X4L - wzmacniacz z DSP z serii X
Biznes „nagłośnieniowy” – w porównaniu z innymi dziedzinami techniki (np. przemysłem samochodowym, czy ...
Różnica polega jedynie na tym, że w przypadku głośnika wstawienie go w nawet najprostszą obudowę powoduje obiektywną poprawę parametrów przetwarzania, natomiast w przypadku niektórych kobiet taka obudowa (czytaj: kreacja, makijaż i fryzura) tylko subiektywnie polepsza efekt końcowy. Ponieważ LSI nie jest zobligowane do wypowiadania się w kwestii kobiecego wyglądu czy wdzięku, zajmijmy się wpływem obudowy na jakość przetwarzanych przez głośnik dźwięków.
W poprzednim numerze, w artykule wprowadzającym, powiedzieliśmy sobie co nieco o tym, jak promieniuje sam głośnik i co dzieje się, jeśli wstawimy go do mocno niepraktycznej odgrody oraz do rzadko stosowanej obudowy otwartej. W tym artykule zaczniemy stąpać już po bardziej realnym gruncie. Jeśli bowiem zamkniemy głośnik w szczelnej skrzynce powstanie
OBUDOWA ZAMKNIĘTA
Jednakże w tym przypadku obudowa taka stwarza zupełnie inne warunki pracy dla głośnika, niż omawiane w poprzednim artykule odgroda i obudowa otwarta. Mamy tu bowiem do czynienia z całkowitą separacją przedniej części membrany od tylnej, a więc nie musimy się już zajmować oddziaływaniem fal emitowanych przez tył przetwornika na falę bezpośrednią. W tym jednakże przypadku mamy do czynienia z obciążeniem każdej strony membrany inną impedancją. Aby poddać analizie urządzenie głośnikowe można skorzystać z parametrów Thiele-Smalla. Podarujemy sobie oczywiście szczegółową analizę matematyczną, ale pewnych podstawowych informacji pominąć nie możemy.
W przypadku umieszczenia głośnika w obudowie zamkniętej mamy do czynienia z całkowitą
separacją przedniej części membrany od tylnej.
PARAMETRY CHARAKTERYSTYCZNE
Chcąc zasymulować zachowanie się naszej obudowy w realnych warunkach trzeba stworzyć jej schemat zastępczy. Jego szczegółowy wygląd nie ma w tym momencie dla nas aż tak istotnego znaczenia, ale warto wiedzieć, jakie parametry z tym związane mogą się pojawić. Są to:
– fs – częstotliwość rezonansowa, podawana dla głośników bez obudowy (fSA) lub w wybranej obudowie (fSB),
– QMS – stosunek równoważnej elektrycznej rezystancji strat nieelektrycznych w głośniku do reaktancji ruchowej, przy fS,
– QMS – stosunek rezystancji elektrycznej cewki do reaktancji ruchowej przy fS,
– VAS – podatność akustyczna zawieszenia membrany głośnika, wyrażona przez odpowiadającą jej objętość powietrza.
– QT – wypadkowa dobroć całego urządzenia głośnikowego, czyli połączonego układu, składającego się z głośnika, obudowy i ewentualnie otworów bądź membran biernych, w zależności od tego, z jaką obudową będziemy mieć do czynienia.
Znając ten ostatni parametr możemy oszacować, jak nasze urządzenie reagować będzie na stany nieustalone. O tym, jak zachowuje się urządzenie głośnikowe w stanach przejściowych, możemy przekonać się znając odpowiedź impulsową urządzenia. Jest to charakterystyka przedstawiająca wychylenie membrany głośnika w konkretnej obudowie w funkcji czasu, przy pobudzeniu go impulsem jednostkowym. Ze zwiększaniem się dobroci wypadkowej układu QT zwiększa się maksymalna prędkość membrany. Im wartość QT jest większa od wartości 0,5, tym większy jest czas ustalenia się odpowiedzi, czyli czas, po którym urządzenie głośnikowe, pobudzone impulsem jednostkowym napięcia, przestaje promieniować fale akustyczne.
W praktyce znacząca większość urządzeń głośnikowych ma QT większe od 0,5. Oznacza to, że urządzenie pobudzone impulsem wysyła falę sinusoidalną gasnącą (czyli zanikającą z biegiem czasu), o częstotliwości równej częstotliwości rezonansowej urządzenia fS. Jeżeli czas ustalenia jest zbyt duży, to można usłyszeć ten dźwięk. Przyjmuje się, że prędkość zaniku stanu przejściowego powinna być taka, aby czas zaniku drgań od poziomu maksymalnego do progu słyszalności przy danej częstotliwości fS nie przekraczał około 200-300 ms. Wraz ze zwiększeniem QT zwiększa się również wychylenie membrany, więc dla zbyt dużych dobroci (czyli naszego QT) mogą pojawić się zniekształcenia wywołane przekroczeniem zakresu linearnej pracy cewki głośnika oraz zniekształcenia modulacyjne. Dlatego właściwe tłumienie ma wpływ nie tylko na właściwości urządzenia w stanie ustalonym, ale również w stanach przejściowych i na zniekształcenia nielinearne.
Zestawów głośnikowych z obudową zamkniętą próżno szukać wśród urządzeń stosowanych
do nagłaśniania, ale już wśród monitorów studyjnych – jak najbardziej, choć też nie jest to
popularne rozwiązanie.
TŁUMIENIE WEWNĄTRZ OBUDOWY ZAMKNIĘTEJ
Skoro poruszyliśmy temat tłumienia, to powiemy coś więcej na ten temat, a później powrócimy do tematu analizy wpływu obudowy zamkniętej na właściwości „odtwórcze” głośnika w tej obudowie.
Dobierając rodzaj i ilość materiału dźwiękochłonnego można, o czym powyżej wspominałem, zmniejszyć dobroć układu rezonansowego. Jeśli spojrzymy na charakterystykę impedancji dowolnego głośnika, to zauważymy, że występuje na niej punkt, w którym wybija się ona dość znacznie ponad „przeciętność”. Oznacza to, że teoretycznie w tym punkcie otrzymujemy zwiększenie sprawności głośnika, na czym ogólnie nam zależy, ale bardziej zależy nam na tym, aby głośnik przenosił wszystkie częstotliwości jednakowo: ani nie tłumił, ani nie „faworyzował”, czyli podbijał, żadnej z nich. Punkt ten odpowiada częstotliwości rezonansowej głośnika, dlatego zależy nam, aby odpowiednio stłumić wychylenia membrany w rezonansie. Właśnie dzięki odpowiedniemu wytłumieniu obudowy możemy zmniejszyć dobroć całego układu (głośnik-obudowa) i przez to zmniejszyć akustyczną moc promieniowania w zakresie rezonansu.
Materiał dźwiękochłonny, wyściełający wnętrze obudowy, nie tylko poprawia pracę głośnika przy rezonansie, lecz również przeciwdziała powstawaniu silnych drgań własnych obudowy. Drgania te występują przede wszystkim, gdy głębokość obudowy jest równa połowie długości fali i objawiają się znacznym zmniejszeniem mocy promieniowanej przez głośnik (antyrezonans obudowy). W tym przypadku szczególnie skuteczne jest umieszczenie materiału dźwiękochłonnego na przeciwległej ścianie głośnika. Jako materiał taki stosuje się w dużych i średnich obudowach 2,5-centymetrową warstwę waty mineralnej, szklanej lub gąbki. W mniejszych obudowach, których największy rozmiar jest mniejszy niż 45 cm, wystarczająca jest warstwa o grubości 1 cm.
Właściwości głośnika w obudowie zamkniętej można jeszcze poprawić przez wypełnienie całego wnętrza obudowy miękkim, lekkim materiałem włóknistym (np. kapok, wata celulozowa). Wiąże się to ze zmianą przebiegów termodynamicznych w fali akustycznej z adiabatycznych w izotermiczne. Związana jest z tym zmiana prędkości dźwięku z 340 m/s na 290 m/s, a więc przy zachowaniu tych samych stosunków długości fal do rozmiarów obudowy rozmiary te mogą być mniejsze o ok. 15%, zaś objętość obudowy o ok. 40 %. Jest więc o co się „bić”! Choć praktycznie maksymalnie można osiągnąć zmniejszenie objętości obudowy o 25%.
Właściwości głośnika w obudowie zamkniętej można jeszcze poprawić przez
wypełnienie całego wnętrza obudowy miękkim, lekkim materiałem włóknistym.
Jak w każdym przypadku, tak i tu przesada nie jest wskazana, gdyż umieszczenie dużej ilości gęstego materiału pochłaniającego blisko głośnika powoduje zwiększenie strat mechanicznych i wskutek tego zmniejszenie QMS.
CZĘSTOTLIWOŚĆ REZONANSOWA I CHARAKTERYSTYKA AMPLITUDOWA
Ponieważ podatność wnętrza obudowy dodaje się do podatności zawieszeń membrany głośnika, powoduje to zwiększenie częstotliwości rezonansowej układu fC (literka C, pochodząca od angielskiego słowa compact, oznacza, że parametry dotyczą głośnika w obudowie zamkniętej). Stąd pierwszy wniosek, iż umieszczenie głośnika w obudowie zamkniętej ZAWSZE powoduje zwiększenie częstotliwości rezonansowej, przy czym zwiększenie fC jest tym większe, im mniejszą objętość ma obudowa. Częstotliwość rezonansowa fC zależy również od powierzchni membrany. Jeżeli umieścimy w obudowie zamkniętej dwa głośniki o takiej samej masie i podatności, to większą częstotliwość fC będzie miało urządzenie z głośnikiem o większej membranie.
Charakterystyka częstotliwościowa głośnika w obudowie zamkniętej jest funkcją dwóch parametrów urządzenia: jego częstotliwości rezonansowej fC i dobroci QTC (czyli nie dobroci samego głośnika QTC, lecz całego urządzenia QTC). Gdy np. QTC ma wartość 0,707 (czyli 1/ √2 ), wtedy otrzymujemy charakterystykę maksymalnie płaską Butterwortha. Zwiększenie QTC powoduje podbicie charakterystyki, połączone z poszerzeniem pasma w dół. Jednak przy dużych wartościach QTC podbicie rośnie coraz bardziej bez istotnego poszerzenia szerokości pasma. Przebieg przykładowych charakterystyk dwóch głośników o różnych wartościach częstotliwości rezonansowych fS, w obudowie zamkniętej i, dla porównania, w otwartej pokazuje rysunek.
SPRAWNOŚĆ I MOC DOPUSZCZALNA
Okazuje się, że wszystkie środki mające na celu zwiększenie sprawności głośnika powodują jednocześnie podniesienie dolnej częstotliwości pasma przenoszenia. Ogólnie rzecz ujmując sprawność, pasmo i objętość są ze sobą ściśle powiązane. Np. zwiększając wielkość obudowy możemy zwiększyć sprawność lub poszerzyć pasmo. Podobnie, jeśli zwiększymy częstotliwość dolną, można zwiększyć sprawność lub zmniejszyć wymiary obudowy.
Będąc przy temacie sprawności poruszę pewien temat. Często gęsto w opisie technicznym głośników spotykamy parametr zwany sensitivity lub, po polsku, efektywność głośnika. Cóż to jest? Jest to poziom natężenia dźwięku wytwarzanego przez głośnik zasilany mocą 1 W, w odległości 1 m od głośnika. Efektywność jednak można nie tylko zmierzyć, ale i oszacować, korzystając ze wzoru:
E = 92 + 10logηo
przy czym E – efektywność w dB; ηo – sprawność odniesienia w %.
Widać stąd, że maksymalna efektywność głośnika czy urządzenia głośnikowego może mieć (teoretycznie) wartość 112 dB, przy nierealnej zresztą zupełnie sprawności 100%. Dlatego nie dajmy się omamić firmom sprzedającym głośniki z „kosmicznymi” wartościami efektywności rzędu np. 120 dB, bo to zwykły szwindel. Głośnik (bądź urządzenie głośnikowe) mający sprawność 2 % (a więc bardzo dobrą) będzie wykazywał efektywność rzędu 95 dB, a efektywność 90 dB oznacza głośnik o sprawności ok. 0,63%. Przy czym zmierzona efektywność będzie zawsze nieco większa, niż obliczona z powyższego wzoru (gdyż moc akustyczna rzeczywiście promieniowana przez urządzenie jest mniejsza, niż wynika z pomiarów na osi, jak podają zalecenia, na skutek kierunkowości promieniowania).
Moc dopuszczalna, promieniowana przez głośnik, jest proporcjonalna do kwadratu jego wychylenia objętościowego VD, stanowiącego iloczyn powierzchni membrany SD i dopuszczalnego wychylenia membrany xmax. Można zatem uzyskać daną moc akustyczną z głośnika o małej membranie, ale dużym dopuszczalnym wychyleniu. Dzięki temu, a także z uwagi na to, że zwiększenie podatności zawieszeń głośnika umieszczonego w małej obudowie powiększa jego zakres przenoszenia, możliwe jest budowanie urządzeń typu „compact”, mających małe gabaryty, z dopuszczalną mocą akustyczną i częstotliwością rezonansową identycznymi, jak w głośnikach tradycyjnych z dużą obudową. Urządzenie takie będzie niestety miało małą sprawność (pamiętamy „Wielką Trójkę”: sprawność, objętość i częstotliwość dolną i zależności między nimi). Aby więc osiągnąć pożądaną moc akustyczną trzeba doprowadzić dużą moc elektryczną. Problemem jednak jest tu pojawianie się stosunkowo dużych zniekształceń modulacyjnych, z uwagi na duże wychylenia membrany.
Mamy więc z głowy odgrodę, obudowę otwartą i zamkniętą. Z konieczności omówiłem tylko podstawowe własności obudów, gdyż zagłębianie się w proces projektowania to już nie nasza „działka”.
Piotr Sadłoń
Piotr Sadłoń jest Redaktorem Naczelnym Live Sound Polska. Kontakt: sadlon@livesound.pl
