TAD Revolution One / Part 2 - výhybka

Ze stavby reprosoustav se stala hodně komplexní disciplína – tedy pokud směřujete do horních pater high-endu. Jinak nejde o nic až tak náročného a postavit rozumně hrající reprosoustavu dokáže s trochou šikovnosti každý kutil. Chcete-li ale soutěžit s nejlepšími, nezbude než obětovat hodně času a peněz a naučit se orientovat v problematice, bez které se předchozí generace stavitelů obešly. V projektu TAD Revolution One jsme naštěstí mohli značnou část složitostí přeskočit – konstruktéři TAD za nás vyřešili ozvučnice, vybrali měniče a celé to dali dohromady, včetně zodpovědně navržené výhybky. Takže poté, co jsme vyladili neelektrickou část (přečtěte si předchozí díl této série), zaměřila se pozornost na elektrickou, která to všechno řídí.

TAD Revolution One / Part 1 – kabinety

TAD Revolution One / Part 2 – výhybka

TAD Revolution One / Part 3 – komponenty

TAD Revolution One / Part 4 – skříně a ladění

TAD Revolution One / Part 5 – finále

Zvuk mých TAD se mi vždy líbil, takže posunout jej dál – alespoň v mých představách – spočívalo v prostém nahrazení stávajících součástek lepšími. Prostě vyměníme vzduchové cívky za voskové a vyměníme stávající rezistory za kvalitnější, poladíme kondenzátory, zlepšení zaručeno a budeme si užívat muziku, nebo ne? Naneštěstí to není tak jednoduché. Aby se snížilo tepelné a rezonanční namáhání cívek, je nutné zvolit větší průřez; to sníží jejich odpor, takže je to potřeba kompenzovat jinde ve výhybce. Jiné rezistory zanechávají každý svůj zvukový otisk, takže je to potřeba kompenzovat jinde ve výhybce. Větší součástky znamenají méně místa pro ostatní, takže je potřeba se tomu přizpůsobit, pokud nechcete skončit s dvěma skříněmi velikosti lednice vedle reprosoustav. A tak dále, seznam má mnoho položek. Znamená to spoustu rozhodnutí, která je potřeba vyzkoušet a vyhodnotit. A samozřejmě jsou tu i posluchačské preference, které vyžadují určitý voicing, má-li vám přinášet muzika radost dlouhodobě. Voicingem mám na mysli přizpůsobení projevu reprosoustav na míru posluchači a určité místnosti. Tudíž přestavba výhybky pro účely referenční místnosti Audiodrom je diametrálně odlišný úkol od přestavby výhybky pro kohokoli jiného. Je to i odlišný úkol od toho, který měli před sebou konstruktéři TAD, kteří hledali zvukový kompromis pro různé posluchače a různé poslechové prostory a byli nuceni vejít se do určitého rozpočtu. Naštěstí jsem nebyl na celý projekt sám a podařilo se mi dostat do týmu šikovné experty. A začnu představením toho prvního.

Silent Laboratories

Tito kluci jsou, řečeno dnešní hantýrkou, něco jako start-up na reprosoustavy. Podobně jako dalších tisíc podobných, řeknete si. Dalších tisíc, které pohání nadšení a touha postavit něco, co bude hrát stejně nebo lépe než věhlasné značky, ale za méně. Nadšení a touha jsou ale jen malá část rovnice. Silent Laboratories od ostatních odlišuje pár drobností, které ve výsledku znamenají velký rozdíl.

Tak předně to celé nezačalo v truhlárně, ale ve výzkumných laboratořích aplikované fyziky pražského ČVUT. A v podobném duchu to pokračuje. Silent Laboratories se značnou neochotou přebírají audiofilské „pravdy“, pakliže nejsou zdůvodnitelné podloženou teorií nebo je nelze měřit. Jak bylo řečeno, stavba reprosoustav dnes vyžaduje umění pohybovat se napříč mnoha disciplínami a nestačí jen dláto, páječka a dobrá vůle. A tak si tihle kluci napsali sami třeba program, který dokáže simulovat komplexní chování rezonančních akustických systémů, aby mohli předvídat (s určitou dávkou pravděpodobnosti, neboť v hifi lze předvídat máloco) interakce jednotlivých prvků reprosoustav a nejen jich. To umožňuje vyhnout se metodám pokus/omyl, a hlavně v případě potřeby snadno upravovat jednotlivé parametry a hned vidět i slyšet jejich vliv na zvuk. Slabým místem výrobců bývá kompetentnost jejich dodavatelů, a tak se Silent Laboratories snaží dostat pod střechu většinu důležitých prací, jako 3-D modeling a frézování, tisk nebo dokonce i svařování. Orientace napříč vším možným je v jejich případě hodně důležitá, protože se specializují na zakázkové stavby, což je o dost náročnější než vyvíjet modely, které pak skončí ve studiích. Většina výrobců má nějakou prvotní myšlenku, od které odvodí rozhodnutí, jaké kabinety nebo měniče použít, a s postupem času svou modelovou řadu zdokonaluje v rámci zavedené šablony. Na rozdíl od toho musí Silent Laboratories vycházet z roztodivných přání svých zákazníků, takže musí umět pracovat s papírem, hliníkem, beryliem, diamantem či páskem v uzavřených i basreflexových ozvučnicích, nebo se případně pustit do něčeho zcela unikátního (jeden z takových projektů doufám brzy představíme). Zákazník má obvykle dost jasnou představu o povrchové úpravě, takže i tam se nabízí spousta stupňů volnosti, které je potřeba zvládnout. A na závěr přijde to nejdůležitější: doladění v daném poslechovém prostoru přesně dle požadavků. Která jiná zavedená značka vám něco takového nabídne?

Pokud chcete tohoto všeho zůstat ušetřeni, můžete si vybrat některou z jejich dokončených reprosoustav (například Silent Laboratories Molliter, který jsme už představovali) a nechat si jej přizpůsobit svým potřebám. Buďte připraveni na to, že ve všem, co kluci dělají, jsou dost fanatičtí a nenechávají náhodě sebemenší detail. Popravdě, dost často jsem musel zasáhnout a přinutit je, abychom se spokojili s prvním nebo druhým nejlepším řešením, protože vždy existuje celý vesmír dalších řešení, z nichž některá by mohla být i lepší, ale které prozkoumat by zabralo měsíce, ne-li roky.

A tak jedno ráno dorazil Jan Mixa ze Silent Laboratories vybaven měřící sadou do mé poslechové místnosti, kde během pár hodin provedl všemožná počáteční měření. Pro návrh výhybky pomocí simulačních softwarů je zásadní získat maximum dat o jednotlivých měničích i o ozvučnici samotné. Aby bylo možné eliminovat vliv odrazů v konkrétním místě v místnosti, byly měniče po jednom měřeny z několika vzdáleností a ve dvou různých místnostech.  Na konci dne odjel Honza s původními výhybkami a potřebnými daty, uloženými v laptopu, která byla následně zpracována a použita jako základ pro další práci. V první části tohoto příběhu jsem napsal, že TAD Evolution One jsou kompetentně postavené reprosoustavy a naše měření to potvrdila. Potěšující bylo, že se v zásadě nelišila od těch, která provedl John Atkinson pro Stereophile, i když ta naše byla pochopitelně mnohem podrobnější, zejména co se chování měničů týkalo. Pro informaci, takto to napsal JA ve Stereophile (kráceno):

Evolution One mají specifikovanou citlivost 88 dB / 2,83 V/m. Můj odhad byl o téměř 1 dB vyšší, 88,9 dB, což je užitečně nadprůměrná hodnota. Impedance zůstává pro většinu basových a středových frekvencí mezi 4 a 6 ohmy, přičemž na 27 Hz je vidět náročná [pro zesilovače] kombinace 5 ohmů a -50° elektrické fáze.

Propad impedance těsně nad 30 Hz naznačuje, že to je frekvence ladění velkého obdélníkového basreflexového portu. Oba basové měniče mají identickou odezvu a jejich kombinovaný výstup se při měření v blízkém poli dostává do minima na ostře definovaných 36 Hz. Výstup basreflexu (červená křivka) má své maximum mezi předpokládanými 25 a 50 Hz, a přestože je vidět i jeden menší peak okolo 150 Hz, je tento dobře utlumený a pod slyšitelným pásmem. Basové měniče jsou odfiltrovány vyšším řádem s přechodovou frekvencí na specifikovaných 250 Hz, kde nastupuje středový reproduktor, s poměrně strmým nástupem 24 dB/oktávu (výhybka 4. řádu). Pohybujeme-li se výše po frekvenční křivce, je odezva TAD Evolution One pozoruhodně rovná, s propady a špičkami v nejvyšších oktávách, které jsou důsledkem symetrického okolí, které vidí koaxiálně usazená výšková kalota.

Graf laterální disperze (s referencí na ose výškového měniče) ukazuje, že propady a špičky mají na nejvyšších frekvencích tendenci se směrem do stran vyhlazovat. Vyzařováni je jinak příkladně hladké, což vždy koreluje se stabilním a dobře definovaným zobrazením prostoru. Rozptylová charakteristika je rovnoměrná a příkladně pod kontrolou i ve vertikálním směru, zřejmá výhoda koaxiálního uspořádání středo-výškového systému.

V časové doméně impulsní odezva TAD v ose výškového měniče ukazuje, že všechny čtyři měniče jsou zapojené s pozitivní akustickou polaritou, kdy k mikrofonu nejprve dorazí výstup z výškového reproduktoru, následovaný nejprve středovým reproduktorem a pak basovými. Co je nejdůležitější, odeznění impulsu každého měniče hladce navazuje na začátek impulsu dalšího, což je dokladem optimálního návrhu výhybky […].

Jak říkám, už předtím si nebylo nač stěžovat. Každopádně při odmontovávání původních výhybek bylo jasné, že bude co zlepšovat.

Revize schématu

Moje představa byla, že Honza rozebere původní výhybku, vytvoříme její schéma (TAD Labs nám servisní manuál k tomuto modelu neposkytnul) a vezmeme ji jako základ. To se nestalo, protože Honza k tomu přistoupil hodně zodpovědně a prohlásil „Nechci se v návrhu nechat omezit tím, že někdo jiný původní variantu považoval za optimální.“  Navíc navrhovat výhybku pro koncentrické měniče je vždy něco speciálního. Koncentrické měniče mají nespornou výhodu v podobě simulace bodového zdroje zvuku, což přináší skvělé podání prostoru, ale protože je akustický střed tweeteru umístěn výrazně za akustickým středem středového měniče, je poměrně náročné oba měniče na sebe správně navázat. Měniče TAD jsou navíc z beryllia a hořčíku, tedy lehkých a tuhých metalických materiálu, které (stejně jako všechny ostatní tvrdé membrány) mají výrazné zkreslení v oblasti rezonančního kmitočtu. Takže došlo k několika simulacím, než vznikla „přijatelná spokojenost“ s výsledkem (čti výchozím bodem pro další práci). Teprve potom byla rozebrána a proměřena původní výhybka. Pro případné vlastníky TAD Evolution One je její schéma zde:

Silent Laboratories - proces návrhu slovy Jana Mixy

Andrew Jones a vývojový tým TAD řeší zmíněná specifika koncentriky a beryllia použitím filtrů s vysokou strmostí. Takovéto filtry umožňují efektivně potlačit rezonanční kmitočty a současně umožňují naladit zpoždění středového měniče tak, aby se zvuk dokonale spojil s tweeterem, což je pro dosažení kvalitního zvuku zcela zásadní. Nevýhodou filtrů s vysokou strmostí je především komplikovanost obvodů a velké množství potřebných součástek.

Cíl návrhu byl jednoduchý – zjednodušit topologii a přizpůsobit ladění konkrétnímu poslechovému prostoru a především požadavkům posluchače. V simulaci původní výhybky TAD, postavené na charakteristikách jednotlivých měničů naměřených přímo v poslechové místnosti (Obr.1- původní výhybka TAD Evolution One), je dobře patrný hezky vyrovnaný průběh basů v oblasti 80-230 Hz. Protože je ale frekvenční průběh basů vždy velmi závislý na akustických módech konkrétního poslechového prostoru, nelze naměřená data interpretovat jako univerzální. Dále je vidět mírné zvýraznění středového pásma. Simulovaná charakteristika odpovídá i poslechovým dojmům – bas je spíše decentní a středové pásmo skutečně proti zbytku lehce vystupuje, což přináší výbornou čitelnost hudebního dění. Způsobuje to ale i, že když vezmeme-li 1 kHz jako referenční bod pro ucho, je pásmo 2-8 kHz proti této referenci mírně potlačené. A to je oblast, kde je lidské ucho velice citlivé na jakékoli zkreslení, a kde se nachází další dělící kmitočet výhybky. Pokud nejsou měniče perfektně ve fázi (přerušované čáry v grafech přestavují fázi příslušných měničů, modrá fázi výslednou), nebo pokud jsou ve výhybce použity součástky nižší kvality, právě tato oblast bude nejvíce „tahat za uši“. Pokud se ale podaří výhybku navrhnout tak, aby na sebe měniče perfektně navazovaly, a navíc budou v nové výhybce použity součástky výrazně vyšší kvality, které přestanou vnášet svoje vlastní zkreslení, bude možné naladit tuto oblast do lepší rovnováhy se středovým pásmem, díky čemuž poskočí reprodukce na zcela jinou úroveň. 

Obr.1 – původní výhybka TAD Evolution One

Už první simulace ukázaly, že úplně jednoduché to ale v případě TAD nebude. Zásadní zjednodušení topologie se ukázalo jako výzva, protože koncentrický systém s fyzickým přesazením měničů bylo třeba fázově ladit v obvodech výhybky, a předem dané rezonance tuhých membrán měničů dávají jen velmi málo prostoru pro změnu dělících kmitočtů. Po mnoha hodinách práce s upravenými simulačními softwary a řadou průběžných testů jsme se dopracovali k návrhu číslo 14 (!), který splňoval požadavky na perfektní sfázování středo-výškové sekce a frekvenční poměry vyrovnává (Obr.2). Přestože je tato topologie velmi podobná původní výhybce, shodných součástek je minimum a veškeré filtry musely být kompletně přeladěny. Největších změn doznala basová sekce, která mohla být díky úpravě filtrů výrazně zjednodušena a přesto zachovává požadovanou strmost. V původní výhybce TAD je patrné poměrně výrazně odlišná fáze dvojice basových a středového měniče (v grafu viditelně nepřekrývající se tenké čáry v oblasti dělící frekvence basové a středové sekce). K řešení této fázové nekoherentnosti je nutné použít velmi specifické, zakázkově vyráběné součástky. Protože nebyly v té době ještě k dispozici, je ve verzi výhybky na obr. 2 stále patrné, že basové a středový měnič nejsou v dokonalé fázi. K poslechovým testům nám ale tato verze postačila a potvrdila, že se ubíráme správným směrem.

Obr.2

Během celého procesu jsme z uvažování vypustili problematiku zvlnění impedanční křivky. Tak jako tak nebylo v plánu používat podřadné zesilovače, a navíc jakékoli prvotní pokusy impedanční křivku kompenzovat vypadaly sice dobře v simulacích, ale na ucho dopadly negativně. Je to jeden z mála příkladů, kdy dobrý úmysl ne zcela koreloval s poslechem.

Souběžně s topologiemi jsme testovali i hardware, tedy cívky, kondenzátory a rezistory. O tom se více rozepíšu v dalším pokračování. Pro tento moment stačí poznamenat, že vybrané součástky a jejich hodnoty jsou přizpůsobeny přesně požadavkům projektu Revolution One. I v případě, že vlastníte Evolution One a chtěli byste udělat totéž, pravděpodobně skončíte s odlišnou výhybkou. Základ může být stejný, ale bude potřeba ji ladit jinak. Berte to jako vyzkoušený fakt.

Asi nejklíčovějším slovem celé přestavby se stalo sfázování. Dokonalé svázání měničů mělo přednost před vším ostatním, tady jsme se rozhodli k nulové toleranci kompromisů. Proč? Prostě proto, že jakékoli odchylky od dokonalosti byly zatraceně slyšet. Jediné, co musím zkousnout, je že TAD nemají uzavřenou ozvučnici a do basu promlouvá basreflex, kde o fázi nemá smysl mluvit. Na druhou stranu mezi 20-100 Hz do reprodukce stejně promlouvá modalita místnosti, takže nemělo smysl to příliš hrotit.

Voicing

V celkem nedávné minulosti bylo provedeno několik seriózních studií s cílem dát do korelace zvuk „preferovaný konstruktéry“ se zvukem „preferovaným posluchači“.  Jde zejména o materiál publikovaný Sean Olivem a kolektivem (Listener Preferences for In-Room Loudspeaker and Headphone Target Responses, Audio Engineering Society, 2013 convention paper) a návazně i Floyd E. Toolem (The Measurement and Calibration of Sound Reproducing Systems, Journal of the Audio Engineering Society, 2015). Preferované poslechové křivky se v obou případech výrazně odklání od rovné frekvenční charakteristiky. Zajímavé je že – zdá se - platí rovnice čím zkušenější posluchač, tím větší náklon předpokládané neutrálně rovné čáry, ale – a to je rovněž důležité – tím menší fluktuace okolo ní.

Popis grafu shora dolů:

• odezva preferovaná nezkušenými posluchači
• zprůměrovaná preference za celý vzorek posluchačů
• odezva preferovaná zkušenými posluchači
• modelovaná odezva kvalitních reprosoustav v typické místnosti. Šedá oblast je variace jsou vlivy různých typů místností.

Výše zmíněné studie se staly základním kamenem pro ekvalizační křivky systému Dirac (Harman), který ve své optimalizační křivce přidává nějakých +4 dB na basech pro lepší fyziologický efekt. V podstatě shodný voicing použil i Peter Lyngdorf ve svých Room Perfect zařízeních, jejichž jádro mj. licencuje McIntosh pro své korektory akustiky.

Brüel & Kjær (B&K) v roce 2017 aktualizoval vlastní standard pro sluchátka a poslal na trh nový 5128 měřící kit, který má vylepšené chování na spodku a vršku frekvenční charakteristiky (Pozn.: To jsou ta měřící torsa s lidskou hlavou, která se snaží napodobit vnímaní lidského sluchového orgánu, a tak nabírat relevantnější data pro nastavení audio komponentů, zejména sluchátek a reprosoustav). Níže uvedený graf je převzat z článku, publikovaného na Headphones.com.

Podle B&K je jakousi ideální křivkou opět poměrně významně nakloněná čára (tečkovaná linie na obrázku), a pokud uvážíme oblast rozptylu posluchačských preferencí od tohoto ideálu (šedě vyznačená zóna), dostaneme prakticky totožné závěry, ke kterým došli Olive a Toole. Co mi ale připadá nejzajímavější, je fakt, že podle zjištění B&K komentovali posluchači jakékoli vybočení z oblasti šedé zóny jako zvukově nepřirozené. To je dost zásadní, protože to nejen znamená, že určité zvlnění frekvenční charakteristiky je žádoucí, ale znamená to i, že zvlnění má své limity, které se nesmí přehnat. Je rovněž patrné, že jakousi virtuální osou, okolo které se dá křivka naklápět, jsou frekvence v rozmezí 200–250 Hz, což je oblast, ve které má většina reprosoustav nastavený dělící kmitočet výhybek.

Je jasné, že většina audiofilů miluje detail a určitou prezentnost středového pásma, ne nadarmo drtivá většina testovacích tracků zahrnuje ženský vokál, kde je to slyšet nejmarkantněji. Takže na rozdíl od výše uvedených křivek je snaha o zdvih právě v této oblasti, a to nejen od výrobců reprosoustav. Vizualizace níže je křivka, kterou použil label InAkustik pro mastering alba Knock Out 2000 (Charly Antolini), které se stalo jakýmsi audiofilským standardem pro masívní bas, brutální kopák a dynamicky nahrané činely.

Co si z toho všeho vzít? Veškerá výzkumy podložená data korelují a směřují ke stejným poslechovým křivkám. To neznamená, že takto musí být laděny samotné reprosoustavy, protože o útlum na vyšších oktávách se postará zařízení místnosti a basu přidají akustické módy. Nicméně, pokud je reprosoustava prominentnější na středech a bas má laděný víceméně do rovna, jako TAD Evolution One, tak při poslechu z menších vzdáleností (můj případ), je výsledkem plošší odezva, než by bylo ideální. Dodatečné tlumení místnosti to neřeší, nechcete-li přijít o přirozenost reprodukce, to už jsem si otestoval. Takže jedním z elegantních řešení je právě voicing reprosoustav, tedy voicing výhybky. Takže jsem si napřed vytvořil několik teoretických modelů na papíře, a pak je vyzkoušel pomocí jednoduchého multipásmového ekvalizéru Behringer i v praxi, tedy včetně příspěvku módů v místnosti. Fungovalo to skvěle.

Proto jsme se pro finální model výhybky TAD Revolution One rozhodli zapracovat jemný pokles směrem k vysokým kmitočtům přímo do návrhu výhybky. Opětovný velmi mírný zdvih v oblasti okolo 9-12    kHz je pak zodpovědný za ´vzduch´, takže vítaná věc.

Poté, co jsme se v závěru přestali držet katalogů dodavatelů a dosadili potřebné přesné hodnoty součástek do simulací, jsme získali především vyšší citlivost basové sekce a docílili perfektního navázání fáze zvuku mezi basovými a středovým měničem. Celá výhybka TAD Revolution One potom navíc dává požadovaný jemný sklon, a ve srovnání s původní výhybkou také výrazně zvyšuje citlivost celé reprosoustavy.

Obr. 3

Výše uvedená simulace se stala podkladem pro objednání všech potřebných komponent, z nichž skoro všechny byly vyráběny na zakázku. Ačkoli mi tehdy tento krok připadal jako konec cesty, hluboce jsem se mýlil. Z dnešního pohledu byl ´konečný´ návrh tak 30-40% progresem. Možná mě měl někdo varovat, že to nejtěžší teprve přijde.

Pokračování příště...

Užitečné kontakty:

Silent Laboratories – Jan Mixa, +420 777 772 642

TAD Revolution One / Part 1 – kabinety

TAD Revolution One / Part 2 – výhybka

TAD Revolution One / Part 3 – komponenty

TAD Revolution One / Part 4 – skříně a ladění

TAD Revolution One / Part 5 – finále

(C) Audiodrom 2024