csillapítás mértéke alacsonyabb lesz. Bele fog szólni a folyamatba a trafó felmágneseződési nonlinearitása is, de ez a hatás nem drasztikus. A fékezés mértéke azonban az erősítő magasabb belső ellenállásai miatt jóval kisebb, viszont a létrejövő korrekciós impulzusok is kisebbek. A hátrányok mellé mindig kapunk előnyöket is, ilyen az elektronika.

Összefoglalva, már megint oda lyukadunk ki, hogy nagyon fontos a megfelelő erősítő-kontra doboz párosítás megtalálása. Mai viszonyok között ez a sok érzéketlen dobozra nézve a félvezetősökkel kicsit könnyebb az élet, de csöves vonalon is meg lehet találni az adott dobozhoz megfelelő erősítőt. Itt még érvényes az első a hangszóró, s majd ehhez az erősítő elve.

A félvezetős oldalon először egy nagyon jó hangminőségű, gyors, nagy teljesítményű félvezetős gép kell, ( az a ritkább) és ahhoz már elég sokféle doboz jól fog illeszkedni. A kis impedanciájú hangszóró kábel meg elengedhetetlen.

Nagy Gábor Pál

Gauss Audio Electronics / AudioWorld

2020.Augusztus