Głośnik dynamiczny. Parametry Thiele-Smalla

Cewka i magnes tworzą „silnik” głośnika. Ruch membrany jest kontrolowany i ograniczany przez resory (zawieszenia) znajdujące się na jej brzegu (górny) oraz w miejscu połączenia z karkasem cewki (dolny). Resory te pozwalają membranie na swobodny ruch wzdłuż osi magnesu, bez ocierania cewki o ściany szczeliny magnetycznej.

Jednak ważniejsze od znajomości zasad działania głośnika jest zrozumienie jego kluczowych parametrów oraz ich znaczenia. Do roku 1970 nie istniały łatwe ani przystępne metody pozyskiwania danych, które pozwalałyby na dokonywanie bezpośrednich porównań efektywności poszczególnych modeli głośników. Testy laboratoryjne były kosztowne i dla tysięcy hobbystów po prostu nieosiągalne. Należało więc wypracować standardowe kryteria pomiarowe, które pozwoliłyby producentom na publikację danych, dzięki którym potencjalni nabywcy mogliby porównywać różne modele przetworników.

Wszystko zaczęło się zmieniać na początku lat 70., jednak prawdziwy przełom nastąpił, gdy Audio Engineering Society opublikowało dokumentację opisującą coś, co dzisiaj znamy jako parametry Thiele-Smalla. Autorzy wspomnianego dokumentu, A.N. Thiele i Richard H. Small, włożyli ogrom pracy w opisanie wpływu parametrów, które zostaną omówione poniżej, na współpracę głośnika z określoną obudową. Parametry te mogą być bardzo pomocne przy wyborze przetworników, ponieważ powiedzą nam one znacznie więcej o efektywności danego głośnika niż podstawowe pomiary średnicy, mocy maksymalnej czy też średniej skuteczności. Dzięki ich zrozumieniu możemy też posiąść umiejętność odróżniania lepszych konstrukcji głośnikowych od słabych.

A zatem omówmy parametry zdefiniowane przez dwóch panów naukowców z Australii, Thiele’a i Smalla.

Fs – jest to częstotliwość rezonansowa głośnika w wolnej przestrzeni, czyli niezabudowanego. Mówiąc najprościej, jest to punkt, w którym masa poruszających się elementów ruchomych głośnika równoważy sztywność elementów zawieszenia.

Jeśli widzieliście kiedyś linkę, która zaczyna w niekontrolowany sposób drżeć i brzęczeć na wietrze, to byliście świadkami pojawienia się efektu osiągnięcia przez nią częstotliwości rezonansu. Ważne jest, by znać tę właściwość głośnika, gdyż pozwoli to uniknąć „dzwonienia” obudowy.

Parametry, które mają największy wpływ na częstotliwość rezonansu głośnika, to masa elementów ruchomych, a także sztywność elementów zawieszenia. Generalnie przyjmuje się, że niższa wartość Fs wskazuje woofer o lepszym przetwarzaniu niskich częstotliwości niż taki, dla którego Fs jest wyższa. Jednak nie należy tej reguły stosować bezkrytycznie, albowiem na ostateczną efektywność głośnika mają wpływ także inne parametry.

Re – rezystancja uzwojenia cewki przy przepływie prądu stałego, mierzona za pomocą omomierza i często wyrażana jako „DCR”. Wynik takiego pomiaru jest niemal zawsze niższy niż nominalna impedancja głośnika. To często wprowadza w rozterkę nabywców, którzy – widząc wartość Re niższą od impedancji – obawiają się przeciążenia posiadanego wzmacniacza. Jednakże z uwagi na fakt, iż induktancja głośnika rośnie wraz z częstotliwością, mało prawdopodobnym jest, by wzmacniacz „potraktował” rezystancję DC jako rzeczywiste obciążenie.

Le – induktancja cewki mierzona w milihenrach (mH). Przemysłowym standardem jest pomiar induktancji przy częstotliwości 1 kHz. Wzrostowi częstotliwości towarzyszy wzrost impedancji powyżej Re, ponieważ cewka zachowuje się jak induktor. W konsekwencji impedancja głośnika nie jest stałą rezystancją i można ją odwzorować jako krzywą, której przebieg zmienia się w funkcji częstotliwości sygnału wejściowego. Maksymalną wartość (Zmax) impedancja uzyskuje w punkcie Fs.

Parametry Q: Qms, Qes oraz Qts – to wskaźniki określające skuteczność działania zawieszenia głośnika, gdy osiąga on punkt częstotliwości rezonansu (Fs). Zadaniem zawieszenia jest niedopuszczenie do tego, by jakiekolwiek ruchy membrany powodowały stykanie się cewki z korpusem magnesu (co mogłoby doprowadzić do uszkodzenia przetwornika). Zawieszenie musi też pełnić rolę amortyzatora. Qms, czyli współczynnik dobroci mechanicznej, jest wskaźnikiem tłumienia mechanicznego systemu zawieszenia (na obrzeżu membrany i przy karkasie). Te elementy można traktować na podobieństwo sprężyn. Qes – współczynnik dobroci elektrycznej – to z kolei wskaźnik tłumienia systemu elektrycznego (cewka i magnes). Przeciwnie działające siły zawieszenia mechanicznego i elektrycznego pozwalają amortyzować ruchy membrany. Qts określa się jako „dobroć wypadkową” danego przetwornika. Oblicza się ją poprzez przemnożenie Qes przez Qms i podzielenie wyniku przez sumę obu czynników.

Ogólna zasada mówi, że Qts o wartości 0,4 lub mniejszej oznacza, iż dany przetwornik najlepiej sprawdzi się w obudowie z otworem. Qts pomiędzy 0,4 i 0,7 wskazuje przetwornik, dla którego najodpowiedniejsza będzie obudowa zamknięta, natomiast wartość 0,7 lub wyższa cechuje przetworniki przystosowane do pracy w wolnej przestrzeni lub nieograniczonej przegrodzie.

Vas/Cms – Vas reprezentuje ilość powietrza, które po skompresowaniu do objętości jednego metra sześciennego osiąga podatność równoważną podatności systemu zawieszenia membrany. Wartość Vas jest bardzo trudna do zmierzenia, ponieważ ciśnienie powietrza zmienia się wraz z wilgotnością i temperaturą – w związku z tym wymaga przeprowadzenia pomiarów w warunkach laboratoryjnych.

Cms wyraża się liczbą newtonów na metr i reprezentuje siłę wywieraną przez mechaniczny system zawieszenia membrany. Mówiąc najprościej, określa jego podatność bądź – patrząc od drugiej strony – sztywność. Dobór wartości Cms, z uwzględnieniem parametrów Q, przypomina więc projektowanie zawieszenia samochodu. Konstruktorzy muszą zdecydować, czy ma ono zapewniać komfort podczas podróżowania, czy też ma być precyzyjnie zestrojone pod kątem wyścigów. Jeśliby szczyty i doliny przebiegu audio postrzegać jak profil drogi, to idealnym zawieszeniem membrany byłoby takie, który pozwoliłoby hipotetycznemu samochodowi na komfortowe pokonywanie najtrudniejszego terenu, pracując z precyzją i skutecznością zawieszenia rajdowego, i to przy prędkości samolotu odrzutowego.

Vd (Peak Diaphragm Displacement Volume) – mówiąc po naszemu, jest to objętość powietrza poruszanego, czy też tłoczonego, przez membranę. Oblicza się ją jako iloczyn Xmax (wychylenie membrany głośnika) i Sd (efektywna powierzchnia membrany). Vd wyrażamy w centymetrach sześciennych, a najwyższe wartości są pożądane dla przetworników subbasowych.

BL – parametr wyrażany w teslach na metr i określający siłę układu magnetycznego głośnika. Inaczej mówiąc, wskazuje, na ile skutecznym sztangistą mógłby być dany głośnik. Na membranę wywiera się określony nacisk, a jednocześnie mierzy wartość prądu potrzebnego do zrównoważenia owego nacisku. BL oblicza się dzieląc wartość przyłożonej masy w gramach przez natężenie prądu, wyrażone w amperach. Wysoki współczynnik  BL cechuje bardzo mocne przetworniki.

Mms – kombinacja masy układu drgającego membrany i obciążenia powietrznego. Ustalenie masy membrany nie stanowi problemu. Trudność pojawia się, gdy należy określić obciążenie powietrzne. Najprościej mówiąc, jest to masa powietrza (dla objętości wyrażonej jako Vd), które membrana musi przemieścić.

Rms – rezystancja mechaniczna, związana ze stratnością zawieszenia membrany. Jest to wyznacznik zdolności zawieszenia do absorpcji drgań i oblicza się go jako N*s/m.

EBP – obliczamy jako wynik dzielenia Fs przez Qes. Wartość EBP jest stosowana w wielu formułach projektowania obudów głośnikowych w celu ustalenia, czy dany głośnik będzie pracował lepiej w obudowie zamkniętej, czy też otwartej. Wartość EBP zbliżająca się do 100 oznacza, że dany przetwornik przystosowany jest do współpracy z obudową otwartą. Jeśli z kolei współczynnik EBP jest bliższy 50, to świadczy to o tym, iż lepiej będzie, jeśli dany głośnik umieścimy w obudowie zamkniętej. To jest oczywiście jedynie punkt wyjścia. Wiele bardzo udanych systemów głośnikowych zaprojektowano na przekór tej regule! Pod uwagę trzeba bowiem brać także współczynnik Qts.

Xmax/Xmech - to skrót dla pojęcia „maksymalnego wychylenia linearnego”. Gdy cewka zaczyna wysuwać się ze szczeliny magnetycznej, wtedy praca głośnika staje się nieliniowa. Choć przyczyną powstawania nieliniowości w sygnale wyjściowym może być też samo zawieszenie, to generalnie gdy liczba zwojów cewki w szczelinie magnetycznej zaczyna maleć (patrz BL), wówczas zwiększają się zniekształcenia. Xmax to wysokość cewki pomniejszona o grubość jej czoła, dzielona przez dwa. Natomiast Xmech oblicza się mnożąc przez dwa najniższy z wyników pomiarów zdarzeń potencjalnie szkodliwych dla głośnika: zderzanie się resoru dolnego z górną powierzchnią magnesu i/lub zderzanie się krawędzi cewki z tylną powierzchnią magnesu, wyskakiwanie cewki ze szczeliny powyżej rdzenia magnesu, fizyczne ograniczenia membrany. Z tego wyliczenia uzyskujemy wynik informujący nas o maksymalnym dystansie ruchu membrany.

Sd – rzeczywista powierzchnia membrany, zazwyczaj wyrażana w centymetrach kwadratowych.

Zmax – reprezentuje impedancję głośnika w rezonansie.

Użyteczny zakres częstotliwości – producenci określają ten parametr różnymi sposobami i większość z nich uważa się za akceptowalne. Jednakże mogą one prowadzić do różnych wyników.

Technicznie rzecz biorąc, bardzo często się zdarza, że głośniki wykorzystuje się do generowania częstotliwości w zakresach, w których teoretycznie ich skuteczność jest niewystarczająca.

Wraz ze wzrostem częstotliwości pozaosiowy obszar pokrycia maleje, w zależności od średnicy membrany. W pewnym punkcie spektrum obszar ów skupia się do wąskiej wiązki, niczym wiązka światła z latarki (patrz tabelka). Jeśli stojąc przed wzmacniaczem gitarowym lub kolumną głośnikową i przesuwając się w jedną lub w drugą stronę zauważyliście zmianę brzmienia, to dane Wam było doświadczyć tego właśnie zjawiska. Jednakże w przypadku większości konstrukcji dwudrożnych teorię tę zignorowano, a mimo to takie zestawy głośnikowe brzmią całkiem dobrze.

Przetwarzanie mocy – przetwornik musi być w stanie przetworzyć dostarczaną mu moc wejściową. Zasada ogólna mówi, że wzmacniacz przetwarzający sygnał muzyczny dostarcza do głośnika ciągłą moc termiczną, która wynosi około 1/8 mocy maksymalnej poniżej progu przesterowania (nie dotyczy rapu). To dlatego właśnie moc podawana jako wynik testów UL równa jest 1/8 mocy nominalnej.

Głośnik zazwyczaj daje sobie radę z przetwarzaniem szczytów o poziomie o 6 do 10 dB wyższym niż wyznaczona średnia moc ciągła, a dotyczy to szczególnie dość konserwatywnego standardu EIA-426A, stosowanego przez niektórych producentów. Oznacza to, że jeżeli średnia moc ciągła głośnika określona została na 100 watów, to moc wzmacniacza powinna wynosić od 400 do 1.000 W – o ile sygnał wejściowy nie jest skompresowany. Kompresja owego sygnału całkowicie zmienia postać rzeczy.

Ogólnie mówiąc, najważniejszym czynnikiem określającym moc głośnika jest jego zdolność do rozpraszania energii cieplnej. Zwiększa się ją różnymi sposobami, ale najczęściej stosowane środki to duże rozmiary cewek i magnesów, wentylowanie oraz odpowiedni dobór spoiw używanych w konstrukcji cewki. Większe wymiary cewki i magnesu przekładają się na zwiększenie powierzchni rozpraszającej ciepło, natomiast dzięki odpowiedniemu wentylowaniu układu magnetycznego energia cieplna znajduje ujście, a chłodne powietrze może dostawać się do wnętrza układu.

Dobierając moc głośnika należy brać pod uwagę także czynniki mechaniczne. Choć z energetycznego punktu widzenia dany przetwornik może sobie poradzić z 1.000 watów, to jednak może się okazać, że ciągła praca z taką mocą jest dlań szkodliwa, gdyż powoduje ona problemy natury mechanicznej, jak uderzanie cewki w tylną ścianę obudowy magnesu, wysuwanie się cewki ze szczeliny magnetycznej, czy też deformowanie się membrany na skutek zbyt dalekiego wychylenia. Najczęstszą przyczyną takich problemów jest zmuszanie głośnika do generowania większej dawki niskich częstotliwości, niż jest on w stanie – z mechanicznego punktu widzenia – wytworzyć. Aby więc uniknąć podobnych sytuacji, wyliczając realną moc głośnika trzeba uwzględnić zarówno sugerowany dlań użyteczny zakres częstotliwości, jak i wartość parametru Xmech.

Skuteczność – to jeden z najbardziej użytecznych parametrów, jakie producenci podają w specyfikacjach głośników. Informuje on nas o efektywności danego przetwornika oraz o głośności dźwięku, jaką możemy uzyskać przy określonej mocy wejściowej. Producenci wyliczają tę skuteczność różnymi metodami – przemysł nie wypracował w tej kwestii jednego, powszechnie akceptowanego standardu. Z tej też przyczyny często niemożliwe jest dokładne porównanie skuteczności różnych przetworników.

Krzysztof Marecki