Luidsprekerfilters – hoe zit dat nou?

In een ideale wereld zou een luidspreker bestaan uit één trillend object dat het complete signaal verwerkt. De reden dat dit ideaal is, is eenvoudig uit te leggen: minimalisme in hifi is altijd goed… minder componenten betekent minder verlies. En in dit geval wordt er een invloedrijke schakel weggenomen: het scheidingsfilter. Een zogenaamd scheidingsfilter zorgt namelijk voor de nodige uitdagingen. Die gaan we in deze uitzending behandelen.

Bijna elke luidspreker met meer dan één luidspreker-unit – van dynamisch tot planar tot elektrostaat – heeft een scheidingsfilter. Deze verdeelt het inkomende signaal over de diverse units zodat deze netjes binnen hun werkingsgebied blijven.

Om een voorbeeld te geven: een gemiddelde dome-tweeter werkt prima vanaf zo’n 2500 Hz. Duikt u daaronder, dan heb  ben de meeste modellen al snel last van veel vervorming.

Een woofer werkt weer prima tot zo’n 400 Hz, maar moet niet heel veel hoger ingezet worden.

Middentoners werken weer goed tussen 300 en 3000 Hz bijvoorbeeld. Er zijn natuurlijk uitzonderingen. Speciale mid-woofers werken breder. Zeg vanaf 50 Hz tot 3000 Hz bijvoorbeeld. Die ziet u terug in tweeweg modellen.

Er zijn ook speciale breedband-units. Echter zult u zien dat ze ofwel vrij diep kunnen, ofwel netjes doorlopen in het hoog. Dit omdat het gewoon onmogelijk lijkt beide goed te doen.

Bekijk deze aflevering

De uitdaging

Om dus een compleet beeld te schetsen, zijn sowieso twee units nodig: één voor het hoog en één voor het midden en laag. Ideaal gezien werkt een filter super steil. Dan krijgt iedere unit precies wat hij nodig heeft en is er geen overlap van signalen, wat weer problemen kan veroorzaken. Denk aan kleuring.

Maar we leven niet in een ideale wereld. Een supersteil filter is ongekend moeilijk om te maken. Vanaf 4^e order wordt het al heel erg complex om een goed filter te maken. Daarover later meer.

Maar goed: mogelijk of niet. Een filter vormt toch geen probleem? Kwestie van een keuze maken en gaan met die banaan, toch? Nou… ja. Maar ook weer niet. Een filter introduceert namelijk een paar problemen. De grootste problemen zijn:

• Een fasedraaiing (90 graden per ‘order’).
• Outputvariaties (door overlap)
• Impulsrespons
• Verlies van definitie (door componenten in de signaalweg)

Het ontwerpen van een filter is dus ontzettend lastig. En in veel gevallen maakt of breekt een filter de speaker. Als u een matig filter in een high-end speaker plaatst, zult u direct merken dat de speaker niet goed klinkt. Als u een héél goed filter in een relatief eenvoudige speaker plaatst, zult u horen dat de speaker boven verwachting goed speelt.

Zie het een beetje als een steengoede speaker op een matige versterker; u hebt direct last van de beperkingen van de versterker. En daardoor werkt het minder goed dan een gemiddelde speaker op een steengoede versterker… Die versterker tilt de speaker naar een hoger niveau.

Actief of passief

Terug naar de filters. Er zijn simpel gezegd twee methoden om een filter te maken: actief en passief. Een passief filter ontvangt vanuit de eindversterker het complete muzieksignaal en scheidt dat op in twee of meer signalen met een bepaalde bandbreedte. Dit doet het filter met spoelen, condensators en weerstanden. Mede door het gebruik van condensatoren, is een fasedraaiing niet te vermijden. Al is het wel op te lossen. Bij een 2^e order krijgt u 180 graden fasedraaiing, wat bijvoorbeeld weer op te lossen is door draadjes op één unit om te draaien.

Een actief filter werkt anders. Een écht actief filter zit vóór de eindversterker. En in een actief filter zitten actieve componenten. Denk aan op-amps en transistoren. Deze scheiden het signaal voordat het de eindversterker in gaat.

Het voordeel is dat de eindversterker ook deels minder belast wordt: het hoeft maar een deel van de bandbreedte te versterken en zodoende kan het laag niet het midden en hoog beïnvloeden. Het resultaat is een schonere weergave; mits alles goed is uitgevoerd natuurlijk.

Digitale filters

Een andere manier van actief filteren, is gebruikt te maken van een DSP in plaats van transistoren en op-amps. Door een DSP alles te laten scheiden zijn veel steilere filters mogelijk dan met een passief filter. Dit kán in theorie een ideaal filter benaderen, indien goed uitgevoerd uiteraard. Digitaal heeft weer andere uitdagingen. Denk aan clocking, filters (ja, weer filters) en noise van actieve componenten.

Orde

Wie een beetje in de wereld van luidsprekers duikt, komt uiteindelijk in de wereld van scheidingsfilters terecht. En wie daarin duikt, kan niet om de diverse ordes heen. Eerste orde, tweede, derde en bijvoorbeeld vierde orde. Hoe hoger de orde, hoe steiler het filter: elke orde is 6dB per octaaf. Dus een 4^e orde filter daalt 24 dB per octaaf. En hoe groter de orde, hoe groter de fasedraaiing. Een eerste order, draait met 90 graden, een tweede met 180 graden, derde met 270 graden en vierde met 360 graden.

Dat laatste is ideaal, aangezien we weer rond zijn en alles dus weer in fase staat. De ‘delay’ is zo minimaal dat wij het niet kunnen waarnemen.

Waarom gebruiken niet alle fabrikanten dan een vierde orde filter? Simpel: kosten en complexiteit. En dat gaat meestal samen. Een tweede orde systeem is minder complex en een 180 graden fasedraaiing is opgelost door + en – om te draaien, dus dat gaat prima. Echter is het filter minder steil en is er dus meer overlap. Wat ook weer voor problemen kan zorgen.

Wat is nu goed?

Ideaal gezien bestaat een speaker uit één unit die alles weergeeft zonder vervorming. Maar ja: die speaker bestaat niet. We moeten dus concessies doen. Minimalisme is dan ‘key’ is onze mening.

Een mooie tweeweg met hoogwaardige units en een eenvoudig filter met mooie componenten kan magistraal goed klinken. Ritmisch, energiek, puur… Een gelijk geprijsde drieweg moet het dan vaak afleggen.

Echter: wie écht fullrange zoekt, kan vaak niet om een drieweg heen. Puur omdat de midwoofer van een tweeweg niet tot 20 Hz kan zakken zonder problemen.

Weet echter dat een full-range drieweg (of soms vierweg) serieus geld kost als u ook nog de puurheid en transparantie van een tweewegsysteem zoekt. Immers: meer componenten. En complexere filters. En een grotere, duurdere behuizing…