Limiter. Głośnikowy „bodyguard”

Bardzo często umieszcza się limiter – dawniej w formie osobnego urządzenia, obecnie raczej jako jeden ze „składników” procesorów głośnikowych – tuż przed wzmacniaczem, w celu zapobieżenia jego przesterowaniu.

Zastosowanie limitera do tego celu jest niewątpliwe dobrym posunięciem, jednak urządzenie to może nam również pomóc „wycisnąć” nieco więcej z głośnika niskotonowego, utrzymując jednocześnie jego pracę w zakresie bezpiecznych dla niego wychyleń membrany. Na początek może mała „powtórka z historii”, czyli

CZYM JEST LIMITER

Limiter jest specyficzną odmianą kompresora, a w zasadzie JEST kompresorem, ale o ustalonej wartości współczynnika kompresji (ratio), wynoszącej teoretycznie ∞:1, a praktycznie – „bardzo dużo”:1. Charakterystykę wejścia-wyjścia limitera przedstawia rysunek 1. W najprostszej wersji w limiterze mamy tylko jedną gałkę – fizyczną, czy też wirtualną, jeśli jest to limiter software’owy – czyli jeden parametr do regulacji, a mianowicie próg zadziałania (dokładnie tak, jak w kompresorze). W bardziej rozbudowanej wersji możemy też zmieniać parametry czasowe – ataku i podtrzymania. W zależności od efektów, jakie chcemy uzyskać czas ten powinien być różny. W przypadku pracy z limiterami jako zabezpieczeniem głośników stosujemy przeważnie jeden z dwóch trybów pracy. Pierwszy, z wysokim progiem, ale krótkim czasem zadziałania, zabezpiecza przetworniki przed sygnałami transjentowymi, mogącymi mechanicznie uszkodzić zawieszenie membrany przy zbyt dużym wychyleniu. Drugi, z niższym progiem i dłuższym czasem narastania oraz zanikania, ma za zadanie zabezpieczyć głośniki przed uszkodzeniem w wyniku przegrzania.

Nas będzie w tym artykule interesował pierwszy z tych dwóch przypadków. Przejdźmy do konkretów.

OGRANICZENIA GŁOŚNIKA

Interesujący nas przypadek – ograniczenia wychyleń membrany – wynika właśnie z…ograniczeń w wychyleniu membrany. Po pierwsze cewka nawinięta na karkasie połączonym z membraną powinna poruszać się tylko w takim zakresie, aby znajdowała się cały czas w polu magnetycznym wytworzonym przez nabiegunnik układu magnetycznego głośnika – a konkretnie w tym obszarze, gdzie pole to jest najsilniejsze i równomierne. Dzięki temu sygnał będzie przetwarzany możliwe jak najbardziej liniowo, bez zniekształceń nielinearnych. To pierwsze ograniczenie wychylenia membrany.

Drugie bierze się z fizycznych „możliwości” zawieszeń membrany – jeśli będziemy za bardzo je naciągać, po prostu się urwą (jedno albo oba, tzn. górne – na brzegu membrany – i dolne, w okolicy cewki). To maksymalne wychylenie membrany – a brane będzie pod uwagę z tych dwóch to, które ma mniejszą wartość – określane jest jako X_max i podawane w specyfikacji głośnika. Znając ten parametr dla danego głośnika oraz charakterystykę wychylenia membrany w funkcji częstotliwości w danej obudowie, możemy wykorzystać limiter do ochrony głośnika przed nadmiernymi wychyleniami jego układu membrana-cewka.

Niestety, o ile X_max głośnika możemy w sumie bez trudu wyszperać w specyfikacji (o ile producent danego zestawu stosuje standardowe głośniki, których parametry można znaleźć np. na jego stronie internetowej, a nie przetworniki „no name”), o tyle z tym drugim – charakterystyką wychylenia membrany głośnika, i to jeszcze w konkretnej obudowie – już nie jest tak łatwo. W zasadzie trzeba by sobie taką charakterystykę zmierzyć samemu, za pomocą akcelerometru, co dla „przeciętnego Kowalskiego” jest niewykonalne. Po co więc w ogóle o tym pisać? Ano po to, żeby – po pierwsze – zobaczyć, jak to się robi (jak to robią producenci zestawów głośnikowych, oferujący gotowe presety do procesorów głośnikowych, i że parametry limiterów nie biorą ot tak, z powietrza), a po drugie – może ktoś, mając takie możliwości, spróbuje sam tej metody, choćby dla własnej „przyjemności”, tudzież pogłębienia własnej wiedzy. Ponadto artykuł ten pomoże też zrozumieć zachowanie głośnika w zakresie najniższych częstotliwości i jak ważne jest ograniczenie jego wychyleń w tym paśmie, czy to za pomocą opisanej metody (albo ogólnie poprzez umiejętne zastosowanie limitera), czy choćby przez zaaplikowanie filtru górnoprzepustowego. A więc

DO RZECZY

Znakomita większość głośników niskotonowych charakteryzuje się zwiększaniem wychylenia membrany wraz ze zmniejszaniem częstotliwości. To pozwala uzyskać względnie płaski przebieg charakterystyki amplitudowej przetwornika, a więc stały poziom ciśnienia akustycznego (SPL), aż do jego dolnej częstotliwości granicznej. Poniżej tego punktu SPL zaczyna maleć (charakterystyka dość szybko opada), jednak wychylenia membrany głośnika wciąż rosną. Na rysunku 2 widzimy przebieg charakterystyki wychylenia membrany, w funkcji częstotliwości, 15-calowgo głośnika w obudowie bass-reflex. Pomiar wychylenia membrany dokonany był przy zasilaniu głośnika sygnałem sinusoidalnym o stałej wartości napięcia 4 V_rms (5,66 V_peak – czyli napięcia szczytowego, pamiętamy bowiem, że dla sygnału sinusoidalnego wartość szczytowa napięcia jest 1,41 razy większa od wartości RMS). Zagłębienie na charakterystyce w okolicy 54 Hz wynika z własności obudowy bass-reflex – w zakresie częstotliwości, na który nastrojony jest otwór bass-refleksowy obudowy wychylenie membrany głośnika maleje, osiągając najmniejszą wartość przy częstotliwości rezonansu obudowy.

Jeśli mamy do czynienia z systemami liniowymi, wychylenie membrany przetwornika takiegoż systemu głośnikowego jest proporcjonalne do napięcia wejściowego – dzięki temu charakterystyka ta może być skalowalna, tzn. przesuwana w górę i w dół na skali pionowej, adekwatnie do zwiększania lub zmniejszania napięcia na wejściu głośnika. Oczywiście do pewnego momentu. Przy zbyt dużych wartościach tego napięcia wejdziemy w zakres nielinearności systemu, spowodowany z jednej strony kompresją sygnału, wynikającą z nagrzewania się cewki, a z drugiej ograniczeniami wychyleń membrany (wspomniane wcześniej przekroczenie zakresu ruchu cewki w jednorodnym polu magnetycznym, jak i maksymalnego zakresu ugięcia resorów membrany). Pierwsze zjawisko jest uzależnione od wartości RMS napięcia sygnału wejściowego, podczas gdy drugie jest związane z wartością napięcia szczytowego.

Wróćmy do skalowalności wykresu – i tu mały przykład. Możemy odczytać z wykresu na rysunku 2, że dla 100 Hz wychylenie membrany wynosi 0,28 mm – pamiętamy, że sygnał „napędowy” miał wartość szczytową napięcia 5,66 V. Jeśli teraz zwiększymy napięcie dwukrotnie, tak iż osiągnie wartość 11,31 V, możemy spodziewać się również dwa razy większego wychylenia membrany, tj. 0,56 mm.

Głośnik, którego charakterystyka przedstawiona jest na rysunku 2, charakteryzuje się maksymalnym wychyleniem membrany X_max równym 5 mm. Tak naprawdę można przyjąć, że przekroczenie tego zakresu o 15-20% nie jest ani groźne dla głośnika, ani zbytnio słyszalne w postaci zniekształceń nieliniowych sygnału. Dopiero powyżej 20% zniekształcenia zaczną być słyszalne. Jeśli przeskalujemy sobie nasz wykres, mierzony – przypomnijmy – przy zasilaniu napięciem 4 V_rms (5,66 V_peak) razy 5 (rysunek 3), zauważymy, że wychylenie 5 mm zostanie osiągnięte przy częstotliwości około 21 Hz, przy napięciu szczytowym 28,3 V (5,66 · 5 = 28,3). Jeśli przyjmiemy, że sygnał, którym zazwyczaj zasilamy głośnik – czyli muzyka – charakteryzuje się współczynnikiem szczytu (Crest Factor, czyli stosunek wartości szczytowej sygnału do wartości RMS) w okolicy 12 dB (czyli 4:1), wartości szczytowej napięcia 28,3 V odpowiadać będzie wartość RMS równa 7,1 V. Żeby przemówiło to do nas bardziej, przeliczmy to na wartość mocy, jaką dostarczamy wtedy do obciążenia o impedancji – załóżmy – 8 omów.

28,3 V to wartość napięcia sygnału, które będzie już zaczynał przesterowywać wzmacniacz o mocy 50 W (dla 8 omów). Jednak z uwagi na 12-decybelowy współczynnik szczytu wzmacniacz tak naprawdę będzie dostarczał do obciążenia 8-omowego raptem tylko 6,25 W „prawdziwej” mocy! Słabo, prawda? Co możemy zrobić?

OGRANICZAMY

Nie pozostaje nam nic innego, jak ograniczyć te największe wychylenia głośnika w zakresie najniższych częstotliwości, i pierwsze, co przechodzi nam na myśl, to zastosowanie filtru górnoprzepustowego – biorąc pod uwagę, że mamy głośnik 15-calowy, a więc trudno nam się raczej spodziewać, że będzie on grał „pełną parą” przy 20, czy nawet 40 Hz. „Zapodajemy” więc filtr górnoprzepustowy Butterwortha drugiego stopnia (o nachyleniu 12 dB/okt) i częstotliwości 40 Hz. W rezultacie uzyskamy charakterystykę wychylenia membrany taką, jak na rysunku 4 (kolor niebieski). Maksymalne wychylenie membrany wystąpi wtedy przy częstotliwości 36 Hz i będzie wynosiło 0,45 mm, przy zasilaniu głośnika sygnałem o napięciu szczytowym 5,66 V. Przeskalowując odpowiednio wykres, X_max równy 5 mm przy częstotliwości 36 Hz będzie wtedy, gdy napięciu szczytowe będzie miało wartość 62,9 V. Przekładając to na moc – sygnał o takim napięciu szczytowym będzie na granicy przesteru wzmacniacza o mocy 250 W. Biorąc zaś pod uwagę Crest Factor równy 12 dB, napięcie RMS wyniesie 15,7 V, a to oznacza, że przy obciążeniu 8 omów uzyskamy 31 W mocy RMS. Jest lepiej (niż poprzednie 6 watów „z groszem”), ale w dalszym ciągu „d… nie urywa”, mówiąc kolokwialnie.

Gdybyśmy chcieli jeszcze bardziej ograniczyć wychylenie membrany, tak aby w zakresie częstotliwości poniżej rezonansu był on nie większy niż największe wychylenie powyżej rezonansu (które, odczytując z wykresu 1, wypada w okolicy 70 Hz), musielibyśmy zastosować filtr górnoprzepustowy drugiego rzędu o częstotliwości 50 Hz. W przypadku pełnopasmowego systemu to trochę za wysoko i zbyt dużo niskich, użytecznych częstotliwości będziemy niepotrzebnie tłumić. Poza tym każdy filtr (oprócz FIR – jednak dla tak niskich częstotliwości filtr FIR jest mocno „latencjożerny”) wprowadza przesunięcie fazy (i opóźnienie grupowe), czego – dla uzyskania jak najbardziej płaskiej charakterystyki fazowej – lepiej unikać.

WRACAMY DO LIMITERA

Korzystając z limitera możemy rozwiązać problem nadmiernych wychyleń membrany w zakresie najniższych częstotliwości, bez konieczności stosowania filtru górnoprzepustowego (lub też z filtrem o niskiej częstotliwości odcięcia). Jednak aby tego dokonać, nie możemy zastosować limitera, który będzie redukował sygnał dla jednej, konkretnej wartości poziomu sygnału wejściowego. Redukcja poziomu sygnału musi być progresywnie większa, schodząc coraz niżej z częstotliwością. W idealnym przypadku powinniśmy uzyskać płaską charakterystykę wychyleń membrany poniżej pewnej wartości częstotliwości, powiedzmy 48 Hz. Aby to uzyskać, musimy w tym zakresie podbić sygnał sterujący limiterem (side chain).

SIDE CHAIN

Wróćmy jeszcze na chwilę do tego, jak działa limiter, a konkretnie co to takiego jest ów „side chain”. Side chain to moduł odpowiedzialny za sterowanie pracą limitera w taki sposób, aby sygnał na jego wyjściu nie przekroczył założonego poziomu. Musi on więc na bieżąco kontrolować wartość sygnału na wejściu urządzenia, a w razie przekroczenia założonego progu „obliczyć” o ile poziom wejściowy musi być zredukowany, aby na wyjściu nie przekraczał owego progu. Wygląda to mniej więcej tak, jak na rysunku 5. Limiterem można też sterować z zewnątrz, podając na niego sygnał inny niż wejściowy – jeśli jest on wyposażony w takie wejście, zwane wejście kluczującym (key input).

BIERZEMY SIĘ ZA ROBOTĘ

Jak więc uzyskać taki limiter, który będzie pracował „w takt” zmian nie sygnału wejściowego, ale adekwatnie do zmian wychylenia membrany głośnika? Nie jest to sprawa prosta – o czym wspominałem na początku – bo potrzebna jest do tego choćby wiedza na temat jak duże są te wychylenia, a więc dokładna charakterystyka wychyleń membrany w funkcji częstotliwości (jak ta z rysunku 1). Nawet mając te dane, które raczej ciężko znaleźć nawet w rozbudowanej specyfikacji głośnika, zaprojektowanie takiego limitera nie będzie łatwe. Ale spróbujmy prześledzić, jak to powinno wyglądać.

Wybierzmy dla naszego głośnika 500-watowy wzmacniacz (dla obciążenia 8 omów). Szyna zasilająca końcówkę mocy takiego wzmacniacza będzie miała napięcie 89,4 V, a więc dla naszego sygnału o współczynniku szczytu 12 dB napięcie RMS będzie miało wartość 22,4 V. Aby w pełni wysterować nasz wzmacniacz (czyli uzyskać na wyjściu sygnał o napięciu szczytowym 89,4 V), potrzebujemy podać na wejście sygnał o napięciu RMS równym 2 V (2,83 V_peak). Z kolei chcąc zabezpieczyć nasz wzmacniacz przed przesterowaniem, musimy ustawić na limiterze (szczytowym) wartość progu +9 dBV, co odpowiada napięciu 2,83 V. Jeśli napięcie szczytowe na wyjściu wzmacniacza będzie miało wartość 89,4 V, przebieg charakterystyki wychylenia membrany będzie wyglądał mniej więcej tak, jak na rysunku 6. Widzimy, że 5-milimetrową górną granicę wychylenia membrany będziemy mieć przekroczoną poniżej 45 Hz oraz między 62-88 Hz. Oznacza to, iż aby nasz limiter w tych zakresach „sprowadził” nam sygnał wyjściowy do takiej wartości, aby wychylenie nie przekroczyło owych 5 mm, musimy odpowiednio zwiększyć poziom sygnału sterującego, trafiającego na wejście side chain. Limiter ograniczy wtedy dodatkowo sygnał, ale tylko w tych zakresach, nie wpływając w żaden sposób na sygnał poza nimi (oczywiście zakładając, że sygnał nie przekroczy progu +9 dBV).

Aby to osiągnąć, musimy sygnał trafiający na wejście side chain odpowiednio ukształtować, tak jak na rysunku 7 (linia czerwona – oś pionowa jest tutaj wyskalowana w dBV). W tym celu musimy go przepuścić przez dość skomplikowany układ, którego schemat blokowy przedstawia rysunek 8. Zastosowano tu filtry dolnoprzepustowy drugiego rzędu i mikser, filtr półkowy pierwszego rzędu oraz 3-pasmowy korektor parametryczny. Filtry te podnoszą poziom sygnału w odpowiednich pasmach, adekwatnie do wychylenia membrany w tych zakresach częstotliwości.

Jak widać na rysunku 7 – gdzie wartości +9 dBV odpowiada wychylenie membrany równe 5 mm – wszystko to, co znajduje się powyżej +9 dBV musi być „ściągnięte” do tej wartości poziomu sygnału. Sygnał wejściowy, po przejściu przez układ z rysunku 8, trafia na wejście side chain i tak steruje limiterem, który z kolei ogranicza sygnał trafiający do wzmacniacza, a następnie głośnika, iż wynikowo uzyskujemy charakterystykę wychylenia jego membrany, jak przedstawiono na rysunku 9 (linia niebieska – limiter wyłączony, linia czerwona – limiter aktywny). Jak widać, przy włączonym limiterze wychylenie membrany nie przekracza 5 milimetrów, oprócz wąskiego zakresu w okolicy 80 Hz (wynika to z faktu, że filtr kształtujący sygnał side chain nie odwzoruje idealnie przebiegu charakterystyki wychylenia membrany w tych pasmach, gdzie przekracza ono 5 mm).

Taki zabieg pozwala bez stresu i bez strachu o całość głośnika zastosować wzmacniacz 500-watowy, podczas gdy – jak pamiętamy – zastosowanie filtru górnoprzepustowego o częstotliwości 40 Hz daje nam możliwość zasilenia głośnika (bez obawy o jego wytrzymałość) sygnałem ze wzmacniacza o mocy 250 W, a nie przedsięwzięcie żadnych kroków ograniczających nadmierne wychylenie membrany w zakresie niskich częstotliwości nie pozwoli użyć większej końcówki mocy, niż 50-watowej! Różnica, jak widać jest kolosalna.

Można też nieco uprościć kwestie filtracji sygnału side chain tak dobierając moc wzmacniacza, aby ominąć konieczność podbijania pasma 62-88 Hz, tzn. dobrać napięcie sygnału tak, aby maksymalne wychylenie 5 mm uzyskać dla maksimum charakterystyki za rezonansem (tj. w okolicy 70 Hz) i zająć się tylko pasmem poniżej 46 Hz. W takim przypadku maksymalne napięcie szczytowe, jak będziemy mogli podać na głośnik, wynosi 74,5 V (18,6 V_rms), co oznacza możliwość zastosowania wzmacniacza o mocy maksymalnie 348 W (zaokrąglając – 350 W). Tak więc coś za coś.

Zastosowanie limitera o odpowiednio ukształtowanym sygnale side chain zamiast zwykłego filtru górnoprzepustowego, dla zabezpieczenie głośnika przed nadmiernymi wychyleniami membrany, ma jeszcze tę zaletę, że można zastosować korekcję polegającą na lekkim podbiciu basu. Po co? Ano po to, że przy płaskiej charakterystyce przenoszenia systemu przy niższych poziomach odsłuchu tego basu będzie relatywnie mniej – pamiętamy krzywe jednakowej głośności (przy większych poziomach sygnału są one bardziej płaskie, przy mniejszych, aby zachować równowagę między środkiem pasma a zakresem wysokich i niskich częstotliwości, muszą one mieć odpowiednio wyższy poziom)? Dzięki temu przy mocnym graniu limiter nie dopuści do przekroczenia zakresu maksymalnego wychylenia membrany głośnika lub przesterowania wzmacniacza (z powodu zwiększonego poziomu sygnału, wynikającego z podbicia basu), zaś przy niższych słyszalność basu będzie lepsza, co poprawi komfort odsłuchu.

WNIOSKI

Niestety pierwszy wniosek, który się od razu nasuwa, to taki, że „wszystko fajnie, tylko co z tego, skoro i tak tego nie zastosuję w praktyce”. To niestety w dużej mierze racja, bowiem żeby chociaż spróbować „poćwiczyć” ten patent, musimy dysponować albo charakterystyką wychylenia membrany głośnika w funkcji częstotliwości (czego próżno raczej szukać w materiałach producenta), albo sprzętem do pomiaru tegoż wychylenia (czego z kolei próżno szukać w zasobach przeciętnej firmy nagłośnieniowej, nie mówiąc już o domowych warsztatach). Jednak z drugiej strony lektura tego artykułu pokazała (na konkretnym przykładzie), co dzieje się z głośnikiem w zakresie „głębokiego” basu i częstotliwości podakustycznych, i jak ważne jest zabezpieczenie przetwornika przed pracą w tym paśmie – choćby najprostszą metodą, czyli filtrem górnoprzepustowym. Zwłaszcza że w zakresie tym i tak „machanie” membraną przez większość głośników 12- i 15-calowych jest zupełnie bezcelowe, a może być dla nich po prostu szkodliwe.

Ostatni wniosek to taki, iż chwalenie się przez producentów tym, że jakiś głośnik ma duży zakres wychyleń membrany nie jest taką czczą, z niczym nie powiązaną przechwałką – głośnik taki pozwala „zejść” z częstotliwością jego pracy naprawdę nisko, bez szkody dla niego samego. A przecież w sumie o to właśnie chodzi w przypadku głośników niskotonowych!

Armand Szary

---

Artykuł powstał na podstawie materiałów SynAudCon, czyli Synergetic Audio Concepts, autorstwa Charliego Hughesa