Zwrotnice głośnikowe II - Wady i problemy zwrotnic pasywnych

Było więc krótko o typach filtrów (Butterwortha, Bessela, Czebyszewa i Linkwitza- Rileya), jakie są ich wady i zalety, podzieliliśmy zwrotnice na pasywne i aktywne oraz zaczęliśmy co nieco mówić na temat tych pierwszych (włącznie z małym przykładem „z życia wziętym”).

I choć zwrotnice pasywne mają bezsporne zalety – przede wszystkim są stosunkowo proste i tanie, nie zajmują dużo miejsca, nie potrzebują zewnętrznego zasilania, no i pozwalają na korzystanie z pasywnych zestawów głośnikowych bez konieczności posiadania dodatkowych urządzeń (oprócz wzmacniacza mocy, bo bez niego ani rusz), czyli właśnie zwrotnic aktywnych – to jednak, jak wszystko w przyrodzie, nie są idealne i mają sporo wad. Niektórym z nich przyjrzymy się w tym artykule.

IMPEDANCJA GŁOŚNIKA

No, ale co ma impedancja głośnika do wad pasywnych zwrotnic? – ktoś może zapyta. Jeśli głośnik „ma problem” to niech nie „zwala winy” na zwrotnicę. Fakt, jest w tym sporo racji, ale jeśli na etapie projektowania pasywnych crossoverów nie weźmiemy pod uwagę rzeczywistej impedancji głośnika i jej „zachowania” się w funkcji częstotliwości oraz temperatury, możemy zrobić sobie (lub komuś) tzw. „kuku”. W czym więc problem?

Jak zapewne wiemy (mam nadzieję), impedancja głośnika nie jest stała i zmienia się wraz z częstotliwością. „Winę” za to ponosi induktancja cewki, czyli, mówiąc inaczej, reaktancja indukcyjna, która rośnie wraz z częstotliwością. Z uwagi na to, że częstotliwość podziału w przypadku głośników nisko- i średniotonowych wypada w zakresie, w którym induktancja zaczyna grać dużą rolę, dużym błędem byłoby zakładać, iż impedancja głośnika dla tej częstotliwości będzie odpowiadać impedancji znamionowej.

Spójrzmy na rysunek 1, gdzie pokazano przebieg charakterystyki impedancji przykładowego głośnika. Jak widać, pierwsze znaczące odstępstwo od wartości impedancji znamionowej jest w miejscu, gdzie występuje rezonans głośnika – przeważnie jest on jednak przy tak niskich częstotliwościach, że nim nie musimy się przejmować, gdy rozpatrujemy jego wpływ na pracę zwrotnicy. Region, gdzie impedancja przyjmuje wartości zbliżone do nominalnej występuje nieco wyżej na skali częstotliwości, jednak jest stosunkowo wąski i również nie leży w obszarze naszych zainteresowań (zakładamy, że mamy do czynienia z zestawem dwudrożnym, a więc częstotliwość podziału wypadnie raczej powyżej 1 kHz). Idąc dalej widać sukcesywny i, niestety, bynajmniej nie liniowy wzrost impedancji, spowodowany wspomnianym wcześniej zjawiskiem wzrostu induktancji cewki głośnika wraz z częstotliwością. Wzrost ten będzie zawierał się w granicach 3-5 dB/oktawę, jednak nie jesteśmy w stanie go dokładnie przewidzieć bez dokładnych pomiarów impedancji przetwornika. Widać więc wyraźnie, iż jeśli do obliczeń projektowanej zwrotnicy o częstotliwości, powiedzmy, 2 kHz podstawimy wartość impedancji znamionowej (czyli w naszym przypadku 8 Om), popełnimy gruby błąd, bowiem rzeczywista wartość tego parametru dla 2 kHz wynosi ok. 20 Om, a więc jest ponad dwukrotnie większa!

 

W aplikacjach praktycznych problem ten rozwiązuje się za pomocą tzw. układu Zobela, czyli połączenia szeregowego kondensatora i rezystora, wstawionego równolegle w obwód głośnika (na jego wejściu – patrz rysunek 2).

 

Gdy induktancja rośnie, reaktancja pojemnościowa kondensatora z tego układu maleje, w efekcie czego impedancja przyjmuje mniej więcej stałą wartość, zbliżoną do rezystancji uzwojenia cewki głośnika. Rezultatem zaś tego jest płaski przebieg charakterystyki rezystancji w funkcji częstotliwości (rysunek 3). Układ Zobela jest jak najbardziej poprawnym wyjściem z sytuacji nieliniowości charakterystyki impedancji, choć niestety nie za często stosowanym. Ma też swoje wady. Po pierwsze przesuwa nieco częstotliwość podziału zwrotnicy, po drugie wprowadza też dodatkowe, niepożądane zafalowania charakterystyki fazowej. Ponadto mamy kolejne dwa „pochłaniacze energii” w postaci rezystora i kondensatora, przy czym bardziej „żarłoczny” będzie ten pierwszy, który powodować będzie straty energii, związane z jej zamianą na ciepło. Traci na tym sumaryczna efektywność układu. Po trzecie w końcu układ ten obniża trochę impedancję głośnika, co może powodować zbyt duże obciążenie wyjścia wzmacniacza i związane z tym problemy. Rachunek zysków i strat przemawia jednak za układem Zobela, przy czym trzeba pamiętać, że nie wpływa on na poprawę pracy głośnika przy wyższych częstotliwościach, bowiem zadaniem jego jest zapewnienie niezmiennej wartości impedancji, tak aby współpraca przetwornik - crossover, mówiąc kolokwialnie, układała się pomyślnie.

Trochę inny problem z impedancją napotkamy w przypadku driverów wysokotonowych. Tutaj większym problemem będzie, zupełnie nieszkodliwy w przypadku głośników niskotonowych, zakres rezonansu. Występujący wtedy charakterystyczny „pik” na charakterystyce, zarówno impedancji, jak i amplitudowej, jest szczególnie niemile widziany w przypadku stosowania zwrotnic niższego rzędu (o małym stopniu nachylenia charakterystyki) lub/i w sytuacji, gdy częstotliwość podziału wypadnie blisko rezonansu. W pierwszym przypadku najlepiej starać się dobierać częstotliwość podziału tak, aby od rezonansu dzieliło ją co najmniej 1,5 oktawy. Przykładowo, gdy dysponujemy przetwornikiem średniotonowym, którego częstotliwość rezonansowa wynosi 900 Hz, punkt podziału pomiędzy nim a driverem wysokotonowym należałoby zaplanować nie niżej niż przy 2,5 kHz, najlepiej trochę wyżej.

 

Jeśli bowiem będziemy pracować z układem, którego częstotliwość podziału wypadnie na granicy tej odległości, możemy spodziewać się niewielkiej, ale widocznej górki w miejscu, gdzie występuje rezonans głośnika (rysunek 4). Spowodowane jest to zarówno tym, że filtr nie zdąży jeszcze wystarczająco stłumić tę częstotliwość, jak i tym, że przy zmieniającej się impedancji obciążenia crossover nie będzie w stanie uzyskać równomiernego tłumienia poza zakresem przenoszenia (czyli np. 6 dB/oktawę).

Rozwiązaniem tego typu problemu jest stosowanie głośników z kompensacją charakterystyki impedancji, przy czym jest to temat dość znacząco odbiegający od tego, co nas zasadniczo interesuje, więc nie będziemy się w niego wgłębiać. Dla porównania tylko proszę spojrzeć na rysunki 4 i 5, gdzie zaprezentowano przebieg charakterystyki układu głośnik-zwrotnica w przypadku przetwornika skompensowanego i nieskompensowanego – dla zwrotnicy II rzędu (o nachylaniu 12 dB/oktawę – rysunek 4) i I rzędu (6 dB/oktawę – rysunek 5).

To jednak nie koniec naszych problemów.

IMPEDANCJA WZMACNIACZA

Zwrotnica pasywna to element, który znajduje się między wzmacniaczem a głośnikiem. Skoro impedancja głośnika ma, jak widać, dość istotny wpływ na pracę zwrotnicy, to można się spodziewać, że od drugiej strony (czyli od strony wzmacniacza) też możemy napotkać na jakieś problemy. Czy tak jest w rzeczywistości? Odpowiedź brzmi – i tak, i nie.

Prawdą jest, że impedancja wzmacniacza ma wpływ na pracę crossovera pasywnego, jeśli bowiem zaprojektujemy układ zwrotnicy, który – przy założeniu zerowej impedancji wyjściowej końcówki mocy – charakteryzował się będzie płaskim przebiegiem charakterystyki, to w momencie gdy podłączony doń wzmacniacz „wykaże” się impedancją na wyjściu równą 4 omy, na charakterystyce crossovera w punkcie podziału niespodziewanie pojawi się ok. 1,5-decybelowy „pik”. Jak widać, nie jest to duży wpływ na parametry zwrotnicy, jak w przypadku zmiany impedancji głośnika, niemniej jednak pewien wpływ jest. A co z odpowiedzią „nie”? Otóż proszę zauważyć, iż to stosunkowo niewielkie podbicie na charakterystyce pojawia się, gdy impedancja wyjściowa wzmacniacza osiągnie wartość ok. 4 omów, a przecież współczesne wzmacniacze tranzystorowe (czy też na układach scalonych) charakteryzują się impedancją wyjściową rzędu ułamków oma. Tak więc można założyć, że problem ten nie będzie dla nas istotny. Co innego, gdy mamy do czynienia ze wzmacniaczami lampowymi, które mogą się charakteryzować impedancją wyjściową właśnie rzędu kilku omów, ale tego typu urządzeń nie stosuje się w sprzęcie nagłośnieniowym, więc ten temat możemy zamknąć.

TEMPERATURA

Temperatura, jak pewnie wszystkim wiadomo, może nieźle „nabruździć” niemalże w każdej dziedzinie, dlaczegóżby więc my mielibyśmy mieć lepiej niż inni? Miedź, z której przeważnie wykonuje się cewki głośników (drugi, ale już mniej popularny, materiał to aluminium) charakteryzuje się temperaturowym współczynnikiem rezystancji w granicach 0,39-0,43% na stopień Celsjusza (średnio przyjmuje się 0,395%). Impedancja znamionowa i ta, której wartość przyjmuje się w momencie projektowania zwrotnicy, jest impedancją w temperaturze pokojowej, tj. przeważnie 20oC. Biorąc pod uwagę, że podczas pracy głośnika jego cewka może nagrzać się do temperatury 150oC (a nawet większej) rezystancja cewki głośnika o znamionowej impedancji 8 Om, która w temperaturze pokojowej wynosi ok. 6,6 Om, wzrośnie do około 10 Om, a więc prawie dwukrotnie. To sprawia, że również impedancja wzrośnie odpowiednio, co będzie powodować zwiększenie obciążenia zwrotnicy, zależnie od tego, z jaką mocą gra w danym momencie głośnik.

Zapewne zdarzyło Wam się nie raz słyszeć na własne uszy lub też z ust innych osób, że zupełnie przyzwoicie brzmiące głośniki przy wyższych poziomach odtwarzania zaczynały brzmieć „ostro” czy też „kanciasto”, mówiąc krótko – nieprzyjemnie. Może to być spowodowane złym doborem wzmacniacza, który pracuje już na granicy swoich możliwości, tj. na granicy przesterowania (czy wręcz już poza nią). Ale może to być spowodowane również innym zjawiskiem, tzw. „kompresją mocy” przetwornika. Szczególnie podatne na to zjawisko są głośniki niskotonowe, gdyż z reguły są zasilane większą mocą, niż przetworniki wysokotonowe. Ponadto w wielu driverach wykorzystuje się ferrofluid, który nie tylko zwiększa tłumienie i redukuje rezonans, ale również poprawia efektywność chłodzenia cewki, czyli własności mocowe przetwornika. W efekcie tego temperatura cewki drivera rośnie znacznie wolniej, niż woofera, w skutek czego względna efektywność drivera (wyrażona w dB/m/W) pozostaje mniej więcej na tym samym poziomie, podczas gdy woofera spada (co jest spowodowane wzrostem jego impedancji).

Pytanie brzmi – co z tym fantem możemy zrobić? Odpowiedź jest niestety niezbyt optymistyczna – w zasadzie nic. Można co prawda wykorzystać odpowiedni termistor, który będzie kompensował temperaturowe zmiany rezystancji uzwojenia cewki, ale po pierwsze wprowadzamy kolejny element pasywny, który będzie nam „zjadał” energię użyteczną, a więc jeszcze bardziej zmniejszał i tak lichą efektywność (która dla głośników otwartych przeważnie nie przekracza 1%!), a po drugie termistor jest elementem nieliniowym, a więc będzie wprowadzał do sygnału niepożądane zniekształcenia nieliniowe. Tak więc w efekcie może się okazać, że niewarta skórka wyprawki.

Jednak, co dla nas bardziej w tym momencie istotne z punktu widzenia tematyki tego artykuły, wraz z nieuniknionym wzrostem temperatury cewki pojawi się nie tylko zjawisko kompresji mocy, ale również będzie to miało wpływ na pracę i finalne parametry zwrotnicy. Wraz ze zmianą impedancji obciążenia crossovera zmienia się częstotliwość podziału, jak również kształt charakterystyki filtru. Spójrzmy na mały

PRZYKŁAD

Rozpatrzmy idealny głośnik niskotonowy o impedancji równej 8 Om, która jest niezmienna w funkcji częstotliwości (a więc jej charakterystyka będzie płaska). Z głośnikiem współpracuje pasywny filtr Butterwortha o częstotliwości granicznej (tj. w miejscu, gdzie jego charakterystyka osiąga -3 dB) równej 3 kHz (co ilustruje rysunek 6). Nasz hipotetyczny głośnik zaczyna pracować, i to tak intensywnie, że jego cewka, nawinięta miedzianym drutem, nagrzewa się do temperatury 150oC, tak że jej impedancja wzrasta do 11 Om.

 

Co się dzieje z naszym filtrem? Częstotliwość podziału zmienia się i przyjmuje teraz wartość 3,8 kHz, zmienia się również kształt charakterystyki. Filtr Bessela staje się filtrem Butterwortha, a filtr Butterwortha – filtrem Czebyszewa. Oba efekty zmiany impedancji cewki widać na rysunku 7 – przesunęła nam się wyżej częstotliwość podziału i pojawił się charakterystyczny dla filtru Czebyszewa „pik” tuż przed tym, jak charakterystyka zaczyna opadać.

Spójrzmy co dzieje się z driverem. Załóżmy, że jest on chłodzony ferrofluidem, a więc z tego powodu, oraz z uwagi na to, że do drivera podawana jest relatywnie mniejsza moc, jego impedancja wzrasta, powiedzmy, tylko do 9 Om. Dzięki temu zmiana częstotliwości podziału filtru górnoprzepustowego będzie mniejsza, tak że nowa częstotliwość przyjmie wartość 2,7 kHz. Zmieni się też oczywiście trochę kształt charakterystyki filtru, choć w mniejszym stopniu niż to miało miejsce w przypadku filtru dolnoprzepustowego.

W wyniku tego zwrotnica, która w temperaturze pokojowej będzie miała ładną, płaską charakterystykę z punktem podziału przy 3 kHz, w tej sytuacji ma 1,1-kilohercową zakładkę. Efekt tego jest nie tylko widzialny (spójrzmy na rysunek 8), ale przede wszystkim słyszalny – trudno nie zwrócić uwagi na prawie 5-decybelowe podbicie na charakterystyce w okolicy 2,8 kHz – mniej więcej tutaj będzie znajdować się środek nakładających się na siebie pasm. Gdyby zaś driver „doświadczył” podobnej jak woofer zmiany impedancji spowodowanej temperaturą (co np. może mieć miejsce, jeśli będzie miał cewkę nawiniętą drutem aluminiowym i bez chłodzenia ferrofluidem), rejon nakładania się pasm będzie jeszcze szerszy, co jeszcze bardziej pogorszy i tak nieciekawą charakterystykę wynikową. Co prawda podbicie nie powinno się zwiększyć, ale na pewno się poszerzy. Jak to wpłynie na charakterystykę fazową oraz na dyspersję głośnika, to osobny temat, który – na dodatek – nie jest tak łatwo przewidywalny, jak wpływ na charakterystykę amplitudową. Na pewno będzie gorzej, pytanie tylko jak bardzo?

Idąc dalej w naszych teoretycznych rozważaniach może się okazać, że obniżenie częstotliwość odcięcia filtru górnoprzepustowego, powodujące poszerzenie pasma sygnału przetwarzanego przez driver, spowoduje, iż większa moc będzie doń dostarczona, co jeszcze bardziej podniesie temperaturę jego cewki, a to znów obniży częstotliwość filtru i jeszcze więcej mocy trafi do drivera, itd. – samonapędzająca się machina destrukcji. Choć raczej jest mało prawdopodobne, aby rozkręciła się ona do poziomu autodestrukcji drivera, to fakt jest faktem, że teoretycznie istnieje taka niemile widziana możliwość. Opisany w tym przykładzie mechanizm jest do uniknięcia, jeśli zastosuje się zwrotnicę niskiego poziomu, a więc aktywny crossover dzielący pasmo jeszcze przede wzmacniaczem mocy. Co prawda nie jest to temat do rozważania w tym artykule – wrócimy jeszcze do niego w kolejnych numerach – ale trzeba przyznać, że o ile efektu kompresji mocy w ten sposób nie unikniemy, o tyle żadne niepożądane przesunięcia częstotliwości podziału ani związane z tym wszelkie „atrakcje” nam nie grożą.

WARUNKI ATMOSFERYCZNE

Na koniec, bo miejsca nam ubywa (choć nie wyczerpaliśmy całkowicie tematu wad zwrotnic pasywnych), dwa zdania o warunkach atmosferycznych, które też mogą mieć swój niekorzystny wpływ na pracę zwrotnic. O temperaturze już wiemy – jeśli będziemy pracować w podwyższonej temperaturze otoczenia, chłodzenie cewek głośników będzie jeszcze mniej efektywne, a więc opisane wcześniej efekty mogą się nieco spotęgować. Z drugiej strony w zimie, gdy temperatura spadnie poniżej zera, powinno być z tym nieco lepiej.

Jest jeszcze jeden aspekt niekorzystnego wpływu temperatury, a także wilgotności powietrza oraz wysokości nad poziomem morza, na której przyjdzie pracować głośnikom. Te trzy parametry wpływają bowiem na gęstość powietrza, a jej zmiany przekładają się na zmiany obciążenia membrany głośnika, co z kolei – rozpatrując elektroniczny schemat zastępczy przetwornika otwartego – wpływa na jego sumaryczną impedancję. I znów ta impedancja i znów jej wpływ na parametry pasywnych zwrotnic! Na szczęście w tym przypadku tego typu zmiany są raczej symboliczne i raczej niesłyszalne, aczkolwiek jak do tej pory chyba nikt nie pokusił się o przeprowadzenie rzetelnych badań nad wpływem warunków atmosferycznych na pracę głośnika czy też nawet układu głośnik-zwrotnica. Generalnie jednak można przyjąć, iż w granicach normalnych zmian owych parametrów, jakich doświadczamy w zakresie umiarkowanych szerokości geograficznych, wpływ temperatury, wilgotności i wysokości n.p.m. na pracę zwrotnic pasywnych możemy spokojnie pominąć.

Piotr Sadłoń

---

Jak wspomniałem, to nie koniec problemów z pasywnymi zwrotnicami. Do tego tematu wrócimy w kolejnym numerze.