Räätälöidyn kaiuttimen suunnittelu ja toteutus

Kävi niin, että hyvä ystävä innosti palaamaan äänentoistoharrastuksen pariin. Samalla heräsi uteliaisuus asioihin, joihin ei aiemmin ollut aikaa pysähtyä. Tämä epäkaupallinen projekti on tehty ns. omaan piikkiin ja se keskittyy pelkästään kaiuttimiin. Projekti toimii esimerkkinä Labs-henkisestä tekemisestä, eli sovelletusta ongelmanratkaisusta.

En sanoisi, että olisin ollut perinteisessä mielessä audiofiili. Kaiuttimien soinnillisia eroja on ollut vaikea jopa hahmottaa. Jos ostohousut ovat jalassa, valinta kannattaisi tehdä vertailemalla useita vaihtoehtoja yhtä aikaa. Mieluiten siinä kuuntelutilassa johon ne ovat tulossa.

Tämä ei kuitenkaan ole tuntunut kovin käytännölliseltä tai vaivaan nähden kannattavalta. Siksi olen pitkään toiminut oletuksella, että hyvämaineiset brändit ovat kilpailun vuoksi teknisesti sen verran tasaväkisiä, että valinnan voi tehdä suoraan design edellä.

Tässä projektissa haen parempaa tapaa tehdä kaiutinvalintoja sekä avaan kaiutinvalmistuksen saloja käytännön tekemisen kautta.

Stereo vai AV

Tilassa oli television yhteydessä jo moderni soundbar + subwoofer -setti. Levysoitinta ei tehnyt mieli sotkea siihen mukaan, koska ratkaisu on musiikin kannalta kompromissi:

• Palkkikaiutin pyrkii luomaan ympäröivää ääntä, mikä ei palvele musiikin toistoa.
• Vasemman ja oikean kanavan välinen etäisyys on liian pieni stereokuvan kannalta.
• Palkkikaiutin ei yksin ulotu musiikin matalimmille taajuuksille (esimerkiksi bassokitaraan).
• Subwoofer toistaa matalat taajuudet monona, jolloin erottelu kärsii.
• Kokonaisuus ei vastaa sitä, millaiseksi musiikki on tarkoitettu kuultavaksi.

Settiä ei kuitenkaan panna vaihtoon, koska se palvelee hyvin siinä mihin se on suunniteltu. Televisio- ja elokuvakäytössä keskikanava tekee suurimman osan työstä, ja muut kanavat ovat pitkälti tehosteita varten. Stereo-kaiuttimien heikkoudet korostuvat vastaavasti juuri tv-käytössä:

• Puheohjelmissa ääni tulee sivuilta eikä luonnollisesta suunnasta. Olen huomannut, että sivuilta tulevaa puhetta joutuu usein kompensoimaan nostamalla äänenvoimakkuutta.
• Elokuvien tehosteissa käytetään usein perinteisiä soitininstrumentteja matalampia taajuuksia, joihin stereokaiuttimet eivät yksin kunnolla ulotu.
• Tilavaikutelma elokuvissa jää kokonaisuutena heikommaksi.

Näistä syistä audiomaailma onkin jakautunut AV- ja stereo-leireihin. On puhdasoppinen valinta, että eri laitteet hoitavat vain oman osuutensa. Tässä projektissa haetaan ratkaisua yksinomaan musiikin toistoon.

Tekniset vaatimukset

Kaiuttimien sijoituspaikaksi valikoitui betonirakenteisen portaikon alunen. Akustisesti tila ei ole helpoimmasta päästä, ja lisäksi täytyy löytää kompromissi sen suhteen, kuinka leveälle kaiuttimet voi levittää ilman että portaat rajoittavat korkeutta.

Tilallisten rajoitteiden vuoksi lattiakaiuttimet ja 3-tie-ratkaisut rajautuivat pois. Molemmat kaiutinelementit – diskantti ja basso – saataisiin korvan korkeudelle koaksiaalielementillä. Seinien heijastumat kolmesta suunnasta minimoituvat koteloratkaisulla, jossa bassorefleksiputki on sijoitettu etupuolelle. Koaksiaalirakenne tukee myös käytännön vaatimusta anteeksiantavasta suuntauksesta.

Matalien instrumenttien toistotarve sekä tilan avoimuus asettivat vaatimuksia myös kotelon koolle. Arvioin, että noin 7" koaksiaalielementti suurehkoon hyllykaiuttimen koteloon tarjoaa tähän riittävän lähtökohdan.

Design-vaatimukset

Tyylin osalta lähtökohtana oli joko moderni skandinaavinen ilme tai klassinen UK-hifi. Toiveena oli vaalea puu. Näillä reunaehdoilla valmiit vaihtoehdot rajautuivat lähes kokonaan pois.

Melkein ostin valmiin tuotteen

Tiedustelin brittiläiseltä boutique-valmistajalta RFC:ltä Rubato-kaiuttimien saatavuutta. Tammella viimeistelty pari olisi ollut saatavilla muutamassa kuukaudessa, ja kokonaiskustannus muodostui karkeasti näin:

(£2.000 kaiuttimet + £80 rahti) + ALV + tulli ≈ 610 €
= noin 3.010 €

Uskon, että kyseinen tuote olisi ollut koko rahansa arvoinen – mutta sivukulut käänsivät vaakaa lopulta toiseen suuntaan.

Kaupallisesti valmistetun kaiuttimen hintamatematiikkaa

Otetaan kuvitteellinen esimerkki kuluttajahinnaltaan 1.000 € kaiuttimesta:

• Elementtien osuus saattaa olla esimerkiksi 150–200 euroa.
• Kotelon osuus voi olla noin 300 €, koska se on rakennettu vain kyseistä tuotetta varten ja sisältää usein käsityötä.
• Jakosuotimen hinnan kannattaisi olla suunnilleen samalla tasolla elementtien kanssa, mutta harvoin näin on. Tässä näkyy usein suurin ero pienvalmistajan, hi-end- ja DIY-ratkaisujen sekä volyymituotannon välillä. Massatuotannossa elektroniikan osuus jää usein alle 100 euroon – joskus selvästi alle.

Entä kokeileva toteutus? Tässä kohtaa houkutus purkaa kokonaisuus osiin ja ymmärtää se tekemisen kautta alkaa olla ilmeinen.

Valmistuksen osa-alueet ja keskeiset valinnat

Kotelo

Pienet valmistajat käyttävät kotelon runkomateriaalina usein koivuvaneria, kun taas massatuotannossa suositaan MDF:ää. Vaneri on materiaalina jäykempi, kosteutta kestävämpi ja työstettävyydeltään parempi. Hintaero ei ole merkittävä silloin, kun valmistaja tekee kotelon itse.

Suuremmat valmistajat teettävät kotelot usein alihankkijoilla, kuten keittiötehtailla, joille MDF on suurissa määrissä optimoitu ja kustannustehokas valinta. Vintagessa ja halvemman pään massatuotannossa on puolestaan käytetty tyypillisesti lastulevyä, joka on yleisistä materiaaleista kevyintä ja myös vähiten jäykkää.

Baltic birch toimii pienvalmistajille usein myyntiargumenttina. UK-kaiuttimissa puulle kertyy kuitenkin helposti hintaa, kun vaneri kulkee suomalaisesta metsästä latvialaiseen vaneritehtaaseen, sieltä laivalla Britanniaan ja lopulta takaisin Suomeen (EU-alueelle veroineen).

Projektille helppo valinta oli hakea lähimmästä rautakaupasta paras mahdollinen runkomateriaali sekä teknisesti että työstettävyyden kannalta – tässä tapauksessa 18 mm koivuvaneria.

Elementit

Maailmassa on vain rajallinen määrä kaiutinelementtien valmistajia. Käytännössä juuri mikään kaiutinbrändi ei valmista komponentteja itse. Täysin identtisiä elementtejä ei aina löydy avoimista katalogeista, koska brändit sopivat valmistajien kanssa pienistä räätälöinneistä, kuten esimerkiksi kaiutinkalvon väristä.

Keskittyneisyyden ansiosta elementtien valmistus on kuitenkin varsin kustannustehokasta. Laatuun pyrkivä rakentaja voi suhteellisen pienillä hintaeroilla hankkia juuri projektiin sopivat komponentit. Esimerkiksi kuluttajahinnaltaan 1.000 € ja 10.000 € maksavissa kaiutinpareissa kaiutinelementtien osuus saattaa olla luokkaa 200 € ja 800 €.

Elementeissä hintahaarukan ylempi pää tukee projektin tavoitteita. Koaksiaalielementeissä vaihtoehtoja ei lopulta ollut montaa.

Elektroniikka

Tuskin on olemassa kaiutinbrändiä, joka valmistaisi itse elektroniikan komponentteja. Elektroniikan vaihtoehdot voidaan karkeasti jakaa kahteen kastiin:

1. Standardiosiin, jotka on suunniteltu tavallisiin sähkölaitteisiin, joissa sähkön laatu ei ole kriittistä tai edes suoraan toimintaan vaikuttavaa.
2. Erikoistuneisiin tuotteisiin, joissa on käytetty puhtaampia ja paremman hyötysuhteen materiaaleja. Toleranssit ovat moninkertaisesti tiukemmat, komponenttien ominaisuudet pysyvät kuormituksessa vakaampina ja ikääntymistä on pyritty hidastamaan suoja-aineilla.

Analogisessa audiossa sähkö toimii samaan aikaan signaalina ja kaiuttimia ajavana voimana. Tässä mielessä asia on poikkeuksellisen kriittinen: kaikki kulkee näiden komponenttien kautta.

Noin 2.000 € / pari -hintaluokan valmiskaiuttimissa voi helposti löytyä geneerisiä komponentteja, joiden hankintahinta lasketaan senteissä. Tavallisesti mukana on myös erikoistuneiden valmistajien edullisempia vaihtoehtoja, usein vain kaikkein kriittisimmissä kohdissa.

15.000 € / pari -hintaluokan kaiuttimissa komponentit ovat puolestaan jo tyypillisesti kymmenien eurojen luokkaa kappaleelta.

Projektin kannalta sweet spot löytyi jakosuodinten komponenteissa noin 15–30 € hintaluokasta per kondensaattori. Tilasin kokeilumielessä myös 2–3 kertaa kalliimpia vaihtoehtoja, eli jo selvästi hi-end-luokkaa.

Toteutuksen yksityiskohtia

Jakosuodin on rakennettu tyhjälle reikäkortille. Pienissä tuotantomäärissä PCB-levyjen käyttö ei ole tavanomaista. Vedot on pidetty mahdollisimman lyhyinä ja eristettyinä, ja kelat aseteltu siten, etteivät ne aiheuta keskinäisiä häiriöitä. Kaikki sähköiset liitokset on juotettu, ja huoltoa varten kortille valittiin laadukkaat pikaliittimet.

Kaiuttimien upotukset on jyrsitty suoraan koteloon, ja bassorefleksiputken suu on muotoiltu jyrsimellä. Se voisi teoriassa olla pyöreämpi, mutta tässä kohtaa estetiikka meni edelle. Kiinnitysruuvit on maalattu huomaamattomiksi.

Viimeistelyssä oli tilaisuus herkutella. Plektra Tradingilta löytyi vaahteraviilua, jolla syntyy yksi näyttävimmistä vaaleista puupinnoista. Loimu on monille tuttu myös hi-end- ja custom shop -kitaroista.

Viilutuksen jälkeen pinta käsiteltiin kuudella kalusteöljykeroksella, joista kahdessa ensimmäisessä on pigmenttiä mukana. Lopputulos on vaalea ja hunajainen, kevyesti kellertävä vaahtera hillityllä loimulla – luonnollinen sävy, joka näyttää jo aavistuksen patinoituneelta.

Mittaus ja subjektiivinen kokemus

Mittaukset tein kalibroidulla mittausmikrofonilla.

• Taajuusvaste on hyvin lähellä sitä, mitä SEAS ilmoittaa.
• ±3 dB toleranssilla kaiuttimen voi luvata toistavan 37 Hz – 20 000 Hz.
• Rakenteensa vuoksi kaiutin on luontaisesti melko epäherkkä, noin 85 dB. Se vaatii jämäkän vahvistimen, mutta kestää hyvin tehoa.

Äänenlaadultaan lopputulos ylitti odotukset. A/B-testauksessa kaiutin oli kaikilla osa-alueilla selvästi edellä listahinnaltaan noin puolta arvokkaampaa brändikaiutinta. Erot korostuivat erityisesti yksityiskohdissa, äänen puhtaudessa ja äänikuvan hallinnassa. Vertailu tehtiin samassa tilassa ja samalla vahvistimella.

Bassotoistoa vertasimme kaverin vanhoihin, made in USA -aikaisiin JBL:n lattiakaiuttimiin. Niissä kotelon tilavuus on vähintään kolminkertainen ja bassoelementin koko muistaakseni 10". Näihin verrattuna kaiuttimet ovat basson ulottuvuudessa heittämällä samassa sarjassa – ja selvästi edellä syvyydessä, tarkkuudessa ja nopeudessa.

Kokeillut vahvistimet

• Sonos Amp (2 × 125 W @ 8 Ω)
  Puhti ei riittänyt hiljaiseen eikä kovempaan kuunteluun. Hiljaisella äänenvoimakkuudella soundi jäi ponnettomaksi ja bassot tuntuivat katoavan. Normaalissa käytössä äänenvoimakkuus oli jo noin puolivälissä. Kovempi soitto olisi todennäköisesti alkanut säröytyä.
• Marantz 2235b (2 × 35 W @ 8 Ω)
  Vanha laatupeli toimi yllättävän hyvin vaatimattomista spekseistä huolimatta. Normaalissa kuuntelussa teho riitti, ja kokonaisuus oli selvästi tasapainoisempi kuin Sonos Ampilla.
• NAD C298 (2 × 185 W @ 8 Ω)
  Moderni, erillinen päätevahvistin ajoi kaiuttimia vaivattomasti ja päästi ne mielestäni lähelle täyttä potentiaaliaan. Yhdistelmä on tasapainoinen ja kontrolloitu, ja jää pysyvään käyttöön.

Kannattiko projekti

Lopputulos ylitti odotukset, ja projekti oli sekä opettavainen että hauska. Jos etsii valmiita, oikeasti laadukkaita kaiuttimia, katse kannattaa suunnata toiminnaltaan läpinäkyviin valmistajiin, kuten Buchardt Audioon tai aiemmin mainittuun RFC:hen.

Kaiuttimien teettäminen räätälintyönä voi myös olla järkevä vaihtoehto, jos sopiva tekijä löytyy. Jälleenmyynti on toki haastavampaa kuin tunnetuilla brändeillä, mutta toisaalta: miksi musiikkiharrastaja ei teettäisi kaiuttimia siinä missä pukumies teettää pukunsa?

DIY:tä en lähtisi tekemään ensisijaisesti rahan säästämisen vuoksi, jos vaihtoehtona on alle 3.000 € kaiutinpari. Kun tavoitteet ovat korkealla, projekti on kuitenkin erittäin kannattava verrattuna vastaavan suorituskyvyn merkkituotteisiin. Laadun lisäksi lopputulos voi olla yksilöllisempi, merkityksellisempi ja henkilökohtaisempi.

Hinnaksi, ilman omaa työtä, muodostui noin 1.250 €.

Summaan sisältyy myös muuttuneita suunnitelmia, kuten kahteen kertaan tehty viilutus. Osa materiaaleista – erityisesti 18 mm koivuvanerin reilut hukkapalat – päätyi hyötykäyttöön muissa projekteissa. Kustannuksia olisi ollut mahdollista leikata erityisesti elektroniikasta, mutta komponentit valittiin lähelle parasta saatavilla olevaa tasoa. Tässä kohtaa maksetaan jonkin verran niin sanottua kermankuorintahintaa, mutta suorituskykyero edelliseen tasoon on jo varsin marginaalinen.

Vaihtoehtona aktiiviset monitorit?

Käytännössä vertailukelpoinen vaihtoehto. Filosofisesti ei.

Studiomonitorien suunnittelun lähtökohtana on usein mahdollisimman viivasuora taajuusvaste, jota ei tavallisesti saavuteta pelkillä passiivisilla komponenteilla. Esimerkiksi Genelec-tyyppisissä ratkaisuissa diskantille ja bassolle on omat pääteasteensa, ja signaalia muokataan DSP:n avulla.

Kun tavoitteena on välittää levysoittimen neulan liike mahdollisimman muuttumattomana kaiutinkalvon liikkeeksi, aktiiviratkaisun digitaalinen signaalinkäsittely rikkoo analogisen ketjun jatkuvuuden. Signaali käy tällöin läpi muunnoksen analogisesta digitaaliseen ja takaisin analogiseen.

Harrastusmielessä ratkaisu olisi myös vähemmän kiinnostava. Aktiivimonitorit ovat luonteeltaan integroituja kokonaisuuksia, kun taas tässä projektissa viehätti erillislaitteista rakentuva ketju ja sen ymmärtäminen osina. Tämä on lopulta pitkälti makuasia – ja sellaisena hyvä jättää auki.