PODRĘCZNIKBUDOWYZESTAWÓWGŁOŚNIKOWYCH

Friedeman Hausdorf

Poznan 1996

Konsultacja: dr hab. inż. Andrzej Dobrucki

©1993 Copyright VISATON, Peter Schukat

ISBN 83-906659-0-5

Wstęp

“W dzisiejszych czasach można nabyć tak dobre i tanie gotowe zestawy głośnikowe, że samodzielna budowazupełnie się nie opłaca.”Pogląd ten nie jest odosobniony. Jeśli ktoś nie ma zdolności ani zamiłowania do majsterkowania, opinia ta możewydawać się mu rzeczywiście słuszna. Z drugiej strony bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na cenę gotowychzestawów głośnikowych jest sama obudowa. Majsterkowicz zaś może ją wykonać według własnego gustu równiedobrze, jeśli nie lepiej. Jeśli zaoszczędzone w ten sposób pieniądze przeznaczymy na wysokiej klasy płyty czołowe lubzwrotnice częstotliwościowe, to własnoręcznie zbudowany zestaw może nawet w efekcie przewyższać jakością gotowyprodukt w tej samej cenie. Nie należy przy tym zapominać, że najlepsza elektronika w łańcuchu odtwarzania na nic sięnie przyda, jeżeli element końcowy, czyli głośnik, nie będzie wiernie przekształcać sygnałów elektrycznych w faledźwiękowe.Niniejsza książka powinna ułatwić samodzielną budowę zestawów głośnikowych, wprowadzając w podstawowe poję-cia techniki głośnikowej. Na pierwszym planie są tu zdecydowanie informacje praktyczne, natomiast czysto teoretycznerozważania zostały wprowadzone tylko wówczas, kiedy mają one znaczenie dla zrozumienia procesów zachodzącychw głośniku. Szczególny nacisk został położony na ukazanie prostych metod obliczeniowych, obywających się bez skomp-likowanych wyrażeń matematycznych, a mimo to dających solidną podstawę dla budowy wysokiej jakości głośników.Do niniejszego, pierwszego polskiego wydania, włączony został wyczerpujący rozdział o obliczaniu konstrukcji obu-dowy. Poza tym przedstawiono tu też problematykę obliczania zwrotnic częstotliwościowych. Na typowym przykładziewyjaśniona została profesjonalna metoda rozwijania zwrotnic częstotliwościowych i pokazany sposób, w jaki przypomocy odpowiedniego komputerowego oprogramowania symulacyjnego samodzielny konstruktor spróbować możewłasnych rozwiązań technicznych.

1. Podstawy fizyczne1.1. Dźwięk, dźwięk powietrzny, dźwięk materiałowy

Fale dźwiękowe są, z punktu widzenia fizyki, drganiem cząstek w ośrodku sprężystym. Pojedyncze cząsteczki tegoośrodka, który może być gazowy, ciekły lub stały, pobudzone zewnętrznym impulsem, wypadają ze swojego położeniarównowagi. Drgają one periodycznie wokół swego pierwotnego położenia równowagi. Ruch ten przenosi się na sąsiednie

cząsteczki. Dochodzi do zagęszc-zania i rozrzedzania materii i dorozprzestrzeniania się fal.Jeżeli drgania te zachodzą wpowietrzu, mówimy o dźwiękupowietrznym. Jeżeli drgania ro-zprzestrzeniają się wewnątrzciała stałego, określa się to jakodźwięk materiałowy. Także wcieczach może się rozchodzićdźwięk. W próżni dźwięk się nierozchodzi, ponieważ nie istniejetam materia.

Rys. 1. Fale dźwiękowe -zagęszczania i rozrzedzaniapowietrza

To, co określamy jako dźwięk, nie jest zatem niczym więcej, jak bardzo małymi zmianami ciśnienia, nałożonymi naciśnienie atmosferyczne. Słyszalne są takie wahania ciśnienia powietrza, które występują z określoną szybkością. Skra-jnie wolne i skrajnie szybkie różnice ciśnienia są niezauważalne. Dopiero kiedy ciśnienie atmosferyczne zmienia się ok.20 do 20.000 razy na sekundę, nasz słuch może to zarejestrować.Częstość zmian ciśnienia powietrza nazywa się częstotliwością. Mierzona jest ona w hercach (Hz). Częstotliwość określawysokość dźwięku. Amplituda jest to wychylenie drgających cząsteczek z ich położenia równowagi, określa ona głośność.Czas trwania jednej zmiany ciśnienia atmosferycznego do następnej nazywamy okresem. W jednym okresie fala dźwiękuprzebywa odcinek, równy dokładnie długości tej fali.

1.2. Rodzaje dźwięków

Tonem nazywa się w akustyce dźwięk, który wytwarzany jest drganiami jednej częstotliwości (czyste drganie sinusoi-dalne). W naturze prawie nie występują takie czyste tony, słyszymy natomiast dźwięk, który jest złożony z wielu po-jedynczych tonów. Rozróżniamy przy tym wielotony i szumy.Wielotony powstają przez zestawienie tonów, których częstotliwości są całkowitymi wielokrotnościami częstotliwościnajniższego tonu. Nazywają się one harmonicznymi tonu podstawowego. Dźwięki takie znamy przede wszystkim zmuzyki. Każdy fortepian przy uderzeniu pojedynczego klawisza wydaje dźwięk, który składa się z tonu podstawowego

i harmonicznych. Tak więc ton fortepianu (właściwie powinnosię mówić o dźwięku fortepianu) zawiera częstotliwości: 440Hz, 880 Hz, 1320 Hz itd., aż do 10 lub 20 wyższych harmonic-znych. Liczba i amplitudy harmonicznych określają barwędźwięku instrumentu.

Rys. 2. u góry: widmo dyskretne wielotony harmonicznegona dole: widmo ciągłe szumu

Szumy (szmery, trzaski, szelesty itd.) są natomiast dźwiękami,których częstotliwości nie są zestawione wg w/w prawidłowości. W przeciwieństwie do wielotonów istnieją tu nietylko pojedyncze częstotliwości (widmo dyskretne), ale w pewnym zakresie, częstotliwości rozłożone w sposób ciągły(widmo ciągłe).Każdy wieloton, a także każdy szum, można za pomocą analizy częstotliwości rozłożyć na odpowiednią liczbę tonówcząstkowych.

1.3. Wielkości fizyczne pola akustycznego

Pojęciem pola akustycznego określa się w akustyce przestrzeń, w której rozchodzą się fale dźwiękowe. Do opisaniapola akustycznego służą różne wielkości fizyczne, z których tutaj wymienić powinniśmy tylko kilka:

- ciśnienie akustyczne, poziom dźwiękuCiśnienie akustyczne definiuje się jako zmianę ciśnienia wywoływaną przez drgające molekuły powietrza. Zakres ciśnieniaakustycznego, który nasz słuch może odebrać, leży między 2 x 10-5 N/m2 a 20 N/m2 (przy 1000 Hz). Stosunek tychwartości wynosi 1.000.000 (!). Aby móc łatwiej pojąć ten wielki zakres, wprowadzono logarytmiczną wielkość sto-sunkową: decybel (dB), określający tzw. poziom dźwięku. Ciśnienie akustyczne 2 x 10-5 N/m2 odpowiada zatem pozio-mowi dźwięku 0 dB, ciśnienie 20 N/m2 poziomowi dźwięku 120 dB. W czasie normalnej rozmowy wytwarzany jest wodległości 1 metra poziom ok. 60 dB. Dźwięk na koncercie rockowym nierzadko osiąga granicę bólu. Różnica w pozi-omie ciśnienia akustycznego wynosząca 10 dB postrzegana jest jako podwójna głośność. Różnice 3 dB są już wyraźniesłyszalne. Mniejsze różnice poziomu dźwięku rozpoznawalne są zazwyczaj tylko przy bezpośrednim porównaniu.

- prędkość dźwięku a prędkość akustyczna (prędkość cząstki)Prędkość dźwięku określa, jak szybko dźwięk się rozchodzi w przestrzeni. Prędkość rozchodzenia się dźwięku zależyprzy tym tylko od ośrodka, nie od częstotliwości.

Prędkości dźwięku w różnych ośrodkach wynosi:powietrze 343 m/sek.woda 1440 m/sek.aluminium 6260 m/sek.guma 1480 m/sek.Prędkość akustyczna określa, z jaką prędkością drgają cząstki powietrza wokół swego położenia równowagi. Pręd-kość akustyczna nie powinna być mylona z prędkością dźwięku, chociaż obie wielkości mierzone są w m/sek.

- moc dźwiękuMoc dźwięku jest to energia dźwięku wypromieniowania ze źródła dźwięku w jednostce czasu. Moc dźwiękupodawana jest w watach.

Moc dźwięku różnych instrumentów muzycznych:trąbka ca. 0,3 Wfortepian ca. 0,5 Wkotły ca. 12 Workiestrasymfoniczna ca. 70 W

1.4. Zdolność słyszenia

Zakres częstotliwości, który może odebrać nasz słuch, leży między 20 Hz a 20 kHz, tzn. obejmuje ok. 10 oktaw, przyc-zym jedna oktawa odpowiada zawsze podwójnej częstotliwości.Zdolność słyszenia wysokich częstotliwości zmniejsza się z wiekiem.

- próg słyszalności, próg bóluJako próg słyszalności określa się najniższą granicę natężenia dźwięku, przy której dźwięk może być jeszcze słyszalny.Za próg bólu uważa się górną granicę, która wywołuje już wrażenie bólu. Oba progi zależą od częstotliwości. Naszsłuch jest szczególnie wrażliwy na częstotliwości między 700 a 6000 Hz. Wystarczy relatywnie słabe ciśnienie akustyc-zne, aby te częstotliwości zostały zauważone. W zakresie szczególnie małych częstotliwości wymagane jest większeciśnienie akustyczne.Świadczy to o doskonałym przystosowaniu naszego organu słuchu do warunków życiowych. W naszym otoczeniuwystępują dźwięki o małych częstotliwościach i bardzo dużym ciśnieniu akustycznym. Przykładowo, zamykane drzwiwytwarzają ogromne ciśnienie akustyczne przy małych częstotliwościach. Małe częstotliwości nie są jednak dla nas takistotne, jak średnie. Nasz słuch byłby stale “przesterowywany” i w przeciągu kilku sekund całkiem niezdolny do funkc-jonowania, jeśli byłby tak samo wrażliwy na małe częstotliwości, jak na średnie.

- odczuwalne natężenie dźwiękuKrzywe progów słyszalności i bólu pokazują, że dwa tony o tym samym natężeniu dźwięku nie są odbierane jako taksamo głośne. Odnosi się to też do zakresu między progiem słyszalności a progiem bólu.

Rys. 3. Krzywe progu słyszalności i progu bólu Krzywe jednakowego poziomu głośności

Ton basowy o 50 Hz będzie przy poziomie ciśnienia akustycznego 50 dB tak samo głośno słyszalny, jak ton o 4 kHz i 12dB (rys. 30). Oba tony wytwarzają odczuwalny poziom głośności dźwięku 20 fonów. Fon - jednostka poziomu głośnościrówna jest poziomowi ciśnienia akustycznego przy częstotliwości 1 kHz.Największa czułość słuchu występuje przy 4 kHz. Przy niskich tonach odczuwalność bardzo mocno spada, podczas gdyprzy rosnącej częstotliwości spada zdecydowanie mniej, a powyżej 8 kHz nawet ponownie wzrasta. Stosunek tenzmniejsza się wraz z rosnącym natężeniem dźwięku.Przy odtwarzaniu głośnikowym oznacza to, że zakłócenia, np. efekt brzęczenia, który leży w zakresie ok. 4 kHz, wys-tępuje tu zdecydowanie wyraźniej niż przy większych lub mniejszych częstotliwościach.Aby umożliwić równomierne odtwarzanie częstotliwości nie tylko przy głośno, ale i cicho nastawionym wzmacniaczu,wbudowuje się często tzw. odpowiednią dla słuchu korekcję poziomu (loudness). Włączony jest przy tym filtr, któregocharakterystyka częstotliwościowa przy zwiększaniu natężenia dopasowuje się do równego przebiegu krzywych słyszenia.

1.5. Rozchodzenie się dźwięku

Punktowe źródło dźwięku wysyła fale kuliste. O punktowych źródłach dźwięku możemy mówić, kiedy rozmiary źródładźwięku są o wiele mniejsze niż długość fal.Długość fal można obliczyć z częstotliwości i prędkości według poniższego wzoru:

v= λ . fv = prędkość dźwięku (w powietrzu: 343 m/sek.)λ = długość fali (m)f = częstotliwość (1/s)

Przykład: f = 34 Hz λ = 343/34 = ok. 10 m

Głośnik niskotonowy o średnicy membrany 30 om może być traktowany jako punktowe źródło dźwięku, jeśli emitujeon częstotliwość o np. 30 hercach odpowiadającą 10 metrom długości fali. W głośniku wysokotonowym natomiast,który powinien promieniować 10 kHz (3,4 cm długości fali), promieniowanie wszechkierunkowe będzie możliwe tylkoprzy niezwykle małych rozmiarach membrany. Jeśli rozmiar membrany jest większy niż długość fali, następuje kierunkowaemisja dźwięku.

- ugięcieJeżeli fala dźwiękowa natrafi na otwór w ścianie, który jest mniejszy niż długość jej fali, to fale dźwiękowe rozchodząsię z tego otworu jako fale kuliste. Otwór może być więc traktowany jako nowe punktowe źródło dźwięku. Jeśli otwórjest jednak większy niż długość fali, fale dźwiękowe rozchodzić się będą w niewiele zmienionej formie.

Rys. 4. Ugięcie fal dźwiękowychpo prawej na dużym otworze, po lewej namałym otworze

- odbicieJeżeli rozchodząca się fala dźwiękowa natrafi na przeszkodę, zostaje odbita. Pierwotna fala i fala odbita poruszają sięw przeciwnych kierunkach. Dochodzi do powstania tzw. fal stojących. Jeśli fala odbija się między dwiema równoległymiścianami, odległymi od siebie o całkowitą wielokrotność połówki długości fali, powstaje zjawisko rezonansu akustyc-znego. Jeżeli więc ściany mają odstęp np. I = 10 m, wtedy rezonans o najmniejszej częstotliwości powstaje dla fali,której długość jest równa 20 m.

Rys. 5. Zasada głośnika magnetoele-ktrycznego cewkowego

z tego wynika:

c: prędkość dźwięku w powietrzufR: częstotliwość rezonansu podstawowegoRezonans podstawowy ma zatem częstotliwość 17 Hz. Powstają jednak również inne rezonanse, których częstotli-wości wynoszą:

n=1,2,3...Fale stojące odgrywają dużą rolę w akustyce, a przy budowie głośników są po części pożądane (obudowa z falowo-dem, tzw. transmission-line), zob. rozdz. 6.3.4), po części szkodliwe (rezonanse przestrzenne, zob. rozdz. 9.2).

2. Zasady działania napędów głośnikowych

2.1. Zadanie przetwornika elektroakustycznego

Dawno temu, w czasach fonografu Edisona, fale dźwiękowe rejestrowane były mechanicznie, poprzez odpowiednienacinanie wałka. Jakość brzmienia była, jak wiadomo, bardzo marna. Zdecydowany przełom na drodze do standarduHi-Fi możliwy był dopiero po wprowadzeniu nowego rozwiązania: przekształcania fal akustycznych na sygnałyelektryczne. Zadanie to wykonuje obecnie mikrofon. Głośnik natomiast jest przetwornikiem zamieniającym energię wodwrotnym kierunku: drgania elektryczne musi przetwarzać ponownie w fale dźwiękowe.We wszystkich dyskusjach o różnicach brzmienia w odtwarzaczach płyt kompaktowych czy wymaganej grubości prze-wodu głośnikowego i kabla m.cz. do przedwzmacniacza, nie powinno się zapominać, że głośnik, mimo wszystkichudoskonaleń w ostatnich czasach, ciągle jeszcze jest najsłabszym ogniwem łańcucha Hi-Fi.

2.2. Promieniowanie dźwięku przez membranęJeśli chcemy wyjaśnić procesy wewnętrzne zachodzące w głośniku, to nie możemy uniknąć kilku czysto teoretycznych,a więc dość skomplikowanych rozważań. Niniejszy rozdział ma wyjaśnić, co wpływa na charakterystykę częstotliwoś-ciową głośnika. Zrozumienie tych związków nie jest jednak niezbędnie konieczne do budowy głośników, toteż frag-ment ten można pominąć.Prawie we wszystkich głośnikach dźwięk promieniowany jest przez drgającą membranę. Membrana ta może miećnajróżniejsze formy (stożek, kopułka, membrana płaska). W każdym przypadku działa ona jednak w przybliżeniu jaktłok o ruchu posuwisto-zwrotnym. Membrana zagęszcza i rozrzedza stykające się z nią powietrze w taki sposób, żepowstają i rozchodzą się fale dźwiękowe.

- Impedancja promieniowaniaDrgająca membrana, która promieniuje energię akustyczną, pobiera tą energię z systemu drgającego. Można toporównać z opornikiem, który przekształca energię elektryczną w energię cieplną, a następnie wypromieniowuje ją.To, jak efektywnie drgająca membrana może przekształcić swoją energię mechaniczną w energię akustyczną,określane jest przez impedancję promieniowania Zr.Impedancja promieniowania membrany składa się z dwóch części:- część czynna (rezystancja promieniowania)- część bierna (reaktancja promieniowania).Część czynna impedancji promieniowania odpowiedzialna jest za promieniowanie dźwięku w przestrzeń. Część biernazwiązana jest z występowaniem tzw. masy współdrgającego ośrodka, czyli masy cząstek powietrza, przylegającychbezpośrednio do membrany i drgających razem z nią, bez promieniowania jednak powstałej energii w przestrzeń. Masawspółdrgającego ośrodka wpływa na wartość częstotliwości rezonansowej głośnika.Wielkość impedancji promieniowania membrany zmienia się wraz z częstotliwością i dlatego ma duży wpływ na char-akterystykę częstotliwościową głośnika. Ponadto impedancja promieniowania jest tym większa, im większa jest powi-erzchnia membrany. W głośniku o przekroju kosza 30 cm maksymalna wielkość impedancji promieniowania występujedla częstotliwości ok. 1 kHz.

Rys. 6 pokazuje w przybliżeniu, jakzmienia się impedancja promienio-wania ze wzrostem częstotliwości.Przy małych częstotliwościach częśćczynna Zr wznosi się stromo w górę,proporcjonalnie do kwadratu częs-totliwości.

Rys. 6. Przybliżony przebieg Zrgłośnika o średnicy 30 cen-tymetrów

- moc akustycznaEmitowana przez membranę moc akustyczna zależna jest także od prędkości membrany v, to znaczy od prędkości, zjaką membrana drga wokół swego położenia spoczynku. Prędkość ta osiąga wartość maksymalną przy częstotliwościrezonansu fs . Poniżej fs prędkość rośnie wprost proporcjonalnie do częstotliwości, powyżej zaś fs maleje odwrotnieproporcjonalnie do częstotliwości.Przy ustalaniu mocy akustycznej, emitowanej przez membranę, należy wziąć pod uwagę wspomnianą już rezystancjępromieniowania:

Pak = Zr . vMoc akustyczna jest proporcjonalna dorezystancja promieniowania i kwadratuprędkości membrany.

Rys. 7. Zależność prędkości membranyod częstotliwości (u góry) Zależnośćrezystancja promieniowania od częstot-liwości (u dołu)

Można wziąć pod uwagę dwa przypadki:1. poniżej fs:jak wspomniano wyżej, prędkość membrany jest proporcjonalna do częstotliwości, a więc moc akustyczna poniżejczęstotliwości rezonansu wzrasta więc aż z czwartą potęgą częstotliwości, tzn. 12 dB na oktawę.

2. Powyżej fs: prędkość membrany v spada proporcjonalnie do f, a więc moc akustyczna:

Moc akustyczna jest zatem powyżej częstotliwości rezonansu niezależna od częstotliwości. Jest to zakres użytecznypracy głośnika. Zaczyna on się wraz z częstotliwością rezonansu, a kończy się tam, gdzie rezystancja promieniowanianie wzrasta już z kwadratem częstotliwości, np. dla głośnika niskotonowego o średnicy 30 cm przy ok.. 1 kHz.

- charakterystyka częstotliwościowaRys. 8 pokazuje uproszczony przebieg charakterystyki częstotliwościowej skuteczności głośnika dynamicznego. Krzywąmożna podzielić na cztery zakresy:

W zakresie A poziom dźwięku wzrasta 12dB na oktawę, a w zakresie C jestniezależny od częstotliwości. Zakres B jestszczególnie interesujący, ponieważ tuznajduje się częstotliwość rezonansu.

Rys. 8. Uproszczona charakterystykaczęstotliwościowa ciśnienia akustyczne-go

W zakresie częstotliwości rezonansu charakterystyki częstotliwościowe różnych głośników bardzo się różnią. Dużą rolęodgrywa tu tłumienie. Jeżeli membrana zostanie pobudzona krótkim impulsem, nie przechodzi ona po tym impulsienatychmiast do stanu spoczynku. Poruszona masa membrany drga jeszcze przez krótki czas z częstotliwością rezonan-sową, co oczywiście nie jest pożądane.To, jak długo trwa takie drganie nieustalone, zależy od tłumienia. Tłumienie powodowane jest tarciem mechanicznymw zawieszeniu membrany. Energia drgania przekształcana zostaje w ciepło, a amplituda drgań membrany stopniowomaleje. Dla niższej krzywej w zakresie B (rys. 8) tłumienie jest duże, natomiast dla wyższej krzywej małe. Oba przypadkimają wady i zalety:

1. przy małym tłumieniu:Małe częstotliwości emitowane są mocniej. Odtwarzanie basów nie jest jednak zbyt czyste, gdyż impuls basowypowoduje długie wybrzmiewanie.

2. przy dużym tłumieniu:Odtwarzanie basowe jest wprawdzie poprawne, jednak charakterystyka częstotliwościowa opada tu zbyt wcześnie.

Obok tłumienia mechanicznego istnieje jeszcze tłumienie elektryczne, które przy niskich tonach oddziałowuje o wielemocniej. Cewka drgająca w polu magnetycznym wytwarza prąd jak w generatorze. Prąd ten może przepływać przezcewkę, przez przewód doprowadzający głośnika i przez mały opór wewnętrzny wzmacniacza, i wywiera siłę hamującąna cewkę. (Funkcjonuje to dokładnie tak samo jak w dynamie rowerowym, którym można lekko obracać przy wyłączonejżarówce, jeżeli jednak się ją przyłączy lub wręcz spowoduje krótkie spięcie, odczuwa się wyraźny opór obracającręcznie pokrętłem.)Aby zmniejszyć wpływ strat elektrycznych zastosować przewód głośnikowy o dużym przekroju. Indukowany prąd wstecznypowinien płynąć bez przeszkód i mieć możliwość tłumienia niekontrolowanych ruchów membrany.Miarą dla tłumienia jest dobroć Q, pojęcie z elektrotechniki, które m.in. charakteryzuje obwody drgające. Obwód drgającytłumiony jest możliwie słabo. Stąd mała wartość tłumienia odpowiada dużej dobroci Q. Duża dobroć Q w głośniku niezawsze jednak jest potrzebna.Najkorzystniejszym kompromisem jest wartość Q ok. 0,7. Ponieważ wartość Q zmienia się po wbudowaniu głośnika wobudowę, twierdzenie to obowiązuje tylko dla obudowanego głośnika.

Na rys. 8 można zauważyć, że w zakresie D moc dźwięku spada wraz z rosnącą częstotliwością. Przy jakiej częstotliwoś-ci i z jakim spadkiem to się dzieje, zależy od wielu czynników:1. Jak już wspomniano, od pewnej częstotliwości rezystancja promieniowania już nie wzrasta, (np. w 30-centymetrowymgłośniku niskotonowym dzieje się tak powyżej ok. 1000 Hz). Ponieważ powyżej fs występuje stały spadek prędkościdrgań membrany, w tym zakresie występuje również spadek mocy promieniowanej.2. Impedancja cewki drgającej wzrasta na skutek pojawienia się wpływu jej indukcyjności. Układ drgający pobieracoraz mniej mocy elektrycznej, a więc i emituje coraz mniejszą moc akustyczną.3. Wraz z rosnącą częstotliwością promieniowanie jest coraz bardziej kierunkowe, co zmniejsza opisane w punktach 1i 2 spadki charakterystyki na osi głośnika.4. Przy dużych częstotliwościach, w zależności od konstrukcji, nie drga już cała membrana, lecz tylko cewka i czaszaochrony przeciwpyłowej(tzw. krążek ochronny). W związku z tym zmniejsza się efektywna powierzchnia membrany, a zakres odtwarzanychczęstotliwości rośnie.

2.3. Przetwornik magnetoelektryczny (elektrodynamiczny)

Rys. 9 pokazuje zasadę, według której pracująwszystkie przetworniki magnetoelektryczne. Prze-wód doprowadzający prąd zawieszony jest elasty-cznie w polu magnetycznym. Prąd i wytwarza wprzewodzie pole magnetyczne, które nakłada sięna pole stałe. Dzięki temu na przewód działa siłaF. Aby osiągnąć dużą siłę napędową, indukcja B idługość przewodu I muszą być możliwie duże.

Rys. 9. Zasada działania przetwornika magne-toelektrycznego (dynamicznego)

2.3.1. Głośnik magnetoelektryczny cewkowyPrzeważająca część wszystkich głośników (głośnikstożkowy, głośnik z płaską membraną, głośnik kopułkowy)skonstruowana jest jako głośniki cewkowe. Przewód zwin-ięty jest tu w cewkę i zanurzony w pierścieniowym polumagnetycznym.

Rys.10. Zasada głośnika magnetoelektrycznegocewkowego

W ten sposób można niemal dowolnie zwiększać efektywną długość przewodu. W głośniku niskotonowym wynosi onaok. 10 m. Ograniczenie długości jest spowodowane tym, że poruszająca się masa cewki nie po winna być zbyt duża.Cewka i membrana są umocowane są elastycznie na tzw zawieszeniach membrany i cewki (resor), tworząc coś wrodzaju systemu drgającego, podobnego do kuli wiszącej na stalowej sprężynie. Cewka po otrzymaniu bodźca drga takjak kula, z częstotliwością rezonansu fs. Częstotliwość rezonansu jest tym większa, im większa jest masa membrany icewki, a także im sztywniejsze są zawieszenia. Częstotliwość rezonansu fs jest bardzo ważną wielkością określającąwłaściwości głośników, przede wszystkim głośników niskotonowych.

2.3.1.1 Głośnik stożkowyRys. 11 pokazuje budowę najczęściejstosowanego typu spośród głośnikówcewkowych, a mianowicie głośnikastożkowego. A oto bliższy opis poszc-zególnych elementów konstrukcji:

Rys. 11. Głośnik stożkowy

- kosz głośnikowyKosz głośnikowy służy do umocowania i wycentrowania układu drgającego i magnetycznego, jak również do umieszc-zenia w obudowie. Wykonany jest on ze sprasowanej blachy stalowej, a w głośnikach wysokiej jakości z odlewualuminiowego. Przy użyciu odlewu aluminiowego uzyskuje się nieznaczne przesunięcie własnego rezonansu i unikawypaczenia kosza przy dużych obciążeniach.

- magnesMagnes wytwarza pole magnetyczne w szczelinie powietrznej. Im silniejsze pole tym większy współczynnik sprawnoś-ci. Poprawia się również odtwarzanie impulsów. Najczęściej używanym, bo najtańszym materiałem magnetycznym jestferryt. Większe wartości indukcji pola uzyskiwane są przy zastosowaniu droższego stopu alniko (aluminium-nikiel-kobalt).

- szczelina powietrznaSzczelina powietrzna powinna być możliwie wąska. Im mniejsza jest odległość między ścianami szczeliny, tym większajest indukcja magnetyczna i dzięki temu też współczynnik sprawności.

- cewka drgającaCewka drgająca, która nas ogół umieszczona jest na karkasie w szczelinie powietrznej, przemienia podłączony elektry-czny sygnał dźwiękowy w ruch układu drgającego. Jako materiały na cewkę stosuje się miedź lub aluminium. Wzasadzie używa się drutów z okrągłym przekrojem. Aby osiągnąć możliwie wysokie upakowanie zwojów, używa się teżdrutu o przekroju prostokątnym (drutu płaskiego) lub o przekroju w kształcie sześciokąta foremnego (plastra miodu).Dzięki temu możliwe będzie lepsze odprowadzanie ciepła z karkasu.

- karkas cewkiKarkas cewki łączy cewkę z membraną, utrzymuje cewkę centralnie w szczelinie powietrznej i odprowadza ciepło. Jakomateriał na karkas cewki stosowany jest papier, tworzywo sztuczne lub aluminium. Aluminium najlepiej odprowadzaciepło, ma jednak większą masę.

- zwój zwartyIndukcyjność cewki drgającej (w głośnikach niskotonowych ok. 1 mH) powoduje wzrost impedancji wraz ze wzrostemczęstotliwości. Zwój zwarty powinien temu zapobiegać. Składa się on z zamkniętego pierścienia miedzianego, umieszc-zonego na rdzeniu nabiegunnika. Przy dużych częstotliwościach cewka drgająca indukuje prąd zmienny na zwoju, którydziała jak uzwojenie wtórne transformatora. Przekształcany prąd jest wprawdzie tracony w postaci ciepła, impedancjapozostaje jednak bliska wartości znamionowej i nie rośnie z częstotliwością.

- zawieszenie cewki, resorZawieszenie cewki utrzymuje karkas cewki centralnie w szczelinie powietrznej i wpływa na wartość częstotliwościrezonansu podstawowego oraz maksymalne wychylenie membrany. Jako materiał na resor stosuje się tkaninęimpregnowaną.

- membranaMembrana wprawia w drgania przylegające do niej powietrze. Powinna być ona lekka i sztywna (dwa sprzecznewymagania!). Jako membrany używa się m.in. długowłóknistego papieru, tworzywa sztucznego (polypropylen, kew-lar), utwardzonej pianki lub aluminium (struktura plastra miodu). Membrana papierowa została w ostatnich kilku dziesię-cioleciach tak udoskonalona, że świetnie się broni wobec nowoczesnych materiałów. Polypropylen jest wprawdzietrochę cięższy od papieru, ma jednak tę zaletę, że ma większe wewnętrzne tłumienie, które tłumi wyższe rezonansepowodujące tzw. dzielenie się membrany (patrz rozdz. 4.2). Przy dużym kącie rozwarcia stożka membrana jest lekka,

ale nie tak sztywna jak w stożku z małym kątem otwarcia,dysponującym większą masą. Korzystnym kompromisem jestmembrana Navi (nierozwijalna, rys. 12), która łączy dużą szty-wność z niewielką masą.

Rys. 12. Membrana nierozwijana typu Navi

Przy dużych częstotliwościach niekontrolowane drgania własne mogą być tłumione, jeśli membranę papierową powleczesię odpowiednim tworzywem sztucznym.

- zawieszenie membranyZawieszenie utrzymuje membranę w możliwie stałym zakresie sprężynowania w nadanym jej wcześniej kierunku ru-chu. Sztywność zawieszenia wyznacza częstotliwość rezonansu podstawowego i maksymalne wychylenie. Zawieszeniewykonane jest z gumy, pianki, tkaniny powlekanej lub materiału membranowego (mocne zawieszenie).

- pokrywa ochrony przeciwpyłowej (krążek ochronny)Krążek ochronny chroni szczelinę powietrzną przed zanieczyszczeniami i gra rolę przy odprowadzaniu ciepła (wypychagorące powietrze z przystosowanych do tego otworów). Przy użyciu aluminium krążek, połączony ściśle z karkasemcewki, działa jednocześnie jako radiator. Jako materiału używa się również papieru, tkaniny, filcu lub tworzywa sztuc-znego.

- przewody doprowadzającePrzewody doprowadzające, które łączą przyłącza na koszu z cewką drgającą, produkowane są z bardzo giętkiej linki.

2.3.1.2 Głośnik z membraną płaskąW niemal wszystkich rozważaniach teoretycznych wychodzi się od membrany w formie tłoka, tzw. membrany płaskiej.Jest ona najprostszym i dlatego, wydawałoby się, najbardziej oczywistym rozwiązaniem. W praktyce stosowana jestjednak dosyć rzadko, choć ma przecież wiele zalet.Pierwszy znany głośnik, w którym zastosowano technikę membrany płaskiej, wyprodukowany został przez firmę KEF wAnglii. W nowszych czasach pojawiają się na rynku głośniki, w których płaska struktura membrany wzmacniana jestbudową wewnętrzną w formie plastra miodu, na zasadzie przekładańca.W takich membranach napęd nie powinien być umocowany w środku, lecz centrycznie na obrzeżach membrany. Prob-lem ten można rozwiązać przez odpowiednio duży przekrój cewki drgającej lub stożek transmisyjny.Zaletą głośnika z płaską membraną jest dobre sfazowanie poszczególnych głośników w zestawie. Ponieważ w głośnikachz płaską membraną środki akustyczne leżą na tej samej płaszczyźnie co ściana obudowy, pożądany przebieg fazy jestłatwy do uzyskania, przy czym poszczególne głośniki nie muszą być ustawione w jednej płaszczyźnie.W praktyce nie jest jednak łatwo stłumić wyższe rezonanse drgań membrany, występujące szczególnie intensywnie wpłaskich membranach. Podczas gdy membrana stożkowa dzięki swemu kształtowi posiada sporą sztywność, w mem-branach płaskich większy nacisk trzeba położyć na tłumienie, aby wytłumić niepożądane wyższe rezonanse.Także masa membrany jest większa w porównaniu z membraną stożkową.

2.3.1.3 Głośnik kopułkowyGłośnik kopułkowy różni się od głośnika stożkowego głównie tym, że rezygnuje się tu z membrany stożkowej i zawi-eszenia, a dźwięk emitowany jest przez kopulastą membranę, która pełni jednocześnie rolę pokrywy ochronyprzeciwpyłowej.Oto jego zalety:1. Sztywna kształt kopułki powoduje przesunięcie wyższych rezonansów w kierunku dużych częstotliwości. Rezonansete występują dopiero poza zakresem słyszalności.2. Dzięki małej wielkości membrany kąt promieniowania jest bardzo duży.3. Dzięki małej masie membrany osiągany jest stosunkowo duży współczynnik sprawności.Kopułka nie może przenosić dużych wychyleń, ponieważ utrzymywana jest tylko za pomocą jednego zawieszenia idlatego ma skłonności do obracania się. Z tego powodu membrany kopułkowe montowane są tylko w głośnikachśrednio- i wysokotonowych.Jako materiał na membranę używana jest często tkanina impregnowana, pokryta trwałym, sprężystym materiałemtłumiącym. Także specjalne stopy aluminium i tytanu nadają się wspaniale na materiał do budowy membrany zewzględu na wysoki stopień sztywności przy małej wadze.

2.3.1.4 Głośnik tubowy z komorą ciśnieniową, napędNormalny, bezpośrednio emitujący głośnik, jak np. głośnik stożkowy, mabardzo mały współczynnik sprawności: tylko ok. 3-5% mocy elektrycznejjest rzeczywiście emitowana w postaci fali akustycznej. Dzieje się tak naskutek złego dopasowania membrany do otaczającego powietrza. Dopa-sowanie to można znacznie poprawić za pomocą tub (rozdział 6.3.4).Głośniki tubowe dla zakresu średnich i wysokich tonów pracują na za-sadzie komory ciśnieniowej.Rys. 13 pokazuje sposób funkcjonowania napędu komory ciśnieniowej.Kiedy membrana M przesuwa się o długość x, powietrze w otworze oznacznie mniejszym przekroju przemieszcza się o długość y. Powoduje toznaczne zwiększenie prędkości w otworze. Dlatego mówimy o transfor-macji prędkości.

Rys. 13. zasada głośnika ze sprzęgającą komorą ciśnieniową

Transformacja ta nie może jednak przebiegać dla dowolnie dużych prędkości. Granice leżą tam, gdzie ze względu nadużą prędkość przepływu powstają straty na skutek zawirowań i tarcia. Tak dochodzi do tzw. zniekształceń sprężania,które objawiają się zwiększonym brzęczeniem. Poza tym współczynnik sprawności zmniejsza się, kiedy powietrze w

komorze jest zbyt mocno sprężane i ciśnienie spowodowane ruchem membrany nie może być już odpowiednio przeka-zane do tuby.

2.3.2. Głośnik wstęgowyW klasycznym głośniku wstęgowym między dwoma przeciwnie spolaryzowanymi płytkami magnesu rozpięta jest cieniutka

taśma aluminiowa o niezwykle małej masie.Taśma ta porusza się, kiedy przepływa przez niąprąd. Chodzi o tę samą zasadę pracy co przygłośniku cewkowym, jednak z tą zaletą, że prze-wód elektryczny pełni jednocześnie rolę membrany.Jest więc możliwe, że masa membrany nie przekrac-za kilku miligramów. System wstęgowy należy doprzetworników o najszerszym paśmie.Pofałdowanie zapobiega rozerwaniu wstęgi przywiększych wychyleniach. Maksymalne wychyleniejest jednak tak małe, że zasada ta może być stosow-ana tylko w głośnikach wysokotonowych.

Rys. 14. Zasada głośnika wstęgowego

Ma on jednak wady:1. Ponieważ szczelina powietrzna jest stosunkowo duża, pole magnetyczne jest zbyt słabe, aby osiągnąć zadowalającywspółczynnik sprawności. Można to poprawić zakładając tubę.2. Impedancja wstęgi jest bardzo mała. W celu dopasowania do wyjścia wzmacniacza potrzebny jest transformator.

2.3.3. Przetwornik izodynamicznyPrzetworniki izodynamiczny, nazywane także przetwornikami ortodynamicznymi, mylone są często z głośnikamiwstęgowymi. Rys. 15 pokazuje przekrój takiego głośnika.

Magnesy sztabkowe, które przyklejone sądo perforowanej płyty biegunowej, mocu-je się w niewielkim odstępie od membrany,tak, aby membrana i linie pola magnetyc-znego przebiegały równolegle. Istniejągłośniki, które mają magnesy tylko po jed-nej stronie, oraz takie, które zbudowane sąsymetrycznie. Te ostatnie mają wyższywspółczynnik sprawności i większy zakres,w którym pole magnetyczne jest jedno-rodne. Membrana składa się z utrzymującejwysoką temperaturę cienkiej folii ztworzywa sztucznego, na którąnaparowywany jest aluminiowy przewód.

Rys. 15. Przetwornik izodynamicznyu góry: przekrój głośnika, u dołu: zasadapracy

Przewód ułożony jest na membranie w formie zakoli w taki sposób, że jego cała przebiegająca w polu magnetycznymdługość jest bardzo duża.Impedancja osiąga dzięki temu normalną wartość i nie potrzebny jest żaden transformator.Tę zasadę przetwornika można jednak, ze względu na ograniczone wychylenie membrany, zastosować tylko w głośnikachwysokotonowych. Współczynnik sprawności jest porównywalny z głośnikiem kopułkowym. Są jednak też specjalnekonstrukcje z powiększonym odstępem między membraną a magnesem, które pracują jako głośniki średnio- a nawetniskotonowe.Siła, która napędza membranę, rozłożona jest równomiernie na całej jej powierzchni, dzięki czemu niebezpieczeństwodzielenia się membrany jest bardzo małe. Zaletą przetwornika izodynamicznego jest dokładne odtworzenie krótkichimpulsów. Przebieg impedancji jest także idealny. Ponieważ cewka drgająca prawie nie wykazuje indukcyjności, prze-bieg impedancji wygląda jak w rezystorze. Efektem jest wzorcowy przebieg faz. Problemy powstają dopiero w bardzodużych głośnikach. Ponieważ membrana może się poruszać tylko w wąskim zakresie w polu magnetycznym może miećjedynie małe wychylenia. Z tego powodu nie można osiągnąć dużych poziomów mocy promieniowanej.

2.4. Przetwornik elektrostatycznyW przetwornikach elektrostatycznych na ładunek elektryczny, który znajduje się w polu elektrycznym, wywierana jestsiła. Rys. 16 pokazuje tę zasadę działania:Między dwoma metalowymi siatkami rozciągnięta jest cienka, przewodząca prąd elektryczny membrana (zazwyczaj ztworzywa sztucznego z nałożoną metalizacją). Napięcie polaryzacyjne od 1000 V do 5000 V wytwarza ładunek elektry-

czny na membranie poprzez rezystor R. Jego rezystancja jest bardzoduża, toteż ładunek może odpływać tylko w wolnym tempie, a zatemmoże być traktowany jako stały. Sygnał o częstotliwości akustycznejdoprowadzony jest na siatkę metalową poprzez transformator o dużymnapięciu. Napięcie to powoduje wywieranie siły mechanicznej namembranę. W zależności od biegunowości napięcia zmiennego, mem-brana poruszana jest ruchem posuwisto-zwrotnym, a dźwięk emitow-any jest poprzez siatkę w obie strony.Zalety głośnika elektrostatycznego to:1. Całkowicie równomierny napęd membrany, a więc brakskłonności do drgań własnych.2. Czyste odtwarzanie przebiegów drgań o dużych częstotliwościa-ch dzięki niezwykle małej masie membrany.

Rys.16. Schemat połączeń przetwornika elektrostatycznego

Ze względu na te walory głośniki elektrostatyczne zaliczane są do najbardziej wartościowych przetworników. Jednakna przeszkodzie rozpowszechnieniu tego przetwornika stoją istotne wady:1. Bardzo duży koszt ze względu na napięcie polaryzacyjne; wymagane są transformatory wysokiej jakości.2. Wrażliwość na wilgoć z powodu wysokiego napięcia (trzaski).3. Szczególne wymagania co do wzmacniacza, który po części obciążany jest pojemnościowo.4. Problemy powstające przy małych częstotliwościach i dużej głośności z powodu ograniczonych wychyleń membrany.5. Ograniczony kąt promieniowania.

2.5. Przetwornik piezoelektryczny

W tego rodzaju przetwornikach wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny. Jeżeli kryształ piezoelektryczny podda-wany jest działaniu naprężeń mechanicznych, to powstaje napięcie elektryczne (wykorzystywane np. do zapłonu ele-ktrycznego). Proces ten można odwrócić. Jeżeli więc do kryształu doprowadzone jest napięcie, to ulega on odkształceniu.Przy zmiennym napięciu drga on z częstotliwością doprowadzonego napięcia. Drganie przenoszone jest na małą mem-branę stożkową i wyemitowane w postaci fali dźwiękowej. Amplitudy są jednak bardzo małe, toteż przetwornik tenmoże być przydatny tylko jako głośnik wysokotonowy.Cechą szczególną tego głośnika jest jego impedancja. Zachowuje się ona jak kondensator, tzn. impedancja ma charak-ter pojemnościowy. Przy prądzie stałym i małych częstotliwościach impedancja jest bardzo duża, toteż w tym zakresienie ma żadnego obciążenia głośnika. W praktyce jest to duża zaleta, gdyż można po prostu podłączyć wysokotonowygłośnik piezoelektryczny równolegle do innych głośników bez zwrotnicy częstotliwościowej. Maksymalne obciążeniepodawane jest zazwyczaj nie w watach, ale w relacji do maksymalnego dopuszczalnego napięcia, które wynosi 25 V.Dzięki szeregowemu podłączeniu wielu głośników piezoelektrycznych, obciążenie zwiększa się tak jak w kondensa-torach. Jeżeli pracować będą tylko głośniki piezoelektryczne, bez podłączonych równolegle innych głośników, wskaza-na jest ostrożność. Niektóre wzmacniacze przy czysto pojemnościowym obciążeniu mają skłonności do wzbudzania się.Ponieważ wysokotonowy głośniki piezoelektryczne są bardzo tanie, stanowią interesującą propozycję, jeśli szukamygłośników wysokoobciążalnych, trwałych i nie stwarzających problemów.Dźwięk głośników piezoelektrycznych określany jest często jako przenikliwy. Można na ten zarzut odpowiedzieć: głośniki

piezoelektryczne z pewnością nie należą do wysokiej klasy, sąjednak lepsze niż powszech nie się sądzi. Wysoki współczynniksprawności i możliwość wysokiego obciążenia skłaniają częstodo zbytniego wzmacniania zakresu wysokich tonów, co rzeczjasna brzmi potem ostro i przenikliwie.

Rys. 17. Przetwornik piezoelektryczny

2.6. Głośnik jonowy

Wszystkie opisane dotąd głośniki mają wspólną cechę: aby został wyemitowany dźwięk, trzeba poruszyć mniej lubbardziej masywną membranę. Wysokotonowy głośnik jonowy nie ma tej wady, ponieważ nie ma tu membrany. Pali sięw nim łuk elektryczny, który zasilany jest prądem o dużej częstotliwości. Prąd ten modulowany jest sygnałem o często-

tliwości dźwięku. Dzięki temu drga światło łuku, ale i temperatura - w rytmie napięcia częstotliwości dźwięku. Po-nieważ objętość powietrza powiększa się wraz z rosnącą temperaturą, leżące najbliżej cząsteczki powietrza wprawianesą w ruch, a fale dźwiękowe mogą się rozchodzić. Wykorzystywany jest tu ten sam efekt, który ma miejsce przypowstawaniu grzmotu.Mamy tu więc idealny głośnik wysokotonowy, jeśli chodzi o wytwarzanie dźwięku. Ma on jednak i wady: koszt jestogromny, a maksymalne osiągalne ciśnienie akustyczne nie jest zbyt duże.

3. Dane techniczne i metody pomiaru

3.1. Obciążenie znamionoweObciążenie znamionowe głośnika, mierzone w watach, wskazuje, jaką moc elektryczną może przyjmować głośnik wpracy ciągłej. Jest ono określane wg DIN 45 573 za pomocą dokładnie zdefiniowanego sygnału w postaci szumudoprowadzonego w cyklu 1 min.-włączenie/2 min.-wyłączenie w czasie 300 sekund. Ten sygnał ma symulować typowyutwór muzyczny. Należy przy tym zaznaczyć, że duże częstotliwości mają w takim sygnale znacznie mniejszą moc niżmałe. Dlatego głośniki wysokotonowe, które mierzone są wg tej normy, obciążane są tylko ok. 10 procentami całejmocy.Wg tej normy można łączyć głośniki nisko- średnio- i wysokotonowe każdorazowo z np. 100 watami obciążenia znami-onowego (wg DIN), jeżeli głośniki te mają służyć do zwykłego odtwarzania muzyki. Całkiem inne wymagania stawianesą profesjonalnym głośnikom muzycznym. Przy podawaniu obciążenia nie ma tu żadnych różnic między głośnikaminisko- i wysokotonowymi. Podaje się obciążenie nominalne, tzn. moc, z jaką pojedyncza membrana może dać sobieradę.

3.2. Obciążenie muzyczneObciążenie muzyczne podawane w watach jest tym właśnie krótkotrwałym (max. 2 sek.) obciążeniem impulsowym,które nie wywołuje żadnych uszkodzeń głośnika i nie pogarsza w sposób odczuwalny jakości odbioru.

3.3. Charakterystyka częstotliwościowa ciśnienia akustycznegoCharakterystyka częstotliwościowa ciśnienia akustycznego jest to zależność od częstotliwości poziomu ciśnienia akusty-cznego, jeśli na wejście głośnika podaje się sygnał elektryczny o poziomie niezależnym od częstotliwości. W zależnościod rodzaju tego sygnału elektrycznego, rozróżnia się charakterystykę napięciową, prądową i mocową. Stosuje sięnastępujące metody pomiaru:

1. Pomiar z przestrajaną sinusoidą:Jako napięcie wejściowe głośnika służy napięcie sinusoidalne , którego moc wynosi 1 W. Częstotliwość przebiegurośnie powoli. Wyemitowany sygnał akustyczny (ciśnienie akustyczne) jest w odstępie 1 m odbierane za pomocą mikrofonupomiarowego, wzmacniany i zapisywany specjalnym pisakiem. Dużym problemem jest znalezienie odpowiedniegomiejsca pomiaru, ponieważ mikrofon powinien zbierać tylko dźwięk z głośnika, a nie odbicia od otaczających ścian.Odbicia te mogą powodować zmiany w przebiegu charakterystyki częstotliwości o 20-30 dB.Pomiar ten może być dokonany np. w przestrzeni otwartej, aby głośnik mógł emitować dźwięk bez przeszkód. Niestety,jest to często trudne do zrealizowania ze względu na duży hałas otoczenia, wiatr i pogodę. Dobrze byłoby mieć dodyspozycji pomieszczenie bez odbić. Dźwięk jest w nim pochłaniany przez ściany o specjalnej konstrukcji w postaciklinów ok. metrowej długości wykonanych z wełny mineralnej lub pianki. Do pomiaru częstotliwości poniżej 100 Hzpotrzebne są naprawdę ogromne pomieszczenia, których budowa pociąga za sobą wysokie koszty. Konstruktor głośnikazmuszony jest dokonywać pomiaru sygnałem sinusoidalnym, gdyż tylko w ten sposób wyjdą na jaw różne błędy, np.uszkodzenia membrany.

2. Pomiar z szybko przestrajaną sinusoidą (chirp):Zamiast powoli przestrajanego sygnału sinusoidalnego użyć można sygnału pomiarowego, którego częstotliwość bard-zo szybko przemiata pełen zakres pomiarowy. Zakłócenia występujące w pomieszczeniu pomiarowym na skutek odbićod ścian zostaną w ten sposób zminimalizowane.

3. Pomiar szumem różowym:Jest to metoda szczególnie dogodna dla konstruktora głośników, ponieważ nie wymagane jest tu żadne specjalnepomieszczenie pomiarowe. Głośnik testowany jest w mieszkaniu, a jako napięcie pomiarowe służy tzw. szum różowy(szum o widmie, którego gęstość mocy maleje jednostajnie w całym paśmie odwrotnie proporcjonalnie do częstotli-wości). Za pomocą filtrów, które mają szerokość tercji lub oktawy, dzieli się pasmo częstotliwości na poszczególnepodzakresy i mierzy poziom ciśnienia akustycznego w tych pasmach. Dzięki uśrednianiu poziomu w tych pasmachwygładza się ostre nierównomierności charakterystyki. Dzięki temu osiągamy rezultat, który odpowiada wrażliwościnaszego słuchu. Są tanie urządzenia, za pomocą których nawet amator może przeprowadzić taki pomiar. Metoda ta jestdobra do pomiaru gotowego zestawu głośnikowego, gdyż uwzględnia wpływ otoczenia i można w ten sposób znaleźćkorzystne miejsce ustawienia zestawu.

Rys. 18. Charakterystyka częstotliwościowaśredniotonowego głośnika kopułkowego

3.4. Efektywność głośnika

Efektywność głośnika, mierzona w dB, jest poziomem, odpowiadającym średniej wartości natężenia dźwięku w środ-kowej części charakterystyki ciśnienia akustycznego. Przykładowo głośnik średniotonowy na rys. 18 ma efektywnośćrówną 92 dB.

3.5. Współczynnik sprawności

Współczynnik sprawności, wyrażany w procentach oznacza stosunek wyemitowanej mocy akustycznej do doprowad-zonej mocy elektrycznej.

3.6. Charakterystyka kierunkowości

Do wykonania charakterystyki kierunkowościgłośnik musi być ustawiony na talerzu obrotowymw pomieszczeniu pozbawionym odbić i okręcanypowoli wokół własnej osi. Dla poszczególnych,ustalonych częstotliwości rysuje się poziomnatężenia dźwięku w zależności od kąta ustaw-ienia. Rozróżniamy następujące podstawowe typycharakterystyk: charakterystykę dookólną(wszechkierunkową), podłużną (mocno uki-erunkowana) i dipolową lub ósemkową (równiesilna z przodu i z tyłu, zero pod kątem 90 stopni).Optymalna charakterystyka może być bardzoróżna dla różnych głośników. Np. w głośniku dys-kotekowym korzystna byłaby emisja jednoki-erunkowa w postaci wiązki, podczas gdy wgłośniku Hi-Fi dąży się na ogół do charakterystykidookólnej lub dipolowej.

Rys.19. Charakterystyka kierunkowości

3.7. Rezystancja prądu stałego (RDC)

Rezystancja RDC cewki drgającej jest to jej opór omowy. Może on być mierzony omomierzem.

3.8. Charakterystyka częstotliwościowa impedancji elektrycznej

Impedancja (opór dla prądu zmiennego)głośnika jest zależna od częstotliwości.Dla dużych częstotliwości wzrasta onawraz z częstotliwością z powodu induk-cyjności cewki.

Rys. 20. Charakterystyka częstotliwoś-ciowa impedancji głośnika niskot-onowego

Krzywa przerywana na rys. 20 ukazuje przebieg tej charakterystyki w sytuacji, kiedy cewka jest unieruchomiona. Jeślicewka może drgać swobodnie, to przebieg charakterystyki impedancji przy rezonansie fs wykazuje silne maksimum(krzywa ciągła na rys. 20).Powodowany przez indukcyjność wzrost impedancji przy dużych częstotliwościach może być lekko wyrównany członemRC (patrz rozdz. 7.3). Ma to uzasadnienie wówczas, jeśli zastosowana zostanie zwrotnica częstotliwościowa i imped-ancja w danym zakresie mocno różni się od wartości znamionowej, leżącej u podstaw obliczania zwrotnicy (np. imped-ancja znamionowa 8 omów). Tę samą funkcję spełnia zwój zwarty. Dzięki pierścieniowi przewodzącemu, który położonyjest wokół rdzenia bieguna, wyraźnie zmniejsza się wzrost impedancji przy dużych częstotliwościach (patrz rys. 20).

3.9. Impedancja znamionowa (Z)

Dla oznaczenia głośnika podawana jest impedancja znamionowa. Przeważająca większość głośników ma impedancjęznamionową równą 4 lub 8 omów. Norma podaje, że w zakresie użytecznej pracy impedancja nie powinna być mnie-jsza o więcej niż 20% od impedancji znamionowej.Minimalna dopuszczalna impedancja wynosi więc w głośnikach 4-omowych 3,2 Ω w głośnikach 8-omowych 6,4 Ω.

3.10. Indukcyjność cewki drgającej (L)

(Nie mylić z indukcją magnetyczną mierzoną w teslach).Jeśli mamy wyrównać wzrost impedancji, to musimy znać wielkość indukcyjności cewki drgającej L, mierzonej w µH(mikrohenry). Zdarza się, że wielkość ta nie może być zmierzona za pomocą normalnych mostków impedancji (często-tliwość pomiarowa 1 kHz), ponieważ przy 1 kHz w większości głośników przeważa opór czynny w porównaniu zoporem indukcyjnym (biernym).

3.11. Częstotliwość rezonansu (fs)

Częstotliwość rezonansu fs [Hz] jest częstotliwością, przy której impedancjagłośnika osiąga swoje pierwsze maksimum (rys. 20). Głośniki średnio- i wys-okotonowe bez ferrofluidowego tłumienia powinny być pobudzane co na-jmniej jedną oktawę ponad fs. Rys. 21 pokazuje prosty układ do pomiaru fs.Częstotliwość rezonansu znajduje się tam, gdzie woltomierz pokazuje mak-symalne napięcie.

Rys. 21. Układ do pomiaru częstotliwości rezonansu

3.12. Masa czynna układu drgającego (mMD)Masa czynna układu drgającego mMD [g] jest sumą tych mas, poruszających się podczas drgań. Są to: cewkadrgająca, membrana, część zawieszenia membrany i cewki, przewody doprowadzające i bezpośrednio sąsiadującepowietrze. Masę czynną oblicza się na podstawie zmiany częstotliwości rezonansowej, która następuje przezulokowanie określonej masy dodatkowej na membranie.

3.13. Podatność (CMS)Podatność CMS zawieszeń membrany i cewki, mierzona w m/N, wskazuje, jak sztywno zawieszona jest mebrana.Obliczana jest za pomocą częstotliwości rezonansu i masy czynnej. Im większa podatność, tym bardziej elastyczne jestzawieszenie membrany i tym mniejsza jest fs przy takiej samej masie membrany.

3.14.Dobroci QRozróżnia się trzy dobroci Q (wg Thielego i Smalta):1. Dobroć mechaniczna QMS, który określa tarcie mechaniczne, np. występujące w zawieszeniach2. Dobroć elektryczna QEL, która opisuje tłumienie drgań spowodowane efektem sprzężenia elektromechanicznego.3. Dobroć całkowita QTS, określona następującym wzorem:

Dobroć QTS wpływa silnie na charakterystykę częstotliwościową i drgania układu przy częstotliwości rezonansu.

3.15. Efektywna powierzchnia membrany (SD)Efektywna powierzchnia membrany SD [cm2] jest to powierzchnia, która przyczynia się do promieniowania dźwięku.określa się ją w sposób przybliżony jako sumę powierzchni membrany i połowy powierzchni zawieszenia membrany.

3.16. Równoważna podatność objętości powietrza (VAS)

Równoważna objętość powietrza VAS w litrach obliczana jest na podstawie powierzchni membrany i podatnościzawieszeń. Działanie sprężynujące zawieszeń jest przeliczane na zamkniętą objętość powietrza o takim samymdziałaniu. Przyjmując, że głośnik ma VAS = 100 litrów, to podatność zawieszeń jest taka sama, jak dla 100 litrówzamkniętej objętości powietrza, która oddziaływuje na membranę o takiej samej powierzchni. Sens stosowania tejwielkości polega na uproszczeniu obliczeń przy projektowaniu obudowy głośnikowej.Zdarza się, że dwie takie same membrany umieszczone są obok siebie w obudowie. Jak duża jest w tym przypadkuobjętość VAS? Oba głośniki traktowane są jak jeden duży z podwójną objętością VAS. Wartości dla fs i QTS nie zmieniająsię. Przy trzech głośnikach uzyskujemy potrójną objętość VAS itd.

3.17. Indukcja magnetyczna (B)

Indukcja magnetyczna B, mierzona w testach, oznacza siłę pola magnetycznego w szczelinie powietrznej. Właśnieindukcja, a nie objętość czy waga magnesu, jest oznaką jakości.

3.18. Strumień magnetyczny

Strumień magnetyczny, podawany w mikroweberach, jest iloczynem indukcji i średniej powierzchni szczeliny powi-etrznej.

3.19. Stała BI

Na podstawie stałej BI, wyrażanej w teslometrach, można bezpośrednio wnioskować o sile napędu, która działa nacewkę drgającą (patrz rozdz. 2.3). Duża wartość BI jest warunkiem uzyskania dużego współczynnika sprawności ijednocześnie wywołuje duże tłumienie rezonansu własnego membrany. Jeśli stała BI jest za duża, może mieć to nas-tępstwa w postaci zbyt słabego odtwarzania basów. Zbyt mała wartość BI powoduje przesadnie duży rezonans własnyi słabe odtwarzanie impulsów przy niskich tonach. Poprawna wartość stałej BI zależy od zasady działania urządzenia(transmission-line, bas-reflex lub tuba).

3.20. Pomiar stanu nieustalonego

Pomiar stanu nieustalonego to praktykowana już od dawna metoda testowania odpowiedzi impulsowej głośników.Przy pomiarze charakterystyki częstotliwościowej ciśnienia akustycznego do głośnika doprowadza się ciągły ton sinu-soidalny, którego częstotliwość powoli się zwiększa. Głośnik ma więc wystarczająco dużo czasu, aby dojść do drgań na

danej częstotliwości. Natomiast przy po-miarze stanu nieustalonego do głośnikadoprowadzanych zostaje tylko kilkaokresów drgań sinusoidalnych o danejczęstotliwości.

Rys. 22. Odtwarzanie stanów nieustalo-nych a) elektryczny sygnał wejściowy b)sygnał emitowany z głośnika

Ważne jest przy tym, aby drgania zawsze zaczynały się i kończyły przy przejściu przez zero. Emitowane fale dźwiękowezbierane są mikrofonem i pokazywane na oscyloskopie.Istotny jest przy tym głównie początek i koniec impulsu. Im bardziej drgania podobne są do oryginału, tym lepsze jestodtwarzanie stanu nieustalonego głośnika przy tej częstotliwości. Aby sprawdzić głośnik w jego całkowitym zakresiepracy, należy przeprowadzić ten pomiar dla wielu różnych częstotliwości.

3.21. Analiza FFT

W przeciwieństwie do pomiaru stanu nieustalonego, analiza FFT (szybka transformata Fouriera) pozwala jednym rzutemoka objąć duży zakres częstotliwości. W uproszczeniu metoda ta funkcjonuje następująco: do głośnika doprowadza siękrótki, prostokątny impuls. W tym impulsie, który słyszalny jest jako krótki trzask, zawarte są wszystkie częstotliwościzakresu częstotliwościowego dźwięku. Odpowiedź impulsowa zbierana jest znów mikrofonem, zapisywana i przed-stawiana trójwymiarowo.

Rys. 23. Analiza właściwości głośnikametodą szybkiej transformaty Fouri-era (FFT)a) impuls pomiarowy b) rozkładczasowy widma („wodospad”)

Aby poznać wyniki, trzeba przeanalizować mnóstwo wartości pomiarowych, z czym może sobie poradzić tylko odpow-iedni komputer. Na rys. 23 b) od lewej do prawej podana jest częstotliwość i amplituda (na wysokość). Tylna krzywaodpowiada zwykłej charakterystyce częstotliwościowej ciśnienia akustycznego. Nowością jest tu, że charakterystykiczęstotliwościowe przedstawione są w porządku czasowym. Zapisane są one obok siebie od tyłu do przodu. Na osimożna odczytać w milisekundach, po jakim czasie jakie występują częstotliwości i jak są silne. Można wyraźnie zauważyć,że niskoczęstotliwościowe składowe dźwięku drgają o wiele dłużej niż tony wysokie. Takie przedstawienie zachowaniagłośnika nazywa się też wodospadem.

4. Zniekształcenia dźwięku

Porównując dźwięk między różnymi odtwarzaczami kompaktowymi, magnetofonami, wzmacniaczami i głośnikami,można zauważyć, że istnieją bardzo duże różnice brzmienia między głośnikami różnych producentów I typów budowy.Głośnik ma w łańcuchu Hi-Fi najtrudniejsze zadanie do spełnienia, tj. ponowne przetworzenie sygnału elektrycznego wakustyczny. Wymagane tu ogromne przyspieszenia stosunkowo dużej masy wywołują niestety najróżniejsze negaty-wne efekty. Zakłócają one dokładne odtworzenie pierwotnego sygnału w uchu słuchacza. W tym rozdziale przed-stawione zostaną najważniejsze typy zakłóceń i zniekształceń.

4.1. Zniekształcenia linearne amplitudowe

Zniekształcenia amplitudowe są to zafałszowania, które jest natychmiast dostrzegalne nawet dla laika. O zniekształceniachtakich możemy mówić, jeśli wyemitowane ciśnienie akustyczne jest w sposób odczuwalny uzależnione od częstotliwoś-ci, a więc składowe dźwięku o różnych częstotliwościach odtwarzane są z różnymi amplitudami.Zniekształcenia amplitudowe można ocenić stosunkowo łatwo za pomocą charakterystyki częstotliwościowej ciśnieniaakustycznego. Jeśli jest on w miejscu odsłuchu wyrównany, to odbiór też zazwyczaj nie jest zakłócony. Należy jednakzwrócić uwagę na to, że zniekształcenia takie powodowane mogą być nie tylko przez głośnik, ale i przez samo pomieszc-zenie, w którym dokonuje się odsłuchu.

4.2. Drgania cząstkowe

Zazwyczaj wychodzi się z założenia, że membrana - wszystko jedno czy stożkowa, kopułkowa czy płaska - porusza sięjak sztywny tłok, tzn. ruchem posuwisto-zwrotnym z jednakową amplitudą drgań na całej powierzchni. Niestety, wpraktyce założenie to okazuje się nieprawdziwe. W materiale membrany rozchodzą się fale giętne rozchodzące się odcewki napędzającej aż do obrzeża. Tam fale te są odbijane, nakładają się na fale biegnące i w ten sposób mogąutworzyć się fale stojące (drgania własne) w membranie. Część powierzchni membrany przesuwa się przy tym doprzodu, a jednocześnie inna część do tyłu. Rys. 24 pokazuje przykładowe strefy na membranie poruszające się z przeci-wnymi fazami. Rezultatem jest zanik emisji dźwięku. Położenie zakresów pozbawionych emisji dźwięku zmienia sięwraz z częstotliwością. Następstwem jest “poszarpana” charakterystyka częstotliwościowa ciśnienia akustycznego.Drgania takie występują głównie w zakresie dużych częstotliwości.Zaradzić temu może możliwie sztywna membrana - dzięki użytemu materiałowi lub kształtowi - albo duże wewnętrznetłumienie materiału membrany. Dzięki wewnętrznemu tarciu wzajemnemu łańcucha molekuł unika się dużych różnic

faz drgań różnych części membrany, a tym samym stłumionezostają drgania własne. Oba środki zapobiegawcze możnapołączyć, jeśli powlecze się sztywną powierzchnię membranyodpowiednim materiałem o dużym tłumieniu.

Rys. 24. Strefy membrany drgające z przeciwnymi fazami

4.3. Interferencje

Interferencje występują wtedy, kiedy spotkają się dwie fale i zgodnie z położeniem wierzchołków lub dolin fali znosząsię lub wzmacniają. Problem ten ma znaczenie szczególnie w zestawach wielodrożnych.W zestawie dwudrożnym na rys. 25 istnieje zakres częstotliwości, gdzie głośniki nisko- i wysokotonowe tak samo

mocno przyczyniają się do emisji dźwięku. Podczas gdy składowedźwięku na osi wyjściowej dokładnie się dodają, pod pewnym kątemmogą się całkowicie znosić, ponieważ mają do przebycia różne drogi.Jedna składowa dociera do miejsca odsłuchu później niż inna. Mówimywtedy o przesunięciu fazowym.

Rys. 25. Interferencja fal w zestawie dwudrożnym

Przy przesunięciu fazowym o 0° amplitudy dodają się, a przy 180° ma miejsce zupełne zniesienie. Między tymi wartoś-ciami możliwa jest każde inne przesunięcie fazowe. Następstwem tego zjawiska jest nierówny przebieg charakterystykiczęstotliwościowej, co objawia się zniekształceniami brzmienia.Im dalej od siebie leżą poszczególne membrany w zestawie, tym silniej występuje ten efekt. W zestawach wielodrożnychmembrany głośników powinny być jak najbliżej siebie. Poza tym głośniki powinny być umieszczone nad sobą, a nieobok siebie. Tym samym będzie wiadomo, że składowe dźwięku od poszczególnych głośników muszą pokonać tę samądrogę w każdym miejscu poziomej płaszczyzny odsłuchu. Zestaw powinien być tak ustawiona, żeby ucho słuchaczaznajdowało się zawsze na wprost.

4.4. Zniekształcenia modulacji częstotliwości (dopplerowskie)

Efekt Dopplera może się objawić w przykry sposób, jeśli z jednej membrany emitowane są tony o różnych częstotliwoś-ciach. Jeśli membrana drga z dużym wychyleniem dla częstotliwości np. 50 Hz i jednocześnie nakłada się na to ton oczęstotliwości 1000 Hz, to patrząc od strony słuchacza źródło dźwięku tonu 1000-hercowego wędruje tam i z powro-tem 50 razy na sekundę. Dokładnie tak jak klakson zbliżającego się samochodu brzmi wyżej, a oddalającego się - niżej,tak samo częstotliwość tonu 1000-hercowego zmienia się 50 razy na sekundę. W rezultacie powstaje modulacja częs-totliwości tonu wysokiego tonem niskim. Na skutek tego ton wysoki brzmi szorstko, podobnie jak przy nierównomi-ernej prędkości przesuwu taśmy magnetofonowej. Efekt Dopplera występuje oczywiście tym silniej, im większe sąwychylenia membrany, rośnie zatem wraz mocą tonu niskiego. Z drugiej strony głośnik basowy o małym przekrojumembrany musi mieć większą amplitudę wychylenia niż duży głośnik. Stąd też efekt Dopplera jest większy przy mnie-jszych przekrojach membrany.Duże zniekształcenia dopplerowskie wytwarzają przede wszystkim głośniki szerokopasmowe, gdyż muszą one emitow-ać jednocześnie bardzo niskie i bardzo wysokie tony. W zestawach wielodrożnych łatwiej poradzić sobie z tym proble-mem, ponieważ zakresy częstotliwości podzielone są pomiędzy poszczególne głośniki.

4.5. Zniekształcenia nielinearne

Omawiane dotąd zniekształcenia mogą występować równieżw przypadku, kiedy ruch cewki drgającej jest całkowicie linio-wy, tzn. kiedy odpowiada dokładnie prądowi na wejściu. Wpraktyce jednak rzadko mamy do czynienia z taką sytuacją. Zjednej strony wychylenie membrany może być tak duże, że cew-ka opuszcza jednorodne pole magnetyczne, z drugiej stronyzawieszenie może mechanicznie ograniczać wychylenie. W obuprzypadkach wygląda to tak, jak przedstawiono na rys. 26.Wierzchołki wychylenia zostają spłaszczone.

Rys. 26. Zniekształcenia tonu sinusoidalnego spowodowanenielinearnością zawieszeń

Jeśli dzieje się to z tonem o częstotliwości np. 100 Hz, to za pomocą techniki pomiarowej łatwo można znaleźć nowopowstałe wyższe harmoniczne. Dla tonu o 100 hercach mają one wartości: 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz..., a więc sądokładnie całkowitymi wielokrotnościami tonu podstawowego. Ponieważ nie występują w oryginale, to mówimy ozniekształceniach częstotliwościowych. Za pomocą współczynnika zawartości harmonicznych podaje się w procentachudział wyższych harmonicznych. Naszczęście przy normalnej muzyce ucho nie reaguje zbyt mocno na tego typu zniekształcenia, gdyż każdy ton instrumen-tu muzycznego również składa się z tonu podstawowego i tych samych harmonicznych. W wyniku tych zniekształceńnie występują żadne składowe obcego pochodzenia. To, w jakiej mierze słyszalne są zniekształcenia harmoniczne,zależy od rodzaju muzyki. Przy czystym tonie sinusoidalnym już 1 % jest wyraźnie słyszalny. Natomiast w niektórychrodzajach muzyki, przede wszystkim przy niskich tonach, niemal niezauważalne jest 5-10%.

4.6. Intermodulacja

O wiele bardziej uciążliwe od zniekształceń harmonicznych są zniekształcenia intermodulacyjne, powodowane równieżprzez nieliniowe ruchy cewki drgającej. Jeśli membrana ma np. równocześnie emitować 50 Hz i 1000 Hz, to dużaczęstotliwość wyemitowana zostanie w sposób zniekształcony, jeśli ton o wysokości 50 Hz na skutek dużego wychyle-nia spowoduje spłaszczenie wierzchołków ruchu membrany. Powstają przy tym następujące częstotliwości mieszane:

1000 Hz - 50 Hz = 950 Hz1000 Hz + 50 Hz = 1050 Hz

Ponieważ częstotliwości te nie występują w sygnale oryginalnym, powodują one również zniekształcenie brzmienia.Pamiętajmy jednak, że zniekształcenia intermodulacyjne powstają tylko wtedy, kiedy wyemitowana zostanie większailość tonów o różnej częstotliwości i membrana nie może odtwarzać liniowo przebiegu czasowego prądu w cewce. Wprzeciwieństwie do tego efekt Dopplera występuje również przy układach całkowicie liniowych. Zniekształcenia inter-modulacyjne są bardzo uciążliwie, gdyż dochodzi tu do powstania częstotliwości, które normalnie nie występują wdźwięku muzycznym. Podział zakresu częstotliwości między poszczególne głośniki okazuje się pomocny także i w tymprzypadku.

5. Zestawy głośnikowe

5.1. Wielodrożne zestawy głośnikowe

Jeśli chcemy zbudować zestaw głośnikowy, który obejmuje szeroki zakres częstotliwości, to mamy dwie możliwości:albo wybieramy system szerokopasmowy, albo dzielimy zakres przenoszenia na dwie lub więcej części. Oba rozwiązaniamają wady i zalety:

1. Zalety pojedynczego głośnika szerokopasmowego:- niski koszt- promieniowanie dźwięku z jednego punktu- mniej interferencji- brak problemów fazowych powodowanych przez zwrotnicę częstotliwościową

2. Zalety wielodrożnego zestawu głośnikowego:- szerszy zakres częstotliwości- większa wytrzymałość- mała skłonność do drgań własnych- mniej zniekształceń intermodulacyjnych- mniej zniekształceń dopplerowskich

Zazwyczaj górę biorą zalety zestawu wielodrożnego, toteż w ostatnim czasie rozwój prowadził wyraźnie w kierunku 2-i 3-drożnych zestawów głośnikowych.Przy wyborze głośników dla zestawu wielodrożnego obowiązują następujące podstawowe zasady:- Głośniki, które pokrywają różne części pasma powinny mieć taką samą efektywność. Nie należy głośnika basowego onp. 96 decybelach łączyć ze średnio- lub wysokotonowym o zaledwie 90 decybelach. W takim przypadku nie możnaoczekiwać wyrównanej charakterystyki ciśnienia akustycznego, gdyż średnie i wysokie tony będą odtwarzane zbytsłabo. W przeciwnym przypadku, średnie i wysokie tony, które są zbyt głośne, można obniżyć za pomocą regulatorawspółbieżnego typu L.- Z oczywistych powodów obciążalność i jakość brzmienia poszczególnych głośników powinny mniej więcej do siebiepasować.

- Poszczególne głośniki powinny być - w kontekście projektowania zwrotnicy częstotliwościowej - staranniesprawdzone co do optymalnych zakresów częstotliwości i obciążalności.- podłączenie równoległe wielu głośnikówCzęsto stawiane jest pytanie, jak zwiększa się ciśnienie akustyczne, jeśli np. zamontuje się dwa głośniki basoweobok siebie w odgrodzie. Ogólnie wiadomo, że natężenie dźwięku dwóch tak samo głośnych źródeł dźwięku jestwyższe o 3 dB niż jednego źródła dźwięku. Jeśli np. samochód wytwarza natężenie dźwięku o poziomie 70 dB, todla dwóch takich samych samochodów wynosi ono już 73 dB.Dla dwóch takich samych głośników, które emitują dokładnie ten sam sygnał, zależności te są jednak całkiem inne. Wprzeciwieństwie do źródeł dźwięku w samochodach, drgają one w tych samych fazach. Następuje zwiększenie natężeniadźwięku o 6 dB. Można to zobrazować w następujący sposób: Przyjmijmy, że mamy głośnik 8-omowy, który przy mocyelektrycznej o wartości 1 wata, w odległości 1 metra wytwarza poziom 90 dB. (Zwiększając moc elektryczną do 2watów otrzymamy 93 dB). Dwa głośniki 8-omowy pobierają każdy po 1 wacie mocy elektrycznej, co prowadzi dozwiększenia ciśnienia akustycznego 0 3 dB do wysokości 93 dB. Ponieważ teraz mamy już podwójną powierzchnięmembrany, to zwiększenie impedancji promieniowania powoduje, że dochodzą do tego jeszcze 3 dB (patrz aneks).

5.2. Głośniki współosiowe

Dla użytku studyjnego i Hi-Fi buduje się kosztowne systemy współosiowe.Wykorzystuje się przy tym duży system magnetyczny, aby napędzić dwie oddzielne cewki dla tonów niskich i wysokich.Cewka drgająca głośnika niskotonowego jest umieszczona w przedniej części nabiegunnika systemu magnetycznego, acewka głośnika wysokotonowego - w tylnej części. Rdzeń bieguna systemu magnetycznego jest zaopatrzony we

współosiowe otwory i służy jednoc-ześnie jako korektor fazy i początektuby dla głośnika wysokotonowego.Głośnik niskotonowy ma zazwyczajmembranę typu Navi (nierozwijalną),służącą jednocześnie jako tubawykładnicza głośnika wysokot-onowego. Uzyskuje się dobrą char-akterystykę amplitudową i fazowągłośnika. Wadą takiego głośnika jestto, że do częstotliwości ok. 1500 Hzpromieniuje stosunkowo duża mem-brana głośnika niskotonowego, cze-go następstwem jest niepożądanezwiększenie kierunkowości promien-iowania.

5.3. Systemy satelita - subwoofer

Najważniejszym wymogiem przy odbiorze stereofonicznym jest umiejscowienie źródła dźwięku między dwoma syme-trycznie ustawionymi zestawami. Ucho ludzkie, jak wiadomo, nie może określić położenia bardzo niskich tonów. Takwięc to właśnie małe częstotliwości, które wpływają na dużą objętość zestawów, najbardziej skłaniają do odłączeniaich od dużych częstotliwości i emitowania z osobnego urządzenia superniskotonowego. Dla dużych częstotliwościpozostaną wtedy dwa małe głośniki (satelity), służące do tworzeniu stereofonicznej panoramy dźwiękowej w pomieszc-zeniu. Ponieważ nie da się określić położenia źródła małych częstotliwości, to głośnik niskotonowy (subwoofer) możnaustawić w dowolnym miejscu pomieszczenia.Tyle teoria, czy raczej pobożne życzenia. W praktyce wygląda to bowiem nieco inaczej. Nie bez racji systemy satelita-subwoofer mają złą opinię wśród miłośników Hi-Fi. Pewne pismo fachowe tak napisało w wynikach testu, któremupoddano osiem systemów satelita-subwoofer: Subwoofer “umieścił basy prawie jak ciała obce obok głównego zdarze-nia dźwiękowego, jakby nie pasowały one zupełnie do siebie. To niezwykłe zjawisko, które zresztą występowało wewszystkich systemach z pasywnym subwooferem, było nie do zniesienia dla wrażliwych odbiorców...”Najwyraźniej sprawa z subwooferem nie jest tak bezproblemowa. Od czego to zależy? Z pewnością nie od nakładówfinansowych, gdyż na te systemy z reguły i tak trzeba wyłożyć dużo pieniędzy. Istota tej wady jest natury techniczno-fizycznej. Jeśli mimo oddzielenia subwoofera od satelitów daje się zlokalizować jego położenie w przestrzeni, to jestto znak, że emituje on zbyt duże częstotliwości ze zbyt dużym poziomem. Tylko bowiem przy bardzo małych częstot-liwościach słuch nie jest w stanie określić kierunku, z którego dochodzą dźwięki. Aby określić, gdzie leży krytycznaczęstotliwość, przyjrzyjmy się typowej charakterystyce częstotliwościowej pasywnego subwoofera i zestawu satel-itarnego (rys. 29).

Rys. 28. Szkic niskotonowej obudowy z otworem (bas-reflex)

Rys. 29. Typowa charakterystyka częstot-liwościowa oddzielonego subwoofera(wg rys. 28) oraz zestawu satelitarnego)

5.3.1. Pasywny, bezpośrednio promieniujący subwooferUrządzenie niskotonowe wykazuje maksimum charakterystyki dla częstotliwości ok. 80 Hz, poniżej lub powyżej którejkrzywa opada. Tony 80-hercowe odtwarzane są zatem zbyt głośno, natomiast głęboki bas słyszalny jest zbyt słabo. Nieprzemyślano tu też sprawy brzmienia. Dla zlokalizowania źródła decydujący jest fakt, że tony w zakresie 200 Hz em-itowane są z subwoofera tylko trochę słabiej (-8 dB) niż z satelitów. Oddzielenie basów przebiega zatem zbyt płytko.Innymi słowy, można zlokalizować położenie subwoofera, gdyż jego charakterystyka częstotliwościowa jest w tymzakresie zbyt słabo stłumiona.Liczne próby wykazały, że charakterystyka nie dającego się zlokalizować subwoofera powinna opadać od ok. 100hercach z nachyleniem przynajmniej 18 decybelach na oktawę, tzn. na 200 Hz powinna leżeć 18 dB poniżej poziomudźwięku emitowanego z satelitów. Prawa fizyki powodują jednak, że konstruktorowi niełatwo przychodzi sprostać tymwymaganiom. Zwykła (pasywna) zwrotnica częstotliwościowa za pomocą cewek i kondensatorów oddziela niskie tonyod wysokich. Funkcjonuje to bezproblemowo powyżej ok. 200 Hz, ale nie przy małych częstotliwościach. Przy oddzie-laniu tonów w zakresie 100 Hz dochodzi do niebezpiecznego zbliżenia do rezonansu własnego głośnika niskotonowe-go. Następuje oddziaływanie wzajemne między niskimi tonami i elementami konstrukcji zwrotnicy częstotliwościowej,czego następstwem jest typowa krzywa częstotliwości z rys. 29. Jest to więc denerwujące i zmusza odbiorcę do ustaw-ienia subwoofera możliwie blisko satelitów.

5.3.2. Aktywny subwooferDla każdego, kto nie może się pogodzić z tą sytuacją, od dłuższego już czasu istnieje rozwiązanie: aktywny subwoofer.Oznacza to, że subwoofer i satelity otrzymują własne stopnie końcowe. Rozdział częstotliwości dokonywany jest przedstopniami końcowymi za pomocą zwrotnicy zbudowanej z elektronicznych elementów aktywnych (wzmacniaczy opera-cyjnych). Stopień końcowy zapobiega szkodliwym wpływom głośnika niskotonowego na zwrotnicę częstotliwościową, azatem konstruktor może dowolnie wybrać częstotliwość oddzielającą i spadek charakterystyki filtrów w paśmie tłumienia.Aktywne rozwiązanie ma również tę zaletę, że przy zbyt małych obudowach niski ton basowy może zostać elektroniczniepodbity. Można też łatwo uzyskać dopasowanie poziomów natężenia dźwięku pomiędzy subwooferem i satelitami.Rzecz jasna, aktywne subwoofery są lepsze od systemów pasywnych i nawet dla wymagającego miłośnika Hi-Fi stanowiącałkiem poważną alternatywę wobec dużych zestawów. Jednak do tej pory nie mogły one odgrywać znaczącej roli,ponieważ w porównaniu z instalacją pasywną wymagają wyższych nakładów finansowych. Konieczne są tu bowiemtrzy własne stopnie końcowe. Prócz tego urządzenie wymaga zasilania. Może się też okazać, że zainstalowane jużdobre i drogie stopnie końcowe okażą się nieprzydatne.

5.3.3. Pasywny, pośrednio emitujący subwooferWszystkie te argumenty nie powinny zniechęcać konstruktorów zestawów i skłaniać ich do powrotu do pasywnegosubwoofera, dla uzyskania pożądanego efektu. Możliwości akustyczne aktywnego subwoofera nie są jeszcze bowiemtak zachwycające, jak to demonstruje system subwoofer-satelita “Alto Genesis” firmy VISATON. Pracuje on z użyciemfiltru akustycznego (patrz rozdz. 6.3.3), przy którym głośnik niskotonowy emituje dźwięk nie bezpośrednio, lecz po-przez komorę z otworem. Dopiero poprzez rurę dźwięk wydostaje się na zewnątrz (rys. 30). Zaletą jest to, że objętośćkomory w połączeniu z dokładnie dostrojoną rurą, poprzez spadek krzywej powyżej i poniżej częstotliwości rezonan-sowej, ogranicza promieniowanie dźwięku do określonego pasma częstotliwości (rezonator Helmholtza). Poza tym przyobudowie z filtrem akustycznym konstruktor ma możliwość korzystnie wpływać na krzywą impedancji.Kiedy już wszystkie istotne zmienne, jak parametry głośnika, objętości obu komór, rura rezonansowa i elementy kon-

strukcyjne zwrotnicy częstotliwościowej, są do siebie doskonale dopasowane, osiąga się efekt jakna rys. 31. Możemy tu mówić o idealnym dopasowaniu charakterystyk częstotliwościowych, gdyżmiędzy 50 Hz a 110 Hz żadna częstotliwość nie jest nadmiernie uwydatniona. Powyżej 110 Hzkrzywa opada ze stromością zboczy ponad 30 dB na oktawę. Wartość, której nie osiągniemy zapomocą większości aktywnych subwooferów!

Rys. 30. Szkic obudowy z akustycznym filtrem pasmowym

Rys. 31. Charakterystyka częstotliwościowa optymalnegosubwoofera z akustycznym filtrem pasmowym oraz zestawusatelitarnego

6. Urządzenia głośnikowe

6.1. Zwarcie akustyczneWiadomo, że nawet najlepszy basowy pojedynczy głośnik otwarty nie jest w stanie sam promien-iować niskich tonów. Przyczyną tego jest tzw. zwarcie akustyczne. Kiedy membrana drga doprzodu, powietrze na jej przedniej stronie zagęszcza się, a na tylnej rozrzedza. Istnieje zatemróżnica fazowa 180°. Przy małych częstotliwościach membrana drga tak powoli, że powietrze maczas na to, aby wyrównać różnice ciśnienia. Przepływa ono stale z przedniej strony na tylną i zpowrotem. Powstają przy tym wprawdzie drgania cząstek o małej częstotliwości, ale nie mapromieniowania. Dla uniknięcia tego efektu potrzebne jest zastosowanie odpowiedniej obu-dowy.

Rys. 32. Zwarcie akustyczne

6.2. Odgroda akustycznaJeśli głośnik zostanie wbudowany w nieskończenie dużą odgrodę, to niebędzie mogło zachodzić wspomniane wyżej wyrównywanie ciśnienia. Wteoretycznych rozważaniach z rozdziału 2.2 opierano się na takiej nieskońc-zenie dużej odgrodzie, gdyż jest to przypadek idealny.W praktyce wygląda to jednak inaczej, ponieważ nieskończenie dużaodgroda jest nie do zrealizowania. W przybliżeniu możemy osiągnąć tenwarunek, wbudowując głośnik w ścianę pokoju, a wtedy mieszczący sięz tyłu dźwięk będzie emitowany do sąsiedniego pomieszczenia lub nazewnątrz budynku. Ponieważ rzadko jest to możliwe do wykonania,musimy zadowolić się odgrodą akustyczną o skończonej wielkości. Możebyć ona ustawiona w pomieszczeniu mieszkalnym, ale tracimy przy tymemisję bardzo małych częstotliwości.

Rys. 33. Przykład odgrody akustycznej

Jako częstotliwość graniczną dla ściany akustycznej określa się taką częstotliwość, przy której zwarcie akustyczne stajesię zauważalne. Poniżej tej częstotliwości ciśnienie akustyczne spada o 6 decybeli na oktawę. Długość fali najniższegowyraźnie emitowanego tonu wynosi czterokrotność odstępu między membraną głośnika a krawędzią odgrody. Takwięc dla poprawnego odtwarzania tonu o częstotliwości 100 Hz wymagany jest średni odstęp około 0,8 m. Odtwarza-nie basów można poprawić używając głośnika o bardzo niskim, słabo tłumionym rezonansie własnym.W odgrodach akustycznych nie mogą rzecz jasna zachodzić niepożądane rezonanse, które zakłócają pracę obudów.Dobre systemy głośnikowe wolne są od zniekształceń linearnych i nielinearnych spowodowanych obudową. Ponieważgłośniki w odgrodzie promieniują do przodu i do tyłu, mają ósemkową (dipolową) charakterystykę kierunkowości,która daje im bardzo dobrą przestrzenność.

6.3. Głośniki w obudowie

6.3.1. Obudowa zamknięta

Jeśli chcemy uniknąć niekorzystnych cech odgrody akustycznej (zwarcie akustyczne przy małych częstotliwościach), tostosujemy obudowę zamkniętą. Należy sobie wyobrazić, że odgroda akustyczna jest tak wygięta, że całkowicie otaczatylną stronę głośnika. Wówczas nie może już zachodzić wyrównywanie ciśnienia dźwięku od tylnej ściany membranydo przedniej.Niestety, rozwiązanie to ma też wadę: zamknięta objętość powietrza zachowuje się jak sprężyna (im większa objętość,tym bardziej elastyczna sprężyna). Działa to więc jak poduszka powietrzna, sprawiając, że oprócz sztywności zawieszeń

głośnika występuje dodatkowa sztywność spowodowana objętością zamkniętego w obudowie powi-etrza. Częstotliwość rezonansu własnego tak obudowanego głośnika zwiększy się w stosunku doczęstotliwości rezonansu fs. Ma to duże znaczenie dla charakterystyki częstotliwościowej urządzenia,ponieważ poniżej częstotliwości rezonansu nie ma już prawie emisji mocy.

Rys. 34. Zasada działania obudowy zamkniętej

- metoda obliczeniowaJeśli chodzi o odtwarzanie basów, ważne są dwie zasadnicze sprawy:1. Od jakiej częstotliwości basy odtwarzane są wystarczająco silnie? Od częstotliwości rezonansu2. Co wpływa na charakterystykę częstotliwościową w zakresie rezonansu? - Dobroć Q!Jeśli znane są parametry Thielego-Smalla głośnika (są one podawane zwykle w katalogach), to na pytania te jeststosunkowo łatwo dać odpowiedź. Przyjmując, że mamy obudowę o objętości VB, a chcemy w nią wbudować głośniko częstotliwości rezonansu fs, to trzeba obliczyć zmianę częstotliwości i dobroci urządzenia po wbudowaniu głośnikado obudowy. Częstotliwość rezonansu urządzenia fc można obliczyć wg wzoru:

Jednakże dobroć Q głośnika zmienia się po wbudowaniu, po pierwsze ze względu na rezystancję elektryczną cewkizwrotnicy częstotliwościowej (jeśli taka została zastosowana), po drugie ze względu na objętość powietrza za głośnikiem.Aby oszacować w przybliżeniu charakterystykę częstotliwościową, można w ogóle pominąć wpływ zwrotnicy częstotli-wościowej. Dobroć QTC urządzenia obliczana jest następującym równaniem:

W obu równaniach występuje wyrażenie

Rys. 35. Charakterystyki częstotliwościowe obudowy zamkniętejdla różnych wartości QTC

O ten współczynnik zwiększa się Częstotliwość rezonansu iwspółczynnik dobroci głośnika po wbudowaniu w obudowę. Jakza pomocą tych wyliczonych wartości rozpoznać, Czy urządzeniesprosta oczekiwaniom?Dla częstotliwości rezonansu własnego fc obowiązuje następującestwierdzenie:Im niżej jest ona położona, tym niżej sięga też odtwarzanie basów.Optymalna wartość QTC to w zasadzie kwestia gustu. Im mniejszajest ta wartość, tym łatwiej można zaprojektować urządzenie opożądanych parametrach. Oznacza to, że otrzymamy Czyste, alesłabe basy. I na odwrót: zbyt wysoka wartość QTC oznacza silne,ale rozmyte brzmienie basów. Najkorzystniejsza wartość to QTC =0,7 (tzw. dopasowanie Butterworth’a). Stanowi ona dobry kom-promis między silniejszym odtwarzaniem niskich tonów a popraw-nym odtwarzaniem stanów nieustalonych. Na rys. 35 widać, jakzmienia się Charakterystyka częstotliwościowa przy różnych war-tościach Qrc.

- przykład obliczeniaGłośnik niskotonowy ma następujące dane:fs= 20 HzQTS = 0,27VAS = 300 I

Głośnik ten chcemy wbudować w 80-litrową obudowę. Jakich parametrów urządzenia należy oczekiwać?Dobrze byłoby najpierw wyliczyć następujący wpółczynnik:

Rezonans własny urządzenia wynosi:fC = 202,18 = 43,6 HzWspółczynnik dobroci urządzenia jest równy:QTC = 0,272,18 = 0,59Dobroć QTC o wartości 0,59 oznacza odtwarzanie stanów nieustalonych. Z rys. 35 wynika, że Ciśnienie akustyczne przyczęstotliwości rezonansu fc spada o ok. 5 dB w stosunku do zakresu średnich częstotliwości. Dostraja się do tegoCharakterystyka częstotliwościowa, Co zostało przedstawione na rys. 36. Z reguły jednak wymagana jest tu zwrotnicaczęstotliwościowa. Ponieważ opór omowy Cewki zwrotnicy częstotliwościowej musi zostać dodany do RDC głośnika,to Całkowity współczynnik dobroci QTS głośnika zwiększa się (patrz rozdz. 6.3.2). W ten sposób rośnie także wartośćQTC urządzenia, zbliżając się do wartości idealnej QTC = 0,7.

Rys. 36. Obliczona charakterystyka częstotliwoś-ciowa obudowy zamkniętej

-wytłumianie obudowyW zamkniętych obudowach zachodzą dwa niepożądane zjawiska:1. Fale stojące wewnątrz obudowy:Ponieważ w obudowie głośnikowej ściany są ustawione równolegle naprzeciwko siebie, mogą się wytwarzać fale stojące.Objawiają się one w formie rezonansu powietrza i prowadzą do podbić i dziur w charakterystyce częstotliwościowej. Pozatym może pogarszać się odtwarzanie stanów nieustalonych. Zapobiega się temu stosunkowo łatwo: rezonansy możnaskutecznie wytłumić wypychając Całą objętość wełną mineralną. Ważne jest przy tym, aby materiał tłumiący nałożyćprzede wszystkim pośrodku, tam bowiem występują szczególnie intensywne drgania cząsteczek powietrza.2. Drgania ścian obudowy:Jak każda płyta, także i ściana obudowy ma pewne rezonanse własne, które zależą od wielkości, grubości i materiałuściany. Rezonanse te powodują takie same zniekształcenia brzmienia, jak fale stojące, jednak nie są tak łatwe dowyeliminowania. Za pomocą wełny stłumić można rezonanse powietrzne, ale nie drgania ścian. Przy budowie należywziąć pod uwagę następujące zasady:- Należy wybrać jak największą grubość ścian, dla małych obudów przynajmniej 16 mm, zaś dla obudów większych odok. 30 I - przynajmniej 19 mm.- Rozsądne jest usztywnienie leżących naprzeciw siebie powierzchni ściennych za pomocą belek.

- Zamocowanie po wewnętrznej stronie ściany mat tłumiących drgania, miękkich płytpilśniowych albo past głuszących stosowanych do tłumienia drgań podwozia samochodówtłumi drgania ścian. Optymalna, ale nie konieczna, jest budowa warstwowa: na zewnątrz iw środku drewno, w środku 1-2 cm warstwa materiału tłumiącego.- Materiały o dużej masie (kamień, beton, grube płyty marmurowe) nie są skłonne dorezonansów własnych.Często powstają niejasności co do tego, ile należy użyć materiału tłumiącego do wypełnieniaobudowy. W każdym przypadku może to wyglądać inaczej. Ważne jest, aby w mocnowypełnionej obudowie rezonans własny głośnika fc spadał o ok. 10% w stosunku do obu-dowy nie wypełnionej materiałem. Zazwyczaj jest to pożądane, gdyż dzięki temu zakresczęstotliwości poszerza się w kierunku mniejszych wartości. Zmniejsza się również wartośćmechanicznego współczynnika dobroci, a zatem i w bardzo małych obudowach efekt tenmoże mieć działanie pozytywne.

Rys. 37. Usztywnienie obudowy za pomocą użebrowania i słupków łączących przeciwległeściany

Można wyprowadzić z tego przybliżoną regułę:Małe obudowy o dużej częstotliwości rezonansu fc i dużej wartości powinny być wypełniane tak mocno, jak to tylkomożliwe. (Próby pokazały, że nieuzasadnione są obawy, jakoby wełna miała zmniejszyć objętość powietrza).W dużych obudowach o małej wartości materiał tłumiący zamocować należy przede wszystkim pośrodku.Nie bez powodu rozpowszechniona jest dziś zasada obudowy zamkniętej, gdyż za jej pomocą możemy uzyskaćdoskonałe odtwarzanie basów przy niskich kosztach. Z powodu małego prawdopodobieństwa pomyłki, zamkniętaobudowa to bardzo dobre rozwiązanie, zwłaszcza dla początkujących konstruktorów.

6.3.2. Obudowa z otworem (typu bas-reflex)

W przeciwieństwie do obudowy zamkniętej, której zasada działania jest łatwa do zrozumienia, obudowa typu bas-reflex jest trochę bardziej skomplikowana. Niestety, w przeszłości wkradły się do literatury fachowej błędy, toteż częstobudowane są źle dostrojone obudowy z otworem. Australijczycy Thiele i Small dokładnie zbadali ten problem. Dziękinim skonstruowanie prawidłowo dostrojonej obudowy bas-reflex nie jest już kwestią przypadku.

- zasada działaniaW poprzednim rozdziale pokazano, że charakterystyka częstotliwościowa obudowy zamkniętej zaczyna opadać poniżejczęstotliwości rezonansu. Za pomocą pewnego tricku zakres częstotliwości można rozciągnąć w dół nie powiększającobudowy. W obudowie zamkniętej dźwięk, który został wyemitowany przez tylną stronę membrany, jest przez materiałtłumiący w części środkowej przekształcany w ciepło, przez co ulega zanikowi. Można jednak jeszcze wykorzystać tendźwięk zakresie małych częstotliwości.

Rys. 38. Zasady działania obudowy z otworem

Jeśli wyobrazimy sobie, że rura na rys. 38 jestcałkowicie zamknięta, to otrzymamy normalną, obu-dowę zamkniętą. Zamknięta objętość powietrzawywiera siłę sprężynującą na membranę i wrazz masą membrany i jej zawieszeniem określa częs-totliwość rezonansu własnego fc. Jeśli teraz otworzy-my rurę, to przy każdym ruchu membrany masapowietrza w rurze będzie się poruszać ruchem

posuwisto-zwrotnym. Nie dzieje się to jednak bezpośrednio, tylko pośrednio poprzez elastyczną poduszkę powietrznąwytworzoną w objętości obudowy. Ten system drgający, który powstaje na skutek współistnienia objętości powietrzawewnątrz obudowy oraz otworu, nazywany jest rezonatorem Helmholtza. Znamy dobrze ten dźwięk, który powstajeprzy dmuchaniu w pustą butelkę. Wysokość dźwięku nie zależy od kształtu “brzucha” butelki, ale określana jest wyłącznieprzez stosunek objętości “brzucha” do długości i przekroju szyjki.Na przykładzie modelu masa-sprężyna z rys. 38 wyjaśnimy sobie, Co dzieje się w obudowie z otworem przy różnychczęstotliwościach:1. Przy szybkich ruchach membrany masa powietrza w otworze pozostaje w spoczynku, a ruch ten przejmuje sprężyna.Jeśli Częstotliwość zmniejszy się, masa ta też zacznie drgać.2. Przy pewnej częstotliwości drganie masy jest o wiele silniejsze niż drganie membrany. Jest to przypadek rezonansuobudowy. Częstotliwość taka nazywana jest częstotliwością rezonansu fB.3. Przy bardzo małych częstotliwościach masa powietrza w otworze dokładnie odtwarza ruch membrany. Ten samwynik osiągnęlibyśmy również używając sztywnego połączenia zamiast sprężyny.

Rys. 39. Charakterystyka częstotliwościowa ciśnienia akustycznegow polu bliskim:a) kanał, b) membrana, c) różnica fazowa między a) i b)

Membrana porusza się zatem przy bardzo małych częstotliwościachdo wewnątrz w obudowie, wypychając jednocześnie powietrze zrury na zewnątrz. Na podstawie tej przeciwstawności ruchu mówimyo przesunięciu fazowym o 180°. Przy dużych częstotliwościach wys-tępuje dokładne przeciwieństwo tego zjawiska: podczas gdy mem-brana porusza się do środka, powietrze również kieruje się do środ-

ka, jednak z o wiele mniejszą amplitudą. Membrana i powietrze w rurze mają teraz przesunięcie fazowe o 0°. Międzytymi dwoma skrajnościami, przy częstotliwości rezonansu fB, kąt fazowy wynosi 90°; kiedy membrana kieruje się dośrodka, powietrze postępuje za nią z pewną zwłoką. W zakresie częstotliwości do ok. 150 Hz występuje zarównopromieniowanie membrany, jak i rury. Na rys. 39 przebieg Ciśnienia dźwięku został zmierzony mikrofonem bezpośrednio

na otworze rury (a) i na membranie (b). Jest oczywiste, że od ok. 150 Hz wpływ otworu spada bardzo szybko. Nakrzywej C naniesiona jest różnica fazowa między głośnikiem a otworem rury. Można tylko się obawiać, że przesunięciafazowe od 0° do 180° między otworem a głośnikiem prowadzić mogą do dużych nierównomierności Charakterystyki izniekształceń dźwięku.Zanim się tym zajmiemy, musimy sobie uzmysłowić, że fale dźwiękowe promieniowane przez otwór mają długośćponad 3 m. Słuchacz w odległości kilku metrów odbiera zatem sumę obu dźwięków - promieniowanych przez głośniki przez otwór. Nawet jeśli droga dźwięku od otworu do słuchacza jest o 50 cm dłuższa od drogi dźwięku od głośnika,to powstaje jednak stosunkowo małe przesunięcie fazy. Ma ono miejsce, ale nie następuje wygaszenie. Przy tak długichfalach nie ma też znaczenia, Czy otwór znajduje się na przodzie ściany akustycznej, z boku Czy na ścianie tylnej.Rys. 40 pokazuje, Co się stanie, kiedy dwa źródła dźwięku (a i b) o tej samej częstotliwości i różnej amplitudzie i fazie(90°) emitują dźwięk. W pewnej odległości wytworzy się drganie (C) o tej samej częstotliwości, większej amplitudzie niża i z lekkim przesunięciem fazowym w stosunku do a. Wygaszenia następują dopiero przy przesunięciu fazowym o180°. Amplitudy muszą przy tym być przynajmniej w przybliżeniu takie same. Dla głośnika w obudowie z otworem, wzakresie jego użytecznego działania (do 100 Hz) nie matu żadnego niebezpieczeństwa tego rodzaju.

Częstotliwość rezonansu obudowy typu bas-refleks fB leży tam, gdzie głośnikw zamkniętej obudowie nie może już emitować dźwięku, a więc poniżejczęstotliwości rezonansu własnego fc. W tym zakresie głośnik pobudza re-zonator, a zakres częstotliwości może być znacznie poszerzony w kierunkumałych wartości.

Rys. 40. Tworzenie sumy dwóch przesuniętych fazowo tonów sinusoidalnych

Rys. 41 pokazuje charakterystykę częstotliwościową obudowy zamkniętej. Można zauważyć, że przy częstotliwościrezonansu fc krzywa opada już o 6 dB (QTC = 0,5). W obudowie z otworem spadek basu występuje dla mniejszychczęstotliwości, ale z większą stromością. Odtwarzanie basu może być podbite w zakresie rezonansu ok. 6 dB lub więcej.Na charakterystyce ciśnienia akustycznego może być to mało widoczne. Nad jednym należy się zastanowić: jeśli chcemy

zwiększyć natężenie dźwięku korektorem o 6 dB,to musimy doprowadzić do głośnika 4 razy więk-szą moc. Stosując zasadę obudowy z otworem nietrzeba jednak dawać głośnikowi więcej mocy, alenależy poprawić współczynnik sprawności w za-kresie małych częstotliwości.

Rys. 41. Porównanie charakterystyk częstotliwoś-ciowych: obudów zamkniętej i z otworem

- obliczanie obudowy z otworem wg Thielea i SmallaKlasyczną metodę obliczania urządzenia z otworem wg Thiele’a i Smalla pokazać należy na konkretnym przykładzie,choć metoda ta straciła na znaczeniu na korzyść metody przybliżonej (patrz następny rozdział). Mamy głośnik onastępujących danych:RDC = 6 omówfs = 25 HzQTS = 0,3VAS = 265 INajpierw należy odpowiedzieć sobie na pytanie, czy użyjemy zwrotnicy częstotliwościowej. Jeśli tak, to należy uwzględnićrezystancję cewki RL na drodze basu. Z wystarczającą dokładnością można przyjąć, że wartość QTS wzrasta w tej samejmierze, w jakiej RDC zwiększa się przez RL.

RL = 0,5 omów jest typową wartością w zwrotnicy częstotliwościowej wysokiej jakości.

Objętość obudowy VBObjętość obudowy VB zależy od VAS głośnika i od jego współczynnika QTS. Każdej wartości QTS na rys. 42przyporządkowana jest wartość ααααα. ααααα jest to stosunek objętości VAS i szukanej objętości obudowy netto VB.

W naszym przykładzie wychodzimy od QTS=0,32 do krzywej QTS i stąd pionowo w dół uzyskując wartość ααααα = 2,4.Objętość obudowy wynosi więc:

Rys. 42. Wykres do obliczaniaoptymalnych wartości parametrówααααα i h

Częstotliwość rezonans obudowy fBCzęstotliwość rezonansu fB obudowy z otworem obliczany jest na rys. 42 za pomocą krzywej h. Wielkość h jest tostosunek częstotliwości rezonansów obudowy fB i głośnika fs:

W naszym przykładzie wychodzimy od krzywej QTS pionowo do krzywej h i stąd w prawo do wartości h = 1,2:

fB = hfs = 1,2 . 25 Hz = 30 Hz.

Kanał obudowyTeraz należy określić długość i przekrój kanałuobudowy z otworem, z którym objętość 110 Itworzy częstotliwość rezonansową 30 Hz. W tymcelu łączy się jak na rys. 43 punkty VB = 110 I ifB = 30 Hz aż do linii pionowej i przedłuża stądpoziomo w prawo. Stąd odczytuje się liczbę idługość rur o wymiarach wg oferty firmy VISA-TON , Jeżeli nie chcemy używać rur VISATON lubwolimy zbudować inaczej ukształtowany otwór,należy wziąć powierzchnię odpowiadającą rurom(powierzchnia 1 x BR 13.25 = 36 cm )

Rys. 43. Nomogram do obliczania wymiarówkanału w urządzeniach z otworem

Przykład:1 x BR 13.25 długości 5,5 cm2 x BR 13.25 długości 12 cm lub 1 x BR 14.70 długości 12 cm3 x BR 13.25 długości 20 cmW rachubę wchodzą te trzy możliwości. Należy jednak wybrać możliwie największy otwór, ponieważ im większy otwór,tym lepszy efekt ze względu na większą powierzchnię emitującą. Poza tym - z powodu zmniejszającej się prędkościprzepływu - szumy przepływowe i straty podczas tarcia przy dużych otworach są niewielkie. Im większy wybierze się

przekrój otworu, o tyle dłuższa będzie rura. Istnieje tu pewne ograniczenie, gdyż nie można zainstalować w obudowierury o dowolnej długości.Lokalizacja rury nie ma większego znaczenia, w praktyce jednak przyjmuje się, że powinna być ona położonamożliwie najdalej od głośnika.

- metoda przybliżonaW rozważaniach Thiele’a i Smalla dopuszcza się tylko takie kombinacje głośnik-obudowa, gdzie wartość QTC wynosiok. 0,6. Ogranicza to bardzo liczbę głośników.Wg tej metody tylko niewiele typów głośników pasowałoby do zasady obudowy z otworem. Doświadczenie mówijednak, że dobre wyniki wykazuje o wiele więcej typów głośników w obudowach z otworem. Tymczasem jest wielemetod obliczania, za pomocą których można dowolnie wybrać objętość obudowy. Wychodzi się przy tym od obudowyzamkniętej i oblicza częstotliwość rezonansu fc i dobroć QTC. Charakterystyka impedancji obudowy zamkniętej mamaksimum przy częstotliwości rezonansu fc (rys. 44). Naprawdę istotna jest jednak częstotliwość rezonansu obudowyfB. Leży ona mniej więcej tam, gdzie charakterystyka impedancji obudowy z otworem ma swoje minimum. Wg Thiele’ai Smalla wartość fB jest zawsze mniejsza niż wartość fc zaś stosunek tych częstotliwości równa się około 0,7. I to mniejwięcej cała tajemnica projektowania obudowy z otworem. Uczeni sprzeczają się, jaki powinien być stosunek fB/fc.Jedno jest pewne: im mniejsze będzie fB , tym równiej przebiega charakterystyka częstotliwościowa i o tyle bardziejzbliża się do stosunków w obudowach zamkniętych.Jeśli umieścimy fB wyżej, to otrzymamy silniejsze podbicie charakterystyki i gorsze odtwarzanie stanów nieustalonych.Innymi słowy: przy projektowaniu urządzeń z otworem nie ma jednego idealnego rozwiązania, a tylko walka o najko-rzystniejszy kompromis. Kompromis ten zależy w dużej mierze od pomieszczenia, w którym dokonujemy odsłuchu, alerównież od osobistych upodobań.

Rys. 44. Charakterystyka częstotliwościowaimpedancji a) obudowa zamknięta, b) obudowa zotworem

W praktyce można posłużyć się następującą ogólną zasadą:1. Jeśli QTC jest większe od 0,7, to w celu dobrego odtwarzania stanów nieustalonych częstotliwość fe powinna byćbardziej oddalona od fc.fB = 0,6 . fc2. Jeśli QTC jest mniejsze niż 0,7, to częstotliwości fB i fc mogą leżeć bliżej siebie. W metodzie przybliżonej stosow-any jest współczynnik 0,75. fB = 0,75 . fcPrzykład:Parametr Thiele’a i Smalla 25-centymetrowego głośnika niskotonowego wynoszą:fs = 27 Hz,QTS = 0,34,mMD = 27 gVAS = 202 INajpierw wychodzi się od obudowy zamkniętej i oblicza częstotliwość rezonansu fC i dobroć Qrc (patrz rozdział 6.3.1.).Przyjmuje się, że objętość obudowy netto powinna wynosić 91 I.

Obliczenie częstotliwości rezonansu fB:Wartość QTC jest wyraźnie mniejsza niż 0,7, a więc wybiera się współczynnik 0,75 (patrz wyżej punkt 2).fB =0,75 ~ 48 = 36 Hz Określenie długości kanału:Przy podanej objętości obudowy przekrój i długość kanału wyznaczają częstotliwość rezonansu (rys. 45). Dokonuje sięto za pomocą klasycznej formuły dla rezonatora Helmholtza:

(Równanie to leży też u podstaw wykresu na rys. 43.) I = długość kanału w cmc = prędkość dźwięku w powietrzu (343 m/s)F = powierzchnia przekroju poprzecznego otworu tunelu w cm2 (przy większej liczbie otworów suma ich powierzch-ni):fB = częstotliwość rezonansu obudowy w Hz VB = objętość obudowy netto w IUżyte zostaną dwie rury, każda o powierzchni przekroju poprzecznego 36 cm

Rys. 45. Kanał obudowy z otworem

- instalacja wielu głośników niskotonowych w jednej obudowieJeżeli w jednej obudowie zainstaluje się dwa lub więcej głośników niskotonowych, to mamy dwie możliwości:1. Każdy głośnik pracuje z własną, własną, oddzieloną od pozostałych, komorą. Każda objętość musi zatem własnykanał.2. Dwa lub więcej głośników pracuje na tą samą komorę. Ze względu na symetrię powinno się dobrać identycznegłośniki niskotonowe. Obliczenie obudowy należy przeprowadzić tak, jakby się miało tylko jeden głośnik, w którymwszystkie dane są takie same - z wyjątkiem objętości VAS: przy dwóch głośnikach bierze się wartość podwójną, przytrzech głośnikach - potrójną itd. Zasada ta obowiązuje również dla obudów zamkniętych. Jeżeli jednak głośnikiniskotonowe nie zostaną zamontowane obok siebie na ścianie czołowej obudowy, ale jeden za drugim w obudowie,to do równania trzeba wprowadzić połowę wartości VAS.

- wytłumianie obudowyObudowa z otworem powinna być wytłumiona za pomocą luźno ułożonej wełny po to, aby stłumić fale stojące wobudowie. Wyłożenie tylko ścian materiałem tłumiącym nie daje pożądanych rezultatów. Mówi się wprawdzie, żedopuszcza się wytłumianie obudów z otworem tylko na ścianach, pod warunkiem zachowania odstępu 10-30 cm odwewnętrznego otworu rury, aby ruch powietrza w rurze nie był utrudniony i zachowany został efekt rezonansu obu-dowy i otworu.Łatwo można wyjaśnić, dlaczego takie ułożenie wełny nie powoduje szkód: w otworze i w pewnym obszarze obokniego - o ile rezonator pracuje - wieje normalny wiatr. Materiał tłumiący może wytłumić pożądane drganie. W pewnejodległości jednak ruch powietrza szybko słabnie, stąd pustą przestrzeń można tam bez szkody, a nawet bardzo mocnowytłumić. Jeśli powstaną tu jakieś wątpliwości, zachęcam do odwagi w podejmowaniu własnych prób! Zbyt mocnewytłumienie obudowy objawia się brakiem niskich tonów. Materiał tłumiący można w każdej chwili usunąć.

- błędy spowodowane niedokładnością obliczeń

Rys. 46. Charakterystyki częstotliwościoweciśnienia akustycznego i impedancji obudowy zotworema) długość rury 13 cm (prawidłowo dobrana)b) długość rury 6,5 cm

Jeśli dany będzie określony typ głośnika oraz objętość obudowy, to dla urządzenia z otworem musi być określonarównież częstotliwość rezonansu, a więc powierzchnia i długość kanału. Nierzadko powstają wątpliwości co do tego, zjaką dokładnością musi być określona długość kanału. Jaki wpływ mają w ogóle różne długości rur na przebieg charak-terystyki częstotliwościowej?Rys. 46 pokazuje, że nawet przy dużym zróżnicowaniu długości rur, powstają zaskakująco niewielkie różnice charak-terystyk.Spadek małych częstotliwości stał się bardziej stromy, częstotliwość rezonansu wzrosła. Przy dłuższych rurach dzieje siędokładnie odwrotnie: spadek basów staje się bardziej płaski i dąży bardziej do zamkniętych układów. Wzmocnionaemisja basów przy krótkich rurach idzie jednak w parze z pogorszeniem odtwarzania stanów nieustalonych. Konstruk-tor, dla którego odtwarzanie stanów nieustalonych jest szczególnie ważne, powinien w razie wątpliwości wybrać niecodłuższe rury.

Ciągle słyszymy, że obudowy z otworem powinny być bardzo starannie uszczelnione, bo w przeciwnym przypadkuzmienia się wartość dobroci samej obudowy. Także i tu można odpowiedzieć, że wpływ małych szczelin jest zauważalnytylko przy pomiarze technicznym, w żadnym razie natomiast nie jest słyszalny.

- porównanie: obudowa zamknięta - obudowa z otworemKtórej z tych dwu zasad konstrukcyjnych przyznać pierwszeństwo? Odpowiedź zależy przede wszystkim od użytychgłośników niskotonowych i planowanej obudowy. Jeżeli w obudowie zamkniętej rezonans instalacji fC leży wystarczająconisko, a dobroć QTC nie odbiega zbyt od 0,7 (0,6 - 0,9), to należy wybrać tę obudowę. Obudowa zamknięta ma wzakresie częstotliwości rezonansu zasadniczo lepsze odtwarzanie stanów nieustalonych niż obudowa z otworem. Należyjednak wątpić, czy różnica ta jest słyszalna w normalnym pomieszczeniu (pokój mieszkalny) które wykazuje mniej lubbardziej silne rezonanse własne.Głośniki z silnym magnesem mają często małe wartości OTS. W takich przypadkach, aby zrównoważyć wczesny spadekcharakterystyki dla małych częstotliwości, zasada urządzenia z otworem jest zazwyczaj korzystna.W urządzeniach z otworem zniekształcenia harmoniczne, intermodulacyjne i dopplerowskie są na ogół znacznie mnie-jsze, a maksymalny promieniowany poziom basów jest o wiele większy. W porównaniu z obudową zamkniętą wychyleniemembrany przy takiej samej elektrycznej mocy wejściowej w zakresie basów jest wyraźnie mniejsze, ponieważ mem-brana oddaje energię drgającemu rezonatorowi i tym samym sama drga słabiej.Mimo mniejszego wychylenia natężenie dźwięku wyraźnie się zwiększa, gdyż otwór przejmuje dużą część promieniow-ania dźwięku. Ponieważ jednak zmniejsza się wychylenie membrany, można zwiększyć moc wejściową w celu otrzyma-nia takiego samego współczynnika zawartości harmonicznych jak w obudowie zamkniętej. We wspomnianym przykładziegłośnika 25-centymetrowego, przy 60 Hz osiąga się dla obudowy zamkniętej maksymalny poziom ciśnienia akustyc-znego 96 dB, a dla obudowy z otworem 109 dB. Aby wyrównać tę różnicę, należałoby np. zwiększyć dziesięciokrotniemoc w zakresie basów. W większości przypadków granice obciążalności termicznej są tu mocno przekraczane - oddużych zniekształceń aż do ciszy.Być może jednak ważniejsze od współczynnika zawartości harmonicznych są zniekształcenia dopplerowskie i intermod-ulacyjne, powstające dopiero przy dużych wychyleniach membrany. Im mniejsze wychylenia membrany, tym czyściejbrzmią emitowane równocześnie z niskimi wysokie tony, gdyż nie są tak silnie modulowane niskim tonem.Nie można jednak przemilczeć pewnej wady: dla zupełnie małych częstotliwości otwór obudowy nie stanowi żadnejprzeszkody. Głośnik może zatem przy częstotliwościach w zakresie podsłyszalnym drgać z dużymi amplitudami. Słyszalneczasem stuki są wynikiem uderzania cewki o dno układu magnetycznego.

6.3.3. Obudowa z akustycznym filtrem pasmowo-przepustowym - zasada działania

Obudowy głośnikowe, które pracują pasmowo-przepustowo, można rozpoznać po tym, że głośnik niskotonowy um-ieszczony jest wewnątrz obudowy, a dźwięk dociera na zewnątrz tylko przez otwór. Są one używane prawie wyłącznietam, gdzie chodzi o wytwarzanie tylko niskich tonów - a więc w tzw. subwooferach. Aby zrozumieć zasadę działaniatakiej obudowy, porównamy obudowę z otworem (rys. 47) z obudową z akustycznym filtrem pasmowo-przepustowymo tej samej objętości netto (rys. 48). Oczywiście użyty zostanie ten sam głośnik niskotonowy, który zamontowany jestna dodatkowej ścianie wewnątrz obudowy. Głośnik pracuje zatem tylną stroną membrany na zamkniętą objętość, aprzednią częścią pobudza rezonator Helmholtza, o którym wspomnieliśmy już w związku ze sposobem funkcjonowaniaobudowy z otworem (rozdz. 6.3.2).Interesujące jest porównanie charakterystyk częstotliwościowych obu urządzeń, przy identycznych warunkach pomi-arowych (rys. 49): powyżej 40 Hz charakterystyka obudowy z filtrem pasmowym nie wzrasta, ale przebiega poziomo,aby przy 120 Hz gwałtownie spaść. W obudowie z otworem promieniowanie dźwięku w górnym zakresie basówprzejęte zostaje przez widoczną z zewnątrz membranę głośnika niskotonowego.

Rys. 47. Urządzenie z otworem

Rys. 48. Urządzenie z akustycznym filtrem pasmowym

Nie jest to jednak możliwe przy obudowie z filtrem pasmowym, ponieważ głośnik jest tu całkowicie zabudowany.Nazwa “obudowa z akustycznym filtrem pasmowym” pochodzi stąd, że przenoszone jest tylko jedno, stosunkowowąskie dokładnie dobrane pasmo częstotliwości (na przykładzie 35 - 120 Hz). Nie jest to zaskoczeniem, gdyż z rys. 49a(pomiar ciśnienia akustycznego bezpośrednio w kanale obudowy z otworem) wiadomo już, że ciśnienie akustyczne wotworze rezonatora Helmholtza opada dla większych częstotliwości.

Rys. 49. Charakterystyki częstotliwościowe ciśnienia akustycznegoa) obudowy z otworemb) urządzenia z akustycznym filtrem pasmowym

Na rys. 49 widać też wyraźnie, że od częstotliwości 70 Hz współczynnik sprawności obudowy z filtrem pasmowym leżyo 6 dB niżej w porównaniu z urządzeniem z otworem. Aby tego uniknąć, spróbujmy wyrównać natężenie dźwięku wurządzeniu pasmowo-przepustowym przez zmianę filtru akustycznego. W tym celu należy skracać stopniowo rurę wobudowie z filtrem akustycznym, mierząc przy tym przebieg charakterystyki częstotliwościowej. Rys. 50 pokazuje, jakbardzo zmieniają się wyniki pomiaru wraz ze zmianą długości rury. Z pewnością jest możliwe osiągnięcie współczynnikasprawności urządzenia z otworem, jednakże trzeba się pogodzić z niewielką stratą (- 3 dB) poniżej 50 Hz. Konstruktorma zatem wybór: niższa dolna częstotliwość graniczna lub większy współczynnik sprawności. W razie wątpliwościnależy się raczej zdecydować na większy współczynnik sprawności, gdyż wyraźnie słyszalny bas mieści się dopieropowyżej 50 Hz.

Rys. 50. Charakterystyki częstotliwościowe obudowy z akustycznymfiltrem pasmowym o różnych długościach rura)I=15 cm, b)I=10 cm, c) I=4cm

Oczywiście, duży współczynnik sprawności przy jeszcze mniejszej częstotliwości granicznej można osiągnąć za pomocąinnej, kosztowniejszej konstrukcji urządzenia, np. o większej objętości obudowy i większym głośniku niskotonowym.

- obliczanie obudowy z filtrem pasmowymW powyższym przykładzie głośnik zamontowany był dokładnie pośrodku obudowy, tzn. obie objętości były takie same.Rzecz jasna, nie jest to konieczne. Przesuwając wewnętrzną ścianę akustyczną można niemal dowolnie zmieniać kształtcharakterystyki filtru pasmowo-przepustowego. Można np. zwiększyć poziom natężenia dźwięku przy częstotliwości100Hz z jednoczesnym obniżeniem pasma o 50 Hz, i na odwrót. Nie jest tylko możliwe podniesienie całej krzywej.Dokładne obliczenie obudowy z filtrem pasmowym jest o wiele bardziej skomplikowane niż obudowy z otworem,ponieważ dochodzi tu druga objętość jako parametr swobodny. Najlepszym sposobem obliczenia jest użycie kompute-rowego programu symulacyjnego, np. Speaker.Pro, który od razu na ekranie przedstawia pożądaną charakterystykę

częstotliwościową. Można tu tak długo zmieniaćposzczególne wielkości, jak np. parametry Thiele’a iSmalla głośnika niskotonowego, wymiary obudowy idługości oraz powierzchnie przekroju rur, aż otrzy-mamy oczekiwaną charakterystykę częstotliwościową(rys. 51).

Rys. 51. Symulacja komputerowa urządzenia zakustycznym filtrem pasmowym (charakterystykaciśnienia akustycznego, moduł i faza impedancji)

Doświadczenie pokazało, że urządzenia o tej samej objętości przed i za głośnikiem mają zwykle korzystny kształtcharakterystyk. Odkrycie to umożliwia zastosowanie bardzo prostej metody obliczeniowej. Oto przykład takiego postępow-ania:Dane głośnika niskotonowego W 200 S o średnicy 20 cm:fs = 30 HzQts = 0,33VAS = 70 INajpierw postępujemy tak, jakbyśmy chcieli obliczyć normalne urządzenie z otworem. Najbardziej odpowiednią wielkościąobudowy dla 20 centymetrowego głośnika będzie 40 litrów netto. Przy pomocy znanej z rozdziału 6.3.2 metodyprzybliżonej lub tabeli obliczania obudów w katalogu VISATON-u sprawdzimy, czy ta objętość jest odpowiednia dlaplanowanego głośnika niskotonowego. Przy częstotliwości rezonansu poniżej 40 Hz taka wielkość obudowy wróżydobry efekt dla urządzenia z otworem. Otwór kanału ustalimy albo za pomocą wzoru dla rezonatora Helmholtza, albona podstawie wykresu z rys. 53. Dla rury o powierzchni otworu 36 cm2 długość wynosi 15 cm. Teraz dzielimy objętośćna dwie równe części V1 i V2, każda po 20 litrów i montujemy głośnik. Urządzenie to wykazuje charakterystykę pas-mowo-przepustową z dolną częstotliwością graniczną, która odpowiada obliczonej wcześniej obudowie z otworem.Jednakże przy takim postępowaniu osiągamy zwykle zbyt mały współczynnik sprawności (patrz rys. 49). Teraz należymetodą prób i błędów dostroić rezonator Helmholtza. W rachubę wchodzą tylko krótsze rury. Zgodnie z rys. 50współczynnik sprawności rośnie i jednocześnie zwiększa się górna częstotliwość graniczna. Jest to najwłaściwsza me-toda dostrojenia, gdyż jak wiadomo działanie subwooferów jest szczególnie uzależnione od miejsca ustawienia i dziękitemu przy dostrajaniu można uwzględnić wpływ pomieszczenia.Różne długości kanałów można szybko przetestować następującą metodą: cienki karton albo trochę mocniejszy papiernależy tak złożyć lub zrolować, aby powstał kanał o pożądanej długości. Ten prowizoryczny kanał wsuwamy do ot-woru. Nie ma przy tym znaczenia, czy karton będzie się kończyć zupełnie ściśle na ścianie akustycznej. Może nawetwystawać parę centymetrów na zewnątrz, aby ułatwić uchwycenie go ręką. W ten sposób można łatwo testowaćbrzmienie przy różnych długościach kanału. Optymalną długość ustawimy na stałe przy pomocy rury albo drewnianychdesek.

- wytłumienie obudowy z akustycznym filtrem pasmowymPonieważ obudowy pasmowo-przepustowe mogą ze względu na rezonator Helmholtza promieniować w zasadzie tylkobardzo małe częstotliwości, fale stojące wewnątrz obudowy nie stanowią dużego problemu, gdyż rezonanse powstajązazwyczaj dopiero przy wyższych częstotliwościach. Mimo to byłoby dobrze, gdyby komora zamknięta wypełniona byłaluźno materiałem tłumiącym, natomiast komora z otworem powinna pozostać niewytłumiona.- wady i zalety obudowy z filtrem pasmowo-przepustowymCzasem słyszy się, że przy zastosowaniu zasady urządzenia pasmowoprzepustowego można budować wyjątkowo małezestawy niskotonowe. Nie jest to prawdą, bo jak pokazał powyższy przykład, w obudowie typu bas-refleks takiej samejwielkości osiąga się w przybliżeniu taką samą dolną częstotliwość graniczną. Wadą jest nawet to, że w szczególnienisko dostrojonej obudowie z filtrem pasmowym współczynnik sprawności jest wyraźnie niższy niż w obudowie zotworem.Natomiast dla subwoofera, który np. dla wsparcia urządzenia słabo odtwarzającego basy powinien pokrywać zakresniskich tonów maksymalnie do 100 - 150 Hz, zasada akustycznego filtra pasmowego jest najlepszym rozwiązaniem.Jak już wspomniano w rozdziale 5.3 o systemach subwoofer-satelity, oddzielanie za pomocą pasywnej zwrotnicy częs-totliwościowej przy tak małych częstotliwościach nie może się być doskonałe. Dlatego poleca się obudowę z filtrempasmowym.Kolejną zaletą jest to, że w konstrukcji, gdzie głośnik umieszczony jest po jednej stronie zamkniętej komory, nawet przynajmniejszych częstotliwościach niemożliwe jest zwarcie akustyczne. W przeciwieństwie do obudów z otworem niematu niebezpieczeństwa mechanicznego przeciążenia systemu drgającego przez zbyt duże wychylenia membrany. Naprzykład w subwooferach samochodowych głośniki niskotonowe często są bardzo mocno obciążane mechanicznie.Dlatego dobrze byłoby chronić membranę przed zbyt dużym wychyleniem za pomocą sztywnej poduszki powietrznej.

6.3.4. Urządzenia z falowodem

Rys. 52. Przebieg prędkości akustycznej w jednostronnieotwartej rurze

Zasada działania urządzenia z falowodem (ang. transmission-line, TL) przypomina jest podobna do zasady urządzenia zotworem, chociaż obie bardzo się różnią konstrukcją. W obuchodzi o sprzężenie rezonatora nastrojonego na małą często-tliwość i głośnika. W obudowie z falowodem nie jest to jed-nak rezonator Helmholtza, tylko rezonator, który funkcjonujedokładnie tak jak piszczałka organowa.Piszczałka ta nie jest niczym innym jak rurą o przekroju po-przecznym niedużym w porównaniu z długością transmitow-anej fali dźwiękowej. Rura ta z jednej strony jest zamknięta,a z drugiej otwarta. Fale dźwiękowe transmitowane wzdłużrury odbijane są zarówno na końcu zamkniętym ścianie, jak ina otwartym. Dlatego przy pewnych częstotliwościach rezo-nansu powstają fale stojące. Jest jednak zasadnicza różnicaw porównaniu z falami stojącymi, które tworzą się międzydwoma równoległymi ścianami: po jednej stronie mamy tu

stałą przegrodę, po drugiej otwór wylotowy. Po stronie zamkniętej ruch cząstek powietrza - prędkość akustyczna - jestrówny zeru, ponieważ ściana uniemożliwia ruch. W kierunku otwartego końca rury prędkość akustyczna rośnie i osiągamaksimum na samym wylocie.

Rys. 53. Zasada obudowy labiryntowej

W rurze o długości I mogą tworzyć się fale stojące o różnej częstotliwości. Itak, długość I może odpowiadać dokładnie 1/4 λ a innym razem 3/4 λ, 5/4λ, 7/4 λ itd. W urządzeniu z falowodem wykorzystuje się tylko najmniejszączęstotliwość. Jeśli rura ma drgać z określoną częstotliwością fR, to jej długośćI musi wynosić jedną czwartą długości fali o tej częstotliwości.

Przykład:fR = 30 Hz λR = c/f = 343/30 = 11,4 m11,4 : 4 = 2,9 m

Taka długa, prosta rura urządzenia falowodowego o długości prawie 3 mjest niepraktyczna do zastosowania jako obudowa głośnikowa. Dlatego składa się tę rurę jedno- lub kilkukrotnie i wten sposób tworzy stosunkowo zwartą obudowę. Należy jednak unikać zbyt wielu zagięć, gdyż na każdym takimzłożeniu mogą powstawać niepożądane rezonanse. Obudowa taka nosi również nazwę obudowy labiryntowej.Z pomocą konstruktorowi przychodzi korzystne zjawisko: przez wytłumienie wełną prędkość dźwięku spada w zależnościod wytłumienia aż do 290 m/sek. Dzięki temu wymagana długość rury w naszym przykładzie skraca się do 2,4 m.Po stronie zamkniętej rury mieści się głośnik, który bezpośrednio promieniuje dźwięk przednią stroną membrany. Tylnąstroną membrany pobudza on rurę do drgań, które z otwartej strony wzmacniają emisję dźwięku. Zazwyczaj rurędostraja się tak, aby rezonans podstawowy rury fR był zgodny z rezonansem głośnika fs. Wyższe rezonanse 3/4 λ,5/4 λ, 7/4 λ ... nie są pożądane, gdyż w tym zakresie częstotliwości dźwięk promieniowany bezpośrednio przez głośnikma już wystarczający poziom, a z powodu takich rezonansów rury charakterystyka częstotliwościowa staje sięnierównomierna. Rezonanse te można stosunkowo łatwo zlikwidować, jeśli wytłumi się je silnie po zamkniętej stronierury, a słabiej przy otwartym końcu. Materiał tłumiący wytłumia drgania tylko tam, gdzie prędkość cząstek osiąga dużewartości (patrz rys. 42). Tą metodą słabo wytłumimy rezonans podstawowy, ale mocno - wyższe rezonanse. Nie należyjednak wytłumiać zbyt mocno. W takim bowiem przypadku rezonans podstawowy rury będzie zbyt mocno tłumiony iodtwarzanie basu będzie zbyt słabe. Pozostaje więc jedno: określenie dokładnej ilości materiału tłumiącego metodąprób i błędów.

6.3.5. Głośnik tubowy

Na temat głośników tubowych słyszy się często całkiem przeciwstawne opinie. Ich zwolennicy nie chcą słyszeć o innychkonstrukcjach, przeciwnicy natomiast uważają, że głośniki te odpowiednie są najwyżej do odtwarzania instrumentówdętych. Jedno pozostaje bezsporne: głośnik tubowy ma doskonały współczynnik sprawności. Sprawność jest nawetdziesięciokrotnie większa niż sprawność głośnika promieniującego bezpośrednio. Z tego powodu głośniki tubowe byłybardzo rozpowszechnione w czasach, kiedy istniały tylko wzmacniacze o małej mocy wyjściowej. Wraz z rozwojemelektroniki znaczenie ich zmalało. Dopiero w ostatnich czasach zauważyć można tu swego rodzaju renesans. Wymaga-nia co do natężenia dźwięku na koncertach rockowych wzrosły do tego stopnia, że przeważnie montuje się tam głośnikitubowe.Czy poza wysokim współczynnikiem sprawności nie ma on innych zalet? Czy uzasadnione są zarzuty, że tuby w mnie-jszym lub większym stopniu powodują zakłócenia brzmienia? Zanim spróbujemy odpowiedzieć na to pytanie, wyjaśn-ijmy sposób działania. Nie możemy tu jednak w pełni rozwinąć tego tematu, gdyż jest to materiał na kilka książek.W rozdziale 2.2 pokazano, że normalny głośnik pracuje zawsze w zakresie, w którym rezystancja promieniowania nieosiągnęła jeszcze maksimum. Następstwem tego jest niezwykle mały współczynnik sprawności nie przekraczający kilkuprocent. Przyczynę tego stanu rzecz można wyjaśnić następująco: kiedy membrana porusza się do przodu, powietrzemoże ustępować na boki. Powietrze stawia membranie zbyt mały opór. Jest ono sprężane tylko częściowo i dlategoemitowane jest tylko stosunkowo niewielkie natężenie dźwięku. Jeśli teraz przed membraną ustawimy tubę, nie będziejuż możliwości ustępowania powietrza na boki. Membrana może teraz lepiej przekazywać energię ruchu w powietrze.Ponieważ powierzchnia przekroju tuby stale się zwiększa, zwiększa się także efektywnie emitująca powierzchnia. Mówimywtedy o przekształcaniu małej rezystancji promieniowania powierzchni wlotu (początek tuby) w dużą rezystancję promien-iowania powierzchni wylotu (koniec tuby).W ten sposób membrana będzie o wiele lepiej wykorzystana, tzn. wystarczyć będzie znacznie mniejsze jej wychylenie,żeby wyemitować dźwięk o odpowiednio dużym poziomie. Można to wyraźnie zaobserwować w niskotonowym głośnikutubowym: przy bardzo dużym ciśnieniu akusty m:cznym membrana porusza się znacznie słabiej niż w urządzeniachgłośnikowych innego typu.Ponieważ współczynnik zawartości harmonicznych, intermodulacja i efekt Dopplera zależą od membrany, w głośnikachtubowych zakłócenia te z reguły są znacznie mniejsze niż w innych urządzeniach.Mamy do dyspozycji nie tylko tuby o przekroju stożkowym, ale nieskończenie wiele możliwych kształtów i wielkości,które powodują duże zróżnicowanie charakterystyk kierunkowych. Można budować głośniki tubowe, które wytwarzająwąskie wiązki (zastosowanie do nagłaśniania dużych przestrzeni)) albo rozpraszają dźwięk na kształt wachlarza (zas-tosowanie do urządzeń Hi-Fi). Zakres częstotliwości również zależy od kształtu tuby. W uproszczeniu można pow-iedzieć: im dłuższa tuba i im większy otwór wylotowy, tym niżej leży dolna częstotliwość graniczna.

Rys. 54. Rezystancja u wlotu tub o różnych kształtach

Przy częstotliwości granicznej impedancja u wlotu tuby wykładniczej zdecydowanie spada (rys. 54). Poniżej tejwartości głośnik właściwie nie jest już obciążany, a więc nie promieniuje dźwięku. Istnieje niebezpieczeństwo, żegłośnik może zostać mechanicznie uszkodzony z powodu zbyt dużych wychyleń w tym zakresie. Dlatego musi byćchroniony przed zbyt niskimi częstotliwościami. Z tego powodu w niskotonowych głośnikach tubowych stosuje sięsztywne zawieszenia membrany. Na rys. 54 można zauważyć, że przebieg impedancji wlotu zależy od kształtu tuby.W tubie wykładniczej przekrój A zwiększa się wykładniczo w odległości x od wlotu:AX = AH . ekx

AX= powierzchnia przekroju w odstępie xAH = powierzchnia szyjkik = współczynnik kształtu tubyWspółczynnik kształtu określa, jak szybko rozwiera się tuba wzdłuż długości x.

Rys. 55. Przekrój tuby wykładniczej

Głośniki tubowe mają istotną wadę, która nie pozwala na ich rozpowszechnienie jako głośników basowych, a miano-wicie wielkość. Tuba wykładnicza o częstotliwości granicznej np. 30 Hz powinna mieć długość prawie 5 m i otwórwylotowy ok. 10 m2! Przy najlepszych chęciach nie da się tego ustawić w pokoju. Można jednak pójść na kompromis.Jeżeli po prostu tubę skrócimy, zredukujemy znacznie powierzchnię wylotu. Wadą będzie to, że dźwięk nie zostaniewypromieniowany całkowicie, ale zostanie częściowo odbity. Tak jak w rezonatorze urządzenia z falowodem, przyokreślonych częstotliwościach powstają tu rezonanse, które wywołują nierównomierności charakterystyki. Nasze uchonie jest jednak zbyt wrażliwe na ten efekt, gdyż występuje on i tak przy każdym źródle dźwięku w pomieszczeniachnormalnej wielkości, powodowany przez fale stojące w zakresie małych częstotliwości.Znaczną długość tuby można zmniejszyć składając ją. Mato jednak tę wadę, że na zagięciach mogą powstawać odbicia.Genialny pomysł wykorzystano w legendarnej tubie Klipscha (1940). Składana obudowa dokonuje emisji w narożnikpomieszczenia wykorzystując go jako przedłużenie tuby. Tuba Klipscha jest do dziś niedościgniona, jeśli chodzi o sto-sunek wielkości konstrukcji do dolnej częstotliwości granicznej.

Rys. 56. Zasada obudowy ze sfałdowaną tubą wykładniczą

Jak można by teraz odpowiedzieć na postawione na wstępie pytania o jakość brzmieniagłośników tubowych? Jak już wspomniano, łatwo tu można osiągnąć duże ciśnienie akusty-czne. Bardzo trudno natomiast jest uzyskać jednocześnie całkowicie liniowy przebieg char-akterystyki częstotliwościowej. Wiadomo też, dlaczego mówi się często o typowych“zniekształceniach tubowych”: ponieważ głośniki tubowe pozbawione zniekształceń są fak-tycznie rzadkością. Jeśli chodzi o odtwarzanie Hi-Fi, które w warunit:kach domowych osiąganatężenie między 70 a 90 dB, to za pomocą każdego dobrego głośnika można uzyskaćświetne rezultaty. Jeśli jednak ktoś miał okazję posłuchać dużej orkiestry, muzyki jazzowejlub rockowej z dominującą perkusją w oryginalnym natężeniu (dynamika do 100-120 dB)przy zastosowaniu doskonale skonstruowanych głośników tubowych, to zyskał nową skalęporównawczą dla głośników. Przede wszystkim uderzające jest to, że fragmenty fortissimonie brzmią ciężko i że można w pełni odbierać górne krańce dynamiki, połykane przez innegłośniki. Możemy tu mówić o nieporównywalnym wrażeniu odbioru na żywo.

6.4. Soczewki akustyczne

Soczewki akustyczne stosowane są głównie w głośnikach tubowych średnio- iwysokotonowych w przypadku, jeśli te emitują dźwięk o zbyt wąskich wiązkach.Wiązki takie występują zawsze, kiedy tuba jest tak skonstruowana, że emitujefalę płaską. Soczewki akustyczne powodują ugięcie tych fal, przy czym na brze-gach dźwięk opóźnia się, gdyż musi przebyć okrężną drogę. Tworzy się zakrzy-wione czoło fali o szerokim kącie promieniowania.

Rys. 57. Zasada działania soczewki akustycznej

7. Zwrotnice częstotliwościowe

Jeśli zdecydujemy się zbudować zestaw wielodrożny, musimy pomyśleć o zwrotnicy częstotliwościowej. Ma ona zazadanie podzielić zakres częstotliwości promieniowanego dźwięku na kilka podzakresów. Każdy głośnik otrzymujewydzielony zakres częstotliwości, w którym pracuje optymalnie. Pasywne zwrotnice częstotliwościowe włączane sąpomiędzy wyjściem wzmacniacza a głośnikiem. Zbudowane są one z cewek, kondensatorów i rezystorów. Zasadniczomożna powiedzieć, że sygnał o częstotliwości akustycznej jest przez zwrotnicę zniekształcany, co powoduje jegopogorszenie - w najlepszym przypadku w sposób niesłyszalny. Dlatego należy przestrzegać zasady: możliwie małoelementów konstrukcyjnych, ale tak dużo, jak to będzie konieczne. Wybór najlepszego układu zależy w dużym stopniuod zastosowanych głośników. W każdym razie opłaca się poświęcić dużo uwagi zwrotnicy częstotliwościowej, gdyżmoże ona mieć bardzo duży wpływ na rezultat brzmienia.

7.1. Elementy konstrukcyjne zwrotnic częstotliwościowych

Pasywne zwrotnice częstotliwościowe składają się z kondensatorów, cewek i rezystorów. W poniższych punktachomówimy wymagania, jakie stawia się tym elementom konstrukcyjnym.

-kondensatoryKondensator składa się z dwóch przewodzących prąd powierzchni, które są od siebie odizolowane. Między tymi pow-ierzchniami wytwarza się pole elektryczne. Impedancja kondensatora jest dla małych częstotliwości duża, a dla dużychmała. Dlatego za pomocą kondensatora można oddzielić od siebie małe i duże częstotliwości. Wielkością charakteryzującąkondensator jest pojemność mierzona w faradach [F] (µF = 10-6F). W kondensatorach foliowych izolacja składa się zfolii z tworzywa sztucznego 0 optymalnych własnościach. Niestety, kondensatory foliowe o dużej pojemności są bardzoduże i drogie. Dlatego często używa się kondensatorów elektrolitycznych. Izolację powierzchni tworzy tu cieniutkawarstwa tlenku. Do budowy zwrotnic częstotliwościowych powinno się stosować tylko kondensatory elektrolitycznedwubiegunowe, gdyż zwyczajnie spolaryzowane kondensatory elektrolityczne zbudowane są zazwyczaj jednokierunkowo.W porównaniu z kondensatorami foliowymi kondensatory elektrolityczne są bardzo małe i tanie. Mają jednak istotnewady:

- mniejsze napięcie przebicia oraz- wyższy współczynnik strat dielektrycznych.

Współczynnik strat wyraża m.in. to, że izolacja obu powierzchni nie jest idealna. Kondensator ma zatem opornośćpowodującą, że grzeje się przy wysokich napięciach. Może to nawet doprowadzić do jego uszkodzenia z powodunadmiernej temperatury. Zresztą nie wszystkie kondensatory elektrolityczne są pod tym względem takie same,istnieją bowiem duże różnice współczynników strat. Ponieważ marny kondensator może też negatywnie oddziaływaćna brzmienie, należy używać kondensatorów elektrolitycznych powodujących możliwie małe straty albo najlepiejkondensatorów foliowych.

- cewkiCewki pod względem elektrycznym zachowują się dokładnie odwrotnie niż kondensatory: tworzą one pole magnetyc-zne i stawiają słaby opór małym częstotliwościom, a duży - dużym. Za ich pomocą można też oddzielić od siebie małei duże częstotliwości. Wielkością charakteryzującą cewkę jest indukcyjność (L). Mierzona jest ona w jednostce henr [H](mH = 10-3H). Drut miedziany nawinięty na cewkę wykazuje też rezystancję prądu stałego RL, która na ogół wpływa nawłaściwości zwrotnicy. Często pojawia się pytanie, jaka rezystancja prądu stałego jest możliwa do zniesienia. Rezys-tancja cewki, która w zwrotnicy częstotliwościowej jest połączona szeregowo z głośnikiem, dodaje się do wartości RDCgłośnika. Dzięki temu .zwiększa się też wartość QTS głośnika i tym samym zmienia jego zachowanie akustyczne. Dlate-go przy obliczaniu urządzenia powinno się od początku brać pod uwagę rezystancję prądu stałego cewki. Jako regułęprzybliżoną przyjmuje się, że rezystancja mieszczące się wyraźnie poniżej 0,5 Ω można pominąć: Z drugiej stronyrezystancja cewki o wartości ok. 1 Ω , jeżeli zostaną uwzględnione w obliczeniu, mogą świetnie pasować do głośnikówo małej dobroci QTS.Cewki powietrzne powyżej 5 mH stanowią problem, gdyż potrzebne są wówczas bardzo duże liczby zwojów. Abyograniczyć rezystancję, trzeba użyć przewodu o bardzo dużym przekroju, co czyni cewkę dużą i drogą. Dlatego na rdzeńcewki używa się ferrytu, co przy takiej samej ilości zwojów bardzo zwiększa indukcyjność. Wada jest to, że zwiększenieindukcyjności działa tylko do określonego poziomu napięcia. Potem występuje zjawisko nasycenia ferrytu i cewkapowoduje silne zniekształcenia. Przy jakim napięciu to się dzieje, zależy od kształtu ferrytu i od materiału. Okrągłerdzenie ferrytowe stanowią kompromis między cewką powietrzną a cewką ferrytową, gdyż strumień magnetycznyprzebywa jeszcze duży odcinek powietrza. Koszt miedzi jest wprawdzie spory, ale przy jego zastosowaniu nasyceniewystępuje znacznie później i bardzo powoli.

- rezystoryRezystory dla zwrotnic częstotliwościowych nie stwarzają w zasadzie problemów. Muszą one być tak dobrane, aby przypełnym obciążeniu nie były zbyt gorące. Poza tym powinny się zachowywać jak idealny rezystor (tzw. uzwojenie bi-filarne), tzn. likwidować indukcyjność, która występuje przy nawijaniu przewodu rezystorowego.

7.2. Zwrotnice częstotliwościowe 1. 2. i 3. rzędu

W praktyce stosuje się najczęściej zwrotnice częstotliwościowe pierwszego, drugiego i trzeciego rzędu, które opisuje-my poniżej.

- zwrotnica częstotliwościowa 1. rzęduZwrotnica ta ma po jednym elemencie konstrukcyjnym w każdym odgałęzieniu. Filtr dolnoprzepustowy (przepuszczatylko małe częstotliwości) tworzony jest przez cewkę szeregową, filtr górnoprzepustowy (przepuszcza tylko duże częs-totliwości) - przez kondensator szeregowy. Częstotliwość graniczna fG leży tam, gdzie napięcie spada o 3 dB.

Rys. 58. Zwrotnica częstotliwościowa 1. rzędu

Nachylenie charakterystyk w paśmie zaporowymwynosi 6 dB/oktawę, tzn. przy każdym podwojeniuczęstotliwości napięcie na głośniku zmienia się o6 dB (współczynnik 2). Zaletą jest tu bardzo niskikoszt elementów konstrukcyjnych i korzystne za-chowanie faz. Można w ten sposób sprzęgać sze-rokopasmowe głośniki o wyrównanych charakter-ystykach, uzyskując świetne rezultaty brzmienio-we. Wadą jest to, że do głośnika doprowadzonezostają z niewielkim tłumieniem częstotliwości,które są bardzo oddalone od jego optymalnegozakresu stosowania. Np. wysokotonowe głośnikikopułkowe produkują często duże zniekształcenianielinearne przy częstotliwości rezonansu. Jeśliustawi się częstotliwość podziału o jedną oktawę

wyżej niż rezonans fS, to napięcie przy fS zmniejszy się tylko dwukrotnie. Jest to zazwyczaj niewystarczające.Rodzi to niebezpieczeństwo przeciążenia mechanicznego, spowodowanego zbyt dużymi amplitudami kopułki. W takimprzypadku częstotliwość podziału fG musi się znajdować przynajmniej 2 oktawy wyżej niż częstotliwość rezonansukopułki, albo należy sięgnąć po zwrotnicę wyższego rzędu.

- zwrotnica częstotliwościowa 2. rzęduW zwrotnicy częstotliwościowej 2. rzędu potrzebne są, dla filtru dolno- i górnoprzepustowego po dwa elementykonstrukcyjne.

Rys. 59. Zwrotnica częstotliwościowa 2. rzędu

Zaletą jest to, że zwrotnica ta skuteczniej oddzie-la od siebie poszczególne zakresy częstotliwościniż zwrotnica częstotliwościowa 1. rzędu. Opty-malne zakresy częstotliwości głośnika mogą byćwięc lepiej wykorzystane. Mniejsze jest tu niebez-pieczeństwo przeciążenia głośnika wysokot-onowego małymi częstotliwościami. Nachyleniezboczy w paśmie zaporowym zależy od doboruelementów konstrukcyjnych. Z reguły wybiera się12 dB na oktawę z tzw. charakterystyką Butter-wortha, ponieważ jest to dobry kompromis międzyodtwarzaniem stanów nieustalonych a stromoś-cią zboczy. Filtry dolno- i górnoprzepustowyprzesuwają fazę, dlatego należy bardzo uważaćna biegunowość głośnika (patrz “Zwrotnice częs-

totliwościowe w praktyce”). W przeciwnym razie w paśmie koincydencji charakterystyka częstotliwościowa będziewykazywać ostrą dziurę (patrz rys. 60).

Dotychczas omawialiśmy tylko zwrotnice częstotliwościowe dla zestawów dwudrożnych. Dla zestawów trójdrożnychpotrzebny jest filtr pasmowo-przepustowy, które przepuszcza tylko średnie częstotliwości. W zasadzie składa się on zfiltrów górno- i dolnoprzepustowego, połączonych ze sobą kaskadowo.Obliczeń dokonuje się jak przy pojedynczych filtrach. Oczywiście należy zwrócić uwagę, aby zakresy częstotliwościnachodziły na siebie w ten sposób, że częstotliwość graniczna filtru dolnoprzepustowego fGO musi leżeć wyżej niżczęstotliwość graniczna filtru górnoprzepustowego fGU.

Rys. 60. Wpływ biegunowości połączenia nacharakterystykę zwrotnicy

Aby wyrównać przesunięcia fazowe, należy wzwrotnicy trójdrożnej podłączyć głośniki do filtrudolnoprzepustowego i pasmowego z tą samąbiegunowością, zaś do filtru górnoprzepustowe-go z przeciwną biegunowością.

Rys. 61. Filtr pasmowy 2. rzędu

- zwrotnica częstotliwościowa 3. rzęduAby uzyskać jeszcze większe nachylenia charakterystyk w paśmie zaporowym, należy użyć jeszcze jednego elementuelektronicznego na każde odgałęzienie.

Rys. 62. Zwrotnica częstotliwościowa 3.rzędu

Spadek charakterystyki w paśmie zaporowymwynosi 18 dB na oktawę, czyli w stosunkudo zwrotnicy 2. rzędu wzrasta o kolejne 6dB na oktawę. Za pomocą tyj zwrotnicy częs-totliwościowej można np. sprząc napęd jeszc-ze bliżej częstotliwości granicznej tuby. Samytylko filtry pasmowy 3. rzędu potrzebująsześciu elementów konstrukcyjnych. W więk-szości przypadków nakład finansowy na tosię nie opłaca.

7.3. Zwrotnice częstotliwościowe w praktyce

Jeśli zbadamy zwrotnicy częstotliwościowy dobrych zestawów głośnikowych (gotowy obudowy i propozycje konstruk-cyjny), to stwierdzimy, że przy pomocy metod obliczeniowych przedstawionych wyżyj dojść można uzyskać zupełnieinny wartości elementów. Od czego to zależy?Po pierwsze większość głośników nie ma idealnej charakterystyki częi:stotliwościowej, która w zakresie np. 800 Hz -5000 Hz przebiegałaby całkiem równo. Często już tylko z powodu odgrody następuje odchylenie od ideału. Za pomocązwrotnicy częstotliwościowej usterki ty zazwyczaj można zniwelować.Z drugiej strony przebieg krzywej impedancji rzadko jest równomierny zaś założenie jej stałości było warunkiem wszyst-kich obliczeń w poprzednich rozdziałach. Podczas gdy wzrost impedancji przy dużych częstotliwościach daje się łatwozniwelować, to zwiększanie impedancji przy częstotliwości rezonansu rodzi duży problemy, jeśli w pobliżu leży często-tliwość podziału. Kopułkowy głośnik średniotonowy bez tłumienia za pomocą cieczy magnetycznej (ferrofluidu) o częs-totliwości rezonansu 600 Hz stwarza właśnie takie problemy, jeśli częstotliwość podziału ma wynosić 1000 Hz.Wypełnienie ferrofluidowe tłumi rezonans własny i tym samym wyrównuje krzywą rezonansu, dlatego obliczenie niestwarza tu już żadnych trudności.W praktyce okazało się skutecznym niewybieranie dokładnie takich samych częstotliwości podziału filtru dolno- i gór-noprzepustowego, ponieważ zbyt często dochodziło do podbicia charakterystyki częstotliwościowej. Prostym i skutec-znym zabiegiem jest umieszczenie częstotliwości podziału w pewnym oddaleniu od siebie (np. 900 Hz filtr dolnoprze-pustowy, 1100 Hz filtr górnoprzepustowy).

7.3.1. Przykład dopasowania zwrotnicy częstotliwościowej - optymalizacja podłączenia

Zwrotnica częstotliwościowa jest niezwykle istotna dla brzmienia zestawu. Zastosowanie najlepszych i najdroższychgłośników nie da dobrego rezultatu, jeśli zwrotnica nie będzie optymalnie dobrana. Również próba poprawienia źledostrojonej zwrotnicy przez wymianę tanich cewek i kondensatorów na droższy, jest bezcelowa. Tylko ich prawidłowezestrojenie spowoduje wyrównanie przebiegu charakterystyki częstotliwościowej bez podbić i dziur i jest to bez wątpienianajważniejszy wymóg dla uzyskania doskonałego brzmienia.Na poniższym przykładzie małego zestawu dwudrożnego pokazano, jak przez dobre dopasowanie zwrotnicy możnauzyskać bardzo wyrównany przebieg charakterystyki częstotliwościowej.Do budowy użyto głośnika niskotonowego W 130 S i wysokotonowego głośnika kopułkowego DT 94 (Oba firmyVISATON). Rys. 63a pokazuje podłączenie zwrotnicy (12 dB/oktawę) obliczony przy pomocy wzorów z poprzedniegorozdziału. Częstotliwości podziału dla filtrów dolno- i górnoprzepustowego przesunięte są trochę w górę i w dół, abykrzywy przycinały się przy ok. - 6 dB (rys. 63b).

Rys. 63. Zwrotnica dwudrożna (12 dB/oktawę) a) schemat elektryczny,b) charakterystyki częstotliwościowenapięcia na rezystorach

Krzywa a na rysunku 64 pokazuje char-akterystykę częstotliwościową, którazostała zmierzona w obudowie owąskiej płycie czołowej. Zauważmy, żekrzywa przebiega wprawdzie równomi-ernie, ale stale wzrasta. Ma to międzyinnymi związek z tym, że głośnik nie jestwbudowany w nieskończoną odgrodę,ale w bardzo wąską obudowę. Po-nieważ w pasywnej zwrotnicy częstot-liwościowej natężenie dźwięku niemoże być zwiększone, musimy chcąc niechcąc zmniejszyć współczynniksprawności i zredukować efektywność

zestawu do 80 dB (1 W/1 m). Zadanie to musi przejąć zwrotnica. Na przykład, ciśnienie akustyczne emitowane zgłośnika niskośredniotonowego do częstotliwości podziału ok. 2000 Hz należy utrzymać na poziomie 80 dB. W tymcelu musimy drastycznie zwiększyć wartości elementów (rys. 66). Jak pokazuje krzywa b na rys. 64, działanie cewkizaczyna się już przy 200 Hz, a natężenie dźwięku spada wraz z rosnącą częstotliwością. Cewka i kondensator są takdobrane, że wzrost charakterystyki częstotliwościowej jest doskonale skorygowany. Efektywność głośnika wysokot-

onowego musi zostać obniżona o 10 dB w celu dopasowania do głośnika niskośredniotonowego (rys. 65). Uzyskamy toustawiając rezystory przed głośnikiem wysokotonowym (rys. 66). Jeżeli jeszcze zmienimy wartości dla filtru górnoprze-pustowego, to otrzymamy pożądaną krzywą jak na rys. 65.

Rys. 64. Charakterystyka częstotli-wościowa głośnika W 130 S a) bezzwrotnicy, b) ze zwrotnicą (wg rys.66)

Rys. 67 pokazuje uzyskany efekt dlazestawu z optymalną zwrotnicą częs-totliwościową: charakterystyka często-tliwościowa przebiega tak równo, żez całą pewnością możemy wykluczyćzniekształcenia brzmienia.

Warto jeszcze wspomnieć, że - wbrew teoretycznym formułom podręcznikowym – głośnik wysokotonowy nie jestpodłączony z przeciwną biegunowością, ponieważ przez zupełnie inne dobranie elementów i skomplikowanezachowanie faz realnego głośnika, przy zmianie biegunowości doszłoby do zaniku dźwięku i do głębokiej dziury wcharakterystyce częstotliwościowej.

Rys. 65. Charakterystyka częstotliwościo-wa głośnika DT 94 a) bez zwrotnicy, b) zezwrotnicą (wg rys. 66)

Rys. 66. Optymalna zwrotnica częstotli-wościowa

Rys. 67. Charakterystyka częstotliwoś-ciowa zestawu ze zwrotnicą opty-malną (wg rys. 66)

Przykład ten wykazał jasno, że zwrotnica częstotliwościowa dobierana za pomocą pomiarów w komorze bezechowejodbiega bardzo mocno od obliczonej za pomocą zwykłych wzorów. Pojawia się pytanie, czy konstruktor-amator, którynie dysponuje żadnymi przyrządami pomiarowymi, ma w ogóle jakąś możliwość dobrego obliczenia zwrotnicy. Zanimbędziemy mogli odpowiedzieć na to pytanie, musimy omówić pozostałe cechy głośników.

- moduł i faza krzywej impedancjiPrzy częstotliwości podziału ok. 2000 Hz impedancja głośnika W 130 S ma moduł 9 omów z tendencją rosnącą i kątfazowy +30°. Jeślibyśmy zatem w obliczeniach przyjmowali po prostu 8 omów i 0°, doszlibyśmy naturalnie do fałszywychwyników.

Rys. 68. Krzywa impedancji W 130 Sa) moduł,b) faza

- charakterystyka fazowa głośnikaGłośnik jest skomplikowanym systemem drgającym, składającym się ze sprężyn i mas, których prędkość stale się zmienia.Nic więc dziwnego, że przy promieniowaniu różnych częstotliwości może dochodzić do opóźnień czasowych jednych falwzględem drugich. Zjawisko to można określić za pomocą charakterystyki fazowej. Na rys. 69 widać, że w głośnikuniskośredniotonowym W 130 S w jego zakresie przenoszenia faza przebiega stosunkowo równomiernie począwszy odwartości ok. + 30°, podczas gdy w głośniku kopułkowym DT 94 przy dużych częstotliwościach oddziaływanie odgrodyprzejawia się w bardzo nierównomiernej charakterystyce fazowej.

Rys. 69. Charakterystyki fazowe głośników a) W130 S, b) DT 94

W przykładzie tym przy częstotliwości rozdziału2000 Hz kąt fazowy dla W 130 S wynosi + 30°,dla DT 94 natomiast + 125°. Różnica faz wynosizatem 125° - 30° = 95°. Jeśli pomyśleć, że przyróżnicy faz 180°, dźwięk emitowany z obu mem-bran zanikłby zupełnie, staje się jasne, że przyobliczaniu zwrotnicy częstotliwościowej należy ko-niecznie uwzględnić charakterystykę fazową.

- środek promieniowania akustycznegoW ścisłym związku z przebiegiem fazy akustycznej znajduje się środek promieniowania akustycznego, tj. punkt z które-go pozornie wychodzą fale akustyczne. Musimy sobie uświadomić, że dźwięk potrzebuje określonego czasu, aby odotrzymania sygnału elektrycznego na zaciskach głośnika do dotrzeć mikrofonu. Znając odstęp czasu i prędkość dźwiękumożemy obli (:czyć odbytą drogę. Na podstawie obliczenia stwierdzamy, że środek promieniowania występuje zamembraną, na wysokości cewki drgającej. W zależności od konstrukcji głośnika, miejsce powstawania dźwięku leżybliżej lub dalej za płytą czołową obudowy.Ponieważ różne czasy przebiegu dźwięku zauważalne są jako przesunięcie fazowe, przy obliczaniu zwrotnicy częstotli-wościowej należy koniecznie uwzględnić środek promieniowania akustycznego. Jeśli odległość od środka promieniow-ania do mikrofonu wynosi x [m], można łatwo obliczyć różnicę fazową Ocp za pomocą poniższego wzoru:

f: częstotliwość w hercach [1/s]v: prędkość dźwięku 343 m/s- wnioskiReasumując można stwierdzić, że w celu optymalnego zaprojektowania zwrotnicy częstotliwościowej, uwzględnionemuszą być następujące, zależne od częstotliwości, dane głośników:- moduł i faza ciśnienia akustycznego - moduł i faza impedancji- przesunięcie fazowe spowodowane różnymi środkami promieniowania głośników w zestawie

Rys. 70. Symulacja komputerowa trójdrożnegourządzenia z otworema) charakterystyka częstotliwościowaurządzenia z prawidłową biegunowościąb) charakterystyka częstotliwościowaurządzenia z nieprawidłową biegunowościąpołączenia głośnika średniotonowegoc) krzywa impedancji

Ponieważ wielkości tę uzależnione są od częstotliwości, trzeba przeprowadzić obliczenia w funkcji częstotliwości. Jestto zbyt trudne do wyliczenia za pomocą kieszonkowego kalkulatora. Na szczęście upowszechniły się już mikrokompu-tery typu PC, toteż bez problemu można dokonać tych skomplikowanych obliczeń przy użyciu odpowiedniego progra-mu symulacyjnego zwrotnic częstotliwościowych, np. Speaker.Pro. Program ten pokazuję w formie graficznej charak-terystykę częstotliwościową całego zestawu głośnikowego (rys. 70). Wymagane jest, by do programu tęgo wprowadzićpoprawne dane głośników. W przeciwnym razie komputer nie będzie mógł przeprowadzić prawidłowej symulacji.

7.4. Dopasowanie impedancji

Wszystkie zwrotnicę częstotliwościowe funkcjonują bez zarzutu tylko wtedy, kiedy impedancja końcowa na zaciskachwyjściowych zwrotnicy ma taką wartość, jaką przyjęto do obliczenia tej zwrotnicy (zazwyczaj 4 lub 8 omów). Zpowodu indukcyjności cewki drgającej impedancja głośnika wzrasta znacznie dla dużych częstotliwości. Rys. 72pokazuję typowy przebieg impedancji głośnika niskotonowego. Wzrost impedancji może zostać zredukowany przezzwój zwarty (patrz rozdz. 2.3.1.1), jak również przez równoległe podłączenie kondensatora i rezystora. Aby obliczyćkondensator, musimy znać indukcyjność cewki drgającej L. Kondensator obliczamy wg następującego wzoru:

Rys. 71. Kompensacja indukcyjności cewki drgającej

Rys. 72. Charakterystyka częstotliwościowagłośnika niskotonowego

W praktyce okazało się, że rezystancja równoległa R musi być większa od rezystancji prądu stałego RDC cewki drgającej.Jeśli R = RDC, to całkowita impedancja jest zbyt mała. Jeśli dla R weźmiemy wartość o 50% wyższą od RDC, to całkowitaimpedancja ustabilizuje się mniej więcej na wartości znamionowej.

7.5. Regulator współbieżny typu L

Często spotykamy się z problemem, że głośniki średnio- i wysokotonowe są za głośne w stosunku do głośnika niskot-onowego. W takim przypadku nie należy wyrównywać poziomów poprzez proste dołączenie rezystora, gdyż impedanc-ja wyjściowa zwrotnicy będzie za duża. Regulator współbieżny typu L posiada dwa niezależne drutowe uzwojeniaoporowe, zeszlifowane przy pomocy dwóch mechanicznie sprzężonych szlifierek.

Rys. 73. Podłączenie regulatora współbieżnego typu L

Jeden rezystor jest połączony szeregowo, drugi równolegle. W tensposób można obniżyć napięcie na głośniku, bez dużej zmiany imped-ancji na zaciskach wyjściowych. Regulator L można też zastąpić odpow-iednio dobranymi rezystorami stałymi, połączonymi w ten sam sposób(tabela do obliczeń wartości rezystorów podana jest w załączniku).

7.6. Cyfrowe zwrotnice częstotliwościowe

W rozdziale 7.3.1 wyczerpująco omówiono sposoby, jakie mogą być stosowane aby przy pomocy zwrotnicy częstotli-wościowej wyrównywać błędy głośnika. Dzięki temu można osiągnąć bardzo równy przebieg charakterystyki częstotli-wościowej ciśnienia akustycznego. Nie można jednak w ten sposób zoptymalizować opóźnienia czasowego (błąd fazowy).Duże częstotliwości głośnika wysokotonowego z powodu różnych położeń środków promieniowania z reguły dochodządo ucha wcześniej niż małe.

Rys. 74. Odtwarzanie impulsówprostokątnych (wg D. Leckschata)a) impuls elektrycznyb) odtwarzanie przez głośnik zezwrotnicą analogowąc) odtwarzanie przez głośnik zezwrotnicą cyfrową

Ma to znaczenie m.in. przy odtwarzaniu sygnału prostokątnego, kiedy kształt fali ulega znacznemu zniekształceniu (rys.74b). Brzmieniowo nie wygląda to tak tragiczne, gdyż ucho ludzkie nie jest specjalnie wyczulone na błędy fazowe.Mimo to, w poszukiwaniu idealnego głośnika i na to znaleziono sposób: cyfrową zwrotnicę częstotliwościową. Wdotychczas omawianej (analogowej) zwrotnicy jest tak, że każda manipulacja przy amplitudzie nieuchronnie powodujezmianę fazy. Przy pomocy techniki cyfrowej można natomiast dowolnie zmieniać charakterystykę częstotliwościowąciśnienia akustycznego, a niezależnie od tego optymalizować przebieg faz. Wpływ różnych środków promieniowaniaakustycznego niwelowany jest dzięki temu, że sygnały z bliżej położonych źródeł dźwięku (np. głośników wysokot-onowych) są zapamiętywane i odtwarzane z opóźnieniem. W ten sposób umożliwia się całkowicie prawidłową, ampli-tudowo i fazowo, reprodukcję zdarzenia dźwiękowego.Koszt takiej zwrotnicy jest bardzo wysoki. Tylko dzięki rozwojowi mikroprocesorów o wysokim stopniu integracji stałysię one w ogóle realne technicznie. Zwrotnica cyfrowa w łańcuchu przenoszenia leży przed stopniem końcowym. Nakażde odgałęzienie (niskie, średnie, wysokie tony) przypada osobne wyjście, które połączone jest z własnym wzmacni-aczem końcowym. Oznacza to, że cyfrowe zwrotnice częstotliwościowe mogą być montowane tylko w zestawachaktywnych.

8. Budowa zestawów głośnikowych

Jeśli już zdecydowaliśmy się na samodzielną budowę zestawu głośnikowego, to musimy przed rozpoczęciem właściwejpracy zrobić szczegółowy plan. Niniejszy rozdział ma Państwu pomóc w stworzeniu takiej koncepcji budowy, którazawierałaby poszczególne fazy budowy i była “przewodnikiem” do dalszej pracy. Przed zaplanowaniem budowy zestawumusimy odpowiedzieć sobie na podstawowe pytania:

1. Jakie mniej więcej wymiary powinien mieć zestaw i gdzie będzie stać?2. Jakie środki finansowe mamy do dyspozycji?3. Jakie zasady wchodziłyby w rachubę: 2-, 3-, czy 4-drożna, zamknięta, z otworem czy z systemem tubowym?4. Jakich głośników chcemy użyć i jaka zwrotnica częstotliwościowa będzie tu konieczna?5. Jak ma wyglądać obudowa?

8.1. Materiały do budowy obudów

Do konstrukcji obudów głośnikowych można używać drewna, rozmaitych naturalnych i sztucznych kamieni, jak równieższkła akrylowego i innych “egzotycznych” materiałów budowlanych.Materiały te różnią się, czasem znacznie, zachowaniem akustycznym (rezonansy własne), techniką obróbki, właściwościamipowierzchni i oczywiście ceną!Przed wyborem materiału powinniśmy zatem znów odpowiedzieć sobie na kilka pytań:1. Jaka ma być powierzchnia gotowej kolumny? (lakierowana, fornirowana, bejcowana, naturalna itd.)2. Czy ciężar kolumny będzie mieć znaczenie? (ważne, jeśli chcemy użyć sztucznego lub naturalnego kamienia)3. Czy dysponujemy odpowiednimi narzędziami do obróbki?4. Jakie jest zachowanie akustyczne danego materiału?5. Jaka grubość materiału wchodzi w rachubę?6. Jaki drogi jest dany materiał i gdzie można go zdobyć?Poniżej omówiono - wg tego katalogu pytań - najczęściej stosowane materiały konstrukcyjne:

- płyty wióroweZaliczają się one do najczęściej stosowanych materiałów na obudowy głośnikowe. Powierzchnie zewnętrzne płytwiórowych można pokrywać fornirem, foliować, oklejać lub lakierować. Aby osiągnąć powierzchnię wysokiej jakości,należy płytę wiórową wyszlifować, wypełnić szpary i wygładzić, co związane jest z dużym nakładem pracy. Zalecanagrubość materiału to 19 mm. W małych zestawach regałowych może być ona zredukowana do 16 mm w celu powięk-szenia objętości netto. Dzięki tłumieniu wewnętrznemu i związanemu z nim tłumionemu rezonansowi własnemu, płytywiórowe mają “łagodne” zachowanie akustyczne. Przykrojone płyty wiórowe można stosunkowo tanio nabyć w sk-lepach z materiałami budowanymi.

- płyty spilśnione (MDF)Materiał ten, składający się z włókien drewnianych znacznie delikatniejszych niż normalne płyty wiórowe, wymieszanypod dużym ciśnieniem ze środkiem wiążącym, ma niemal idealne własności jako materiał na samodzielną budowęobudów. Własności akustyczne są nieco lepsze niż w płycie wiórowej. Dla powierzchni zewnętrznych i grubościobowiązują takie same reguły jak w płycie wiórowej. Dzięki bardziej gęstemu materiałowi i gładszej powierzchni płytyMDF łatwiej poddają się obróbce. Dlatego też przygotowanie ich do fornirowania i lakierowania wiąże z o wielemniejszym nakładem pracy.

Wskazówka praktyczna: Należy nawiercić otwory montażowe, bo inaczej śruby mogą się odłamać.

Płyty MDF są droższe od płyt wiórowych.

- sklejkaChodzi tu w zasadzie o materiał z płyty klejonej (sklejki), który dzięki mocnej powierzchni nadaje się szczególnie nazestawy do dyskotek i sal tanecznych. Bejcowaniem i (albo) lakierowaniem możemy przy stosunkowo niskim nakładziepracy uszlachetnić powierzchnię. Zachowanie akustyczne, ze względu na słabsze tłumienie wewnętrzne, jest niecogorsze niż w płytach wiórowych i MDF, i trzeba je poprawić usztywniając obudowę (patrz rozdz. 8.3). Sklejka i płytystolarskie są osiągalne w handlu i powinny mieć grubość 19 mm. Cena, w zależności od wykonania, jest porównywal-na z MDF.

- sosnaSpośród materiałów z prawdziwego drewna należałoby wymienić sosnę, ponieważ większość sklepów z materiałamibudowlanymi ma ją na składzie w standardowych wymiarach. Materiał ten jest bardzo lekki i dzięki temu rezonansewłasne przesunięte są w kierunku dużych częstotliwości. Odpowiednia byłaby grubość materiału minimum 19 mm.

Wzmocnienia obudowy (patrz rozdz. 8.3) są tu szczególnie ważne. Zaletą sosny jest to, że zwykłym lakierowaniemmożemy uzyskać piękną powierzchnię.Do wykonania wszelkich wykrojów z materiałów drewnianych potrzebne są narzędzia do obróbki: piła do otworów,polerka i szpachla oraz klej do drewna. Ciężar konstrukcji obudowy odgrywać będzie rolę jedynie w przypadku, kiedyzestawy zamontowane będą na ścianie czy suficie, albo jeśli będą często transportowane.

- marmurNajdroższe i najszlachetniejsze są konstrukcje z marmuru. Jeśli nie jest się zawodowym kamieniarzem lub rzeźbiarzem,to powinno się zlecić tę robotę fachowemu zakładowi. Zachowanie akustyczne marmuru jest, jak to stwierdzono wczasie doświadczeń nad materiałami w laboratoriach VISATON-u, zdecydowanie lepsze niż MDF-u o tej samej grubości.O tym, że marmur jest jednym z najszlachetniejszych materiałów budowlanych świadczą nie tylko prace artystów zczasów antycznych, ale i współczesne wzornictwo. Jeśli zatem ktoś nie boi się ogromnych nakładów finansowych i jeślispory ciężar gotowego zestawu nie stanowi dla niego przeszkody, nie powinien się wahać i wykonać swoją wymar-zoną obudowę z marmuru. - lekki beton i sztuczny kamieńJeśli chodzi o wykonanie, wagę i cenę, to ma tu zastosowanie to, co było już omawiane przy konstrukcjach z marmuru.Zachowanie akustyczne obudów z betonu i kamienia sztucznego nie było wprawdzie badane, można jednak przyjąć, żejest doskonałe.

- akrylObudowy z pleksi i szkła akrylowego są atrakcyjne wizualnie, można więc z nich budować interesujące zestawy. Kon-strukcja takich obudów podejmowana powinna być przez fachowe zakłady albo bardzo biegłych majsterkowiczów.Obudowy z pleksi i szkła akrylowego są bardzo drogie i często ich ciekawa optyka może przytłumić istotne waloryakustyczne.

Wskazówka praktyczna: Z materiału tłumiącego należy uformować kawałki wielkości dłoni i pofarbować je różnymifarbami batikowymi. Ukształtowanymi w kulki, luźno wypełnić obudowę ze szkła akrylowego.

8.2. Rezonanse obudowy

Ruchy membrany głośnika niskotonowego i niskośredniotonowego powodują wahania ciśnienia akustycznego wewnątrzobudowy, leżące w zakresie od 20 Hz do ok. 500 Hz. Wahania te pobudzają ściany obudowy do drgań własnych wzależności od wymiarów i materiału. Jest to przyczyną powstawania dźwięku, który podczas pracy zestawu głośnikowegopowoduje zniekształcenia brzmienia. Efekt ten nie może być wprawdzie całkowicie stłumiony, jednak przez odpowied-nią konstrukcję i tłumienie obudowy (patrz rozdz. 8.7) można go na tyle osłabić, że zakłócenia praktycznie nie będąsłyszalne. Aby stłumić ten przykry efekt, należy między równoległymi ścianami obudowy zamocować usztywnienia.Zazwyczaj wkleja się tu krzyże usztywniające (listwy poprzeczne i podłużne) do łączenia obu ścian bocznych oraz ścianytylnej i akustycznej wewnątrz obudowy.

Wskazówka praktyczna: W zestawach stojących krzyż usztywniający należy umieścić co 40-50 cm. (Oddzielnaobudowa głośnika niskośredniotonowego służy również jako usztywnienie.) W zestawach regałowych o wysokościponad 40 cm, jeśli miejsce na to pozwala, również należy wbudować krzyż usztywniający.

8.3. Konstruowanie obudowy

Przechodzimy teraz do etapu związanego z większym nakładem pracy, a mianowicie do całościowej konstrukcji obu-dowy głośnikowej. Jeśli ktoś nie ma niezbędnych narzędzi i czasu na samodzielne wykonanie obudowy, może zlecić tomiejscowemu zakładowi stolarskiemu. Jeśli jednak ktoś zechce sam podjąć się tego zadania, powinien postępowaćnastępująco:1. Zrobić listę wykrojów drewnianych z rysunku konstrukcyjnego obudowy.2. Materiał do budowy dać do przycięcia wg listy lub przyciąć samemu.

Wskazówka praktyczna: Trzeba uwzględnić szerokość cięcia brzeszczota.

3. Wymierzyć wykroje i zestawić luźno obudowę. (Jeśli okaże się, że są jakieś błędy, można je jeszcze poprawić.)4. Teraz trzeba złożyć obudowę: albo dodając klej do drewna i skręcając deski śrubami do płyt pilśniowych, albozgniatając je ściskiem stolarskim. Oczywiście ta druga metoda jest lepsza, gdyż nie trzeba potem wyrównywać ot-worów śrubowych.5. Po zestawieniu obudowy należy wyciąć potrzebne wykroje wykrojnikiem. Dla mniejszych wykrojów, jak końcówkizacisków czy regulator natężenia dźwięku, najlepiej użyć wiertarki z wykrojnikiem do otworów. Wykroje płyty czołowej

dla średnio- i wysokotonowego głośnika kopułkowego, często sprawdzane “na słuch”,wykonać można wykrojnikiem i pilnikiem do drewna.6. Jeśli w płytę czołową ma być wbudowany głośnik, to odpowiednie wyfrezowaniezrobimy frezarką górnowrzecionową.

Wskazówka praktyczna: Jeśli robimy to po raz pierwszy, powinniśmy przećwiczyć towcześniej na kawałku drewna odpadowego.

Jeśli surowa obudowa jest już gotowa, to można rozpocząć obróbkę powierzchni. ze-wnętrznych. Obudowy głośnikowe najczęściej się lakieruje. W tym celu musimy bardzodobrze wygładzić powierzchnię. W zależności od materiału trzeba ją starannie zeszlifow-ać, wyrównać i wypełnić. Należy pamiętać: im dokładniejsza wstępna obróbka, tym lep-szy efekt końcowy. Kto nie obawia się wysokich kosztów, powinien zlecić tę pracęzakładowi lakierniczemu. Bejcowanie, lakierowanie lub oklejanie stwarza mniej prob-lemów, jeśli będziemy postępowali według wskazówek, załączonych przez producentówdanych produktów. To samo dotyczy prasowanych folii okleinowych. Powierzchnie obu-dowy z fornirem z prawdziwego drewna powinny być przygotowane przez zakład stolar-ski, gdyż potrzebne jest tu doświadczenie w obrabianiu i specjalnych narzędziach (prasyfornirujące itd.).

Wskazówka praktyczna: Przy użyciu forniru z drewna, prasowanych folii okleinowychlub oklejaniu (można tu np. zastosować tapetę lub dowolną kompozycję mieszaną) należykonieczne najpierw przygotować powierzchnie obudowy, a potem wyciąć wykroje płyt:czołowej i tylnej. Przed wycinaniem należy przykleić powierzchnie taśmą klejącą, abyuniknąć “wystrzępienia” wykrojów.

Rys. 75. W przekroju zestawu VIB extra II prod. VISATON można wyraźnie zauważyć konstrukcję krzyżyusztywniających

8.4. Obudowa z otworem

Zestawy głośnikowe skonstruowane jako urządzenia z otworem, są zawsze godne polecenia, jeśli zastosujemy odpow-iedni głośnik. Nie będziemy tu szerzej przedstawiać zasad działania, które zostały obszernie omówione w rozdziale6.3.2. Omówić powinniśmy natomiast konstrukcję i ustawienie kanału obudowy. Przy wymiarowaniu otworu musimyprzeprowadzić obliczenia długości kanału i jego powierzchni (patrz rozdz. 6.3.2).

W rezultacie otrzymamy wymaganą długość i powierzchnię kanału. Umiejscowienie i konstrukcja kanału zależy przedewszystkim od projektu plastycznego i możliwości ustawienia zestawu.Należy przy tym uwzględnić następujące punkty:1. Jeśli przy ustawianiu zestawu niemożliwy jest odstęp przynajmniej 20 cm od ściany pomieszczenia, to otwory powin-ny być umieszczone na płycie czołowej.2. Otwór można umieścić oczywiście na ścianach bocznych obudowy, jak również na jej górnej pokrywie.3. Kształt przekroju kanału, przy uwzględnieniu obliczonej czy podanej powierzchni i długości, jest w zasadziedowolny.

Przykład: Obliczone lub podane wymiary kanału wynoszą: powierzchnia 70 cm2, długość 14 cm. Jeśli powierzch-nia i długość będą zachowane, nie ma znaczenia, czy przekrój ma kształt okrągły, kwadratową, prostokatną,trójkątną czy wielokątną.

4. Jeśli ustalimy już obliczoną lub podaną długość i powierzchnię tunelu, to możemy ją zrealizować również za pomocąlicznych pojedynczych kanałów bas-refleksowych. Powierzchnie pojedynczych kanałów bas-refleksowych dodajemy, adługość każdego kanału musi odpowiadać długości łącznej tunelu bas-refleksowego.

Przykład: Kanał ma powierzchnię 210 cm2 i długość 9 cm. Można go skonstruować za pomocą 3 rur, każda opowierzchni 70 cm2 i długości 9 cm.

8.5. Zwrotnice częstotliwościowe

Po omówieniu konstrukcji obudowy, włącznie z powierzchniami zewnętrznymi i ewentualnie potrzebnym kanałem,powinniśmy zająć się teraz montażem niezbędnych elementów. W kolejności następuję teraz montaż zwrotnicyczęstotliwościowej. Aby wykonać montaż, należy ustawić wszystkie niezbędne części zwrotnicy na płyciemontażowej, tak jak mają być podłączone. Istnieje kilka możliwości przeprowadzenia niezbędnych prac przygotow-awczych:1. Jeśli zamierzamy zainstalować standardowe zwrotnicę do budowy zestawów 2-, 3- lub 4-drożnych, to możemy użyćgotowych zwrotnic częstotliwościowych dostępnych na rynku.3. Jeśli chcemy budować wg własnych rozwiązań, to wszystkie potrzebne elementy konstrukcyjne, takie jak kondensa-tory, cewki powietrzne i ferrytowe oraz uniwersalne płyty montażowe i wszelkie dodatki, znajdziemy w katalogu VISA-TON, INTERTECHNIK, AKKUS, DEXON, CONRAD.Płyty montażowe umożliwiają stabilną, szybką i przejrzystą konstrukcję podłączenia zwrotnicy częstotliwościowej.Zredukujemy dzięki temu do minimum błędy w podłączeniu. Ostrzegamy przed kupowaniem zwrotnic okazyjnie, poniskich cenach. Nierzadko dla uzyskania takiej ceny używa się na cewkę materiału ferrytowego gorszej jakości. Nas-tępstwem tęgo będą wyraźnie słyszalne zniekształcenia w zakresie małych częstotliwości, występujące już przy średnimpoziomie sygnału.Do montażu elementów konstrukcyjnych na płycie potrzebna będzie lutownica, przynajmniej 30-watowa, oraz prostenarzędzia (szczypce do cięcia drutu i kleszcze), jak również cyna do lutowania (tinol) o przekroju ok. 0,5 mm2. Dużeelementy konstrukcyjne muszą być dodatkowo zamocowane na wykroju klejem (klejenie na gorąco) lub śrubamimosiężnymi (szczególnie przy dużych cewkach). Wszystkie potrzebne przewody należy przed montażem przyciąć naodpowiednią długość i przylutować w odpowiednich miejscach płyty. Jeśli zrobimy to starannie, to sprawnie i bezprob-lemowo przeprowadzimy montaż zwrotnicy i późniejsze podłączenie przewodów zestawu.Teraz pojawia się pytanie, w którym miejscu zestawu zamontować zwrotnicę częstotliwościową. Aby ułatwić sobiepracę, należy wybrać takie miejsce, które będzie łatwo dostępne z zewnątrz. Dla zachowania elektroakustycznychwłaściwości zestawu miejsce montażu nie gra roli. W praktyce zwrotnicę wbudowuję się tam, gdzie jest najwięcejmiejsca. Jest to zazwyczaj część tylnej ścianki znajdująca się za głośnikiem niskotonowym.W niektórych konstrukcjach obudów, jak np. w bardzo wąskim zestawie stojącym VISATON-Skyline, ten sposób montażunie jest możliwy. Dlatego tutaj zwrotnica częstotliwościowa zamontowana jest na przykręcanym cokole obudowygłośnikowej.

Rys. 76. Montaż zwrotnicy częstotliwościowej w zestawie VISATON-Skyline

Wskazówka praktyczna: W każdym przypadku należy używać podkładek ztworzywa sztucznego do zachowania odległości między płytą montażowązwrotnicy a ścianą obudowy. Zapobiega to uszkodzeniom, jakie mogłybypowstawać na skutek dużych naprężeń mechanicznych.

Po fachowym zamontowaniu zwrotnicy częstotliwościowej, należy przezodpowiednie otwory płyty czołowej i tylnej wyprowadzić na zewnątrz wszyst-kie przewody. Teraz możemy przejść do następnego etapu pracy.

8.6. Wskazówki dotyczące przewodów połączeniowych

Najczęstsze pytanie, które się tu pojawia, to pytanie o niezbędny przekrój przewodu, konstrukcję i materiał przewodzący.Rozdział ten nie ma być przyczynkiem do dyskusji o różnorodnych “teoriach podłączania przewodów”, ale ma daćkonstruktorowi wskazówki, które powinny być uwzględnione przy podłączaniu wysokiej jakości domowych zestawówgłośnikowych klasy Hi-Fi. Do podłączania zestawu do wzmacniacza najbardziej nadają się miedziane przewody o różnychprzekrojach. Materiał na przewody powinien być wykonany w formie podwójnej linki z izolacją z tworzywa sztucznegoi oznaczonej kolorami, dzięki którym możemy łatwo określać biegunowość. Przewód taki zagwarantuje proste iprawidłowe fazowo załączenie przewodów zestawu i podłączenie ich do wzmacniacza. Przy podłączaniu zestawównależy wziąć pod uwagę następujące punkty:1. Przewody od gniazda przyłączeniowego do zwrotnicy częstotliwościowej w zestawach, które pracują z dużą mocąwzmacniacza, powinno mieć przekrój 2,5 mm2'2. To samo obowiązuje dla podłączeń do głośników niskotonowych. Przy krótkich przewodach lub małej mocy wystarc-zy 1,5 mm2.3. W podłączeniach do głośników średnio- i wysokotonowych, ze względu na występujące tu mniejsze moce, wystarc-za w zupełności przekrój 1,5 mm2

Wskazówka praktyczna: Przy lutowaniu przewodów o przekroju większym niż 1,5 mm2 wytwarza się temperatura,która często prowadzi do uszkodzeń głośników kopułkowych. Koniecznie trzeba tego unikać.

4. Podłączenia do wzmacniacza powinny być możliwie krótkie. Poza tym należy zwrócić uwagę na natężenia prądówwystępujące przy dużej mocy wzmacniacza. Przy krótkich przewodach (1 do 3 metrów) i średnich mocach (30-80watów) wystarcza praktycznie przekrój 1,5 mm2. Przy dłuższych przewodach i dużej mocy potrzeba 2,5 mm2 (i więcej).

Wskazówka praktyczna: Obok spadków napięcia na przewodach, powodujących redukcję mocy doprowadzonejze wzmacniacza, zbyt długie i zbyt cienkie przewody pogarszają również odtwarzanie stanów nieustalonych przezgłośnik niskotonowy. Dlatego rezystancja przewodu nie powinna w żadnym razie być większa niż 1 om.

8.7. Materiał wytłumiający

Puste obudowy głośnikowe jeszcze przed montażem głośników muszą zostać wypełnione materiałem wytłumiającym,aby wytłumić opisane już w punkcie 8.2 i w rozdziale 6 rezonanse obudowy. Nadający się do tego materiał składa sięz wełny mineralnej, poliestrowej lub owczej; mat bitumicznych; gąbki. Materiał wytłumiający dostarczany w formie płytnależy zrolować lub złożyć, i luźno umieścić w obudowie głośnikowej, przy czym przede wszystkim trzeba dobrzewypełnić centralną część obudowy. Umieszczenie materiału wytłumiającego tylko na ścianach wewnętrznych obudowynie jest w żadnym przypadku wystarczające do wytłumienia efektu fal stojących. Obszar z tyłu kanału w obudowach zotworem nie powinien być w ogóle wypełniany materiałem wytłumiającym. Nie przyniosłoby to zresztą pożądanegoefektu.

8.8. Montaż głośnika

Przed wbudowaniem głośnika, musimy zmontować tylną ścianę obudowy wraz z zaciskami przyłączeniowymi i ewen-tualnie istniejącymi regulatorami poziomu. Aby przeprowadzić tę operację, musimy położyć obudowę głośnika płaskona podłodze, płytą czołową do dołu. Następnie tak przestawiamy obudowę, żeby ściana tylna leżała na dole i montu-jemy głośniki do płyty czołowej. Przy obu operacjach postępujemy następująco:1. Przewody zwisające z otworów płyt czołowej i tylnej skracamy do potrzebnej długości, mocno skręcamy i przy-lutowujemy.

Wskazówka praktyczna; Przewody powinny być na tyle długie, aby wszystkie głośniki i zwrotnice mogły byćwygodnie połączone z zewnątrz.

2. Należy wyrównać powierzchnie materiału wytłumiającego, aby ułatwić dokładne mocowanie głośników i zwrotnicy3. W celu zaznaczenia otworów nawiertowych należy wszystkie głośniki i zwrotnice umieścić po kolei w przeznac-zonych do ich montażu wycięciach i wyrównać kątownikiem.4. Następnie trzeba wyjąć wszystkie elementy i nawiercić potrzebne otwory.

Wskazówka praktyczna: Jak już wspomniano, przy materiale MDF należy koniecznie wykonać wcześniej nawierty,aby uniknąć odłamania śrub.

5. Teraz można przylutować po kolei wszystkie elementy na ścianach tylnej i czołowej, umieścić w otworach i przykręcić.

Wskazówka praktyczna: Najwłaściwszy jest montaż w kierunku z góry na dół (najpierw głośnik wysokotonowy,potem średniotonowy i w końcu niskotonowy). Przed montażem należy zwrócić uwagę, aby ewentualnie założyćdodatkowe pierścienie uszczelniające do głośników kopułkowych. Jeśli trzeba, nałożyć masę uszczelniającą.

8.9. Osłony ściany akustycznej

Kto chce ze względów estetycznych zakryć płytę czołową albo chce ją ochronić przed uszkodzeniami ze strony dzieci czyzwierząt domowych, może to zrobić w następujący sposób:

1. Najczęściej obudowuje się płytę czołową ramą obiciową. W tym celu trzeba skonstruować specjalną ramę z listwydrewnianej, a następnie pokryć ją odpowiednim pod względem akustycznym materiałem obiciowym. Przy innychmateriałach istnieje niebezpieczeństwo, że zachowanie akustyczne zestawu, szczególnie w zakresie wysokich tonów,może się znacznie pogorszyć. Ramę obiciową mocuje się kołkami lub taśmą samoprzylepną na płycie czołowej.

Wskazówka praktyczna: Zamiast konstrukcji listwowej, można również ramę taką wykonać z odpowiednio wy-ciętej sklejki.

2. Ostatnio pojawiły się mocne i do tego piękne w formie obicia z siatki metalowej, montowane przed membranągłośnika. Stanowią nie tylko optymalną ochronę głośnika, ale są też bardzo nowoczesne stylistycznie.

Wskazówka praktyczna: Jeśli zestawy głośnikowe mają być przeznaczone do pracy w trudnych warunkach (wsalach koncertowych, lokalach rozrywkowych, dyskotekach), to takie osłony siatkowe są wręcz niezbędne.

Jeśli przy konstrukcji zestawów będziemy przestrzegać opisanej w tym rozdziale kolejności postępowania i podanychwskazówek, to ustawienie i uruchomienie gotowego zestawu powinno się udać bez żadnych problemów.

9. Eksploatacja zestawów głośnikowych

9.1. Ocena brzmienia

Zadziwiające, jak różne oceny pod względem brzmienia zdobywa niekiedy jeden i ten sam zestaw głośnikowy. Opiniekrytyków są często tak od siebie dalekie, że można by sądzić, iż chodzi o zupełnie inne urządzenia. Wracając do istotysprawy, trzeba sobie wyjaśnić następujące fakty:Każdy odbiorca ma swoje własne wyobrażenie o optymalnym dźwięku. Są zwolennicy przestrzennego, nieograniczon-ego basu, który z kolei przez innych oceniany jest jako niewyraźny. Tacy wolą bas z mniejszą ilością niskich tonów, bow przeciwnym razie dźwięk wydaje się im “suchy i trzeszczący”. (Proszę pamiętać, że mamy tu na myśli tylko różnicecharakterystyk częstotliwościowych w zakresie niskich tonów, a nie różnice w odtwarzaniu stanów nieustalonych.)Subiektywne wymagania zwiększenia lub zmniejszenia basów można zaspokoić za pomocą korektora, wygładzająccharakterystykę w zakresie niskich tonów (poniżej ok. 60 Hz) i po prostu dopasowując do swego gustu.Materiał dźwiękowy użyty do oceny zestawów głośnikowych (taśma magnetofonowa, płyta kompaktowa) może byćprzyczyną poważnych różnic w brzmieniu. Można to wychwycić słuchając na tym samym sprzęcie Hi-Fi, bezpośrednio posobie, dwóch różnych nagrań tego samego utworu muzycznego. Choć przy nagraniach muzyki klasycznej wpływ ele-ktroniki na brzmienie jest niedopuszczalny, istnieją niezwykle duże różnice w barwie dźwięku orkiestry. Obok zróżnicowanejobsady instrumentalnej, autor nagrania ma jeszcze mnóstwo innych możliwości wpływania na dźwięk: pomieszczenie, wktórym dokonano nagrania (np. sala koncertowa, studio, kościół itd.), wybór rodzaj mikrofonów, ich liczba i miejsceustawienia, miksowanie sygnałów z mikrofonów podpórkowych i wiele innych, aby wymienić tylko najważniejsze czynni-ki. Przy nagraniach muzyki popularnej jest nawet w zwyczaju, aby wszystkie instrumenty nagrywać osobno miksującsygnał na stole reżyserskim, a ponadto stosować wszelkie możliwe elektroniczne zmiany brzmienia dźwięku. Nic więcdziwnego, że dwie różne płyty przedstawiać mogą całkiem odmienny rezultat brzmieniowy.Następnym czynnikiem wpływającym na ocenę zestawów głośnikowych jest pomieszczenie, w którym dokonujemyodsłuchu. Często w karygodny sposób zapomina się, że pomieszczenie odgrywa decydującą rolę dla brzmienia zestawu.Trudno opisać, jak lekkomyślnie wydaje się wyroki na zestawy pracujące w niedoskonałych pomieszczeniach (np. nataraz:gach).Ze względu na duże znaczenie należałoby szerzej potraktować problem akustyki pomieszczeń. Samodzielny konstruktormatu niepowtarzalną szansę, by dostosować całe przedsięwzięcie do swego gustu i sytuacji mieszkaniowej, co niebędzie możliwe przy gotowych zestawach.

9.2. Akustyka pomieszczeń

Każde pomieszczenie poprzez swoją specyfikę budowlaną, wielkość i kształt, ukształtowanie powierzchni, umeblow-anie, wpływa na odbiór zdarzenia dźwiękowego. Fale dźwiękowe rozchodzą się w pomieszczeniu, natrafiają na ściany,sufity i przedmioty, są wielokrotnie odbijane i pochłaniane, aż do ostatecznego zaniku. O brzmieniu decydują zarównodźwięk bezpośredni, wychodzący ze źródła dźwięku, jak i dźwięk odbity.Z dźwięku bezpośredniego wynika charakterystyka i orientacja przestrzenna źródła dźwięku. Dźwięk pośredni, powstającyz pierwszych, silnych odbić dźwięku i zanikającego echa, odpowiedzialny jest za faktycznie odczuwalną głośność,czystość i przestrzenność wrażenia dźwiękowego.W pomieszczeniach mieszkalnych nigdy nie będziemy mogli dokonać takich modyfikacji konstrukcyjnych i akustyc-znych, jak ma to miejsce w salach koncertowych. Mimo to możemy uniknąć wielu strat zgrabnie meblując pokój iustawiając głośniki.Jeśli pierwsze silne odbicia docierają do odbiorcy już w kilka milisekund po dźwięku bezpośrednim, to może się to staćprzyczyną zafałszowania rezultatu brzmieniowego. Efektem będzie niewyraźny dźwięk, jak w zestawie ze słabym odt-warzaniem stanów nieustalonych, a możliwość zlokalizowania dźwięku - obniżona. Aby uniknąć bardzo wczesnychodbić, głośniki nie powinny być ustawione w bezpośredniej bliskości ścian i narożników pokoju, szaf, regałów itd.Wielokrotne echa, tzw. echa trzepoczące, występują zazwyczaj w słabo wytłumionych pomieszczeniach z małą ilościąmebli i twardymi, równoległymi powierzchniami. Fale dźwiękowe krążą między takimi równoległymi ścianami. Wrażeniadźwiękowe w takich pomieszczeniach są rozległe i niewyraźne. Pomocne może być tu użycie materiałów wytłumiającychna ścianach pomieszczenia, np. zasłony, kilimy, wykładziny itd.Na poniższym rysunku można zobaczyć, jak pomieszczenie zmienia dźwięk zestawu:

Rys. 77. Charakterystyka częstotliwoś-ciowa ciśnienia akustycznego wpomieszczeniu mieszkalnyma) w polu bliskim,b) w odległości 3 metrów

- tłumienie dużych częstotliwościPrzyjrzyjmy się najpierw przedstawionym na rys. 77 różnicom w odtwarzaniu wysokich tonów między a) i b). Widać tuwyraźnie, że przy odstępie 3 m duże częstotliwości występują wyraźnie słabiej niż średnie.Zjawisko to występuję także w czasie burzy. Grzmot, który powstaję w niewielkim oddaleniu, odbieramy jako wyraźnyhuk. Kiedy burza się oddala, jest on słyszalny już tylko jako głuchy pomruk. Nie tylko jego głośność, ale i barwa zależyod odległości, którą musi przebyć dźwięk. Przyczynę tęgo można łatwo wyjaśnić: liście drzew, a przędę wszystkimpowietrze, tłumią duże częstotliwości o wiele silniej niż małe, toteż w pewnej odległości pozostają tylko tę ostatnie.Również w głośnikach już w odległości paru metrów wysokie tony są wyraźnie tłumione i to tym mocniej, im więcej jestw pomieszczeniu zasłon i dywanów i im dalej jest się oddalonym od głośnika. Fakt ten prowadzi często do niespodzianek,np. przy prezentacji zestawów na targach: zestaw który w pustej kabinie brzmi dźwięcznie, w kabinie wypełnionejsłuchaczami może wydawać głuchy dźwięk.Dlatego nie należy zapominać o regulatorach poziomu dla zakresu wysokich tonów, zwłaszcza jeśli uświadomimysobie, w jak różny sposób mogą być urządzone pokoje mieszkalne.

- rezonanse przestrzennePodczas gdy wywieranie wpływu na dźwięk w zakresie wysokich tonów łatwo można zrozumieć i opanować, to odt-warzanie niskich tonów w normalnych pomieszczeniach mieszkalnych stwarza nieporównywalnie większe problemy.Głębokie dziury i podbicia charakterystyki częstotliwościowej w zakreh:sie małych częstotliwości na rys. 77 b)powodowane są przez falę stojące, które tworzą rezonanse przestrzenne. Falę stojące powstają między odbijającymiścianami, gdy biegnące tam i z powrotem falę nakładają się. Jeśli długość fali jest wielokrotnością połowy długościfali, to tworzy się rezonans. Rezonans ten nazywa się falą stojącą (patrz rozdział 1.5).

Rys. 78. Rezonanse przestrzenne

Podczas gdy na rys. 78 przedstawiony jest rozkład ciśnienia akustyc-znego w falach stojących, to na rys. 5 pokazano rozkład prędkościcząstki. Musimy dokładnie rozróżnić tę dwa pojęcia. Cząsteczki powi-etrza są na przemian sprężane i rozprężanie, przy czym poruszają sięone wokół swego miejsca spoczynku. Prędkość akustyczna cząstekpowietrza na ścianie jest równa zeru, gdyż ruch nie jest tu możliwy.Wytwarza się natomiast maksymalne ciśnienie akustyczne. Możnato sprawdzić wykonując prostą próbę. Należy odtworzyć niski tonprzez zestaw, wytwarzany przez generator (w zależności od wielkoś-ci pomieszczenia między 30 Hz a 100 Hz) i wędrować wkoło po pokoju.Wkrótce znajdziemy częstotliwość, gdzie głośność, w zależności odmiejsca odsłuchu, bardzo się zmienia. Na ścianach można zawszę

usłyszeć maksymalną głośność. Gdzieś w pomieszczeniu są jednak punkty, gdzie nić już prawię nie słychać. Tam zna-jduję się minima ciśnienia dźwięku i jednocześnie maksima prędkości akustycznej. Cząsteczki powietrza są tu w swymnajwiększym ruchu. Nie możemy tęgo jednak usłyszeć, ponieważ nasze ucho reaguje na ciśnienie akustyczne. Przyinnych częstotliwościach miejsca najsłabszego ciśnienia akustycznego są znów inaczej rozmieszczone w pomieszc-zeniu, ponieważ inna jest długość fali. To bardzo niezadowalający stan, bo przecież chciałoby się wszędzie słyszećwszystkie częstotliwości równie głośno!Na szczęście wrażenia dźwiękowe nie są tak fatalne, jak np. można by wnioskować z charakterystyki częstotliwościo-wej na rys. 77 b). W przeciwieństwie do zakresu średnich i wysokich tonów, w zakresie basów ucho ludzkie nie jest takwrażliwe na nierównomierność charakterystyki częstotliwościowej. Odczuwamy nie tyle przykre spłaszczenia brzmienia,co po prostu więcej lub mniej basów, w zależności od tego, gdzie się znajdujemy. Nie należy jednak zgadzać na tenstan rzeczy, gdyż istnieje jeszcze inny negatywny aspekt rezonansów przestrzennych, który prowadzi także dozniekształcenia brzmienia dźwięku.

Ponieważ przy tych rezonansach poruszane są stosunkowo duże masy powietrza, musi minąć odpowiednio dużo czasu,zanim powrócą one do stanu spoczynku. Ten proces drgań trwa często znacznie dłużej niż w membranie głośnikowej.Niepożądany efekt jest jednak taki sam. Dźwięk staje się niewyraźny i niedokładny.Co można zatem przedsięwziąć przeciwko falom stojącym? Próba przeciwdziałania im przez wyłożenie ścian materiałemczy pianką akustyczną musi skończyć się niepowodzeniem; niestety w ten sposób stłumimy tylko wysokie tony, a narezonanse niskoczęstotliwościowe nie będzie miało to wpływu. Tłumienie może zadziałać tylko tam, gdzie nic niesłychać. Jest to gdzieś w środku pomieszczenia, ale nigdy na ścianie. (Dla przypomnienia: fale stojące wewnątrz zestawumożna z powodzeniem wytłumić, jeśli się zamocuje materiał wytłumiający pośrodku, a nie na brzegach.) Ponieważtrudno zawieszać grube materiały wytłumiające na środku pokoju, metoda ta odpada.Istnieje jednak sposób - wymagający wprawdzie sporych nakładów - stosowany w salach koncertowych i studiach.Przy ścianie, w odległości kilku centymetrów, montuje się cienkie płyty drewniane o różnych powierzchniach. Płyty teumocowane są tylko na brzegach zewnętrznych i mogą drgać, kiedy zostaną pobudzone przez fale dźwiękowe. Robiąwięc dokładnie to, czego nie powinna robić ściana obudowy: drgają pod wpływem rezonansu własnego. Poprzez tedrgania płyta zabiera energię falom dźwiękowym (energia ta nawet ogrzewa płytę, chociaż trudno to wykazać). Odbi-jana jest mniejsza energia dźwięku niż pada. Zatem fala stojąca nie charakteryzuje się tak dużymi różnicami poziomów.Należy tylko doprowadzić do tego, by rezonanse własne płyty leżały w zakresie rezonansów przestrzennych. Rezonansewłasne płyty zależą od jej wielkości i grubości. Dokładne obliczenie nie jest proste, ale jest pocieszające, że równieższafy, regały lub duże powierzchnie okienne mogą służyć jako elementy współdrgające i tłumić niskie rezonanseprzestrzenne. Często można też osiągnąć poprawę rozważnie wybierając miejsce ustawienia zestawu.

9.3. Ustawienie kolumn głośnikowych

Trudno przecenić znaczenie ustawienia zestawu głośnikowego. Ciągle widzi się zestawy na szafach, za grubymi zasłonamialbo wciśnięte w kąt obok tapczanu. Nie trzeba chyba wyjaśniać, czemu jest to niekorzystne. Istnieje kilka podsta-wowych zasad, które należy koniecznie uwzględnić.Rezonanse przestrzenne, których tak się obawiamy, można, w pewnym zakresie, zmniejszyć przez odpowiednie ustaw-ienie zestawu. Podstawowa zasada mówi, że głośnik basowy powinien być ustawiony w pewnym odstępie od wszyst-kich powierzchni ograniczających pokoju (także od podłogi). Rezonanse przestrzenne powstają bowiem szczególnie wmiejscu maksymalnego ciśnienia (a więc na ścianach). Dlatego, w miarę możliwości, należy ustawić głośniki w odległości0,5 do 1 m od ścian. Korzystne jest też trzymanie z daleka od podłogi głośnika basowego, albo przez umocowanie gow odgrodzie albo na stojaku do głośników.W każdym razie nie powinniśmy ulegać złudzeniu, że możemy uniknąć całkiem rezonansów o małych częstotliwościa-ch, które np. mogą mieć długość fal 10 m, jeśli przesuniemy zestaw tylko 0 50 cm. Każdy powinien sam spróbowaćznaleźć optimum w swoim pokoju.Poza tym przy ustawianiu zestawów należy zwrócić uwagę, aby głośniki średnio- i wysokotonowe znajdowały sięmniej więcej na wysokości uszu siedzącego słuchacza. Jeśli jednak zestawy będą musiały być ustawione zbyt wysokolub zbyt nisko, powinno się je tak skierować, aby ewentualnie silniej kierunkowe wysokie tony optymalnie docierałydo słuchacza.

Rys. 79. Ustawienie zestawówgłośnikowych a) symetryczne, b) asyme-tryczne

Idealnie byłoby, gdyby oba głośniki miałytaką samą odległość od słuchacza. W tensposób unikniemy różnic w czasie przebiegui natężeniu dźwięku. Wymóg ten możnąnaturalnie zrealizować tylko dla miejscasiedzącego dokładnie pośrodku pokoju. Wgłośnikach o dookólnej charakterystyce ki-

erunkowości nie jest to jednak tak krytyczne jak w głośnikach średnio- i wysokotonowych o wąskiej charakterystycekierunkowości.Kiedy stoimy przed decyzją, gdzie ustawić zestawy i wybrać korzystne miejsce odbioru, powinniśmy zwrócić uwagę namożliwie dobrą symetrię akustyczną. Ustawienie zestawów na rys. 79 a) jest korzystniejsze niż na rys. 79 b), ponieważfale dźwiękowe obu kanałów stereofonicznych przebiegają tę samą drogę, zanim dotrą do słuchacza.O tym, jak dobrą jest taka symetrią w naszym pomieszczeniu odsłuchowym, możną się łatwo przekonać wykonującnastępujący test: odtwarzając muzykę ustawiamy wzmacniacz w pozycji mono i siadamy dokładnie między głośnikami.Optymalnie będzie, gdy uzyskamy wrażenie, że wszystkie tony dochodzą dokładnie ze środka między głośnikami. Wten sposób znajdziemy najlepsze miejsce ustawienia, ą także ewentualne błędy ustawienia zestawów. Dokładnewypośrodkowanie nie jest możliwe przy niewłaściwej biegunowości połączenia zestawu lub głośników w zestawie.

9.4. Błędy w obsłudze

Jeśli podczas eksploatacji zepsuje się głośnik, to jest to zazwyczaj głośnik wysokotonowy. Poszkodowany właścicelzestawu często nie umie sobie tego wyjaśnić, bo przecież głośniki nisko- średnio- i wysokotonowe mają obciążalnośćznamionową np. 100 W, ą wzmacniacz daje prawdopodobnie 70 W. Jak to jest możliwe? W rozdziale 3.1 wspomnianojuż, że normą, wg której mierzy się obciążalność, przewidziana jest dla normalnej muzyki. W takim przeciętnym mate-riale muzycznym duże częstotliwości są pod względem mocy słabo reprezentowane. Jeśli więc moc sygnału w całympaśmie częstotliwości wynosi 100 W, głośnik wysokotonowy otrzymuje zaledwie ok. 10 W. Zależy to oczywiście głównieod rodzaju muzyki. W muzyce klasycznej udział dużych częstotliwości jest z reguły niewielki. Zaleca się natomiastostrożność przy muzyce, gdzie bardzo wyeksponowana jest perkusją. To samo możną powiedzieć o muzyce elektronic-znej. - Nie miałoby sensu, ą wręcz jest to niemożliwe, by wstawić głośnik wysokotonowy, który byłby faktycznieobciążany 100 watami. Głośnik taki musiałby mieć tak dużą cewkę, jak głośnik niskotonowy. Głośniki wysoko- i średni-otonowe trzeba zatem mniej obciążać niż głośniki basowe. Normą DIN mą tylko ułatwić zestawienie różnych głośników,które pasują do danej obciążalności. A zatem używając 70-watowego wzmacniacza można uszkodzić 100-watowy (wgnormy) głośnik wysokotonowy. Jeśli natomiast zbyt mocno podniesiemy duże częstotliwości regulatorem poziomu lubkorektorem, mogą one w głośniku wysokotonowym osiągnąć 30 W lub więcej. Trzeba sobie wyjaśnić, że podniesieniepoziomu natężenia dźwięku o 6 dB oznacza 4-krotne zwiększenie mocy elektrycznej doprowadzonej do głośnika.Inną, często występującą przyczyną uszkodzenia głośnika wysokotonowego jest niepokojącą skłonność wzmacniaczado wzbudzania drgań własnych. Jeśli pojawi się jakieś zakłócenie, wzmacniacz generuje z pełną mocą drganie ciągłe wzakresie częstotliwości dużo ponad 20 kHz. Drganie nie jest słyszalne, ale natychmiast niszczy głośnik wysokotonowy.To samo działanie może mieć sprzężenie zwrotne na mikrofonie (“gwizdanie” mikrofonu). Także tutaj dużą moc wzmac-niacza jest skoncentrowana na jednej częstotliwości, zazwyczaj w zakresie tonów średnich lub wysokich.Ale również głośnik basowy nie jest zabezpieczony przed błędami w użytkowaniu. Nierzadko zdarza się, że wypróbowujesię go przed wbudowaniem. Jeśli moc będzie za dużą, przy częstotliwości rezonansu cewką drgająca może wyjść zeszczeliny i się wypaczyć.

Poziom niektórych źródeł dźwięku

źródło dźwięku poziom ciśnienia akustycznego w dB

cichy szmer wierzchołków drzew 20szept w odległości 1m 30cicha muzyka z radia 40szmer publiczności w czasie przerwy 50normalny głos w odległości 1m 60głośna restauracja 70hałas uliczny, hala fabryczna 80duża orkiestra, fortissimo 90tkalnia; pociąg przejeżdżający przez most 100śmigłowiec w odległości 10m 110kuźnia 120myśliwiec odrzutowy w odległości 15m 130

odległość od źródła dźwięku w m

podwojenie 1 100 poziom ciśnienia akustycznegoodległości 2 94 spada stale o 6 dB

4 88 przy każdym podwojeniu8 82 odległości

16 7632 70

Wpływ odległości od źródła dźwięku na poziom ciśnienia akustycznego

poziom ciśnienia akustycznego w dB przy 1W

liczba głośników L (dB)

1 02 63 104 125 146 167 178 189 19

10 2012 2216 2420 26

Zwiększanie poziomu ciśnienia akustycznego L przez podłączenie

równoległe kilku głośników, które emitują ten sam sygnał o tej samej fazie

10 Aneks

moc (W) natężenie dźwięku (dB)

0,1 -100,2 -70,4 -41 02 +34 +610 +1020 +1340 +16

100 +20200 +23400 +261000 +30

Wpływ doprowadzonej mocy elektrycznej na poziom ciśnienia akustycznego

Stosunek natężenia

względnie mocy

Stosunek ciśnień,

napięć lub prądów

dB + -

Stosunek natężenia względnie

mocy

Stosunek ciśnień, napięć

lub prądów1 8,911 0 0,0131 0,1121

1,26 1,122 1 0,79 0,891,585 1,26 2 0,63 0,79

2 1,413 3 0,5 0,72,5 1,585 4 0,4 0,63

3,162 1,778 5 0,32 0,563,98 2 6 0,25 0,5

5 2,24 7 00,2 0,456,31 2,5 8 0,16 0,47,943 2,82 9 0,13 0,355

10 3,162 10 0,1 0,3212,6 3,55 11 0,08 0,2815,9 3,98 12 0,063 0,2520 4,47 13 0,05 0,224

25,1 5 14 0,04 0,231,6 5,62 15 0,032 0,1839,8 6,31 16 0,025 0,1650,1 7,08 17 0,02 0,1463,1 7,943 18 0,016 0,12679,4 8,91 19 0,013 0,112100 10 20 0,01 0,1

1000 31,6 30 0,001 0,0316104 100 40 10-4 10-2

105 316 50 10-5 3,16x10-3

106 103 60 10-6 10-3

107 3,16x103 70 10-7 3,16x10-4

108 104 80 10-8 10-4

109 3,16x104 90 10-9 3,16x10-5

1010 105 100 10-10 10-5

1011 3,16x105 110 10-11 3,16x10-6

1012 106 120 10-12 10-6

1013 3,16x106 130 10-13 3,16x10-7

1014 107 140 10-14 10-7

Wartości poziomów w dB dla stosunków mocy, prądu, napięcia i ciśnienia

Tabela dla bezpieczników topikowych do ochrony głośników

Wytrzymałość bezpieczników zależy od rzeczywistej obciążalności głośnika. Dla głośników wysokotonowych wynosiona między 3 a 10%, a dla średniotonowych 20 do 30% podanej wartości normatywnej.

Uwaga! Często bezpieczniki przepalają się dopiero przy podwójnym znamionowym natężeniu prądu. Dlatego należyprzedtem założyć kilka bezpieczników “na straty” i sprawdzić to amperomierzem.

przy impedancji 4 omów przy impedancji 8 omów1 0,6 0,22 0,8 0,44 1,0 0,66 1,2 0,88 1,4 1,0

10 1,6 1,115 1,8 1,320 2,2 1,525 2,5 1,730 2,7 1,940 3,1 2,250 3,5 2,560 3,8 2,770 4,1 2,980 4,4 3,190 4,7 3,3100 5,0 3,5150 6,0 4,2200 7,0 5,0

Prąd bezpiecznika w Aobciążalność w W

Ogólne pojęcia z teorii obwodów prądu zmiennego

Tabela do obliczania dzielnika napięcia

Zależności w obwodach prądu elektrycznego

Obl

icza

nie

filtr

ów B

utte

rwor

tha

1. rz

ędu

dla

głoś

nikó

w 4

- i 8

-om

owyc

h

Nac

hyle

nie

zboc

zy fi

ltrów

:6

dB n

a ok

taw

ę

Obl

icza

nie

filtr

ów B

utte

rwor

tha

2. rz

ędu

dla

głoś

nikó

w 4

- i 8

-om

owyc

h

Nac

hyle

nie

zboc

zy fi

ltrów

:12

dB

na o

ktaw

ę

Obl

icza

nie

filtr

ów B

utte

rwor

tha

3. rz

ędu

dla

głoś

nikó

w 4

-om

owyc

h

Nac

hyle

nie

zboc

zy fi

ltrów

:18

dB

na o

ktaw

ę

Obl

icza

nie

filtr

ów B

utte

rwor

tha

1. rz

ędu

dla

głoś

nikó

w 8

-om

owyc

h

Nac

hyle

nie

zboc

zy fi

ltrów

:18

dB

na o

ktaw

ę

Wykaz oznaczen