|
TECHNIKA
KOLUMNY GŁOŚNIKOWE
|
 |
 |
 |
 |
|
|
WSTĘP
CO SŁYSZYMY? No dobrze, brzmi fajnie i zapewne zawiera głębokie prawdy, ale co na to ucho? Ano ucho działa niezmiennie od wieków (czy może lepiej setek wieków), tyle tylko, że permanentnie atakowane hałasem cywilizacji prawdopodobnie działa poprawnie coraz krócej. Relatywnie dlatego, że wiek życia ucha i osobnika zamieszkałego między uszami znacznie się wydłużył. Fizjologia odbioru dźwięku nie zmieniła się i dlatego fizyka, która zapewniała mechanizm dostarczania dźwięku też musiała zostać taka sama. Nazywam to mechanizmem, ponieważ przekazywanie dźwięku od nadajnika do odbiornika, to działanie czysto mechaniczne. Źródło dźwięku zakłóca błogostan ciśnienia atmosferycznego wytwarzając fale dźwiękowe, a te z kolei odbiera ucho. 
Ciśnienie akustyczne a natężenie dźwięku wyrażone w decybelach. Źródło Bruel & Kjaer Oczywiste jest także to, że dzieje się to jak na możliwości ucha zbyt wolno. Podobnie jest z częstotliwościami zbyt wysokimi, także one przekraczają możliwości ludzkiego ucha. Zwykle zakłada się pasmo słyszalne, czyli zakres akceptowanych przez ucho częstotliwości, na 20 Hz – 20 kHz. Dla nabrania wprawy w określaniu częstotliwości dźwięków warto trochę pobawić się generatorem częstotliwości. Z drugiej strony tzw. pasmo słyszalne czyli 20 Hz - 20 kHz niekoniecznie dostępne jest wszystkim osobnikom, zwłaszcza w wieku średnim i powyżej średniego. Warto zatem zanim skrytykuje się boleśnie jakiś np. wzmacniacz lampowy (za to, że przenosi tylko 15 kHz) zrobić sobie audiogram lub poprosić o to laryngologa. Oczywiście pozostaje kwestia jak „głośny” ma być ten dźwięk, który chcemy usłyszeć. I tu dochodzimy do drugiego punktu zaczepienia, czyli głośności. Najniższy poziom dźwięku jaki w ogóle może wykryć narząd słuchu to ciśnienie odpowiadające z grubsza 20 mikropaskalom [μPa]. Czy to dużo? Słuchając przecudnych pogodynek można się dowiedzieć, że towarzyszące nam ciśnienia atmosferyczne kręcą się w okolicy 1000 hektopaskali [hPa], a to oznacza że ucho „słyszy” ciśnienie 5 000 000 000 – słownie: pięć miliardów – razy mniejsze. Takie minimalne słyszalne ciśnienie odpowiada odchyleniu membrany bębenka o odległość odpowiadającą średnicy pojedynczego atomu. No to mamy dźwięk najcichszy, a jaki zatem będzie najgłośniejszy? - Grzmot pioruna, wystrzał z działa, startujący samolot (najlepiej Concorde, szkoda, że już nie latają…). Patrząc na rzecz abstrakcyjnie powiemy, że ucho może usłyszeć dowolnie silny dźwięk, z tym że może się to okazać przeżyciem jednorazowym. Zwykle przyjmuje się, że ucho ludzkie może znieść (tak, tak znieść, a nie usłyszeć) dźwięk o ciśnieniu milion razy większym od minimalnego określonego wcześniej poziomu. 
Poziom dźwięku potrzebny dla uzyskania takiego samego subiektywnego odczucia głośności zależnie od częstotliwości dźwięku. Źródło Bruel & Kjaer Niestety przyzwyczajenie do liniowych skal jest silne i często może być przyczyną rozczarowań. A to jeszcze nie koniec komplikacji, bowiem pełna zależność pomiędzy fizycznym poziomem dźwięku i jego subiektywnym odczuwaniem nie jest w pełni zbadana. Jest tak dlatego, że ucho nie reaguje jednakowo na różne częstotliwości. Można opisowo powiedzieć, że niektóre z nich słyszy lepiej, a inne gorzej. Najlepiej ucho reaguje na zakres 2-5 kHz poniżej i powyżej tego zakresu jest zdecydowanie gorzej. Można wykonać prosty eksperyment polegający na wygenerowaniu dźwięku np. 15 kHz i porównawczo 1 kHz. Zaskoczony słuchacz na ten pierwszy dźwięk może w ogóle nie zwrócić uwagi, drugi zaś wykryje natychmiast, nawet wtedy, gdy jest emerytowanym pracownikiem tłoczni karoserii. W niskotonowej części pasma też tak jest, aby bowiem dźwięk 50 Hz wywołał takie samo odczucie głośności jak wspomniany wcześniej sygnał 1 kHz (o natężeniu 70 dB) musi wytwarzać ciśnienie akustyczne wyższe o 15 dB. 
Charakterystyki filtrów ABCD uwzględniające charakterystyczne cechy słuchu. Źródło: Bruel & Kjaer ŹRÓDŁA DŹWIĘKU Skoro zatem z grubsza przeanalizowaliśmy kwestie związane z „odbiornikiem” to rzecz jasna jego wymagania i oczekiwania musi teraz spełnić „nadajnik”, czyli źródło dźwięku. W tej dziedzinie spróbujemy się skoncentrować na szeroko rozumianej muzyce, pomijając zasadniczo zagadnienie innych dźwięków towarzyszącym nam na co dzień. Warto zacząć od źródeł dźwięku z jakich korzystali w odległych czasach nasi przodkowie. Otóż chcąc raczyć się muzyką musieli zaprosić fachowców od gry na instrumentach, czyli muzykantów, minstreli czy innych przedstawicieli ówczesnego show bussinesu. Ci zaś przystąpiwszy do pracy generowali drgania powietrza wykorzystując z grubsza mówiąc trzy mechanizmy powstawania dźwięku:
Były to naturalne źródła dźwięków pochodzące z instrumentów, czyli dźwięk wzorcowy, idealny, odbierany w bezpośrednim przekazie. W dzisiejszych czasach rzadko się zaprasza minstreli, no może poza pewnymi nadzwyczajnymi okolicznościami życiowymi. Częściej odwiedza się ich w miejscach pracy i tam kontempluje muzykę. Oczywiście jeśli mamy do czynienia z muzyką klasyczną, to niewiele się zmieniło – tyle, że starannie projektowane sale koncertowe mogą mieć „lepszą akustykę” niż niegdyś sale tronowe, czy balowe w pałacach i innych dostojnych wnętrzach. ZAPIS DŹWIĘKU Z czasem pojawiło się zjawisko znane na początki jako „kradzież głosu”, czyli utrwalanie głosu w jakiejś trwałej formie. Proszę zwrócić uwagę, że w porównaniu do historii chociażby instrumentów muzycznych, ta technika jest młoda i nie zmienia tego faktu jej gwałtowny, rzec można rewolucyjny rozwój. Przy zapisie dźwięku w zasadzie od samego początku pojawiło się dążenie do jak najbardziej wiernego jego odtworzenia. To dążenie do wierności jest dość przewrotne, zwłaszcza w odniesieniu do współczesnej tzw. muzyki rozrywkowej. Łatwo można sobie wyobrazić porównanie grającego za kotarą kwartetu smyczkowego z odtworzeniem jego muzyki przez sprzęt grający. A jak by to było, w przypadku jakichś szczególnie popularnych minstreli, weźmy np. Rolling Stones na scenie … Czy naprawdę meloman słuchający zarejestrowanego koncertu w domu chciałby mieć wiernie odtworzone brzmienie, jakie odbierał stojąc w tłumie na Stadionie Śląskim, czy innym Bemowie? Myślę, że wątpię. Oczywiście nie wszystkie koncerty są dla tak dużych audytoriów, ale w podobnym stopniu rozterka ta dotyczy także małych „klubowych” pomieszczeń. Nie wnikając nadmiernie szczegóły sprawdźmy tylko jak wygląda to oryginalne koncertowe brzmienie. No cóż, zazwyczaj to głośniki w obudowach tubowych lub po prostu tubowe (driver + tuba), a w torze wysokotonowym zazwyczaj głośniki piezoelektryczne. Czy możemy taki wariant zaproponować melomanowi słuchającemu tego koncertu np. z płyty? Oczywiście zrobienie takiego zestawu w wersji domowej jest możliwe, jednak pogarda z jaką melomani traktują sprzęt estradowy skutecznie odwodzi od realizacji tego zamiaru. Ale to jeszcze nic – jak to jest, gdy zespół niezadowolony z koncertu, który został nagrany dodatkowo poprawia go w studio. Z takich praktyk znani są chociażby wymienieni wcześniej Rolling Stones, „zagęszczający” w studio brzmienie gitar. To pokazuje dość jasno, że oczekiwanie wysokiej wierności przy odtwarzaniu dźwięków zapisanych na koncercie jest pomysłem dość niefortunnym. A jak to się ma w przypadku nagrań studyjnych? Poza nielicznymi przypadkami utwór taki powstaje, rzec można, „in vitro”, gdzie na stole producenta zbierają się poszczególne ścieżki dźwiękowej i z nich powstaje całość, tak naprawdę bardzo często nigdy nie zagrana wspólnie. Posłużę się tu dwoma klasycznymi przykładami. Pierwszy to płyta Milesa Davisa Tutu, jak wiadomo na płycie gra Michał Urbaniak, który jednak nagrał swoja partie na odległość, będąc w innym studio. Drugi przykład to płyta In a Silent Way także Milesa Davisa – jak wiadomo wersja istniejąca na płycie nigdy nie została w takiej formie nagrana. Została genialnie wyprodukowana przez Teo Macero, którego pracę Davis podobno skomentował wypowiedzią, której sens był z grubsza taki:„nie zagrałem tak, ale powinienem tak zagrać”. To wszystko spowodowało, że słuchacze muzyki zapisanej na nośnikach musieli zmienić preferencje z wiernego odtworzenia muzyki żywej, na „dobre brzmienie” uzyskane z aparatury odtwarzającej dźwięk. I tu niestety trafiamy na określenie subiektywne, bowiem „dobre brzmienie” obiektywnie nie istnieje, a jest jedynie sumą doznań różnych słuchaczy towarzyszących różnym rodzajom muzyki. ODTWARZANIE ZAPISANEGO DŹWIĘKU I NIEKTÓRE PARAMETRY GŁOSNIKÓW. Czy można zatem próbować wprowadzić tutaj jakieś sensowne uporządkowanie pojęć? Oczywiście można próbować, z akcentem na „próbować”. W pewnym sensie taką próbę stanowią podawane parametry techniczne zestawu do odtwarzania muzyki i jego poszczególnych członów. To jednak jest temat na oddzielny tekst. Skoro zatem znaleźliśmy się w świecie muzyki odtwarzanej z zapisanych nośników wróćmy do tego jak wygląda „instrument muzyczny”, który dostarcza wrażeń uchu. Na samym początku dźwięku odtwarzanego z płyt przetwornik był czysto mechaniczny i powiązany był z większą lub mniejszą tubą. Zapewniało to rozsądną głośność, ale zakres częstotliwości był trudny do zaakceptowania, głównie z powodu braku niskich tonów. Głośnik Mamy zatem „skrzynkę” z głośnikiem, który bezpośrednio wytwarza ruch powietrza, powodując zmiany ciśnienia akustycznego, oddziaływujące na ucho słuchacza. Pierwszy raz pojawiło się słowo ‘głośnik’ i to on teraz będzie w centrum naszego zainteresowania. Dlatego powoli i systematycznie przeanalizujemy jego parametry i możliwości z punktu widzenia prostej fizyki. Głośników jest wiele rodzajów i nie od rzeczy byłoby poświęcić trochę uwagi tym „nietypowym”, ponieważ zasługują na to jako, że kryją w sobie ciekawą myśl techniczną. Poruszając się w głównym nurcie przyjrzymy się głośnikowi elektrodynamicznemu czyli przetwornikowi elektrodynamicznemu. Podobnie jak inne przetworniki tego typu głośnik zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną drgań powietrza. Siła ta, podobnie jak w silniku elektrycznym, wynika z oddziaływania pola magnetycznego na poruszający się przewód, którym płynie prąd. Przypomina to najprostsze zjawisko, demonstrowane przy okazji nauki elektrotechniki, w którym ramka w kształcie huśtawki jest wypychana z magnesu w kształcie podkowy. Owa membrana stanowi tłok, który zmienia ciśnienie akustyczne. Siła oddziaływania membrany na ośrodek czyli powietrze zależy od trzech parametrów:
Powtórzmy raz jeszcze: wielkość zmian ciśnienia akustycznego przekłada się bezpośrednio na głośność odbieraną na słuchacza. Ponieważ głośnik, jak już zauważyliśmy, jest tłokiem do pompowania powietrza, to oczywistym jest, że ilość pompowanego powietrza zależeć będzie od „skoku” membrany głośnika i jej powierzchni. Będzie też zależała od częstotliwości z jaką porusza się głośnik. Aby rozważanie uczynić czytelnym, przytoczę przykład z mojej ulubionej książki o kolumnach głośnikowych autorstwa Aleksisa Badamajewa i Dona Davisa. Książka napisana jest dość bezkompromisowo i w czysto amerykańskim, zorientowanym na praktykę, stylu (mimo swojego wieku musi ona mieć coś w sobie - na potrzeby tego artykułu korzystałem z jej 23. wydania z roku 1990). Ponadto p. Badamajew jest, podobnie jak ja, absolwentem Politechniki Warszawskiej, więc dochodzi do tego motywacja sentymentalno-zawodowa. Dla uproszczenia przyjmiemy, że nasz głośnik ma promieniować częstotliwością 50 Hz. Załóżmy, że chcemy osiągnąć MOC AKUSTYCZNĄ zaledwie 1 W. Ponieważ ilość „pompowanego” powietrza zależeć będzie od wielkości skoku głośnika ograniczmy go do 1 cala, czyli z grubsza 2,5 cm. Można też to rozważanie odwrócić i zadać pytanie: jaką maksymalną moc AKUSTYCZNĄ można oddać z głośników o powyżej podanych typowych rozmiarach przy założeniu częstotliwości 50 Hz. I tak: głośnik 8 calowy odda maksymalnie 0,06 W, 12 calowy 0,4 W, a głośnik 15 calowy 0,95 W. Jeśli chcemy powyższe rozważania kontynuować, to trzeba pamiętać o uwzględnieniu następującej reguły: założony skok membrany głośnika jest duży. Aby nie podawać więcej zależności rozważmy, czysto tytułem żartu, przypadek nagłośnienia w samochodzie. Sprzedawca deklaruje nam parametry sprzętu moc 200 W i pasmo przenoszenia 20 Hz – 20 kHz. Skupmy się na dolnej granicy częstotliwości czyli 20 Hz. W naszym uprzednim rozważaniu mieliśmy 50 Hz, a teraz mamy 20 Hz, czyli powierzchnia głośnika musi być 6,25 razy większa, albo przy tej samej powierzchni skok musi być 6,25 razy większy. Ciekawe… Załóżmy, że mamy w samochodzie 2 głośniki 20 cm, czyli 8 calowe, czyli sporo jak na samochód, choć w stosunku do poprzednich rozważań to 2,5 raza mniej. Teraz wszystko rozstrzygnie arytmetyka. Obliczmy zatem, jaki skok musiałby mieć każdy z dwu głośników 8 calowych, aby wypromieniować 20 Hz z mocą akustyczną 1 W: Czysty absurd! Z czego wynika? Otóż, jak mawiał klasyk, „nie mieszajmy dwu systemów walutowych” i nie mieszajmy mocy AKUSTYCZNEJ z mocą ELEKTRYCZNĄ, która jest na wejściu do głośnika. Oczywiście przyjęte do obliczeń dane to, że głośnik promieniuje całą swoją moc akurat z taką częstotliwością jest mało realne, ale chodziło na potrzeby tego rozważania o wyliczenie największej możliwej wartości. Pierwszy ważny wniosek praktyczny jest taki, że sprawność głośnika jako przetwornika elektroakustycznego jest niewielka. Trzeba oddzielić te dwie wielkości. Co ciekawe ludziom, którzy kupują żarówki już się to udaje, zaczyna ich interesować jak jasno świeci, a nie ile prądu trzeba w nią wpakować. W sumie ekscytowanie się wysokimi mocami elektrycznymi, jakie może przyjąć głośnik przypominałoby ekscytowanie się tym jak dużo paliwa może spalić samochód, zamiast tym jaką pracę może wykonać. Wszyscy ludzie znają się na samochodach i wiedzą, że dla kierowców jest istotnie ile litrów zużyją na pokonanie określonego dystansu. Jest to namiastka „sprawności” samochodu, bowiem nie bierze pod uwagę czy i jaki ładunek przewozimy i w jakim odbywa się to tempie, a czas pracy samochodu i kierowcy to też pieniądz. To, co na pierwszy rzut oka czują kierowcy, to już niekoniecznie czują melomani, wciąż zadając pytanie o moc… elektryczną. Utożsamianie mocy elektrycznej z głośnością, czyli mocą akustyczną jest dużym błędem, który, mam nadzieję, powyższe rozważania skutecznie wykazały… Niższa moc elektryczna potrzebna głośnikowi o większej skuteczności - to praca wzmacniacza w zakresie niższych mocy, mniejsze ryzyko przesterowania i co za tym idzie zniekształceń. Jak zatem można uzyskać wysokie sprawności? Jak zatem zmodyfikować głośnik, aby można go bardziej obciążyć, a zatem osiągnąć większą moc. Pierwszy sposób, mocno niepraktyczny, to umieścić go w gęstszym ośrodku, czyli np. w wodzie. Bywalcy ciepłych krajów twierdzą, że po zanurzeniu głowy w zatoce w Kingston na Jamajce można usłyszeć basy z okolicznych dyskotek. Nie wiem, czy to prawda, ale to może tak być, ponieważ nie przeczy fizyce. Transformator akustyczny Inny praktyczny sposób zwiększenia efektywności, to zastosowanie „transformatora akustycznego”. Nie wnikając w temat obudów tubowych wrócimy do zagadnienia czynników, których mnożenie daje siłę elektrodynamiczną. Po pierwsze natężenie pola magnetycznego w szczelinie, w której pracuje cewka głośnika. Tu można zobaczyć szereg różnych trendów. Duże pole, to solidny magnes wykonany z odpowiedniego materiału. W dzisiejszych czasach gra tu pewną rolę pojawienie się magnesów neodymowych. Jednak patrząc na zagadnienie historycznie, to jednak dzisiejsze głośniki mają słabsze magnesy niż niegdyś, co jest skutkiem cięcia kosztów, także materiałowych. Drugi sposób to „wykorzystanie” szczeliny cewka - magnes dla lepszego wypełnienia tej przestrzeni cewki głośnikowe mogą być nawinięte kwadratowym lub płaskim drutem. Może być też doprowadzony odpowiedni płyn niwelujący słabą przenikalność magnetyczną powietrza. Długość przewodnika jako trzeci decydujący parametr jest ograniczona budową cewki oraz jej opornością. Kiedy dawniej uzyskanie mocy elektryczne związane było z trudnościami, to konsekwentnie starano się walczyć o duże sprawności kolumn dając głośnikom finezyjne obudowy tubowe i duże silne magnesy. Starczy powiedzieć, że magnes sporego 12 calowego głośnika z lat 50. był w stanie utrzymać żyletkę położoną na kolumnie. W dzisiejszych czasach wyprodukowanie głośnika z małym magnesem nie jest kosztowne, ponadto mało kto o to dba, ponieważ można to „nadgonić” większym prądem, bo w zasadzie w zakresie mocy wyjściowej wzmacniaczy tranzystorowych ograniczenia maksymalnych osiągów są na bardzo wysokim pułapie. Co to oznacza per saldo? Mamy coraz gorsze kolumny nadrabiające słabe sprawności dzięki napędzaniu wzmacniaczami dużych mocy. Arcydzieła dawnych lat w dziedzinie kolumn są za to nadal w cenie i cena ta rośnie. KOLUMNY GŁOŚNIKOWE I NIEKTÓRE RODZAJE OBUDÓW Rozważmy teraz częstotliwości jakie oddaje kolumna głośnikowa. Ponieważ zrobienie głośnika, który odtwarzałby pełne pasmo, tzn. umowne 20 Hz – 20 kHz jest trudne (a także kosztowne), co nie oznacza niemożliwe, to wygodniej jest zrobić różne głośniki przeznaczone do propagowania różnych częstotliwości i połączyć je w jeden zespół, jakim jest kolumna głośnikowa. Zostańmy jeszcze przez jakiś czas przy głośniku niskotonowym tym razem rozważając kwestie jego zabudowania. We wszystkich mechanicznych ustrojach drgających istotnym pojęciem jest rezonans. Jest to mówiąc prosto „ulubiona” częstotliwość danego układu. Jeśli częstotliwość wymuszenia ruchu układu drgającego pokrywa się z jego częstością rezonansową, to mamy do czynienia z dużym, a w teorii z nieskończonym wzrostem amplitudy. Przy okazji nauki fizyki spotykamy się z przykładem zjawiska w postaci mostu w Angers doprowadzonego do rozpadu wymuszeniem kroków maszerującego wojska. Od tego czasu wojsko pokonuje mosty krokiem swobodnym. 
Katastrofa na moście w Angers, czyli spektakularny skutek rezonansu. Źródło: Podręcznik do fizyki dla szkoły podstawowej z roku 1965 Podobnie jest z głośnikami doprowadzony sygnał elektryczny powoduje drgania membrany, która wszak ma jakąś (zwykle podawaną jako parametr głośnika) częstotliwość rezonansową. Dla porządku dodajmy, iż częstotliwość ta jest tym wyższa im sztywniejszy jest głośnik i tym niższa im większa jest masa drgających elementów głośnika. Wartość częstotliwości rezonansowej głośnika jest o tyle istotna, że poniżej tego punktu zdolność głośnika do przenoszenia dźwięku zaczyna spadać z nachyleniem 6 dB/okt. Warto zatem zerknąć na ten parametr, zwłaszcza że jego zmierzenie jest stosunkowo proste, bowiem towarzyszy mu szczytowa impedancja głośnika. Robimy tu założenie, że rezonans elektryczny i mechaniczny z grubsza pokrywają się co do częstotliwości. A co będzie, jeśli ta reguła nie jest przestrzegana? Klinicznym przypadkiem jest znany z historii los głośników wysokotonowych w jednym z pierwszych sprzętów Made in Poland czyli kolumnach od Meluzyny. Otóż w tych czasach polskie głośniki wysokotonowe były takie sobie, postanowiono więc zastosować głośniki z „drugiego obszaru płatniczego”. Niestety okazały się one być zawodne, co przysporzyło im złą opinię. Tyle tylko, że użyty tam głośnik typu TW8 firmy Audax, to supertweeter, który powinien grać bodajże od 7 kHz w górę. Jak wiadomo w Meluzynie zastosowano kolumny dwudrożne, które zwykle mają częstotliwość podziału w granicach 4-4,5 kHz. Skoro nieuchronnie pojawił się temat „zarządzania” głośnikami w kolumnie, to pora na kilka podstawowych informacji. Urządzeniem zarządzającym głośnikami jest zespół filtrów pasywnych, który „mówi głośnikom, kiedy mają grać”. A skoro pojawił się przykład kolumny dwudrożnej – zostańmy przy nim. Aby zatem głośnik wysokotonowy odtwarzał wysokie częstotliwości, sygnał doprowadzony do niego musi przejść przez filtr górnoprzepustowy. Z głośnikiem niskotonowym jest podobnie, tyle że sygnał do niego płynie przez filtr dolnoprzepustowy. Najprostszy filtr górnoprzepustowy to kondensator połączony szeregowo z głośnikiem, a najprostszy filtr dolnoprzepustowy to cewka indukcyjna połączona w szereg z głośnikiem. Zatem najprostsza zwrotnica w kolumnie dwudrożnej to te dwa elementy. Oczywiście w konstrukcjach ekstremalnie oszczędnych może być tak, że głośnik niskotonowy jest „puszczony luzem” a tylko wysokotonowy odcięty kondensatorem w punkcie w którym możliwości niskotonowego wyczerpują się. |
Takie filtry nie odcinają głośnika „jak nożem” tylko – rzec można – osłabiają go, ze spadkiem 6 dB/okt. Aby to odcinanie było bardziej radykalne stosuje się filtry o innych nachyleniach charakterystyki czyli 12, 18 lub 24 dB/okt. W dawnych książkach można spotkać wzory lub nomogramy pozwalające na obliczenia elementów zwrotnic, obecnie zastąpiły je dostępne w sieci programy obliczeniowe. Kwestia filtrów, to obszerny temat, na oddzielne rozważania. Aby go zamknąć można stwierdzić, że wartości elementów dobrane na podstawie obliczeń warto praktycznie zweryfikować, ponieważ filtry obciążone konkretnym głośnikiem mogą zachowywać się niezgodnie z teorią. 
Charakterystyka głośnika wysokotonowego w osi głośnika i poza nią – ten głośnik ma specjalną budowę, pozwalającą na odtwarzanie wysokich tonów w szerokim kącie, co oznacza, że tradycyjnym głośnikom wysokotonowym daleko do takich „osiągów”. Źródło: Witort, Głośniki i zespoły głośnikowe, Warszawa1976, WKIŁ Z tych rozważań wypływa kilka wniosków, a pierwszy z nich to taki, że o ile głośniki średnio czy wysokotonowe daje się skutecznie odseparować od rezonansu, o tyle głośnik niskotonowy musi się z tym zjawiskiem zmagać. Dalszą konsekwencją jest fakt, że obudowa kolumny to w praktyce obudowa głośnika niskotonowego, mająca mu zapewnić optymalne warunki pracy. Słowo ‘optymalne’ wymusza jednak pytanie: jeśli optymalne to z punktu widzenia jakiego kryterium? W tym miejscu otwiera się cała gama rozwiązań, jakie ludzie poczynili od czasu, gdy wymyślono głośniki. Prawdę mówiąc, każdy typ zasługuje na szczegółowa analizę i przedstawienie jego wad i zalet. Na tym etapie zajmiemy się tylko zgrubnym przeglądem najpopularniejszych rozwiązań. Część z nich ma charakter historyczny, nie dlatego, że były to rozwiązania złe, a raczej dlatego, że w obecnych czasach łatwo jest specjalistom od marketingu przekonać odbiorców, że te prostsze rozwiązania „są tylko odrobinę gorsze, ale za to dużo tańsze”. Zanim zaczniemy przyglądać się obudowom wróćmy jeszcze do głośnika niskotonowego. Sam głośnik pompuje powietrze przednią częścią membrany, ale jednocześnie pracuje także cześć tylna. O ile przód „zagęści” powietrze, o tyle tył je rozrzedzi. Sumaryczny skutek jest więc z punktu widzenia ucha w dziedzinie niskich częstotliwości anemiczny (choć na zakończenie podejmiemy ten temat raz jeszcze z innego punktu widzenia). Obudowa zamknięta Przyjmijmy, że chcemy pozbyć się energii promieniowanej przez tylną ściankę głośnika najprostszym sposobem jest zamknąć głośnik w szczelnej obudowie, uzyskując kolumnę typu „compact”. Takie warunki pracy nie są dla głośnika korzystne. Jak już zauważyliśmy wcześniej głośnik ma określoną sztywność – jeśli zamkniemy go w szczelnej obudowie, to oprócz tego na czym jest konstrukcyjnie zawieszona membrana, będzie ona dodatkowo „wisiała” na poduszce stworzonej przez powietrze zamknięte wewnątrz obudowy. 
Kolumny typu „compact” – duże, o sztywnej obudowie zostały wybudowane (wymurowane) w trakcie budowy domu. Źródło: Badamamjew Konsekwencje są takie, że sztywność układu drgającego wzrośnie, a to zgodnie z wcześniejszymi rozważaniami, podniesie jego częstotliwość rezonansową i w konsekwencji ograniczy przenoszenie najniższych dźwięków. Ponadto cała energia promieniowana przez tylną stronę musi zostać wytłumiona, czyli zamienić się w ciepło. To spowoduje spadek skuteczności (sprawności) głośnika. Tym niekorzystnym zjawiskom można zapobiegać. Po pierwsze zaistniały głośniki o bardzo niskim rezonansie własnym rzędu kilkunastu Hz, których uruchomienie bez obudowy, może je po prostu zniszczyć, ale w obudowie rezonans rośnie do akceptowalnej wartości np. 30 Hz. Po drugie jest oczywiste, że im większa obudowa, tym mniejszy wzrost częstotliwości rezonansowej głośnika. Co jednak począć, gdy duże kolumny są niemodne, a idealnym rozwiązaniem ogłasza się „wieże bez kolumn” z zadeklarowana mocą 100 W i kolumienkami objętości kilkunastu litrów? Duża obudowa niesie jeszcze jeden problem, a mianowicie sztywność ścianek ze względu na spore rozmiary robi się mała i mogą one zacząć rezonować i koloryzować dźwięk. Oczywiście i na to jest sposób, ale przez to kolumna robi się jeszcze cięższa. Zaletą obudowy compact jest zaś stosunkowo małe podkoloryzowanie dźwięku. Innymi słowy kolumna taka daje mało od siebie - i to dobrze, wszak jest urządzeniem, od którego wymagamy odtwarzania a nie tworzenia dźwięku. 
Kolumny typu compact z rysunku nr 6 - rozmieszczenie głośników. Źródło: Badamamjew Tego typu kolumna bywa nazywana „Infinnite Baffle”, co oznacza nieskończenie dużą odgrodę akustyczną. Innymi słowy odpowiada to umieszczeniu głośnika na nieskończenie dużej płaszczyźnie. Wiemy już, że jest to – łagodnie mówiąc – nadużycie, ponieważ nieskończenie duża odgroda nie zwiększy częstości rezonansowej głośnika, bo pozostanie bez wpływu na jego całkowitą sztywność. A jak wyglądałyby warunki pracy głośnika umieszczonego na odgrodzie o skończonych rozmiarach? Niestety to, co promieniuje głośnik przednią częścią membrany promieniuje jednocześnie i tylną, tyle że promieniowanie to odbywa się w przeciwfazie. Inaczej mówiąc oddziaływanie przodu jest niwelowane przez działanie tyłu membrany. Szkodzi to odtwarzaniu niskich tonów, radykalnie psując skuteczność głośnika w tym zakresie. Bas-refleks Ponieważ motywem przewodnim naszych rozważań jest uzyskanie dużej skuteczności kolumny głośnikowej, sądzę, że wcześniejsze rozważania wskazały, że o „decybele” nam chodzi a nie o „waty”, przeto to, co się dzieje z energią promieniowaną przez tylną stronę głośnika niskotonowego jest czystą stratą. Dlatego też w dobie relatywnie słabych wzmacniaczy lampowych powstała silna pokusa, aby część z tej energii odzyskać i wykorzystać. W ten sposób powstały obudowy rezonansowe, z których najprostszą jest obudowa typu bas- refleks. Praojcem tego typu obudowy jest rezonator Helmholtza, opisany w literaturze. Idea jest taka, aby energię „odbić” od obudowy i wypromieniować otworem. W czasach pierwszych zastosowań obudowy te były optymalizowane w kierunku zwiększenia skuteczności, co widać po konstrukcjach z tamtych lat. Wylot powietrza z obudowy ma dużą powierzchnię (do kilkudziesięciu procent powierzchni głośnika), a obudowy mają duże rozmiary. Wylot powietrza stanowi rura o określonej długości. Innymi słowy tłok powietrzny o rozmiarach wylotu stanowi dodatkowe źródło energii wypromieniowywanej w kierunku słuchacza. Patrząc na ten układ z punktu widzenia teorii drgań uzyskujemy układ z dwoma rezonansami: jeden to rezonans głośnika, a drugi to rezonans obudowy. Istnieje wiele pomysłów na rozwiązanie tego typu obudowy i każdy z nich jest efektem jakiegoś kompromisu. Należy pamiętać, że w czasach powstawania konstrukcja ta miała poprawić odtwarzanie niskich tonów. Słuchacz był wtedy zadowolony z jakichkolwiek niskich tonów o wystarczająco dużym natężeniu dźwięku. Fakt, że obudowa rezonansowa z definicji promieniuje swoją ulubioną częstością wystarczył do zadowolenia bywalców kin. To zresztą jedyna poważna wada tych obudów - fakt, że „żyją własnym życiem” co powoduje, że można mieć zastrzeżenia do „wierności” odtwarzania. Dlatego z czasem kolumny te nabrały charakteru „wentylowanych” obudów typu kompakt. Obudowa pomaga w kontrolowaniu rezonansu własnego głośnika, a promieniuje otworem stosunkowo mało energii. Wystarczy zatem spojrzeć na przednią ściankę kolumny i proporcje wymiarów głośnik-otwór i można z grubsza zgadnąć idee przyświecające jej konstruktorowi. Ponieważ cześć z kolumn o omawianym typie obudowy ma wylot otworu niekoniecznie na przedniej ściance to może w tym miejscu warto przyjrzeć się kierunkowi w jakim propagowany jest dźwięk. To ważne zagadnienie, z którego słuchacz często nie zdaje sobie sprawy. Klipschorn 
Kolumna Klipschorn w przekroju. Źródło: Badamamjew Zresztą przy zwykłym układzie stereofonicznym też wykorzystuje się to zjawisko. Najlepiej widać to na przykładzie genialnej konstrukcji Paula W. Klipscha czyli Klipschorn. Założenie jest proste: jeśli źródło dźwięku niskiej częstotliwości promieniuje dźwięk w postaci fali kulistej, to pełna sfera stanowi kąt bryłowy 2π steradianów. Dzięki wykorzystaniu tego zjawiska i dodatkowo przestrzeni między kolumną a ścianami w rogu pomieszczenia w charakterze wylotu tuby, Paul W. Klipsch skonstruował kolumny (seryjnie produkowane od lat 40. do dziś) o nie pobitej skuteczności. Genialne wykorzystanie praw fizyki dało 105 dB z 1 W, co stanowi 15-20 dB więcej niż z przeciętnej kolumny głośnikowej (dla przećwiczenia skali logarytmicznej sprawdźmy przy okazji ile to razy więcej…). 
Kolumna Klipschhorn - przekrój poprzeczny i wzdłużny. Źródło: Badamamjew Skoro rozpoczęliśmy temat kierunkowości głośnika, to przenieśmy się teraz w inną cześć pasma, czyli popatrzmy na głośnik wysokotonowy. Odmiennie do poprzednio analizowanego przypadku, popatrzmy na jego pasmo przenoszenia. To, które jest podawane w prospekcie czy opisie pomińmy i popatrzmy na charakterystykę, o ile jeszcze ktokolwiek ją podaje. Może ona wyglądać lepiej lub gorzej. Podstęp tkwi w tym, jak określa się warunki pomiarowe, które muszą być spełnione do standardowego pomiaru. Charakterystykę mierzymy w osi głośnika, który jak już wiemy promieniuje dźwięk kierunkowo. Abstrahując już od tego, że pomiar robiony jest w komorze bezechowej, przez co staje się słabo porównywalny z przeciętnymi warunkami odsłuchu muzyki, to jeszcze rzadko kiedy słuchacz ma głośniki na wysokości uszu i przesiaduje centralnie w ich osi. Kiedyś konstruktorzy starli się jakoś uwzględniać to zjawisko, podczas gdy dziś raczej je ignorują. Przykładem takich omnikierunkowych kolumn były produkty firmy Sonab. Jeden rzut oka na te kolumny tłumaczy wszystko. „Transmission line” Po tych rozważaniach wróćmy do kwestii obudów głośników niskotonowych w ich wersji rezonansowej. Bas- refleks „gra objętością”. A teraz dla odmiany przyjrzyjmy się rurze rezonansowej jako obudowie głośnika. Jako punkt wyjścia weźmy piszczałkę organową odtwarzającą niskie dźwięki. Wiemy, że jest to przedmiot dużych rozmiarów tym większy, im niższą częstotliwością ma grać. Co by było, gdyby po jednej stronie piszczałki, zamiast jej źródła dźwięku, postawić głośnik. Uzyskalibyśmy obudowę rezonansową, tyle że związaną z długością fali a nie objętością rezonatora. Zrobienie takiej obudowy jest oczywiście możliwe, wymaga jedynie nieortodoksyjnego podejścia do kwestii wystroju wnętrza :) 
Adaptacja klasycznej linii transmisyjnej PRO9TL dla głośnika 12-calowego. Źródło: Tomek Cieślak Częściej jednak taką rurę łamie się w kilku miejscach i wkłada do standardowej prostopadłościennej skrzynki. Wylot „połamanej piszczałki” ma zwykle pole równe polu głośnika. Taka obudowa nosi nazwę „transmission line”, co ma polski odpowiednik: „obudowa labiryntowa” słabo tłumaczący jej działanie. Taką obudowę charakteryzują bardzo silne niskie tony, jednak o charakterze rezonansowym, co może przeszkadzać niektórym słuchaczom. Ponadto układ rezonansowy ma większą bezwładność, co nie sprzyja odtwarzaniu impulsów. Poeci odsłuchu nazywają to dźwiękiem „gumowym”, cokolwiek by to miało znaczyć. Plusem jest to, że nawet w małym pomieszczeniu mamy wrażenie zaglądania przez okno do większej sali. Obudowa typu „transmission line” ma przestrzeń potrzebną do rozwinięcia dźwięku w samej sobie… Budowa ta wymaga specyficznego tłumienia „korytarza” labiryntu, ale może być z powodzeniem stosowana w obudowach dostosowanych do głośników niedużych średnic. Najbardziej znane tradycyjne konstrukcje mają dobrze ponad 100 litrów objętości i najczęściej głośnik KEF B139. Obudowy te ze względu na skomplikowaną konstrukcję są obecnie w odwrocie, łatwiej bowiem marketingowcom przekonać nabywców, że źle grają, niż je wyprodukować i sprzedać, zarabiając tyle, co na „patyczakach” do kina domowego. Osobiście od lat używam takich kolumn luźno opartych na konstrukcji Jima Rogersa PRO9TL. Swoją drogą warto przeczytać rozważania p. Rogersa w broszurce stanowiącej instrukcje budowy tych kolumn. Do pełni przeglądu tego, co może się wydarzyć na drodze między sygnałem dźwiękowym, a uchem brakuje jeszcze innych typów obudów dla porządku wymieńmy obudowy z otworem stratnym czy obudowy typu „karlsson loudspeakers” – w zasadzie trudne do zakwalifikowania. Podkreślmy raz jeszcze wszystkie te wynalazki, jakie ludzkość poczyniła w dziedzinie obudów mają służyć tylko i wyłącznie głośnikowi niskotonowemu, który zmaga się pracując z ograniczającym jego możliwości rezonansem. Ponadto, jako że głośnik niskotonowy wypromieniowuje większość energii, to jego skuteczność decyduje o skuteczności całego zestawu. Czy zatem głośniki średnio i wysokotonowe nie wymagają obudów? Zasadniczo nie, nie wymagają. No, ale jeśli głośnik średniotonowy umieścimy w jednej obudowie typu compact z niskotonowym, to wbrew swej woli będzie pełnił rolę biernej membrany, a skoki ciśnienia w środku obudowy skutecznie zakłócą jego pracę. Dlatego musi być jakoś obudowany od tyłu, choć w tańszych konstrukcjach tę obudowę stanowi lity kosz głośnika. Taki też wariant z koszem - obudową w przypadku głośników wysokotonowych - jest już regułą. IMPULSY Na koniec kilka uwag pod hasłem, które już się pojawiło czyli zdolności do przenoszenia impulsów… Weźmy jakiś radykalny przykład, jakiś impuls, np. pojedyncze uderzenie w bęben. Współczesny wzmacniacz bez problemu wygeneruje stosowny impuls. Ten zaś powędruje kablem do kolumny głośnikowej i spowoduje skok głośnika niskotonowego. Głośnik to jednak „masa na sprężynie”, więc pobudzony chciałby drgać dalej i tym lepiej odda zadany impuls im lepsze będzie jego tłumienie i im mniejsza będzie jego bezwładność. Z drugiej strony mamy do dyspozycji tłumienie elektryczne. Jeśli bowiem głośnik usiłujący żyć własnym życiem, patrząc na wzmacniacz „zobaczy” zwarcie (czytaj małą oporność wyjściową) to ona tak silnie obciąży jego cewkę, że stanie jak wryty. Taka zdolność wzmacniacza do prowadzenia głośnika „jak na sznurku” określa parametr o nazwie „damping factor” („tłumienie wyjścia”). Parametr ten to nic innego jak stosunek impedancji odbiornika do nadajnika, czyli głośnika do wzmacniacza. Ta wartość podawana jako dana techniczna wzmacniacza dotyczy oporności nominalnej odbiornika. W praktyce, jeśli odbiornikiem jest kolumna, to decydująca jest oporność całego toru, czyli także tego, co jest z głośnikiem niskotonowym połączone szeregowo. Jak już stwierdziliśmy wcześniej takim elementem w kolumnie wielodrożnej jest filtr pasywny czyli zwrotnica. Powtórzmy zatem: elementem, który stoi w szeregu z głośnikiem jest minimum jedna cewka (przy podziale 6 dB/okt). Im częstotliwość podziału jest niższa, tym cewka musi mieć większą indukcyjność. Im większa indukcyjność, tym więcej zwojów, a im więcej zwojów tym większa oporność. I wreszcie im większa oporność, tym gorszy w praktyce „damping factor”. We współczesnych kolumnach częstotliwość podziału miarowo maszeruje w górę. Dlaczego ? – To proste: mniej zwojów, to mniej miedzi. Ponadto im „tańsza” kolumna, tym drut owej cewki z tego samego powodu jest coraz cieńszy i ma np. 0,4 mm². Rezultat: nasz sygnał, wychodząc ze wzmacniacza przewodem grubości palca dochodzi do gniazd złoconych o wydolności 100 A, aby po drugiej stronie ścianki spotkać kilkanaście, a może kilkadziesiąt metrów drutu o grubości 0,4 mm. Dlatego stojąc po stronie fizyki i nie wiedząc, co mieści się w środku kolumny, wolę pozostawać „kablosceptykiem”. Oczywiście istnieją zgodne z fizyką rozwiązania, radykalnie rozwiązujące problem odtwarzania impulsów. Są to inne niż elektrodynamiczne głośniki np. elektrostatyczne, a przy tradycyjnych głośnikach zastosowanie aktywnych zwrotnic i wbudowanie wzmacniaczy w kolumny, ale to już kolejny temat na oddzielne rozważania… „Open baffle” 
„Naked speakers”, czyli wyjątek potwierdzający reguły budowy kolumn głośnikowych. Źródło: Olek Raczak Dla podsumowania i potwierdzenia słuszności niektórych tez zawartych w powyższych rozważaniach potrzebny jest jeszcze jakiś wyjątek. Takim wyjątkiem są powstające coraz częściej w ostatnich czasach kolumny typu „naked speakers” lub „open baffle”, czyli zestawy głośników całkowicie pozbawione obudów. Nowa fizyka? Na pewno nie. W myśl teorii budowy odgród akustycznych kolumny te powinien charakteryzować brak niskich tonów na skutek znoszenia się promieniowania przedniej i tylnej strony membrany głośnika, nijak od siebie nie odseparowanych. Zadawalający efekt daje się jednak uzyskać dzięki zastosowaniu zwrotnicy specjalnej konstrukcji pozwalającej na „uwypuklenie” niskich częstości. Po drugie, dla spełnienia rozważań o propagowaniu mocy stosuje się zwykle głośniki o dużych rozmiarach czyli raczej 18-calowe niż 18-centymetrowe. Głośniki takie są zwykle pochodzenia estradowego, więc dość „sztywne” jak na sprzęty do domowego odsłuchu. Ponieważ jednak sztywności nie podnosi obudowa, to zachowują one taki rezonans własny jak deklaruje fabryka, czyli zwykle około 100 Hz. Duże sztywności i deklarowane moce powodują, że zniszczenie takiego głośnika nadmiernym wychyleniem jest w warunkach domowego odsłuchu raczej trudne. Ogromna powierzchnia, spora skuteczność głośników estradowych i doprowadzenie znacznych mocy wraz ze specyficzną zwrotnicą wymusza na głośniku propagację niskich tonów w akceptowalnym zakresie o wystarczającej głośności. Słuchacze używający takich zestawów dysponują zwykle bardzo silnymi wzmacniaczami mocy. Zestawy takie bywają też określane mianem dipol, co sugeruje, że można wykorzystywać dwukierunkowość promieniowania fali dźwiękowej przez wykorzystanie odbicia od ściany pomieszczenia tego, co propaguje tylna strona membrany. Zatem usytuowanie takiej kolumny w pomieszczeniu może być istotne dla uzyskanego efektu. Rozwiązanie takie ma cały szereg zalet, choć na dobrą sprawę jest nienaturalnym wykorzystaniem głośnika i zmuszeniu go do pracy w niezwykłych dla niego warunkach. Te zalety to niebywała zdolność do odtwarzania impulsów mimo znacznej masy elementów drgających wielkiego głośnika i ascetyczna prostota konstrukcji. Oczywiście można znaleźć taki rodzaj muzyki, który będzie odtwarzany wybitnie, jak i taki, który odtwarzany przez „naked speakers” będzie trudny do zaakceptowania, ale taki argument da się wytoczyć w stosunku do każdych kolumn o wyrafinowanej konstrukcji. WNIOSKI Jaki z tego płynie ostateczny wniosek, co należy wybrać? Odpowiedź jest prosta wybierajcie to, co się Wam podoba. To dla Was są robione te cuda techniki, to dla Was marketing wymyśla nowa fizykę… Wasz gust i ucho decydują, nie wierzcie doradcom, a jeśli już, to takim, którzy nie boją się testów typu „blindfold” („ślepych”). Moje zaś rozważania nie są w żadnej mierze wskazówką, a jedynie próbą pogodzenia świata poezji opisu zjawisk z jej opisem ścisłym znanym dzięki fizyce. ŹRÓDŁA
 O AUTORZE Płyty i gramofony towarzyszą mi prawie 50 lat. W tym czasie zebrałem sporo wiedzy, i doświadczeń. Tak naprawdę, dopiero budowa własnych konstrukcji nauczyła mnie pełnego zrozumienia konsekwencji przyjmowanych rozwiązań technicznych. Zebranymi informacjami staram się dzielić z pokoleniem ludzi w wieku „naszych dzieci”. Jestem w 100% hobbystą, a gramofony i płyty nie są moją jedyną pasją. Sytuację posiadania dwucyfrowej liczby gramofonów uważam za całkowicie normalną. Rocznik: 1955 WIĘCEJ TEGO AUTORA
DOŁĄCZ DO NAS NA TWITTERZE: UNIKATOWE ZDJĘCIA, SZYBKIE INFORMACJE, POWIADOMIENIA O NOWOŚCIACH!!!  |
rzyglądając się z dystansu współczesnym dyskusjom na temat tzw. sprzętów odtwarzających dźwięk spotykamy wiele słów nowych, a w każdym bądź razie obecnych od niedawna, ale już dobrze zadomowionych w branży. Już wiadomo, dla przykładu, że dwudziestobitowe jest lepsze niż czternastobitowe, a 128 kbps to lipa, i liczy się tylko FLAC…
 |
strona główna | muzyka | listy/porady | nowości | hyde park | archiwum | kontakt | kts
© 2009 HighFidelity, design by PikselStudio,
serwisy internetowe: indecity