Hifin historiaa: Philips MFB 545 Studio: ”Kaiutin, joka kuuntelee itseään!”

Philips valmisti jo 1970-luvulla huippuedistyksellisiä kaiuttimia, jotka tarkkailivat omaa toistoaan ja tarvittaessa korjasivat sitä takaisinkytkentäsilmukan avulla. MFB 545 Studio oli niistä kehittynein.

Text: Kari Nevalainen
Kuvat: Janne Käpylehto & Valmistaja

Miten saada dynaaminen kaiutinelementti seuraamaan sille syötettyä signaalia mahdollisimman virheettömästi? Tätä kysymystä kaiutinteollisuus on pohtinut vuosikymmeniä – ja pohtii yhä. 

Äänentoiston alkuajoista lähtien on ollut selvää, että dynaaminen kaiutinelementti on monin tavoin epätäydellinen väline toistamaan vahvistimelta tulevan ohjaussignaalin, aivan erityisesti alle 200 hertsin taajuuksilla. Bassoäänisen tuottama särö resonanssitaajuuden tuntumassa voi olla pahimmillaan 5–10 prosenttia eli monikymmenkertainen vahvistimen tuottamaan säröön nähden. 

Epätäydellisyyksiä löytyy elementin rungosta, puhekelasta sekä magneettirakenteesta mutta varsinkin kartiosta ja sen ripustuksesta. Kartio on vaikea saada liikkumaan tarkasti ja sylinterimäisesti. Se on vaikea saada kiihtymään ja pysähtymään täsmällisesti. Ripustus ei sekään jousta tarkasti tulosignaalin mukaan eikä koskaan palaa täsmälleen alkuperäiseen lepoasentoonsa. Muun muassa näistä syistä bassoäänisen kartio, jonka liikepoikkeama on tyypillisesti suuri, harvoin sijaitsee tarkalleen siellä, missä sen vahvistimesta lähteneen signaalin mukaan pitäisi olla. Toisin sanoen se ei kiihdy annetulla nopeudella. Iso osa kaiuttimen tuottamasta säröstä matalilla taajuuksilla johtuu juuri puutteista vahvistimen ja kaiutinelementin yhteispelissä.  

Näitä puutteita kaiutinvalmistajat ovat vuosikymmenten varrella pyrkineet korjaamaan lukuisin eri tavoin, usein kehittämällä parempia kaiutinelementtejä ja niille paremmin käyttäytyviä kartioita. Uusista ihmeitä tekevistä kartiomateriaaleista tai niiden yhdistelmistä raportoidaan edelleen harva se viikko. Syy, miksi kalliit keraamiset elementit löysivät tiensä highend-kaiuttimiin 1990-luvulla, oli juuri niiden kertaluokkaa pienempi särö. 

Suomessa Esa Meriläinen on tehnyt vielä radikaalimman ehdotuksen: kaiuttimia tulisi ohjata virralla sen sijaan, että niitä ohjattaisiin – kuten nyt tapahtuu – matalaimpedanssisen audiovahvistimen jännitesyötöllä ottamatta huomioon, mikä kuorman läpi kulkeva virta on. Toisin kuin jänniteohjauksessa, virtaohjauksessa elementin puhekelaan ei indusoidu muun muassa vaihtelevista impedansseista johtuvia epämääräisiä ja hallitsemattomia sähkömotorisia voimia, mikä näkyy esimerkiksi monta kertaa pienempänä keskeismodulaatiosärönä.  

Elektroniikkajätti Philips pohti samaa kysymystä kiihkeästi 1960- ja 1970-luvun taitteessa. Sen ratkaisu ei ollut sen enempää laadukkaampi kaiutinelementti eksoottisella kartiolla kuin virtaohjauskaan; sen ehdotus oli liiketakaisinkytkentä eli Motional Feedback (MFB). Perustavoite oli kuitenkin sama: pakottaa kaiuttimen bassoelementti käyttäytymään niin, että vahvistimen syöttämä signaali toistuu kaiuttimesta alkuperäisen signaalin kaltaisena. 

Liiketakaisinkytkentä
Liiketakaisinkytkentää voi ajatella tavallisena vahvistimen globaalina takaisinkytkentänä  (negatiivinen), jolla minimoidaan niin lineaarista kuin epälineaaristakin säröä, mutta sillä erotuksella, että takaisinkytkentää ei oteta vahvistimen kaiutinlähdöistä (jännite/virta) vaan kaiuttimen ulostulosta, tarkemmin sanottuna kartioon kiinnitetystä pienestä ja kevyestä kiihtyvyysanturista. Liiketakaisinkytkennässä kaiuttimesta tulee osa takaisinkytkenäsilmukkaa ja elementin laadun sijaan ratkaisevaksi nousee anturin laatu. 

Philipsin MFB-kaiuttimissa anturi oli pölykupin alapintaan asennettu pietsosähköinen PXE-kiihtyvyysanturi (PXE viittaa pietson materiaaliin), joka värähdellessään tuottaa sähköisen signaalin samaan tapaan kuin vanhoissa kideäänirasioissa. Anturi mittaa bassokartion/puhekelan kiihtyvyyttä ja välittää PXE-signaalin komparaattorille, joka vertaa sitä vahvistimen tulosignaaliin. Jos eroa on, komparaattori generoi virheenkorjaussignaalin, jolla moduloidaan vahvistimen ulostuloa niin, että elementin akustinen ulostulo säilyttää tulosignaalin aaltomuodon käytännöllisesti katsoen identtisenä. 

Takaisinkytkentään perustuvissa virheenkorjausjärjestelmissä on väkisinkin jonkinlaista viivettä (Philips ilmoittaa MFB 545 Studion vasteajaksi alle yksi sekuntia yli 1,5 millivoltin signaalilla) ja muitakin teknisiä ongelmia. Ongelmista huolimatta Philips onnistui saamaan liiketakaisinkytketyt kaiuttimensa toimimaan suunnitellulla tavalla. 

Philips käytti kiihtyvyysanturiaan vain bassoelementissä, sillä kartio pyrkii käyttäytymään yhtenäisesti koko pinta-alansa osalta vain alle 500 hertsin taajuuksilla ja mahdollistaa näin kaiuttimen ulostuloa vastaavan jännitteen määrittämisen.  

Tekniikka vähensi merkittävästi paitsi bassoäänisen resonanssista johtuvaa lineaarista säröä kuin myös ripustuksesta ja magneettirakenteesta johtuvaa epälineaarista säröä. Samalla systeemin resonanssitaajuus laski, mikä sai aikaan syvemmän bassotoiston tilavuudeltaan pienestä kotelosta. Esimerkiksi pienikokoisen (23 x 29 x 17 senttimetriä) RH541-kaiuttimen bassovaste laski suorana 35 hertsiin asti ja särö välillä 35–500 hertsiä oli vain 0,5 prosenttia. Tekniikka lisäsi myös kaiuttimen tehonkestävyyttä ja helpotti osaltaan huoneakustiikan vaikutuksen kompensoinnissa.   

Pala historiaa
Philips ei keksinyt liiketakaisinkytkentää. Jo vuonna 1958 G.H. Brodie patentoi kartion liikettä ohjaavan levykondensaattorirakenteen. Servo Speaker jatkoi Brodien viitoittamalla tiellä sijoittamalla lieriömäisen kondensaattorin elementin puhekelan sisälle magneetin napakappaleen yläpuolelle. Kartion liike muutti kondensaattorin kapasitanssia, jota tietoa  ohjauspiiri käytti verratakseen ja korjatakseen vahvistimesta lähtenyttä signaalia. Servo-ohjauksella kaiutinelementin harmoninen kokonaissärö laski selvästi.  

Philips oli kuitenkin ensimmäinen valmistaja, joka aidosti onnistui kaupallistamaan liiketakaisinkytketyn kaiuttimen. Tästä sillä on pitkälti kiittäminen silloisen High Fidelity -ryhmän vetäjää Piet Gouw’ta, jonka siipien alla ensimmäiset prototyypit ja valmiit kaiuttimet valmistettiin. Kukoistuskautena Philipsin kaiutinvalikoimassa oli kymmenkunta MFB-kaiutinta alkaen pienestä RH541:stä seitsemän tuuman bassoäänisellä ja yhden tuuman diskanttidomella. Muita tunnettuja malleja olivat esimerkiksi RH544, AH567, RH532 ja lippulaiva RH545. 

Hanke osoittautui lopulta kuitenkin liian kunnianhimoiseksi ja kalliiksi jopa Philipsille. Erään tiedon mukaan esimerkiksi 545:tä valmistettiin vain noin 1 000 kappaletta ennen kuin tuotanto lopetettiin vuonna 1979. Nykyään liiketakaisinkytkentätekniikka on marginaalissa, mutta ei kokonaan kuollut. Esimerkiksi Grimm Audion (Eelco Grimm ja Guido Tent ovat  itsekin työskennelleet Philipsin äänilaboratoriossa) SL1-kaiuttimessa on aktiivinen Motional Feedback -subwooferi. Eikä niin yllättäen toinen hollantilaistaustainen valmistaja Kii Audio on hyödyntänyt vastaavaa tekniikkaa Kii Three -kaiuttimessa, samoin sveitsiläinen PSI omissaan. 

Philips MFB 545 Studio
Kunnianhimoisin Philipsin MFB-kaiuttimista oli 545 Studio vuodelta 1974. Kaiuttimen suunnittelulle asetettiin tiukat tavoitteet. Äänentoiston piti olla riittävän realistista ja uskottavaa vaativaankin ammattilaiskäyttöön. Kaiuttimen piti pystyä tuottamaan virheetöntä bassotoistoa alas 20 hertsiin suhteellisen pienestä kotelosta ja vieläpä riittävän suurella äänenpaineella ilman havaittavaa säröä. Taajuusvasteen piti olla säädettävissä studion akustiikan mukaisesti. Lisäksi kaiuttimessa piti olla sopivat suotimet huonevasteen korjausta varten. 

Syntyi 70 litran (josta 20 litraa kuuluu elektroniikalle) tummalla saarnilla viimeistelty puukoteloinen kolmitiekaiutin kolmella päätevahvistimella sekä kaikilla tarvittavilla säädöillä ja äänenmuokkausmahdollisuuksilla. 

Kaiuttimen 35 watin (rms) vahvistin ohjaa keskialueen kahden tuuman dome-elementtiä (AD 0210/Sq 4) ja 15-wattinen tuuman diskanttidomea (AD 0162/T8) yli 3 000 hertsin taajuuskaistalla. Passiivinen jakosuodin on ennen tehovahvistinta. Alle 500 hertsin taajuuksia toistamaan Philips valitsi 12-tuumaisen paperikartioisen (AD 12100/W4) elementin ja sille 50-wattisen vahvistimen aktiivisella jakosuotimella. Vahvistimet eivät olleet d-luokan palikoita vaan erillisistä transistoreista ilman op-vahvistimia rakennettuja ab- tai b-luokan vuorovaihekoneita. Esimerkiksi 545-mallissa signaalitiellä oli yhteensä 85 transistoria ja 39 diodia. 

Vapaakenttämittauksissa 545 Studion vasteeksi saatiin 45–17 000 hertsiä ±1,5 desibeliä ja –3 dB -rajaksi noin 20 hertsiä. Studiovaatimukset täyttäen 545 MFB Studion kokonais-spl-tasoksi mitattiin yli koko 7,5 oktaavin 108 desibeliä metrin etäisyydeltä. 

Säädöt moneen lähtöön
Bassoelementti on kaiuttimen keskilinjalla, mutta keskialueen dome ja diskanttidome ovat keskilinjalta hieman sivussa, koska 545:n etulevyyn on istutettu muovikotelo sekä liuta äänensäätimiä. Tärkein säätö pitää kaiuttimen matalien taajuuksien toiston puhtaana ja värittymättömänä riippumatta siitä, sijoitetaanko kaiutin kiinni takaseinään, sivuseinään tai suoraan lattialle. Kompensointia varten on kolme tarkkaa sähköistä spl-suodinta: 200 Hz: –5 dB, 60 Hz: –5 dB ja 55–160: –3 dB. 

Näiden lisäksi on eräänlaiset jälkikaiuntakorjaimet, joista yksi on aktiivinen ±10 desibelin  alipäästösuodin ja toinen passiivinen 7/10 kilohertsin ylipäästösuodin säädettävällä (maksimissaan 20 desibeliä per oktaavi) jyrkkyydellä. Lisäksi 35 hertsin ylipäästösuodin suojaa kaiutinta alle 20 hertsin infrataajuuksilta.

Jäljelle jäävät kolme säädintä auttavat kaiuttimen kytkemisessä. Ensimmäisellä valitaan symmetrinen (studio) tai asymmetrinen (DIN 45500) tulosignaali. Dinille on relepohjainen automaattinen on/off-kytkentä. Toinen säädin tarjoaa 11-portaisen säädön oton herkkyydelle (1–23 volttia), ja kolmannella määrätään kaiuttimien kanavaisuus. 

MFB 545 Studio kytketään ensisijaisesti sopivaan esivahvistinlähtöön joko symmetrisesti (1 voltti / 10 kilo-ohmia) tai asymmetrisesti (1 voltti / 100 kilo-ohmia). Philipsillä oli tarjota myös oma, varta vasten MFB-kaiuttimille suunniteltu esivahvistin RH551 (1975). Kaiutin on kuitenkin suunniteltu niin, että signaali voidaan tarvittaessa ottaa myös päätevahvistimen kaiutinlähdöstä.  

Hermokeskus
Philips MFB 545 Studion kaltaiset aktiivikaiuttimet eivät olleet aivan jokapäiväinen näky 1970-luvulla edes studiomaailmassa. Kaiuttimen varsinainen valttikortti ei ollut kuitenkaan aktiivisuus eikä edes monipuolinen säädettävyys, vaan alussa mainittu bassoelementin kartion keskelle puhekelan tuntumaan kiinnitetty pietsosähköinen kiihtyvyysanturi ja sille rakennettu takaisinkytkentäpiiri.  

Anturin tekninen toiminta on päältä katsoen suoraviivaista. Pietsosähköinen levyanturi, jonka kokonaismassa on noin 30 grammaa, tuottaa kartion/puhekelan kiihtyvyyttä vastaavan pienen jännitteen (maksimissaan 500 millivolttia), jonka JFET-piiri (JFET ja kaksi vastusta) välittää sopivan muotoisena komparaattorille. Tämä vertaa PXE-signaalia vahvistimen tulosignaaliin tuottaen korjaussignaalin, joka syötetään vaiheenkäännöllä takaisin vahvistimelle. Näin bassoelementin kartion mahdolliset liikevirheet tulevat eliminoiduiksi heti signaalilähteessä ja elementin akustinen signaali on alkuperäisen ohjaussignaalin kaltainen. Sivutuotteena liikkuvien osien suurempi massa parantaa bassotoiston tehokkuutta matalilla taajuuksilla. 

Tämä on suurin piirtein selvää, mutta käytännön toteutus varsinkaan 1970-luvun välineillä ei ollut, eikä ole vieläkään, aivan triviaali temppu. Värähdellessään ja kiihtyessään kartion mukana pietsoelementti altistuu suurille kuormille ja erilaisille voimille. Ongelma on saada anturi seuraamaan kartion liikettä niin, että se antaisi oikeita lukemia eikä samalla vaikuttaisi kielteisesti toiston muihin puoliin. Anturin kiinnitys piti miettiä hyvin tarkkaan, samoin esteetön liikkuminen (kumilohkot). Liikkuvien osien massa oli valittava huolella, transistorit suojata sähköisiltä häiriöiltä koteloimalla, ilmanvastuksen vaikutus ottaa huomioon ja niin edelleen. Lopuksi koko kokonaisuus tuli luonnollisesti alistaa tiukoille käyttötesteille. 

Kiihtyvyystakaisinkytkennän rinnalla käytettiin velositeettitakaisinkytkentää, eli puhekelan velositeettia vastaava jännite johdettiin kiihtyvyyssignaalista ja lisättiin vahvistimelle menevään signaaliin niin kutsutulla integraattorilla. 

Puhdasta bassoa
MFB 545 Studion, kuten muidenkin MFB-kaiuttimien, äänenlaatuun liittyvä taustaoletus ja perustelu oli, että huippuluokan kaiuttimen äänen tulee olla puhdas ja särötön riippumatta toiston voimakkuudesta tai äänilähteen kompleksisuudesta. Lähtökohdan taustalla oli puolestaan uskomus, että ihmisen korva on herkkä tietyntyyppisille heikosti havaittaville epälineaarisuuksille ja epäpuhtauksille, myös kahden ensimmäisen oktaavin alueella. Siksi alkuperäisen signaalin kaiuttimen läpi mennessään pitää toistua mahdollisimman virheettömästi, mikä sitten näkyy kaiuttimen tasaisina amplitudi- ja vaihevasteina sekä alhaisena särötasona. 

Janne Käpylehto hankki MFB 545 Studio -kaiuttimet itselleen viitisen vuotta sitten kaverilta, joka kymmenen vuotta aiemmin oli vannonut pitävänsä ne ikuisesti itsellään. Kuunneltuaan kaiuttimia riittävästi vuosien varrella Janne on sitä mieltä, että Philips on onnistunut päämäärässään. Hän on aiemmin kuullut myös pienempiä MFB-kaiuttimia ja todennut nekin ääneltään loistaviksi. Näin hän kuvailee kaiuttimia:  

“Ero 545:n ja pienempien välillä on kuitenkin iso: 545:n ääni on hirmu vaivaton, ja kaikki toistuu äärimmäisen tarkasti. Itse asiassa ei olisi kokonaan väärin kuvailla ääntä genelecmäiseksi. MFB 545 soi kuin tasapainoisen monitorikaiuttimen tulee soida: bassotoisto laskee alas ja on tarkkaa sekä puhdasta matalillakin taajuuksilla. Béla Fleckin kuuntelu on juhlaa, sähköbasso ja bassorumpu erityisesti. Tässä suhteessa liiketakaisinkytkentä tuntuu toimivan oikein hyvin. Ehkä huonointa kaiuttimessa on diskanttitoisto, mutta vain suhteellisesti, ei absoluuttisesti. Keskialueen toisto on hienoa. Lauluääni on puhdas ja luonnollinen. Monitorimaisuudesta ja erottelevuudestaan huolimatta kaiuttimen ääni ei ole lainkaan rasittava. Arvostan kaiuttimen ääntä suuresti. Genelec 8050 ei pärjää!” 

Kuuntelujensa ajan Janne on pitänyt kaikki säädöt keskiasennossa, koska huone on tilava ja aika hyvin akustoitu eikä kaiuttimien kiinni seinään viemiselle ole ollut tarvetta. Sen hän on huomannut, että äänikuvasta saa miellyttävimmän kääntämällä kaiuttimia noin 20–30 astetta kuuntelijaa kohden.

Philips MFB 545 Studio -kaiutinta ei liiku käytettyjen markkinoilla ylen määrin. Mitä myyntiin on tullut, hintapyyntö on ollut muutama sata euroa. Netissä uudet omistajat ovat kiitelleet rahalle saatua vastinetta. Eräskin totesi, että ”halpa kotelo ja soi kuin 10 000 euron kaiutin”!

Kokeiltu Philips MFB 545 Studio -pari on myytävänä. Kiinnostuneet voivat ottaa yhteyden: janne.kapylehto (A) gmail.com  

INFO

VTT mittasi Philips MFB 545 Studion 1970-luvulla HIFI-valintaopasta varten.

Kaiuttimen etulevystä löytyy muun muassa kaiuttimen sijoituspaikan mukaiset bassosäädöt, jälkikaiuntakorjaimet ja tulosignaalin valitsin.

Philips MFB 545 Studiossa diskantteja toistaa tuuman dome, keskialuetta kahden tuuman dome ja bassoja 12 tuuman bassoääninen.

Kaiuttimessa on kolme a/b-luokan 15–50-wattista vahvistinta. 

Philipsillä oli parhaina vuosinaan useita liiketakaisinkytkettyjä kaiutinmalleja, joista 545 Studio oli suurin.

Globaalissa takaisinkytkennässä (negatiivinen) takaisinkytkentä otetaan vahvistimen kaiutinlähdöistä (jännite/virta), kun taas liiketakaisinkytkennässä se otetaan kaiuttimen ulostulosta elementin kartioon kiinnitetystä pienestä ja kevyestä kiihtyvyysanturista.

Artikkeli on luettavissa AVPlus-lehdestä 5/2020 (nro. 198)