Mengungkap mitos sebuah alat sound system yang seringkali diabaikan, yang dapat dipakai untuk mendapatkan respon fase yang lebih linear.
Kita tentunya sudah tidak asing lagi dengan fitur yang namanya saringan low-pass dan high-pass filter.
Seperti penyebutan namanya, kedua saringan memperbolehkan satu bagian spektrum audio untuk lewat sementara mencegah bagian yang lainnya. Pada dasarnya, keduanya adalah dasar dari titik persilangan pengeras suara.
Setiap filter analog mengakibatkan pergeseran fase yang terkait dengan perubahan magnitudo keluaran dari filter filter tersebut.
Contohnya dapat dilihat dari gambar 1 yang diperlihatkan oleh filter Linkwitz-Riley perintah ke 4. Jika kita menambahkan filter filter ini ke saluran keluaran bersama sama, intinya menggabungkan mereka dengan mixer yang dorongan gainnya pada posisi unity, kita akan mendapatkan respon seperti gambar 2.
Disini kita bisa melihat kalau respon magnitudo rata sempurna; ia melewati semua porsi dari spektrum audio, sesuai dengan namanya all pass.
Namun, respon fase tidaklah rata. Terjadi pergeseran fase yang terkait dengan perilaku saringan all pass ini.
Pergeseran fase ini akibat dari kontribusi saringan low pass dan high pass filter yang tergabung (tercampur). Tentunya ada cara cara lain untuk membangun all-pass filter.
Gambar 1 – Respon magnitudo dan fase dari low-pass dan high-pass filter Linkwitz-Riley perintah ke 4 (Catatan : hanya satu kurva respon fase yang terlihat karena keduanya identik) (click to enlarge)
Mereka dapat dijelaskan secara matematis, sama seperti low-pass dan high-pass filter. Mereka dapat menjadi perintah yang berbeda (contoh, pertana, kedua, ketiga dst.) dan mempunyai penyelarasan yang spesifik (Butterworth, Bessel, Linkwitz-Riley, dll.).
Penyelarasan ini bukan ditentukan oleh bentuk dari respon magnitudo pada sudut frekuensi dari filter all pass, seperti yang biasanya kita pikirkan tentang low-pass dan high-pass filter, namun oleh bentuk dari respon fasenya pada sudut frekuensi. Penyelarasan saringan low-pass dan high-pass filter juga dapat ditetapkan dengan cara ini.
Satu perbedaan yang perlu diingat tentang all pass filter adalah untuk setiap perintah maka akan terjadi pergeseran fase penuh 180 derajat. Low pass dan high pass filter hanya membuat 90 derajat dari total pergeseran fase untuk setiap perintahnya. Pentingnya perbedaan ini akan menjadi jelas nanti.
Gambar 2 – Respon magnitudo dan fase dari penjumlahan low-pass dan high-pass filter Linkwitz-Riley perintah ke 4 dari Gambar 1 (click to enlarge)
Sekarang kita sudah mempunyai pemahaman dasar tentang sebuah saringan all-pass filter, kini kita lanjut ke bagaimana caranya memanfaatkan fitur ini. Anggaplah kita mempunyai sebuah sistem pengeras suara dua arah yang terdiri dari sebuah corong frekuensi tinggi dan woofer 12 inci ganda seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3.
Corongnya diletakkan di bagian atas kotak kabinet. Satu woofer dibawah corong. Woofer yang kedua dibawah yang pertama. Ini adalah konfigurasi yang tipikal.
Untuk menyederhanakan, kita akan memodelkan komponen komponen ini sebagai point source. Ini akan memudahkan kita untuk melihat anomali dalam respon direktivitas dari sistem ketika nmasing masing sumber digabungkan.
Gambar 3 – Contoh speaker sound system 2 arah 12 inci ganda (click to enlarge)
Simetri horisontal dari contoh pengeras suara kita tidak akan menimbulkan sesuatu yang luar biasa didalam bidang horisontal. Tapi pada bidang vertikalnya akan memperlihatkan perilaku yang menarik.
Semenjak semua hal hal yang baik akan terjadi didalam bidang vertikal, maka kita akan memberikan perhatian utama pada peta arah direktivitas vertikal dan beberapa plot kutub.
Hal yang menyenangkan dari peta direktivitas adalah ia memungkinkan kita untuk dapat melihat level tingkat relatif pada beberapa sudut radiasi yang berbeda dari semua frekuensi pada saat yang sama, dimana plot kutub hanya memungkinkan kita untuk melihat level relatif dari sudut radias pada satu frekuensi yang dipilih.
Idealnya, kita seharusnya mendapati level yang sama pada semua frekuensi dan pada semua sudut sejak yang kita pakai adalah pengeras suara point source (yang tidak mempunyai direktivitas inheren).
Ini bukanlah hal yang sedang kita hadapi oleh karena sumber sumber kita yang terbagi secara vertikal.
Secara kebetulan, semua dari pemodelan dijalankan dan kebanyakan dari gambar dihasilkan dengan software SpeakerLab/GLL dari AFMG. Ia memungkinkan beberapa pekerjaan investigasi dan optimisasi yang sangat bagus untuk dibuat dan ditampilkan.
Kita mempunyai sumber buku yang ideal jadi kita akan memakai saringan low-pass dan high-pass filter Linkwitz-Riley perintah ke 4 dengan sudut frekuensi 1 kHz untuk titik persilangannya.
Penjumlahan didalam sumbu on-axis dari sumber pada bidang jauh dengan filter ini ditampilkan pada Gambar 4. Ini tepat seperti apa yang kita harapkan. Level frekuensi rendah +6 dB dibanding dengan frekuensi tinggi dengan perpindahan transisi yang halus didalam wilayah titik persilangan.
Perubahan level ini disebabkan oleh dua woofer berbanding dengan satu corong ( speaker point source yang digunakan masing masingnya mempunyai keluaran yang identik).
Gambar 4 – Magnitudo dan respon fase didalam sumbu on-axis dari contoh sistem pengeras suara dengan titik persilangan 1 kHz Linkwitz-Riley (click to enlarge)
Kita juga mendapati pergeseran fase penuh 360 derajat yang disebabkab oleh filter perintah ke 4. Kita mendapatkan pergeseran fase 90 derajat untuk setiap perintah filter.
Jika kita melihat respon diluar sumbu off-axis yang diperlihatkan pada Gambar 5, tampak kalau perilakunya tidak begitu bagus. Terdapat pembatalan off axis yang cukup serius mulai dari 500 Hz naik sampai ke wilayah titik persilangan.
Gambar 5 – Peta direktivitas vertikal dari contoh sistem pengeras suara dengan titik persilangan Linkwitz-Riley 1 kHz (click to enlarge)
Peta direktivitas mempunyai frekuensi yang diplot pada satu sumbu dan sudut radiasi vertikal pada sumbu lainnya. Tingkat level keluaran diperlihatkan sebagai variasi warna dan elevasi diatas bidang sudut radiasi frekuensi.
Semua dari data respon sumbu off-axis dinormalisasikan ke respon sumbu on-axis. Sepotong dari permukaan ini pada frekuensi tertentu akan menghasilkan respon kutub pada frekuensi tersebut.
Sama seperti itu, sepotong dari sudut radiasi akan menghasilkan respon frekuensi pada sudut tersebut relatif terhadap respon sumbu on-axis.
Gambar 6 – Plot kutub vertikal dari contoh sistem speaker dengan titik persilangan Linkwitz-Riley 1 kHz (click to enlarge)
Sebagai rujukan, plot kutub pada 500 Hz dan 1 kHz ditampilkan pada Gambar 6. Vermati ruang kosong yang dalam pada +90 derajat dan -90 derajat (menukik lurus keatas dan kebawah ) didalam kutub 500 Hz dan depresi turunan yang sama dalam peta direktivitas (-20 dB wilayah hijau).
Dan juga, pada 1 kHz tingkat level jatuh dengan cepat pada sudut sumbu off-axis, naik sedikit, lalu jatuh lagi dan lalu kembali naik ke level penuh. Ini dapat dilihat didalam riakan dari peta direktivitas. Bandingkan ini dengan plot kutub 1 kHz.
Penyebab gangguan perusakan (pembatalan) dan konstruktif (tambahan) adalah karena beberapa sumber yang lokasinya berbeda itu berradiasi didalam wilayah frekuensi yang sama. Pada titik persilangan (1 kHz) dimana ketiga komponen perangkat ini aktif bekerja.
Pembagian sumber terbesar adalah antara corong dan woofer bawah, dengan jarak 26 inci. Ini hampir 2 kali panjang gelombang pada 1 kHz.
Jarak antara corong dan woofer atas adalah 13 inci, sama dengan jarak antara kedua woofer. Ini hampir satu panjang gelombang pada 1 kHz. Inilah alasan mengapa terdapat penjumlahan yang bagus diatas dan dibawah (+90 derajat dan -90 derajat ) pengeras suara.
Jarak 13 inci antara komponen woofer adalah penyebab penurunan tingkat keluaran diatas dan dibawah pengeras suara pada frekuensi 500 Hz. Jarak ini hampir setengah kali panjang gelombang pada frekuensi ini.
Untuk meminimalisir malasah direktivitas ini kita perlu mengurangi faktor gangguannya. Ini artinya membungkam satu sumber suara agar hanya satu yang aktif bekerja didalam wilayah frekuensi yang dimaksud.
Kita bisa menerapkan ini ke bagian woofer dengan cara meletakkan low-pass filter lainnya pada woofer yang bawah (tambahan untuk low-pass filter 1 kHz yang sudah ada, yang dipakai untuk titik persilangan).
Kita akan memakai low-pass filter Butterworth perintah ke 2 pada 300 Hz untuk menggulung keluaran frekuensi yang lebih tinggi dari woofer bawah.
Gambar 7 – Peta direktivitas vertikal dari contoh sistem speaker dengan titik persilangan 1 kHz Linkwitz-Riley dan filter LP perintah ke 2 pada 300 Hz pada woofer bawah (click to enlarge)
Efek terhadap direktivitas vertikal ditampilkan pada Gambar 7.
Dua pembatalan sumbu off-axis (depressi) disekitar 1 kHz adalah karena titik persilangan di wilayah ini antara woofer atas dan bawah dan corong. Satu satunya cara untuk menghilangkan pembatalan ini adalah dengan menghilangkan jarak antara woofer atas dan corong.
Gagasannya adalah agar keduanya mengambil titik yang sama didalam ruang, yang jelas tidak mungkin. Menyusunnya secara koaksial tidak menghilangkan pembatalannya, tapi akan merubah derajat dimana pembatalan itu terjadi.
Kita juga mendapati sesuatu yang aneh. Didalam wilayah 155-500 Hz dari peta direktivitas menjadi tidak simetris. Ada area besar pembatalan diatas pengeras suara.
Gambar 8 – Plot kutub vertikal dari contoh sistem pengeras suara dengantitik persilangan 1 kHz Linkwitz-Riley dan filter LP perintah ke 2 300 Hz pada woofer bawah (click to enlarge)
Ini juga ditunjukkan didalam plot kutub dari Gambar 8. Cermati kalau keluarannya lebih besar dibagian bawah speaker ketimbang sumbu on-axis.
Beberapa dari kalian mungkin berpikir, “Ahh gak apa apa, malah bagus kalau lebih kencang kebawah. Lagian speakernya digantung.”
Ini ada benarnya, inilah alasan mengapa speaker yang digantung biasanya ditundukkan kebawah dan diarahkan ke posisi kuping pendengar. “Lobus yang mengarah ke bawah ” tetap mengarah bersama sumbu vertikal dari badan kabinet. Ketika ditundukkan, sumbu axis biasanya mengarah ke area panggung.
Sudah mulai melihat masalahnya ?
Berapa banyak kabinet speaker line array yang ada di pasaran yang memiliki woofer ganda atau penggerak rentang menengah yang diletakkan disisi yang berseberangan dari kotak kabinet?
Masalah direktivitas yang sama ini juga menjangkiti kabinet sound system line array, namun karena komponen penggeraknya diberi jarak secara horisontal maka permasalahannya akan timbul pada bidang horisontal, bukan vertikal.
Tentunya kita tidak ingin mencoba mencakup sebuah area pendengar dengan sebuah sound system yang terdampak oleh asimetri bidang horisontal yang mengeluarkan hanya sebagian dari pita frekuensi penuhnya. Asimetri dari respon direktivitas bukan disebabkan oleh salah satu woofer yang berbunyi lebih kencang dari yang satunya.
Woofer bawah adalah bagian yang sudah diatenuasi dan lobus utama mengarah kebawah, bukan keatas. Lobus ini dan asimetrinya disebabkan oleh pergeseran fase yang muncul karena penambahan low-pass filter yang kita terapkan pada woofer bawah. Woofer bawah sekarang memiliki respon fase yang berbeda dan tidak melengkapi, dibandingkan dengan woofer atas dan corong.
Untuk mengoreksi hal ini , ketiga komponen memerlukan respon fase yang saling melengkapi.
Kita perlu menambahkan pergeseran fase ke woofer atas dan corong tanpa mengubah respon magnitudonya. Inilah saatnya kita menggunakan sebuah all-pass filter. Filter low pass perintah ke 2 300 Hz kita menghasilkan pergeseran fase tambahan 180 derajat.
Untuk mencocokkannya, kita memerlukan sebuah all pass filter perintah pertama untuk woofer atas dan corong.
Gambar 9 – Peta direktivitas vertikal dari contoh sistem speaker dengan titik persilangan 1 kHz Linkwitz-Riley, filter LP perintah ke 2 300 Hz pada woofer bawah dan AP perintah pertama 300 Hz pada woofer atas dan corong (click to enlarge)
Ketika kita menerapkan filter filter ini, kita mendapatkan hasil yang ditampilkan pada Gambar 9. Direktivitas vertikal kembali simetrikal. Pembatalan sumbu off-axis menjadi jauh lebih baik dibandingkan dengan Gambar 5 dan Gambar 7.
Ini dapat ditingkatkan lebih lanjut lagi dengan menggunakan low pass filter yang perintahnya lebih tinggi pada woofer bawah untuk lebih mengatenuasi keluaran frekuensi tinggi dengan cepat. Kita akan mengubah Butterworth perintah ke 2 menjadi Butterworth perintah ke 4. Kita juga harus merubah all pass filter pada woofer atas dan corong dari Butterworth perintah pertama menjadi Butterworth perintah ke 2.
Gambar 10 – Peta direktivitas vertikal dari contoh sistem speaker dengan titik persilangan 1 kHz Linkwitz-Riley, filter LP perintah ke 4 300 Hz pada woofer bawah dan filter AP perintah kedua 300 Hz pada woofer atas dan corong (click to enlarge)
Semenjak kita memakai sebuah filter all-pass yang lebih tinggi dari perintah pertama , kita harus mencocokkan keselarasannya, atau Q, terhadap low pass filter agar respon fase dari low pass dan all pass filter menjadi identik.
Perubahan ini memberikan hasil yang tampak pada Gambar 10.
Respon magnitudo sumbu on-axis untuk parameter filter final ini ditampilkan pada Gambar 11. Dibandingkan dengan Gambar 4, hanya ada dua perbedaan.
Gambar 11 – Magnitudo sumbu dan respon fase on-axis dari contoh sistem pengeras suara dengan titik persilangan 1 kHz Linkwitz-Riley, filter LP perintah ke 4 300 Hz pada woofer bawah dan filtar AP perintah ke 2 300 Hz pada woofer atas dan corong (click to enlarge)
Transisi dari keluaran +6 sampai 0 dB terjadi diwilayah 155-630 Hz ketimbang wilayah 630 Hz-2 kHz. Yang lainnya adalah terdapat satu rotasi fase tambahan didalam fungsi transfer dari sistem pengeras suara.
Sementara perbedaan ini tidaklah ideal, ini adalah sedikit harga yang kita bayarkan untuk meningkatkan respon direktivitas dari Gambar 5 menjadi Gambar 10.
Semoga artikel belajar sound system kali ini membantu menggambarkan satu cara pengaplikasian dari all pass filter yang dimanfaatkan secara efektif untuk meningkatkan respon direktivitas dari speaker sound system multi komponen penggerak.
