2011-11-07

Diskussion om en högtalarkabel och en magisk låda

En kompis och tillika audioentusiast skickade mig följande länk till en byggbeskrivning på en högtalarkabel med en mystisk låda som skulle vara extra bra för att få det perfekta ljudet:

Löd ihop din egen super-högtalatkabel Del 2

Jag hittade även lite mer information om kabeln och idéerna bakom den här:

Den låginduktiva högtalarkabeln

I den här snabbt ihoprafsade texten analyserar jag idéerna bakom kabeln och ger min bedömning på vad som är vettigt och vad som möjligen inte är lika verklighetsbaserat när det gäller kabeln och lådan.

Kabeln

Författaren (Anders Eriksson) beskriver hur man bygger en högtalarkabel med EKKX-kabel, vilket är en sorts partvinnad entrådig kabel som används i telefonisammanhang. Varje par har förmodligen en impedans på ca 100 Ω (det kanske är 80 eller 120 Ω, men knappast utanför det intervallet) och om man parallellkopplar ett antal sådana par så får man ner kabelns impedans motsvarande. Det är oklart för mig exakt hur många par EKKX-kabeln har, men jag gissar på 10 st (även om han bara beskriver 9 olika färger under bild 4). I texten på webben står det att det är 20 par. Man kan alltså komma ner i en impedans på ca 10 Ω (eller 5 Ω om det är 20 par) genom att köra signalen genom alla paren. Tyvärr så verkar instruktionerna under bild 4 tyda på att man inte ska koppla in signalen så att "plus" går i ena ledaren i ett par och "minus" går i andra ledaren, utan att man använder båda ledarna i vissa par till "plus" och båda ledarna i andra par till "minus". Mycket märkligt och inte vad man vill göra om man vill få en låg och kontrollerad impedans. Man missar också större delen av störtåligheten som partvinning innebär genom att inte köra signalen inom paren utan mellan dem. Jag tror att den störtåligheten är den största verkliga fördelen man får med den här kabelkonstruktionen (om man hade kopplat ledarna i paren på lämpligt sätt).

Varför man bryr sig om impedansen i en högtalarkabel som bara är några meter lång är dock obegripligt ur en fysikalisk synvinkel. Om man har en väldesignad förstärkare som inte får för sig att börja oscillera vid frekvenser över audioområdet när de ser en induktiv last så finns ingen större anledning att bry sig om frekvenser på signalen ut till högtalarna över 20 kHz (i praktiken hör en vuxen person knappast frekvenser över 15 kHz).

Utbredningshastigheten i en normal kabel ligger på mellan 0.5 och 0.8 ggr ljushastigheten (c) och om vi tar det värsta värdet 0.5c så är fördröjningen i 2.5 m kabel ungefär 17 ns. Detta motsvarar 0.0003 perioder i 20 kHz och det gör att man knappast kan observera några transmissionsledningsfenomen.

Jag provade att med hjälp av LTSpice plotta den impedans som förstärkaren ser för 17 ns långa kablar med 10 Ω impedans respektive med 100 Ω impedans lastade med 8 Ω. (Jag vet att högtalare är bråkiga när det gäller impedans som funktion av frekvens och att de inte alls är 8 Ω bara för att de kanske är märkta så, men för att se inverkan av kabeln och inte bara svajigheten i högtalaren så valde jag att approximera högtalaren med en fix resistans.) Här är plotten från simuleringen:

Figur 1. Impedansen som förstärkaren ser om man har 2.5 m kabel med antingen 10 Ω impedans (blå kurva) eller 100 Ω impedans (grön kurva).

I den kraftigt inzoomade plotten kan man se att impedansen som förstärkaren ser börjar avvika från 8 Ω när man kommer upp i frekvens. Vid 20 kHz har 100-ohmskabeln gjort att impedansen ökat från 8.000 Ω till 8.003 Ω, medan 10-ohmskabeln (som matchar lasten bättre) bara ligger på 8.00002 Ω. Observera att en avvikelse i impedans inte direkt leder till distorsion, utan bara gör att motsvarande mindre energi kommer till lasten pga kabelns icke-perfekta matchning mot lasten. Man kan jämföra detta med variationen i en verklig högtalares impedans över audioområdet, vilken är kanske tre storleksordningar större. Att bry sig om ifall impedansen i en högtalakabel är 5, 10 eller 100 Ω är då tämligen poänglöst. Hur man har placerat kaffekoppen på soffbordet påverkar nog ljudet mer.

Impedans hos ledningar och matchning av last till ledningsimpedansen är ett utomordentligt viktigt område om frekvenserna i signalen är så höga relativt kabelns fördröjning att fördröjningen är en väsentlig bråkdel (säg 1/20 till 1/10) av periodtiden av den högsta intressanta frekvenskomponenten i signalen. Jag jobbar dagligen med detta i de höghastighetskort jag konstruerar, men då är frekvenserna ofta mellan 100 MHz och 5 GHz. Men i audiosammanhang och meterlånga kablar är fenomenet med transmissionsledningar liksom inte relevant, vilket min simulering visar.

"Lådan"

Lådan då? Den består alltså av en enkel RC-länk mellan ledarna med resistansen 100/12 Ω = 8.33 Ω och kapacitansen 2*0.15 µF = 0.3 µF. Antagligen är den tänkt som ett Zobel-nätverk, vilket är bra lösning att ha på utgången från en audioförstärkare för att se till så att emitterföljarna på utgången inte får för sig att oscillera vid någon hög frekvens när de ser den induktiva högtalarlasten.

Här finns lite mer information om Zobel-nätverk (även kallade Boucherot-celler i audiosammanhang):

Zobel networks and loudspeaker drivers - Wikipedia

Boucherot cell - Wikipedia

Om förstärkaren är dåligt byggd och saknar Zobel-nätverk och blir instabil vid induktiva laster så kan det lösas genom att man kopplar in RC-nätverket från byggbeskrivningen. Det ersätter då det saknade Zobel-nätverket och har goda förutsättningar att göra den instabila förstärkaren stabil. Har man en bra förstärkare som är stabil även om man kopplar högtalare till utgångarna så finns dock ingen anledning att koppla in RC-nätverket.

Brytfrekvensen för RC-länken är ca 60 kHz och det gör att den påverkar impedansen i det övre audioområdet marginellt. Högre upp i frekvens (men under det område då parasitinduktansen i konstruktionen dominerar) så fungerar den som en hygglig terminering av kabeln (om nu kabeln har en impedans i närheten av 8 Ω) och gör sitt Zobel-jobb och tillhandahåller en resistiv last även vid höga frekvenser om nu det behövdes för att förstärkaren var olämpligt konstruerad.

För att se hur "lådan" påverkar vid audiofrekvenser så simulerade jag det hela. Det visar sig att den faktiskt påverkar impedansen mer än vad den specialkopplade kabeln snyggade till den. Vid 20 kHz har inkopplingen av "lådan" gjort att impedansen sjunkit från 8 Ω med den ideala högtalaren till 7.1 Ω. Det ska dock sägas att det inte alls är säkert att detta skulle vara en dålig påverkan, men jag ser heller inte något som gör att man skulle tro att det gör ljudet bättre på något sätt. Här är en plot som visar vilken impedans förstärkaren ser med och utan "låda":

Figur 2. Impedansen som förstärkaren ser om man har 2.5 m kabel med 10 Ω impedans utan "låda" (grön kurva) eller med "låda" (blå kurva).

I ärlighetens namn är det vara värt att påpeka att simuleringen även här gjordes med en ideal högtalare som håller 8 ohm rent resistivt. I praktiken är högtalaren induktiv (hur mycket varierar nog vilt mellan olika högtalartyper) och det är denna induktiva komponent som RC-nätet skulle kunna kompensera, så simuleringen är inte helt rättvis. Chansen är stor att nätverket gör att impedansen blir mer resistiv och varierar mindre. Men om det har någon positiv effekt på ljudet är tveksamt. Om man inbillar sig att det ger bra ljud att ha en så platt kurva som möjligt ska man dessutom inte bara hugga till med ett par ganska godtyckligt valda komponentvärden, utan istället mäta upp impedansen i högtalaren som funktion av frekvens och välja komponentvärden som matchar högtalarens karakteristik.

De kondensatorer som står listade i artikeln är rätt sopiga metalliserade polyesterkondensatorer som jag inte skulle rekommendera att ha i signalvägen i high-end audio. Kondensatorerna är lite olinjära och orsakar en liten aning distorsion. Själv skulle jag antagligen inte ens under pistolhot kunna höra skillnaden, men om man vill ha minimalt med distorsion så ska man inte använda den här typen av kondingar här.

Artikeln hävdar också att det är enormt viktigt att lådan hamnar i högtalaränden av kabeln och inte vid förstärkaren. Det ligger ett korn av sanning i detta (för att undvika reflektioner ska man ska parallellterminera transmissionsledningar vid lasten och inte vid källan), men återigen gör audiofrekvenserna och kabellängderna att det inte spelar någon som helst praktisk roll. Här är en plot med resultatet av en simulering av vilken impedans förstärkaren ser om lådan placeras före eller efter kabeln:

Figur 3. Impedansen som förstärkaren ser om man har 2.5 m kabel med 10 Ω impedans med "lådan" i slutet av kabeln (blå kurva) eller med "lådan" i början av kabeln (grön kurva).

Vid några hundra kHz kan man ana små skillnader i impedans, men vid audiofrekvenser är skillnaderna mikroskopiska.

Teorin

Artikeln som beskriver en del av "teorin" bakom kabeln är rolig läsning om man har den sortens läggning.

Matlab-plottarna kanske kan imponera på någon som inte har koll på vad det handlar om. Att axlarna inte är märkta med enheter bidrar till att ge ett mindre seriöst intryck. Jag tror axlarna ska vara Hz och dB. Det jag tror har simulerats är en naiv modell där kabeln betraktats som en punktformig induktans. Modellen är iofs inte naiv om man håller sig i audioområdet, men här slutar X-axeln på 1 THz! Ska man simulera till en bit över audioområdet med den här kabellängden måste man modellera ledningen som en transmissionsledning och ska man upp i många MHz och däröver måste man ha en komplicerad modell som tar hänsyn till impedansvariationer och förluster som varierar med frekvensen. Kabeln i fråga (EKKX) är inte gjord för annat än telefoni, så den är knappast tillverkad med tanke på att ha bra egenskaper vid flera MHz. Vill man modellera den i det frekvensområdet måste man nog mäta upp den med en nätverksanalysator, för tillverkarens datablad lär inte ge besked. Hur som helst så är modellen med en induktans ogiltig i större delen av plotten och även en enkel modell med förlustfri transmissionsledning börjar nog avvika från verkligheten över några MHz. Den felaktiga modellen gör att de två första kurvorna i artikeln inte har speciellt mycket med verkligheten att göra.

Men det viktigaste problemet med resonemangen är att det pratas om effekter som inte är av intresse vid audiofrekvenser.

Tredje plotten i artikeln kan delvis innehålla någon sanning. Det ser vid en hastig anblick ut som om högtalarelementet modellerats med en parallell LC-krets i serie med resistansen och att kabeln modellerats som en transmissionsledning, eller kanske snarare som en syntetisk transmissionsledning byggd av en massa LC-länkar. Så långt kan det hela vara fysikaliskt någorlunda rimligt. Men sedan sträcker sig kurvorna ut till över 10 GHz (axeln går till 1 THz!) och inte heller de här modellerna är giltiga i närheten av så långt upp i frekvens.

Man har också lagt in en modell av RC-nätet i lådan och glatt simulerat till 10 GHz. En sak man missat att beakta är dock att komponenterna har en induktans (jag uppskattar den till totalt i storleksordningen 10 nH baserat på fotona i PDF:en) som gör att induktansen dominerar över resistansen vid frekvenser över ca 2 MHz. Det fantasiska RC-nätet som påstås göra kurvan rak till över 10 GHz är alltså enligt min uppskattning ganska värdelöst redan vid 10 MHz.

Slutord

Min totalbedömning är att vi har att göra med en eller flera entusiaster som kan en del elektronik och som snappar upp något eller några koncept (som induktans, transmissionsledningar, terminering etc) och försöker applicera det på audioprylar utan att kunna tillräckligt mycket i ämnet för att förstå om, när, hur och varför det är tillämpbart. Vidare tycks det saknas insikt i andra effekter som är mycket mer väsentliga än det som det fokuseras på.

Jag tror inte personen/personerna bakom det hela försöker luras. Hur man bygger kabeln och boxen och vad som ingår i dem redovisas rätt så proffsigt och ärligt. Jag tror bara att han/de inte har relevanta kunskaper för att inse att de är ute och cyklar till största delen.