Delningsfilter
Allt om filter

Det finns nog ingen del i en högtalare som är så missförstådd som det viktiga delningsfiltret. Man kan ha aldrig så fina och exklusiva element i sin välkonstruerade låda, men ett felaktigt filter kan i bästa fall ge dåligt ljud, i sämsta fall kan det förstöra både förstärkare och element. Ett bra filter kan å andra sidan vässa både nya och gamla konstruktioner.

Vid en första anblick kan det kanske tyckas vara en enkel match att ordna filterbiten i en högtalare. Det är bara att köpa något färdigt från hyllan och löda fast. Snabbt och enkelt. Låter gör det, men det finns med allra största sannolikhet betydligt mer välljud att locka ur lådan. Precis som de andra delarna i högtalaren finns det ett antal tumregler att hålla sig till. Om man därtill har någon grundläggande förståelse för hur det fungerar kan man i alla fall komma mycket långt.

Varför filter?

Det finns framför allt två viktiga skäl till varför man har ett delningsfilter i en högtalare. Det ena är att de flesta diskant- och mellanregisterelement helt enkelt inte tål basljud. De går lätt sönder av även mycket små effekter. Därtill låter lägre frekvenser illa i element som inte är avsedda för dem.
Det andra skälet är att högre frekvenser orsakar resonansfenomen i bas- och mellanregisterelement. Genom att filtrera bort de högre frekvenserna reduceras resonansproblemen. En annan positiv verkan av ett delningsfilter är att den effekt man matar in i högtalaren från förstärkaren delas upp på flera element. I praktiken tål därför hela system mer effekt än vad de enskilda elementen är märkta med.

Genom att ändra lite i filtret kan också ojämn frekvensgång, åtminstone till en del, korrigeras. Filtret har överhuvudtaget en avgörande betydelse för både klangfärg och stereobild. Det är egentligen bara bredbandshögtalare, som ju är tänkta att återge alla frekvenser, som kan klara sig utan filter.

Impedans

Termen impedans förekommer ofta i elektriska sammanhang mer eller mindre korrekt. Det är mycket vanligt att impedans förväxlas med resistans. Båda termerna anger en komponents elektriska motstånd med vissa väsentliga skillnader. I korthet kan man säga att resistans används för att ange elektriskt motstånd som är oberoende av hur strömmen varierar med tiden. För ett vanligt motstånd (eller resistor) kan man därför tala om resistans, värdet ändras inte när frekvensen ändras. Det spelar teoretiskt ingen roll om man skickar en växelström på 2 Hz eller 100kHz genom en resistor, det elektriska motståndet är alltid det samma. Andra typer av komponenter (t ex spolar och kondensatorer) uppvisar i stället ett mer eller mindre varierande motstånd mot olika frekvenser, då är det riktigt att tala om impedans.

De tre komponenterna...

...i ett filter är spolen, med induktans, som betecknas L i kopplingsschema, kondensatorn, med kapacitans, som betäcknas C, och motstånd, med resistans, som betecknas R. Det resistiva motståndet används ofta för att dämpa en signal. Detta görs oberoende av frekvensen. En dämpning på t ex 4 dB dämpar 4 dB vid alla frekvenser. Spolen däremot, ökar motståndet (eller impedansen) med ökad frekvens. Det omvända sker med kondensatorn, den ökar impedansen med minskad frekvens. Detta är mycket användbart när man vill koppla ihop flera element och separera dem elektriskt ifrån varandra. Det är dock mycket viktigt att basens dämpning uppåt i frekvens är anpassad till diskantens dämpning nedåt i frekvens. De får inte arbeta med samma frekvenser. Detta kan skada förstärkaren, eller i bästa fall kommer det bara låta sämre. Om det motsatta sker, dvs elementen är separerade med för långt avstånd till varandra, uppstår en "glugg" i frekvensgången, vilket inte heller låter speciellt bra. Detsamma kan uppkomma om högtalaren inte har impedanskorrigering, då delningsfiltret troligtvis inte stämmer.

Spolar och kondensatorer är också vad man kallar för reaktiva element, det betyder att inte bara impedansen ändras med frekvensen, utan också en fasförskjutning. Om en växelspänning läggs över en resistor kommer strömmen genom den att ligga "i fas" med strömmen. Samma växelspänning över en spole resulterar att strömmen blir fördröjd (eller fasförskjuten). En kondensator uppför sig precis tvärt om mot en spole. Om en växelström läggs på, blir spänningen över kondensatorn fördröjd.  Fördröjningen eller fasförskjutningen i dessa sammanhang anges av vissa skäl som grader.  Strömmen i en teoretiskt perfekt spole ligger 90 grader efter spänningen, i en kondensator ligger strömmen 90 grader före (-90 grader).

En högtalares elektriska motstånd är i högsta grad varierande med frekvensen. Även strömmens fasförskjutningen ändras. Vissa högtalare utgör ganska besvärliga laster för en del förstärkare.  Särskilt tungt blir det vid de frekvenser då impedansen är låg, samtidigt som fasvinkeln är stor. Nu inträffar det mera sällan om alla delar är hela. Däremot kan ett trasigt eller felaktigt filter faktiskt förstöra en förstärkare. Även en avbränd talspole i ett element kan få obehagliga följdeffekter eftersom filtret då "tappar balansen".

I många enklare filter som man kan köpa färdiga har man helt glömt (eller inte brytt sig om) att ta hänsyn till varierande impedans hos högtalarelementen. Man har antagit att högtalarelementen uppför sig som en resistor, något som mera sällan är sant. Med verkliga element blir frekvensgången negativt påverkad. Bot finns dock att tillgå.

Branthet 

Innan man på allvar ger sig i kast med att beräkna ett delningsfilter brukar man i förväg bestämma hur brant filtret ska vara. Brantheten, eller ordningen, är ett mått på hur effektivt ett filter är. Ett filter som innehåller ett reaktivt element (spole eller kondensator), sägs vara av första ordningen. Två reaktiva element bildar ett andra ordningens etc. I högtalarsammanhang används upp till 4:e ordningen. Man kan lätt förledas att tro att ju brantare filter man har, desto bättre. Filtret blir ju trots allt effektivare som filter ju brantare det är. Frågan är tyvärr mycket mer komplicerad än så, det finns en lång rad faktorer att ta hänsyn till. Tabellen på föregående sida sammanfattar egenskaperna. Ett filter blir alltid en kompromiss mellan olika egenskaper. Vilka som ska få väga tyngst är lika mycket en fråga om tycke och smak, som vad högtalaren faktiskt ska användas till!

Här följer en genomgång av de olika egenskaperna och deras inverkan: 

Filtrets egenskaper

Man kan lätt förledas att tro att ju brantare filter man har, desto bättre. Filtret blir ju trots allt effektivare som filter ju brantare det är. Frågan är tyvärr mycket mer komplicerad än så, det finns en lång rad faktorer att ta hänsyn till. Nedan visas en tabell som sammanfattar egenskaperna.
 

Ordning	1	2	3	4
Branthet	6 dB/oktav	12 dB/oktav	18 dB/oktav	24 dB/oktav
Dämpning av resonanser	Dålig	Relativt bra	Bra	Mycket bra
Fasgång	Perfekt	Mycket bra	Bra	Mindre bra
Transientsvar	Perfekt	Bra	Mindre bra	Dåligt
Komplexitet	Enkelt	Ganska enkelt	Mindre enkelt	Komplicerat
Känslighet	Liten	Måttlig	Stor	Mycket stor
Inverkan av fördröjningar	Stor	Måttlig	Liten	Mycket liten
Ökning av effekttålighet	Liten	Måttlig	Stor	Stor
Passar för	2 vägs högt.	2-3 vägs högt.	3-4 vägs högt.	3-4 vägs högt.

Dämpning av resonanser

Det finns alltid mer eller mindre uttalade resonanser i ett högtalarelement. Den mest fundamentala (och lägsta) är den som alltid anges. I en bashögtalare är den en viktig del i beräknandet av lådstorleken. Diskant- och mellanregisterelement har en motsvarande resonans som måste ligga i ett dämpat område, ju mer dämpning desto bättre. Break up-fenomen är också något som undviks till stor del om filtret skär bort den övre delen av frekvensområdet där problemen brukar uppstå. Resonanser har en förödande inverkan på ljudet. Särskilt lite enklare element får ofta en mycket naturligare klang med ett brantare filter. 

Fasgång

Det mänskliga örat är inte så känsligt för fasgången hos en högtalare. Klangen förändras egentligen inte, men stereoperspektivet kan förändras om fasen ändras mycket med frekvensen. Ljudet blir "platt" och ljudet blir svårare att lokalisera i rummet. Ett filter av första ordningen har faktiskt (teoretiskt) inga fasproblem alls, vilket har gjort det populärt hos många audiofiler. Brantare filter och konstruktioner med många element (många filter) kan under vissa situationer ha en viss negativ inverkan på perspektivet, men effekten ska inte överdrivas. 

Transientsvar

En transient (kort impuls) är svår för en högtalare att återge. En riktig reproduktion av den pålagda signalen kräver mycket rak både frekvens- ock fasgång, en mycket ovanlig egenskap hos vanliga högtalare. Ett brant filter förvränger en transient ganska markant medan ett filter av första ordningen inte har någon inverkan alls. Precis som fasgången försämras i system med många och branta filter, förvrängs också transienter mer. Det har dock visat sig att fenomenen hörs mindre än vad man kan tro. En kurvas form har inte alltid så mycket att göra med hur öra och hjärna reagerar! 

Komplexitet och känslighet

Att ett filter blir komplext betyder inte bara att det blir dyrt, det blir också svårt att bygga! Ett filter av första ordningen är föredömligt enkelt och det spelar inte så stor roll att de använda komponenterna har exakt rätt värde. Ett filter av 4:e ordningen däremot är ganska svårt att realisera i praktiken. Det har vad man kallar för hög känslighet.  

Även en ganska liten avvikelse från ideala komponentvärden kan inverka menigt på resultatet. Det är ju mera sällan som exakt det värde man har räknat fram verkligen finns att köpa. Även ojämnheter i högtalarelementets impedans stör ett brant filters funktion. Problemen yttrar sig som ojämnheter i frekvensgången. 

Inverkan av fördröjningar

Tidigare beskrevs hur elementens utformning och placering på baffeln kan innebära att ljudet från det ena elementet fördröjs något. Även om elementen placeras på bästa sätt får man i alla fall en fördröjning om lyssnaren inte sitter i jämnhöjd med högtalaren. Om diskanten sitter ovanför mellanregistret och lyssnaren befinner sig en bit ovanför högtalaren får ljudet från diskanten en något kortare väg att gå. Dessa ofta oundvikliga fördröjningar gör frekvensgången något ojämn just där elementen lappar över varandra. Ju brantare filter som används desto mindre blir problemen. 

Ökning av effekttålighet

I ett system med flera högtalarelement fördelas förstärkareffekten på de olika elementen. Av totalt 100 W hamnar kanske 80 i basen och 20 i diskanten. Hela högtalaren kan därför ofta klara mer än vad de enskilda elementen gör. Vad man dock måste vara uppmärksam på är att den uppgivna effekttålighetenför diskant- och mellanregisterelement i allmänhet är angivna med filter! Lite lömskt, men inte desto mindre är det så. Att för hög effekt bränner sönder talspolen i ett element är välkänt.  Men betydligt mindre effekter kan orsaka skada på annat sätt. Lägre frekvenser, särskilt om de ligger nära elementets resonansfrekvens, får konen (eller domen) att röra sig mer. Vid en halvering av frekvensen blir rörelsen (minst) fyrdubblad. Den stora rörelsen ger distorsion och kan skada elementet.

Ett brant filter tar bort skadliga låga frekvenser och ökar samtidigt effekttåligheten för musik. Precis hur mycket går det inte att svara på eftersom det beror så mycket på musiktyp. För enskilda toner har filtret däremot ingen inverkan. Att koppla ett diskantelement direkt till förstärkaren utan filter är direkt vanskligt; det går lätt sönder även på mycket låg volym!

Vilken branthet är bäst?

Som så ofta är det mycket en fråga om personligt tycke, men också lite om vad som är mest lämpat.  I en renodlad hifi-högtalare med två eller tre element kan man kanske använda ett filter av första ordningen, men det skulle vara direkt olämpligt i en "släng och däng"-högtalare för det lokala källarbandet! Oftast är ett filter av 2:a eller 3:e ordningen en lämplig kompromiss i de flesta sammanhang och där avancerad mätutrustning inte finns att tillgå. För det är trots allt så att det perfekta filtret kräver en hel del mätande.  Men, som det har påpekats tidigare, ett intresserat öra och ett gott tålamod räcker långt!

Vad säger verkligheten???

Vi har hittills bara studerat högtalarens delningsfilter på papperet. Så långt finns det inga större hinder på vägen, det gäller bara att bestämma sig för vilken filosofi man tänker gå efter. Ska filtret vara brant och därmed komplicerat, eller ska det vara så enkelt och billigt som möjligt?  Efter en stund med räknedosan sitter man i alla fall där till slut med sin ritning och börjar känna sig mogen att omsätta teorierna i ett fungerande filter.  Det är nu som den riktiga världen visar sig från sin trista sida. Teorin stämmer sådär lagom bra med verkligheten!

Fas- och frekvensgång

Om man tittar i någon tillverkares datablad på något element ser det nästan alltid mycket snyggt och prydligt ut. Frekvensgången är rak som ett streck med mjuka och fina "hörn" uppåt och nedår i frekvens. Lika vanligt är att det inte har så mycket med verkligheten att göra. Ett högtalarelements frekvens- och fasgång är alltid mer eller mindre ojämn. Det är utomordentligt svårt att massproducera element som alltid blir exakt som det var tänkt. Men att frekvensgången är en smula orolig är egentligen inte det stora problemet. Avvikelser går, åtminstone till en del, att kompensera bort. Att fasgången inte är rak är ett lömskare problem. För det första redovisas den sällan i databladen, för det andra är det ganska svårt att förutsäga hur den kommer att påverka slutresultatet.

De problem som kan uppstå visar sig alltid runt högtalarens delningsfrekvenser. Om man skickar ut en och samma ton från två olika högtalarelement (vilket ju händer nära delningsfrekvensen) kommer signalernas relativa fasläge att påverka hur starkt tonen återges hos lyssnaren. Om dom ligger "i fas" (0 grader) kommer tonen att förstärkas (3 dB), om dom ligger mer eller mindre ur fas blir tonen svagare. I extremfallet kan tonen från de två elementen ligga i "motfas" (180 grader), den blir då helt utsläckt.

Prova alltid att polvända diskanten i ett tvåvägssystem, eller mellanregistret i ett trevägssystem för att få bästa resultat!

Impedans

Om alla högtalarelements elektriska motstånd (impedans) var konstant trots varierande frekvens vore livet mycket lättare för högtalarkonstruktören. Det är inte nog med att impedansen varierar, det gör impedansens fasvinkel också. Båda fenomenen "stör" delningsfiltrets funktion i större eller mindre utsträckning. När impedansen ökar eller minskar ändras den belastning högtalaren utgör på filtret.  Resultatet är att filtret dämpar mindre om impedansen går upp och vise versa. Även här gäller att problemen märks tydligast runt delningsfrekvenserna.

De kompensationslänkar som finns kan till stora delar avhjälpa problemet. Om dom hamnar rätt vill säga! De i databladen angivna parametrarna stämmer inte alltid exakt. Men en kompensering som är något lite fel är i alla fall mycket bättre än ingen alls. Ett allmänt tips för att undvika problem är att, om möjligt, lägga delningsfrekvensen där impedanskurvan är någorlunda plan.

Akustisk fas

Det är inte bara högtalarelementens fas- och frekvensgång och impedansens variationer som orsakar problem. Vi har tidigare berört de fördröjningar som kan uppkomma då den ljudalstrande delen av elementen inte sitter på samma ställe djupledes i högtalarens front. Dessa fördröjningar gör också att toner från två olika element kommer "ur fas", dvs ljudstyrkan ändras. Det finns således totalt minst tre faktorer som påverkar frekvensgången. Det hela blir onekligen en smula komplicerat, för att inte säga mycket komplicerat!

På marknaden finns det speciella datorprogram med tillhörande mätutrustning där man först mäter upp de ingående delarnas egenskaper. Man matar sedan in ungefär hur man tänkt att delningsfiltret ska se ut, hur elementen placeras osv. Sedan räknar datorn länge och väl på tusentals olika kombinationer av filterkomponenter. Till slut presenteras den bästa kompromissen (för det blir det alltid) för användaren.  Intressant, men tyvärr utom räckhåll för amatören. 

Mer om delningsfilter...

Vilka delningsfrekvenser man ska välja hör till de vanligare frågorna. Den avgörande faktorn är elementens frekvensomfång. Ett filter har inte en skarp gräns där man på ena sidan har full ljudstyrka och på andra sidan inget ljud alls. I praktiken minskar ljudstyrkan i en fallande båge och "brantheten" i denna kurva anges med decibel (dB).

Ett 6 dB-filter dämpar signalen över/under delningsfrekvensen med 6 dB per oktav, ett 12 dB-filter dämpar med 12 dB per oktav osv. En oktav är dubbla eller halva frekvensen i förhållande till angivna.
Exempel: En diskant har ett filter på 6 dB/oktav som delar vid 3000 Hz. Det betyder att signalen är dämpad med 6 dB vid 1500 Hz. Om man spelar med ett ljudtryck av 110 dB, så spelar diskanten 110 dB vid frekvenser över 3000 Hz, 104 dB vid 1500 Hz, och 98 dB vid 750 Hz. Det kan vara mycket påfrestande för de flesta diskanter att spela högt vid så låga frekvenser. Problemlösningar finns det alltid, och i detta tillfälle är de tre till antalet: Man låter bli att spela högt... man använder filter med högre branthet (12 eller 18 dB/oktav)... eller man delar högre i frekvens (ex. 4000 - 5000 Hz).

De delningsfrekvenser man då ska välja beror som sagt på elementets frekvensomfång. Man bör hålla ett avstånd från gränserna med minst en oktav.
Exempel: En bas med frekvensområdet 30-4000 Hz - lämplig delning: under 2000 Hz. Ett mellanregister med området 500-5000 Hz - lämplig delning: 1000 Hz och 2500 Hz. Givetvis går det att tänja gränserna genom att välja högre branthet på filtret. Dock går det åt fler komponenter i ett filter med högre branthet, samt att elementens reaktionstid (transientegenskap) försämras. 

Vid val av komponenter bör man hålla sig till grov tråd i samtliga spolar (1,2-2 mm), på grund av att en tunn tråd har en hög resistans. Det betyder att den kommer att bli varm, och ju varmare den blir desto sämre ledningsförmåga får den. Större delen av den inmatade effekten kommer alltså att gå åt till värme i spolarna. Dessutom kommer resistansen i spolen att påverka elementens mätvärden negativt, vilket resulterar i en felavstämd högtalare.

Vissa spolar kan vara lindade på järnpulverkärna (ferritkärna). Dessa ferrit-kärnor mättas mycket snabbt även med en förhållandevis låg ineffekt (ca 4 watt och uppåt). När då denna kärna mättas genererar den en mycket kraftig distorsion. Lösningen för att undvika detta är helt enkelt spolar utan kärna. Hittar man inte en färdig komponent med uträknat värde går det (för de enklare filtertyperna) bra att ta närmaste standardvärde. För de brantare varianterna kan det vara lämpligt att parallell- och seriekoppla för att komma rätt.