Obudowy głośnikowe - Obudowa bass-reflex

W obudowie tej wykorzystano nie tylko promieniowanie przedniej strony membrany głośnika niskotonowego (bo głównie on ma tu najwięcej do powiedzenia), ale również i jej tylną stronę. Ponieważ nie da się tego zrobić w prosty sposób, gdyż obie strony promieniują fale w przeciwfazie, a więc teoretycznie znosiłyby się nawzajem, skorzystano z pewnego ciekawego zjawiska zwanego

ANTYREZONANSEM OBUDOWY

Polega ono na tym, że jeśli w obudowie zamkniętej wywiercimy otwór (patrz rysunek 1), to przy pewnej częstotliwości masa akustyczna w otworze i podatność obudowy utworzą układ rezonansowy, który będzie drgał promieniując fale akustyczne o tej częstotliwości.

 

Promieniowanie otworu wiąże się z dużym obciążeniem membrany głośnika rezystancją akustyczną, czyli po prostu będzie ono tłumiło drgania membrany. Wbrew pozorom nie jest to jednak zjawisko dla nas niekorzystne, gdyż „zestrojenie” drgań otworu (zwanego właśnie antyrezonansem obudowy) z rezonansem membrany pozwoli osłabić nadmierne wychylenia membrany głośnika przy jego częstotliwości rezonansowej. Jednocześnie otwór rezonansowy przejmie promieniowanie tych częstotliwości, co zrekompensuje, a nawet wzmocni, stłumienie drgań membrany. Za jednym zamachem uchronimy więc głośnik przed nadmiernym wychyleniem i możliwością uszkodzenia zawieszenia membrany, wzmocnimy odtwarzanie niskich częstotliwości oraz zmniejszymy zniekształcenia nieliniearne. Ta ostatnia właściwość bierze się stąd, że membrana przy dużych wychyleniach pracuje nieliniowo (nierównomierny rozkład pola magnetycznego w szczelinie, nieliniowość zawieszeń, ściśliwość powietrza), natomiast drgania w otworze, lub jeszcze lepiej kanale, nie wykazują nieliniowości.

Na rysunku 2 możemy zaobserwować porównanie zniekształceń powstających przy odtwarzaniu dźwięków o takim samym poziomie natężenia przez urządzenia głośnikowe z obudową otwartą i obudową bass-reflex. Widać wyraźną różnicę w zakresie małych częstotliwości, oczywiście na korzyść obudowy z otworem.

IMPEDANCJA

Nieco inaczej wygląda też przebieg charakterystyki impedancji obudowy bass-reflex – zamiast jednego rezonansu pojawiają się dwa, oddzielone „dolinką”, która jest wynikiem istnienia antyrezonansu obudowy (czyli rezonansu masy powietrza w kanale i podatności obudowy). Wystarczy teraz tak dobrać częstotliwość antyrezonansu, aby pokrywała się ona z częstotliwością rezonansu głośnika i uzyskamy jego tłumienie zgodnie z tym, co napisałem powyżej. Aby to osiągnąć między membraną głośnika a otworem musi występować wzajemna rezystancja promieniowania, a jest ona uwarunkowana bliską odległością głośnika i otworu.

STRATY

Jak w każdej obudowie i tutaj nie uchronimy się od strat. W przypadku obudowy z otworem są one trojakie: straty spowodowane pochłanianiem dźwięku przez wnętrze obudowy, straty związane z tarciem powietrza w otworze oraz straty spowodowane nieszczelnością obudowy. Ktoś może się zdziwić, jak możemy mówić o szczelności obudowy, w której „wyrżnięty” jest jeden albo kilka sporych rozmiarów otworów? Sęk w tym, że ten otwór (otwory) „pracuje dla nas”, gorzej z innymi nieszczelnościami, zwłaszcza że, jak się okazuje, straty związane z nimi są największe z trzech wymienionych. Okazuje się również, że za straty te odpowiedzialne są nie tyle nieplanowane otwory w obudowie, co nieszczelności głośnika(ów).

Czas wreszcie powiedzieć coś o samej

CHARAKTERYSTYCE

A prawdę powiedziawszy to trzeba tu stosować liczbę mnogą. W procesie projektowania możemy bowiem założyć sobie jak mniej więcej przebiegać ma charakterystyka, co później determinuje niektóre parametry. Nie chodzi oczywiście o jakiś z góry założony przebieg charakterystyki, a o jej rodzaj. A w przypadku obudowy z otworem mamy ich aż 3 (rysunek 3). Pokrótce o każdej z nich:

– charakterystyka B4 (Butterwortha 4-rzędu) jest tylko jedna, zapewnia najmniejsze zafalowania w paśmie przenoszenia, nachylenie 24 dB/oktawę poza pasmem i pośrednią (w stosunku do pozostałych charakterystyk) wartość częstotliwości trzydecybelowego spadku (czyli częstotliwości, przy której poziom sygnału spadnie o 3 dB w stosunku do średniego poziomu sygnału w paśmie przenoszenia urządzenia),

– charakterystyki C4 (Czebyszewa 4-rzędu) – może być ich kilka, w zależności od doboru parametru k. Wystarczy wiedzieć o nim tyle, że im jest on mniejszy (zawsze mieści się w zakresie od 0 do 1), tym częstotliwość 3-decybelowego spadku jest niższa, ale kosztem większych zafalowań. Nachylenie tych charakterystyk poza pasmem przenoszenia jest zawsze 24 dB/oktawę, niezależnie od parametru k.

– charakterystyki QB4 (quasi-maksymalnie płaskie 4-rzędu) również mogą się różnić, w zależności od parametru B (o wartościach od 0 wzwyż). Charakteryzują się małym zafalowaniem, nachyleniem poza pasmem przenoszenia 18 dB/oktawę oraz, niestety, największymi wartościami częstotliwości 3-decybelowego spadku charakterystyki.

No dobrze, ale co tak naprawdę z tego wynika? Ano wynika, że na przykład mniejsze częstotliwości 3-decybelowego spadku charakterystyki można osiągnąć przy charakterystykach typu C4, co jednak wymaga stosowania dużych obudów. Charakterystyki te będą wykazywały zafalowania tym większe, im mniejsza będzie ta częstotliwość. Aby głośnik mógł być stosowany w obudowie z otworem, dobroć głośnika QTS powinna być mniejsza niż 0,6, w przeciwnym razie będziemy musieli stosować kolosalnych rozmiarów obudowy. Małą wartością QTS charakteryzują się głośniki mające dużą podatność zawieszeń.

SPRAWNOŚĆ I ODTWARZANIE STANÓW PRZEJŚCIOWYCH (IMPULSÓW)

Maksymalną sprawność urządzenia głośnikowego z otworem możemy uzyskać dla charakterystyki C4, gdy k=0,5 (zafalowania 0,2 dB). Zasadniczo sprawność urządzenia głośnikowego z otworem dla standardowych obudów, nazwijmy je „powszechnego użytku”, nie przekracza 2%. Natomiast czas ustalenia się odpowiedzi na skok sygnału (impuls) jest tym dłuższy, im bardziej strome jest nachylenie amplitudowej charakterystyki częstotliwościowej. Dlatego można się spodziewać, iż w urządzeniach głośnikowych z otworem lepsze właściwości podczas odtwarzania stanów przejściowych będą miały urządzenia o charakterystyce przenoszenia typu QB4, niż te o charakterystyce typu B4 czy C4.

WYTŁUMIENIE

Wnętrze obudowy z otworem pokrywa się materiałem dźwiękochłonnym. Jednak w tym wypadku nie wypełnia się całej obudowy, tylko pokrywa się ścianki 1-7 centrymetrową warstwą prasowanej waty szklanej lub mineralnej albo jakąś tkaniną tłumiącą.

Na zakończenie małe porównanie. Rysunek 4 przedstawia przebieg charakterystyk poziomu ciśnienia akustycznego wytworzonego przez głośnik 10”, o częstotliwości rezonansowej 30 Hz, umieszczony w obudowach: otwartej, zamkniętej i bass-reflex. W tej ostatniej zastosowano trzy różne powierzchnie otworów. Zwiększając powierzchnię otworu zwiększamy poziom odtwarzania małych częstotliwości, ale przesuwamy częstotliwość 3-decybelowego spadku w górę. Zmniejszenie, na odwrót, pozwala poszerzyć pasmo przepustowe. Podobnie wydłużenie kanału spowoduje obniżenie częstotliwości dolnej.

Piotr Sadłoń

---

Piotr Sadłoń jest Redaktorem Naczelnym Live Sound Polska. Kontakt: sadlon@livesound.pl